膜蒸馏处理环控生保系统中尿液的研究

尿液的处理与水回收是目前环控生保系统(ECLSS)研究的难点和重点.本文采用膜蒸馏(MD)进行尿液处理,考察膜材料、进料液温度及不同预处理方式对尿液MD处理过程效能的影响.研究发现PTFE膜具有较好的MD性能,温差从15℃提升到45℃时,通量由3.35提高到16.54 kg/(m^(2)·h).尿液处理过程中溶解性有机物(DOM)主要包括酪氨酸类蛋白(C1)、色氨酸类蛋白(C2)及富里酸类物质(C3),C1占比60%以上,C/N比较低.MD过程出现了微生物污染,进一步提升了C2的占比,降低了DOM腐殖化程度.陶瓷膜预处理可截留大分子物质以减缓膜污染;酸化可稳定尿液性质,显著减缓有机-无机-微生物污染,初始通量提高10%,长期稳定性显著提高.本研究为尿液处理与回收提供了一种有效的方案,可支撑ECLSS废水的处理与回用.

航天器环控生保系统载人飞行性能地面试验研究

目的地面重力条件下验证载人航天器环控生保系统载人飞行工作性能。方法构建与真实飞行器密封舱段1:1的试验舱系统,集成了环控生保系统;选拔3名男性作为受试者参加试验,其消耗/代谢的物质和能量作为试验主要负荷;按照真实的载人飞行程序制定试验流程。结果建成了一套仿真程度较高的模拟试验系统;确立了地面条件下环控生保系统性能验证方法;检验了3名受试者代谢负荷下环控生保系统座舱环境控制和生活保障的能力。结论全面检验了环控生保正常飞行工作性能,试验结果对后续研制和载人飞行具有重要意义。

载人航天器环控生保系统50年研制回顾与展望

本文集成载人航天50年来的相关资料,从载人航天器环控生保系统(ECLSS)的分类与应用选择、研制历程和主要特点、美国和俄罗斯技术进展以及未来目标四个方面,系统综述载人航天器环控生保系统研制的发展历程和发展趋势。

基于代谢模拟的环控生保系统性能试验方法研究

为满足长期载人飞行任务环控生保系统地面验证试验的需求,提出了一种人体代谢模拟试验评价方法。通过采用新型模拟方法以及对原有方法的改进,显著提高了耗氧、二氧化碳排出、产湿、产热和微量有害气体排出等人体代谢模拟结果的精度。利用该方法开展了环控生保系统集成性能试验,取得了良好的应用效果。最后对冷凝水水质模型和微量有害气体控制试验方法的改进开展了讨论和展望,有利于提高试验的真实性和有效性。

AI在载人飞船环控生保系统中的应用研究

航天员的生命保障系统是航天任务中要求最高的部分,因此,采用智能化技术来弥补、延伸人的功能在航天员环控生保系统中具有十分重要的意义.介绍了人工智能(artificial intelligence, AI)在载人飞船环控生保系统中的部分应用,通过对数据融合系统、监测与解释系统、危机告警系统、分布式故障处理系统及资源规划和分配系统中的AI应用分析,论证了应用AI技术是提高载人飞船环控生保系统保障效率的有效手段,有着十分重要的意义.

一种基于时间序列的环控生保系统遥测数据预测方法

为实现环控生保系统在轨故障预测与健康管理,研究系统遥测数据的时间序列信息。通过预测关键遥测数据的变化趋势,实现在故障出现之前对其识别、预判。结合环控生保系统遥测数据的特点,通过AIC与BIC相结合的方法确定预测模型。运用该模型对实际工程中遥测数据进行预测验证,结果表明采用该方法对氧分压数据进行前向6点预测,预测精度可达98.2%,可为后续系统在轨故障预测与健康管理提供基础。

基于过程建模的环控生保系统动态仿真

目的在环控生保系统设计初期通过系统仿真的手段完成物质流计算以及方案验证与评估,为后续设计提供数据支撑。方法针对一类典型的基于物化再生技术的环控生保系统建立了动态过程模型,并进行了仿真。其中,包括密闭舱大气环境变化模型、航天员代谢过程模型、电解制氧过程模型、CO2去除过程模型、缓冲池模型(水箱、气瓶等)以及各控制算法(压力控制算法、电解制氧工作流程、CO2去除工作流程等)。结果仿真结果表明,当水处理子系统每天生成电解水的能力应不小于3.14 kg/d,密闭舱总压不会小于87 Kpa,氧分压稳定在21至23 Kpa之间,水闭合程度不大于77%。结论仿真结果真实、准确的展示了基于物化再生技术的环控生保系统内物质流动态转移过程以及密闭舱内大气总压、氧分压以及CO2分压的动态变化过程,为方案验证提供了有力的数据支撑。

近年“国际空间站”美国舱段环控生保系统事件回顾

2010年,“国际空间站”组装完成,环境控制与生命保障(ECLS)系统在加压组成要件中部署完成,形成了包括大气控制与供给、温度和湿度控制、火灾探测与扑灭、大气再生、水回收与管理、真空等6个功能子系统的架构体系。从组装完成起,空间站上的ECLS活动主要集中在维护当前站上系统和进一步了解系统在轨运行规律,包括各种问题、故障的排除,以及对大气控制与供给子系统的改造,对温度和湿度控制子系统、大气再生子系统部分装置的功能升级等。目前,ECLS系统配置仍在继续完善,包括为商业乘员飞船到来进行准备和为探索任务ECLS系统技术验证提供支持。

基于环控生保系统的气体排放控制装置模块化设计研究

气体排放控制装置作为电解制氧子系统中的关键单机,其主要功能在于将电解制氧子系统产生的氢气和氧气实现自动排放。产生的氧气用于维持空间站内航天员在轨时的呼吸,产生的氢气需及时排出以保证系统安全性,气体排放控制装置需具备高可靠性、易维护、易更换的人机工效学要求,以保障空间站能够长期在轨运行。基于上述需求,设计了一种基于环控生保系统的气体自动排放控制装置,该装置包含氢气正常及备份排放支路、氧气正常及备份排放支路。通过力学仿真及力学试验、流量仿真及流量试验,验证了模块化设计的气体排放控制装置的力学、流量等关键指标均满足要求,同时重量比指标要求降低20%,实现了产品的轻量化、小型化设计,对未来类似的集成化组件设计具有一定的借鉴与指导意义。

机械设备研究所中标空间站环控生保系统研制项目

2012年12月18日，北京机械设备研究所成功中标载人空间站环境控制与生命保障系统尿处理系统研制项目，这是该所首次以竞标的方式进入载人空间站任务领域，也开辟了中国航天科工集团公司承接我国载人空间站工程领域核心项目研发的先河，实现了航天科工集团承揽国家重大工程专项任务的又一次重大突破。

NASA深空探索任务对环控生保系统的需求分析及研发策略（下）

从2004年太空探索愿景发布以来，NASA一直在确定和评估太空探索的众多预选方案。奥古斯丁委员会为奥巴马政府评估了载人航天飞行计划，随后载人探索框架研究小组为这些任务评估了潜在的探索任务、体系和技术需求。月球表面系统小组正在确定和解决月球探索体系，试图为如何到达、居住、探索月球建立选择方案。本文为可能的环控生保、热控和舱外活动系统选择方案进行评估。

NASA深空探索任务对环控生保系统的需求分析及研发策略（上）

从2004年太空探索愿景发布以来，NASA一直确定和评估太空探索的众多选择方案。奥古斯丁委员会为奥巴马政府评估了载人航天飞行计划，随后载人探索框架研究小组为这些任务评估了潜在的探索任务、体系和技术需求。月球表面系统小组正在确定和解决月球探索体系，试图为如何到达、居住、探索月球建立选择方案。本文为可能的环控生保、热控和舱外活动系统选择方案进行评估。

深空居住舱环控生保系统设计概念

生命保障对于载人航天飞行来说至关重要，当前的生命保障系统使用一次性硬件或丢弃废物的再生式技术，其过程中消耗品的弥补依赖再补给。由于NASA的长期目标是进行低地球轨道（lowearth orbit）以远的载人飞行，再补给并不现实，因此生命保障系统必须是自我维持性的。从2011年5～10月，约翰逊航天中心生命保障小组致力于为非行星深空居住舱定义需求和系统概念的开发，并完成了生命保障系统的初步设计，该居住舱可以保障4人乘组在近地球目标（nearearth object）执行388d任务。期间，由于任务定义中非载人部分持续825d，使一些可支持该体系架构的技术选项被淘汰。体系架构的主要部分来自目前国际空间站集成的技术，以及正在研发的达到中等技术成熟度（moderate Technology Readiness Levels）的技术。最终的体系架构概念仅包括部分闭合的大气和水系统，这是因为一些闭合式技术在任务阶段内不能达到盈亏平衡点。

2018-2019年国际空间站美国舱段环控生保系统事件回顾

环境控制与生命保障系统是空间站实现持续载人的根本保证,本文简述了在2018-2019年的这一年里,国际空间站美国舱段环控生保系统的主要事件,包括新技术的应用和验证、子系统系统软件和硬件的升级、开始系统休眠方向的研究,以及有关子系统面临的一些挑战。

载人航天器环控生保系统热网络质量的优化

为减小载人航天器中环控生保系统质量 ,利用网络分析原理 ,系统地研究了由气、液流体回路所构成流动和热网络的质量组成特性。建立此网络流动、传热及质量计算的物理模型和数学模型 ,以其中辐射散热器表面平均温度为优化搜寻决策变量 ,优化计算网络系统质量。对系统质量的一些影响因素分析结果表明 ,以辐射散热器表面平均温度为决策变量优化计算网络系统质量的方法可以大大减小系统的质量 ;流动和热网络系统中存在最佳管径和最佳的热组件布局方式 ,对应系统质量最小。研究表明 ,全面考虑各因素与网络系统质量之间的密切联系 ,求得最佳值后 。

载人飞船环控生保自学习智能决策支持系统的设计与实现

目的在载人飞船飞行期间监控环境控制与生命保障系统(environment control and life support system,ECLSS)的工作状态,对故障进行诊断和决策支持。方法依据决策支持系统、神经网络和专家系统原理,设计出了环控生保决策支持系统(ECLSS Decision supporting system,EDSS)的基本结构,运用故障树分析方法进行故障划分,形成专家知识,并将神经网络与专家系统相结合进行自学习。结果在2人5天的“神舟”6号载人飞行试验中,软件系统得到了全面考核和验证,为试验任务的圆满成功提供了良好的技术支持和保障。结论所建立的决策支持系统能够准确、迅速地进行数据判读和故障诊断,数学模型设计正确,参数预测结果合理。

环控生保系统废水处理与回用技术研究和应用进展

水的再生利用是可再生环境控制和生命保障系统(环控生保系统)中最重要的一环。目前的中长期载人航天任务均使用物化原理实现部分水的再生。为了不断完善物质闭合度近乎100%的受控生态生保系统以开展更为长久的载人航天活动,世界各国开展了一系列结合生物技术的废水处理与回用技术研究。对环控生保系统国内外发展历程进行了回顾,并从地面研究和空间实际应用情况两大方面论述了国内外环控生保系统废水处理与回用技术的发展。基于对当前环控生保系统废水处理与回用技术现状的分析,提出了尚待解决的主要问题并对未来环控生保系统水管理系统的发展进行了展望。

空间站环控生保分系统RMS设计思路和若干关键技术分析

为实现我国空间站环控生保分系统长寿命、高可靠的任务目标,既要充分重视系统的固有可靠性,又要通过及时、有效、安全的测试与维护确保系统的任务可靠性,需要做好RMS(可靠性、维修性、保障性)设计工作。结合环控生保分系统RMS工作前期理论探索和设计实践,探讨并行开展RMS工作项目的方法和技术方案,分析RMS综合权衡、可更换单元(ORU)划分、维修可靠性分配、产品可靠性和长寿命设计等方面的关键技术。

环控生保集成演示验证系统总体设计及其试验验证

目的研制环控生保集成演示验证系统 ,为未来中长期环控生保系统技术的研究创造一个先进的地面研究试验环境。方法将固态胺二氧化碳收集浓缩、Sabatier二氧化碳还原、全氟磺酸热电综合膜蒸发尿处理和固态聚合物水电解制氧等再生式生保技术、集中通风温湿度控制技术、测量控制等非再生式技术集成在一密封绝热环境中 ,并通过试验考核。结果系统及再生式各分系统主要技术指标满足要求 ,系统总体及各分系统的整合是成功的 ,基本上达到了系统整合部分闭环。结论系统方案设计合理 ,系统的主要性能技术指标满足要求。系统总体及所属各个分系统之间匹配与协调性良好 ,系统运转正常 。

空间站环控生保系统中的霉菌腐蚀危害

空间站环境控制与生命保障系统（环控生保系统）是保障宇航员生命安全及工作效率的站载系统。为实现在太空恶劣环境下的长期载人飞行．必须为航天员提供适宜的舱内环境．包括合适的气体总压、氧分压、空气温湿度等。同时还需为航天员提供食物、饮水并处理航天员生理代谢产生的废物和日常生活中形成的废弃物。只要有乘员参与飞行，就必须有生命保障技术的支持。