载人航天环控与生保标准现状概述

环境控制(简称环控)与生命保障系统(简称生保)作为载人航天器(或载人空间平台/基地)的分系统,直接关系到航天员的身体健康与安全,是载人航天的关键系统,也是区别于不载人航天器的根本所在。本文简介载人航天环控与生保技术发展与标准现状,概述ISO标准、MCB标准和ECSS标准相关内容,针对我国现状,提出以下建议:借鉴国外经验,从用户及应用角度出发,围绕环控生保两大任务及技术要素进行标准体系策划;标准项目去型号化,重点规定技术要求以及接口;采用谁使用就由谁主导制定标准的原则,充分满足用户使用需求。

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。

电化学二氧化碳浓缩器多参量测控系统的研究

在密闭的载人航天舱中 ,通过可再生式电化学二氧化碳浓缩器 (EDC)能将环境中一定浓度的CO2浓缩、转移 ,从而净化空气 .该系统转移能力强 ,可在较低的CO2 分压下长时间连续工作 .基于EDC手动控制实验研究 ,为提高EDC电池组的长期工作稳定性 ,设计制作了温度测量、信号多量程扩展及可控硅调功等硬件电路 ,结合智能变速积分PID算法 ,完成了对温度、湿度、浓度及较大量程范围的电池电压等多通道过程参数的自动监控 ,实现了将空气中的CO2 浓缩、转移的目的 .该多参量测控系统具有易操作性及通用性等特点 .

中国载人航天器环境控制与生命保障技术研究

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验,进行了"神舟"飞船环控生保分系统的研制,并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。本文主要介绍了上述过程环控生保系统技术的研究进展,并分析了环控生保系统的技术特点。

再生式环控生保技术研究及进展

环控生保系统 (ECLSS) ,是载人航天器最具载人航天特征的一个重要系统 ,是直接关系到航天员生命安全的不可缺少的保障条件。本文介绍了构成再生生保系统氧、水闭路的主要技术 ,比较、分析了各技术的优劣 ,指出了今后研究发展的方向。

载人航天器密封舱压控规律解析解及其实验验证

目的导出载人航天器密闭舱总压和氧分压变化规律的解析解 ,环控生保总体设计师可以此作为飞行或地面试验时压控参数预测的依据。方法将飞行时段分段化 ,对系统规定的压力控制带下不同的供气工况分别进行理论推导 ,解微分方程组 ,得出不同供气工况座舱总压和氧分压的解析解。结果试验结果和理论计算结果吻合较好。结论本文导出的解析解正确 。

模拟微重力条件下的膜式水气分离器的实验研究

目的研究中、长期载人航天任务中微重力条件下的水气分离问题。方法利用自行研制的水气分离组件和不同材质、规格的亲水微孔滤膜,对不同压力和配比的水/气混合物进行分离实验,并研究了重力对分离的影响。结果将4～6L/h水、2500mL/minO2组成的混合流体分离成不含水的气流和含气量<1%的液流,对液流中含有的微量气体的来源和含量进行分析,证明重力对分离过程无影响。结论水气分离组件设计合理,亲水微孔滤膜具有在微重力条件下进行水气分离的能力,需进一步研究并有广阔的应用前景。

模拟条件及乘员感受对环控生保试验评价的影响

目的从载人航天器环控生保系统地面性能模拟试验的需求出发,根据对试验模拟条件和乘员感受影响进行改进,提高试验评价准确性。方法由以往多次地面模拟载人环控生保系统性能试验,分析出模拟条件与进舱参试乘员感受差异对环控生保系统性能试验评价的影响因素,并针对这些影响提出解决问题的方法。结果改善模拟试验条件和改进设备布局后使舱内环境模拟更加接近实际,乘员感觉得到改善,提高了评价结果的客观性和准确性。结论解决好模拟舱设备布局差异、环境模拟差异以及试验人员生活感受对评价的影响等问题,可以做好载人航天器环控生保系统性能的地面模拟试验,对载人航天器的环控生保系统的性能做出正确评价。

航天器内外耦合回路热网模型的轻量化分析

目的解决载人航天器热控和环控生保系统的轻量化问题。方法研究了由内外耦合液体回路和气体回路所构成的流动和换热网络。建立了流动、传热的物理和数学模型 ,计算了网络系统中组件及结点的热力学参数 ,在此基础上由所建立的质量计算模型 ,得到系统质量。分析了一些操作参数和结构参数对系统质量的影响 ,如管径、流量等。结果结果表明 ,在一定的设计要求下 ,系统存在最佳管径 ;内回路流量存在上限 ,而外回路流量存在下限 ;且内外耦合回路中流量及辐射散热器出口温度等参数都存在最佳值。

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。

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 。

水下航行器舱室内CO2的去除及O2再生工艺系统设计

水下航行器长航时，如何改善舱室内大气环境，持续地提供呼吸的氧气一直困扰着人类。在分析了大量国内外技术的基础上，采用固态胺吸附解吸CO2技术、Sabatier还原CO2技术、固体聚合物水电解技术相互结合的环控生保系统，处理座舱内的CO2并制取一定数量的氧气。实验对CO2吸附、还原及电解制氧3个系统进行了设计。实验证明，所研制的环控生保系统满足所设计的人数需求，CO2脱吸发生在反应开始的5～8min，Sabatier反应器中主反应发生在前段，SPE电解系统稳定，并能将CO2浓度控制在0．2％以下，此系统能够满足水下航行器航行过程中人员对氧气和水的需求。

地面密闭舱内人体代谢的物理模拟方法

目的在地面密闭模拟舱内 ,利用物理方法模拟人体代谢的几项主要指标 ,为在地面试验条件下考核和评价航天器舱内环境控制与生命保障系统的性能 ,提供人体代谢试验负荷。方法利用物理方法并结合地面模拟试验和环境控制系统的特点 ,对人体代谢指标进行单元模块化模拟。研制出以物理方法为基础的人体代谢地面模拟装置 ,为ECLSS在地面模拟试验舱内进行性能考核和评价试验提供必要条件。结果在地面密闭模拟舱内 ,比较准确地模拟了人体代谢的耗氧量、产二氧化碳量、产湿量及产热量 4项生理代谢指标。结论利用物理方法模拟人体代谢负荷是可行的 ,该方法具有较高的精度和控制能力 ,通过人体代谢地面模拟装置连续向模拟试验舱内提供人体代谢的负荷量 。

基于PTFE软管的尿液收集软管组件设计及验证

尿液收集软管组件用于空间站环控生保分系统(ECLSS)中的大小便收集子系统,用于连接大小便收集子系统内产品或组件,传输工质。本文介绍了尿液收集软管组件的设计方案及验证试验。尿液收集软管采用不锈钢丝铠装聚四氟乙烯(PTFE)软管的设计方案,通过验证试验,结果表明该方案满足空间站大小便收集子系统软管组件的性能需求。

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。

环控生保系统离子交换树脂与强氧化性预处理剂的相容性研究

目的为高效回收利用环境控制与生命保障系统(环控生保系统)的卫生废水,探讨离子交换树脂与强氧化性预处理剂之间的相容性。方法通过物理结构和化学结构的定性分析,吸附性能和钙容量的定量分析,综合评价该型离子交换树脂与强氧化性预处理剂的相容性。结果形貌、元素、强度分析证明离子交换树脂物理结构稳定;红外和热重分析证明其化学结构稳定;2.5L离子交换树脂能有效处理约170L卫生废水,证明其吸附性能良好;钙容量为0.44mmol/mL,证明其与强氧化性预处理剂之间的相容性较好。结论本文方法可为环控生保分系统水资源利用提供参考;001×7型离子交换树脂可提升水回收效率,实现空间水资源的循环利用。

载人航天工程的后续目标与航天医学工程的研究方向

以载人航天为任务背景的航天医学工程学科在中国载人航天工程中发挥了重要的作用并得到了迅速发展。在此基础上 ,根据工程后续的 3个目标 :1 )突破航天员出舱活动技术 ,验证航天员的舱外作业能力 ;2 )突破飞船与空间目标飞行器的交会对接技术 ;3)建立一定规模的空间实验室 ,著者提出了航天医学工程研究在航天员选拔训练 ,工程设计的医学、工效学要求与评价 ,航天员医监医保与航天医学研究 ,航天器环境控制与生命保障技术研究 ,出舱活动与交会对接的相关技术研究和训练与试验模拟技术研究等领域的研究方向和重点。

二氧化碳甲烷化在载人航天器再生式环控生保系统中的应用

二氧化碳甲烷化(Sabatier反应)是载人航天再生式环控生保系统中空气质量管理的关键技术,也是焦炉气甲烷化和煤制天然气甲烷化流程中最后一级反应器主要进行的化学反应.化工行业中的二氧化碳甲烷化,尤其是针对高纯度二氧化碳的甲烷化技术,与载人航天用Sabatier技术既有共同点又存在差异.通过对Sabatier技术工艺、催化剂和关键设计的总结,对比分析应用于两个不同领域的二氧化碳甲烷化技术在工艺流程、催化剂和反应器方面的差异,借鉴工业二氧化碳甲烷化技术经验,提出载人航天用Sabatier技术可能的优化方向.