新聞1+1丨環(huán)控生保系統(tǒng)，航天員的“保護(hù)傘”！
今天的新聞中的一件大事兒就是我們的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙任務(wù)組織完成了發(fā)射前的系統(tǒng)間全區(qū)合練，這也意味著各項(xiàng)準(zhǔn)備工作已經(jīng)妥當(dāng)，就待擇機(jī)發(fā)射。而從地面到太空，從6月5號(hào)神舟十四號(hào)發(fā)射成功算起，我們的三名航天員也已經(jīng)在軌工作生活了47天。今天節(jié)目開(kāi)始，我們先來(lái)看看他們今天的生活片段，看看他們都在忙些什么。
這是三名航天員今天吃早飯的畫(huà)面，正對(duì)著我們的是女航天員劉洋，最中間的是航天員陳冬，背對(duì)著鏡頭的是航天員蔡旭哲。
這是飯后的畫(huà)面，劉洋和陳東正在操作儀器，后面的蔡旭哲則是在鍛煉運(yùn)動(dòng)。
能看得出，大家的狀態(tài)不錯(cuò)，實(shí)際上，最近幾天，航天員乘組正在加緊整理從天舟三號(hào)轉(zhuǎn)移出來(lái)的物資，還進(jìn)行了接下來(lái)手控交會(huì)對(duì)接備份方案的訓(xùn)練。這期間，他們還完成了一項(xiàng)重要的任務(wù)，見(jiàn)證了一個(gè)神奇的時(shí)刻。一起再看一下這個(gè)我們之前從未見(jiàn)過(guò)的瞬間。
這項(xiàng)工作是要在二氧化碳還原系統(tǒng)中，檢查一下水箱的轉(zhuǎn)化狀態(tài)。二氧化碳是哪里來(lái)的呢？是航天員呼吸出來(lái)的，而經(jīng)過(guò)系統(tǒng)又將還原轉(zhuǎn)化成什么呢？那就是水。
可以看到劉洋從系統(tǒng)中將水箱抽了出來(lái)。劉洋和蔡旭哲在檢查水箱的狀態(tài)。當(dāng)然，之后還要將水箱接到處理系統(tǒng)進(jìn)行凈化，最終生成純凈的再生水。怎么看待這個(gè)神奇的系統(tǒng)？多出來(lái)的這桶水，又能起到多大作用？更為重要的是，如何讓水、氧氣這樣的資源在太空中可以循環(huán)利用，“生生不息”？這其中，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)又在發(fā)揮怎樣的作用？今天的節(jié)目，讓我們先從這次應(yīng)用背后的過(guò)程說(shuō)起。
二氧化碳可以轉(zhuǎn)化變成水？
5月10日，天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船搭乘長(zhǎng)征七號(hào)遙五運(yùn)載火箭飛向中國(guó)空間站。值得關(guān)注的是，隨貨運(yùn)飛船一同升空的物品中，就包括一套二氧化碳還原系統(tǒng)。
中國(guó)航天員中心航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師 吳大蔚：它（二氧化碳還原系統(tǒng)）主要是能夠?qū)崿F(xiàn)再生，把我們?nèi)撕舫龅亩趸?，通過(guò)子系統(tǒng)能夠再進(jìn)一步充分重新利用，再用于我們的空間站。
二氧化碳轉(zhuǎn)化后，重新利用的最終形式是什么？答案就是：水，可供航天員飲用的生活用水。
6月5日，神舟十四號(hào)載人飛船發(fā)射成功。航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲進(jìn)駐空間站執(zhí)行的一系列重要任務(wù)中，就包括二氧化碳還原系統(tǒng)的相關(guān)工作。
按計(jì)劃，6月23日，三名航天員在地面人員的配合下完成了二氧化碳還原系統(tǒng)的組裝和測(cè)試工作。
組裝測(cè)試完成后，系統(tǒng)將會(huì)如何運(yùn)轉(zhuǎn)？二氧化碳真的能成功轉(zhuǎn)化為水嗎？就在最近，答案揭曉。
實(shí)際上，在此之前，為了實(shí)現(xiàn)中國(guó)空間站航天員長(zhǎng)期駐留的目標(biāo)，讓水和氧氣等資源可以循環(huán)利用，“環(huán)控生保”系統(tǒng)早已投入使用，神舟十二號(hào)航天員工作生活的頭等大事就是安裝調(diào)試并體驗(yàn)這套系統(tǒng)。
航天員 劉伯明：再生水是怎么來(lái)的呢？主要有兩部分，一是艙內(nèi)我們收集的冷凝水，第二部分是我們收集尿液，進(jìn)行尿處理形成的蒸餾水。
神舟十二號(hào)三個(gè)月的在軌飛行，三名航天員驗(yàn)證了這套系統(tǒng)的全部功能，實(shí)現(xiàn)了空間站氧氣、水等資源的再生利用，還在太空喝上了功夫茶。
航天員 劉伯明：我給大家表演一個(gè)喝功夫茶。
中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保研究室副主任設(shè)計(jì)師 唐斌：水資源的利用率我們?cè)O(shè)計(jì)的是85％，現(xiàn)在是完全滿足我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)，到后面現(xiàn)在一直使用的是再生水，對(duì)艙內(nèi)的氣體凈化也不需要消耗一些消耗品，它都是一個(gè)循環(huán)利用的過(guò)程，這樣就能夠保證長(zhǎng)期的一個(gè)載人飛行任務(wù)。
新系統(tǒng) 新成果
實(shí)際上，短片中提到的將二氧化碳轉(zhuǎn)化為水的這一還原系統(tǒng)，是我們整個(gè)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的一部分。
這個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成非常復(fù)雜，它要為航天員提供大氣壓力、呼吸所需要的氧氣，及時(shí)去除空氣中的二氧化碳，去除微量有害氣體、微生物、微塵，保證良好的空氣質(zhì)量，控制舒適的空氣溫度和濕度，保障飲水、大小便等航天員生存的基本需要。簡(jiǎn)單說(shuō)就是為我們的航天員在太空環(huán)境里生存生活和工作提供保障，也被稱(chēng)作航天員的生命“保護(hù)傘”。怎么看待最新的這套二氧化碳還原系統(tǒng)的應(yīng)用？
接下來(lái)，我們馬上連線一位專(zhuān)家：中國(guó)航天員中心的副研究員、中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師李森。
經(jīng)二氧化碳還原系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的水，能直接喝嗎？好喝嗎？
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：這22升水不能直接喝，它們是二氧化碳還原子系統(tǒng)生成的還原水，還屬于中間水，后續(xù)經(jīng)過(guò)水處理系統(tǒng)凈化以后就可以喝了。應(yīng)該說(shuō)，不管是尿液還是汗液處理后產(chǎn)生的再生水，還是二氧化碳?xì)怏w還原轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生的再生水，口感都是一樣的。
航天員能坦然飲用汗液、尿液處理后的再生水嗎？
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：我們?cè)诘孛嫔线M(jìn)行過(guò)充分測(cè)試。我們從神舟十二號(hào)返回下行了在軌產(chǎn)生的再生水，然后在地面進(jìn)行了全指標(biāo)的測(cè)試，所有指標(biāo)都是合格的，水質(zhì)完全符合飲用水要求。另外，航天員在地面上也經(jīng)歷了一段時(shí)間喝再生水的過(guò)程，所以航天員是可以坦然面對(duì)的。
中國(guó)空間站，水資源再生使用率已超90％
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：在此之前，我們的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)5個(gè)再生子系統(tǒng)，也就是電解制氧子系統(tǒng)、二氧化碳去除子系統(tǒng)、微量有害氣體去除子系統(tǒng)、尿處理子系統(tǒng)、水處理子系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了大氣和水的再生，水資源的物質(zhì)閉合度已經(jīng)超過(guò)了80％，而這次經(jīng)過(guò)二氧化碳還原子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，我們每天可以多回收一公斤左右的水，使水資源的物質(zhì)閉合度提高到了90％以上。
也就是說(shuō)，在軌航天員喝的水，已經(jīng)有90％以上都是通過(guò)我們?cè)偕a(chǎn)生的。當(dāng)然也有一小部分是由地面通過(guò)貨運(yùn)飛船上行補(bǔ)給的，這部分只占不到10％。
系統(tǒng)每生成一公斤再生水，等于節(jié)省一公斤黃金
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：在空間站里，通過(guò)系統(tǒng)生成一公斤水，也就意味著我們后續(xù)可以每天少補(bǔ)給一公斤水，也意味著不需要再?gòu)牡孛嫔闲形镔Y中運(yùn)送一公斤水了。俗話說(shuō)“一克重量一克金”，火箭飛船一克重量的發(fā)射成本大約就是一克黃金的價(jià)值。
如果地面少補(bǔ)給一公斤的水，也就相當(dāng)于節(jié)省了一公斤的黃金，相當(dāng)于大約40萬(wàn)元人民幣，所以環(huán)控生保系統(tǒng)的運(yùn)用，大大減少了發(fā)射的補(bǔ)給。
環(huán)控生保系統(tǒng)運(yùn)行一年多，情況如何？
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：從天和核心艙發(fā)射一直到現(xiàn)在，我們的環(huán)控生保系統(tǒng)也已經(jīng)運(yùn)行了一年多時(shí)間。這一年多來(lái)，5個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行都非常穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)也比較平穩(wěn)，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)得也都比較好，包括電解制氧系統(tǒng)，為神舟十二號(hào)3名航天員90天的駐留，以及神舟十三號(hào)3名航天員180天的駐留提供了充足的氧氣，也去除掉了產(chǎn)生的二氧化碳和有害氣體，提供了水等資源，保證了航天員在軌的生命安全，整套系統(tǒng)應(yīng)該說(shuō)運(yùn)行得非常好。
環(huán)控生保系統(tǒng)，最多可以保障多少位航天員的長(zhǎng)時(shí)間駐留？
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：從神舟十二號(hào)和神舟十三號(hào)在軌運(yùn)行情況來(lái)看，我們這套環(huán)控生保系統(tǒng)目前運(yùn)行的擋位，比較匹配三人模式下的運(yùn)行，運(yùn)行水平還是不錯(cuò)的。
而從現(xiàn)在的數(shù)據(jù)來(lái)看，我們目前核心艙的這一套系統(tǒng)可以支撐到六人的運(yùn)行，包括電解制氧系統(tǒng)、二氧化碳去除系統(tǒng)。只是說(shuō)在六人運(yùn)行的時(shí)候，肯定會(huì)工作到比較高的擋位，或者說(shuō)我們處理的速率會(huì)更快一些。
環(huán)控生保系統(tǒng)的未來(lái)會(huì)怎樣？
中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師 李森：我們的環(huán)控生保系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展一直瞄準(zhǔn)物質(zhì)閉合度的進(jìn)一步提升。比如說(shuō)水資源，我們現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了90％以上的回收循環(huán)利用，正在進(jìn)行新一代霧化再生技術(shù)的研究。比如說(shuō)，我們要從尿處理系統(tǒng)目前產(chǎn)生的尿殘液當(dāng)中來(lái)進(jìn)一步提取水，將水分進(jìn)一步回收，提高水資源的物質(zhì)閉合度。
我們目前正在地面上進(jìn)行研究，未來(lái)還會(huì)利用新的技術(shù)，比如生物再生式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)食物的再生，達(dá)到更高的環(huán)控生保技術(shù)水平。
如何讓資源能夠在太空“生生不息”？怎樣更好地保障航天員可以安心飛行，在天上安全舒適地工作和生活？我們繼續(xù)關(guān)注。
環(huán)控生保系統(tǒng)：從非再生到再生
2021年4月29日，天和核心艙從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)一飛沖天，宣告中國(guó)空間站建造首戰(zhàn)告捷，我國(guó)正式邁入空間站階段。
空間站建成后，航天員如何在密閉狹小的艙內(nèi)長(zhǎng)期駐留？適合人生存的氣壓、風(fēng)速、空氣質(zhì)量和水又該如何保證？空間站的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)，就是回答這一系列問(wèn)題的關(guān)鍵。
中國(guó)航天員中心環(huán)控生保研究室副研究員 劉力濤：在空間站，航天員可以根據(jù)自己的體感，他覺(jué)得我現(xiàn)在溫度高了，那我可以降1℃，如果溫度低了，我可以升1℃，完全是他自控的，類(lèi)似于開(kāi)空調(diào)一樣。
短期飛行，航天員用的都是消耗式的非再生技術(shù)。而到空間站執(zhí)行中長(zhǎng)期飛行任務(wù)之后，如果再依靠非再生技術(shù)，那對(duì)地面的補(bǔ)給壓力就會(huì)非常大。另外，氧氣資源的再生也至關(guān)重要，畢竟，航天員一秒鐘都不能離開(kāi)氧氣，而二氧化碳過(guò)高，人就會(huì)昏迷。那么，航天員在空間站生活必不可少的氧氣、水等資源，又是如何從“非再生”走向“再生”的呢？
中國(guó)航天員中心研究員 空間站系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師 劉向陽(yáng)：我們是把氣體進(jìn)行再生和凈化，包括二氧化碳的去除，微量有害氣體的去除。還有把水電解制成氧氣供他們呼吸，把尿處理成尿蒸餾水之后，還要進(jìn)到一套水處理系統(tǒng)，處理成飲用水，包括冷凝水也要進(jìn)入到水處理系統(tǒng)里面，這樣也可以處理成為飲用水。這五套（子）系統(tǒng)在軌聯(lián)合匹配工作，可以極大節(jié)約我們地面上行的航天員的消耗品。
今天是天和核心艙在軌運(yùn)行的第449天，隨著航天員在軌駐留時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，今后對(duì)環(huán)控生保的壽命要求，自然也就很高。此外，航天員在軌維修環(huán)控生保項(xiàng)目，也將是系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心研究員、航天員系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師 吳志強(qiáng)：我們要始終保證這套系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，發(fā)生故障的時(shí)候可維修，所以在軌維修的這個(gè)設(shè)計(jì)理念，在系統(tǒng)研制過(guò)程中也是特別關(guān)注的。比如說(shuō)防人誤設(shè)計(jì)，類(lèi)似這些進(jìn)行過(guò)大量的專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)。
目前，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙已經(jīng)做好發(fā)射前的各項(xiàng)準(zhǔn)備，空間站組合體也已調(diào)整入軌，具備與問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙交會(huì)對(duì)接的條件。問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙對(duì)接完成后，航天員將進(jìn)入艙內(nèi)啟動(dòng)生命維持系統(tǒng)，完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜的組裝，并開(kāi)展交叉科學(xué)實(shí)驗(yàn)。一系列期待，越來(lái)越近。
