這項(xiàng)技術(shù)，助力航天員“太空漫步”

來(lái)源：中國(guó)載人航天

近日，神舟十四號(hào)航天員陳冬、劉洋身著艙外航天服，在航天員蔡旭哲和地面人員的配合支持下，圓滿完成約6小時(shí)的出艙活動(dòng)。艙外航天服是航天員出艙活動(dòng)必需的支持裝備，針對(duì)空間站任務(wù)出艙活動(dòng)需求，我國(guó)自主研制的新一代“飛天”艙外航天服已列裝服役，為執(zhí)行出艙任務(wù)的航天員保駕護(hù)航。我們知道，艙外航天服可以看作是一種特殊的載人航天器，那么在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的出艙活動(dòng)中，航天員在艙外航天服的密閉環(huán)境中呼吸產(chǎn)生的二氧化碳（CO2）該如何處理呢？

航天員在艙外活動(dòng)期間，為了確保安全、健康、高效地完成任務(wù)，必須使用便攜式生命保障系統(tǒng)（PLSS，艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)）對(duì)航天員新陳代謝產(chǎn)生的CO2進(jìn)行連續(xù)清除，從而將其濃度控制在對(duì)人體無(wú)害的范圍內(nèi)。便攜式生命保障系統(tǒng)一般安裝在背包結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時(shí)集成了包括供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、溫濕度控制等主要功能模塊的產(chǎn)品，對(duì)CO2清除設(shè)備的體積、質(zhì)量、能耗、散熱、結(jié)構(gòu)等方面有許多要求。CO2清除設(shè)備的選擇主要取決于出艙任務(wù)類型、出艙時(shí)間、頻次及出艙環(huán)境。

基于氫氧化鋰（LiOH）的CO2清除技術(shù)

我國(guó)“飛天”艙外航天服采用非再生式的氫氧化鋰（LiOH）作為吸附劑進(jìn)行CO2清除。通過(guò)將LiOH壓制成藥餅，使LiOH吸收罐在保證較高吸收效率的同時(shí)可極大降低航天員艙外活動(dòng)時(shí)的呼吸阻力，延長(zhǎng)其艙外活動(dòng)時(shí)間。

基于LiOH的CO2清除技術(shù)發(fā)展至今已非常成熟。雖然需要在每次完成出艙活動(dòng)后需對(duì)其進(jìn)行更換和補(bǔ)充，但對(duì)于一般短期出艙任務(wù)，其設(shè)備操作簡(jiǎn)單、功能可靠，被用于絕大部分已有的艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)。

從20世紀(jì)60年代末的阿波羅系列登月服至今，美國(guó)EMU艙外航天服和俄羅斯OrlanM艙外航天服均采用了該項(xiàng)技術(shù)。但由于吸附劑不可再生且功能單一，且消耗性資源均需地面運(yùn)輸補(bǔ)給，增加了保障性難度。因此，面向未來(lái)長(zhǎng)期、頻繁的艙外活動(dòng)和深空探測(cè)任務(wù)，需要應(yīng)用再生式的CO2清除技術(shù)。

基于金屬氧化物的CO2清除技術(shù)研究和應(yīng)用再生式的CO2清除技術(shù)，是面向未來(lái)長(zhǎng)期、頻繁的艙外活動(dòng)及深空探測(cè)任務(wù)的關(guān)鍵。例如驗(yàn)證基于堿性金屬氧化物的CO2清除技術(shù)，一般采用氧化銀作為吸附劑。在該反應(yīng)中CO2不會(huì)與金屬氧化物直接反應(yīng)，只有當(dāng)足夠的水蒸氣與氧化物反應(yīng)生成OH－時(shí)，才會(huì)發(fā)生反應(yīng)。最終CO2與氧化銀在低溫條件下反應(yīng)生成碳酸銀固體粉末。清除裝置由金屬氧化物吸附罐和再生器兩部分組成。航天員在艙外活動(dòng)結(jié)束，返回空間站后，可使用再生器對(duì)吸附劑進(jìn)行重復(fù)利用。

盡管金屬氧化物罐可重復(fù)利用，但回收代價(jià)較大。與LiOH吸收罐相比，無(wú)論是罐體本身還是回收裝置質(zhì)量都比較大，出艙時(shí)間同樣受限于所攜帶吸附劑數(shù)量，且回收過(guò)程耗能巨大。

快速循環(huán)胺技術(shù)

為此，研究人員還在探尋一種更高性能、再生式的技術(shù)——快速循環(huán)胺技術(shù)。快速循環(huán)胺技術(shù)以固態(tài)胺作為吸附劑，利用固態(tài)胺吸附同時(shí)去除CO2與水蒸氣。當(dāng)固態(tài)胺吸附飽和時(shí)，將其暴露向真空，破壞碳酸氫鹽的化學(xué)鍵，釋放出CO2，從而完成再生。

與金屬氧化物CO2去除系統(tǒng)相比，其設(shè)備質(zhì)量和體積更低；吸附劑可即時(shí)再生，無(wú)需在空間站安裝大型高能耗再生設(shè)備，可極大降低發(fā)射成本與空間站能耗；使用時(shí)間無(wú)限制，大大提升了艙外航天服續(xù)航時(shí)間，為今后出艙任務(wù)規(guī)劃、出艙前吸氧排氮時(shí)間安排等提供了充足的時(shí)間保障。

由于該系統(tǒng)設(shè)備的再生裝置必須集成于便攜式生保背包中，對(duì)通風(fēng)凈化管路的設(shè)計(jì)提出了更高要求。該技術(shù)將應(yīng)用于NASA重返月球任務(wù)所使用的xEMU登月航天服，也是未來(lái)我國(guó)實(shí)施載人登月任務(wù)的研究重點(diǎn)。

艙外航天服CO2清除能力是航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)的主要約束條件之一。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，中國(guó)人探索外空的腳步將邁向月球及更遠(yuǎn)的深空，工程將不斷取得技術(shù)突破，助力航天員“太空漫步”。