飞船环境控制与生命保障系统

飞船环境控制与生命保障系统*

沈学夫，付岚，邓一兵

（航天医学工程研究所，北京100094）

摘要：环境控制与生命保障系统是飞船上十分复杂和相当重要的分系统，是实现载人航天必须要突破的一项关键技术。本文着重论述了系统的功能任务、技术要求及系统的主要技术，对系统的试验验证工作也进行了讨论。

关键词：载人航天；载人飞船；环境控制与生命保障系统；系统设计；系统试验

中图分类号：R852.82 文献标识码：A 文章编号：1002-0837（2003）增刊-0543-07 Environmental Control and Life Support System of Spacecraft.SHEN Xue-fu，FU Lan，DENG Yi-bing. Space Medicine&MedicaI Engineering，2003，16（S）：543~549

Abstract：Environment controI and Iife support system is a very compIicated and important sub-system of man-ned spacecraft.It is a key technoIogy must be broken through for the reaIization of manned space fIight.Its functions，technicaI reguirements and main technoIogy were reviewed in this paper.Its test verification was aI-so discussed.

Key words：manned space fIight；manned spacecrafts；environment controI and Iife support system（CELSS）；system design；system test

Address reprint reguests to：SHEN Xue-fu.Institute of Space Medico-Engineering，Beijing100094，China

环境控制与生命保障系统是任何载人航天器必备的系统。是区别航天器是否是载人航天器的显著标志，是航天技术从无人航天向载人航天发展必须首先要突破的关键技术之一。飞船环境控制与生命保障系统的基本任务是在密封舱（飞船轨道舱、返回舱）内为航天员创造一个基本的生活条件和适宜的工作环境：即对座舱大气的环境（包括大气的压力、气体成分、温度和湿度等）实行人工调节控制；为航天员提供生命支持，即向航天员供氧、供水和供食；对舱内航天员生理代谢等产生的废弃物进行收集和处理；为舱内可能出现的火情实行探测和抑制。

环境控制与生命保障系统是飞船上十分重要又相当复杂的系统，是直接关系到航天员身体健康和生命安全的系统，也是关系到航天任务能否圆满完成重要系统。本系统不仅与飞船系统及其各分系统有复杂的技术接口界面，还与航天员系统有着更加密切的联系。在飞船正式执行载人飞行前，环境控制与生命保障系统必须在不同的系统层次上进行严格的试验验证，充分证明系统合格后，才能实行载人飞行。环境控制与生命保障系统在载人航天中的重要作用和技术难度，受到

收稿日期：2003-09-30

通讯作者：沈学夫

*基金项目：中国载人航天工程基金资助了广泛的重视和关注。

载人航天器生命保障基本技术，一般可分为非再生式、部分再生式和全再生式（或称全闭式生物生态系统）。美国从水星、双子星座、阿波罗飞船到航天飞机，俄罗斯（前苏联）从东方号、上升号、联盟号到当今的联盟-TMA飞船［1］。虽然，两国一代又一代飞船的环境控制与生命保障系统进行了不断的改进和完善，各自的系统技术和组成不完全相同，发挥了各自的技术专长和技术优势，系统也各具特色。但其系统都采用了非再生式生命保障技术（即为航天员提供生命支持的物质，经航天员消耗后不再再生利用）。美、俄等多个国家都早已开展了部分再生和全再生式生命保障技术研究，但只有部分再生式技术在飞行时间较长的空间站上使用，而全再生式技术目前仍还在研究中，未见空间应用的报道。

根据国家发展航天技术的总体规划，作出了以飞船起步，在20世纪末或21世纪初突破载人航天技术的伟大决策。按飞船的总体方案和计划要求，航天医学工程研究所承担了飞船环境控制与生命保障系统的型号研制任务。飞船作为我国第一代载人航天器，不仅飞行周期短，而且航天员人数也不多。所以，也将采用非再生式环境控制与生命保障系统技术。本文将重点论述系统的主要技术设计。

第16卷增刊航天医学与医学工程VoI.16 SuppI 2003年12月Space Medicine&MedicaI Engineering Dec.2003

系统任务和技术要求

飞船环境控制与生命保障系统主要任务是

l）确保返回舱和轨道舱内具有合适的大气总压和氧分压；2）提供航天员代谢所需的氧气；3）排除航天员代谢产生的CO

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，控制其他微量有害气体的浓度在要求的范围内；4）控制返回舱和轨道舱内气体的温度、湿度，为航天员提供合适的温湿度环境和舱内通风条件；5）为航天员提供饮水，实施供水、冷凝水管理和食品管理；6）收集和处理航天员生理代谢产生的废物和舱内其他废弃物；7）具有烟火探测能力，并备有相应的灭火措施；8）飞船发生压力应急时，实施压力应急转换，保障着航天服的航天员生命安全。

技术要求技术要求主要来自飞船、航天员两大系统及其相关系统的定性和定量的要求，主要有：l）航天员飞行人数及周期；2）分系统设备允许的重量、体积、能耗；3）舱内及航天服内大气物理参数的控制要求；4）航天员的生理医学参数

（航天员不同状态下的氧耗率、CO

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排出率、产热率、排湿率、以及饮水量、排尿量、一次大便量等）；5）系统的安全性和可靠性要求；6）系统和部组件的环境试验要求、电磁兼容性要求；7）系统的边界条件、限制因素和接口关系等。

系统技术

系统技术的确定原则载人航天工程是一项巨大的系统工程，不仅耗资大，且举世瞩目，成败与否影响极大。系统设计中遵循的主要原则如下：l）以确保航天员安全第一的原则，确定系统技术方案。对航天员生命安全直接相关的技术方案（例如，座舱总压、氧分压的调节控制等）必须确保万无一失；2）根据突破载人航天的目标和计划及载人飞船的总体方案，充分考虑我国现有的技术基础和经济实力，注重系统总体方案的技术经济可行性和系统的整体技术水平，不片面追求单项技术的先进性；3）充分利用航天医学工程研究所环境控制和生命保障技术研究方面的技术成果和技术基础，尽可能多地采用已经经过飞行试验考核或经过试验验证了的技术，以提高系统可靠性，缩短研制周期，减少经费投入；4）尽可能多地借鉴和吸收利用国内外的技术经验，重点吸取和利用原航空、航天部的适用技术，开展与有关技术优势单位的合作。重点分析美国和俄罗斯等国载人航天的技术经验，有重点、有针对性地引入必要的适用技术。以加快研制步伐，提高产品水平和质量。

根据环控生保系统的任务和技术要求，根据预先确定的系统设计原则，在对国内外载人航天器环境控制与生命保障系统相关的技术资料分析和消化吸收后，确定飞船环境控制与生命保障系统。在这里对系统的主要技术进行论述。

舱压调节和供气技术

舱压调节俄罗斯（前苏联）从第一代载人航天器东方号开始就采用一个大气压的氧氮混合座舱大气。不仅人的适应性好，而且着火的危险性小，安全性好。美国的前三代载人航天器均采用了l/3大气压的纯氧座舱大气。虽然此方案构成简单，较易实现。但安全性较差，曾经出现过几次火灾。因此，美国自航天飞机起也改用了一个大气压氧氮混合座舱大气。我国第一代载人飞船—“神舟”号飞船，确定为最优良的一个大气压氧氮混合座舱大气，其中氧分压略高于地面值。

飞船在轨飞行时，舱内航天员的耗氧和舱体结构泄漏损失，将使座舱的总压和氧分压下降，因此，必须由舱压调节设备和气源，根据需要向舱内供氧/氮气体，调节控制舱内的总压和氧分压在要求范围内。根据预先方案性比较试验研究结果，以及飞船舱体的结构泄漏量、航天员的耗氧量等，确定图l所示舱压的调节控制方案。由系统参数检测处理设备，不断地检测舱内的总压和氧分压值，经过分析处理后，发出打开供氧或供氮阀的信号，

向舱内供氧或供氮气。当舱内氧分压低于控

图l 舱压控制方框图

Fig.l Block diagram of the cabin pressure control

l.cabin pressure transducer2.cabin oxygen pressure trans-ducer3.system parameter detection processor4.oxygen/ni-trogen suppiy vaive

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