1、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)衛(wèi)星技術(shù)再入返回技術(shù)+可回收式衛(wèi)星+環(huán)控生保技術(shù)+航天員生物載荷載人飛船生物衛(wèi)星一般的載人航天器包括： 1. 結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng) 包括構(gòu)成載人壓力艙及設(shè)備艙的殼體；內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)；防結(jié)構(gòu)；交會(huì)對接機(jī)構(gòu)；分離解鎖機(jī)構(gòu)；艙門機(jī)構(gòu)及天線、帆板展開機(jī)構(gòu)等。2. 環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)（以下簡稱環(huán)控與生保系統(tǒng)）環(huán)控及生保系統(tǒng)的任務(wù)是為航天員創(chuàng)造合適的環(huán)境條件，保證他們在航天飛行的特殊環(huán)境條件下能夠安全地生活和有效地工作。3. 熱控分系統(tǒng)。4. 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)。5. 推進(jìn)分系統(tǒng)。6. 測控與通信分系統(tǒng)。7. 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)。8. 電源分系統(tǒng)。9. 回收與著

2、陸分系統(tǒng)。10. 應(yīng)急救生分系統(tǒng)。11. 儀表與照明分系統(tǒng)。12. 乘員分系統(tǒng)，包含航天員及其醫(yī)監(jiān)、醫(yī)保設(shè)施和個(gè)人所需的設(shè)備和用品。13. 有效載荷分系統(tǒng)，由各種科學(xué)試驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目組成的分系統(tǒng)。l根據(jù)蘇、美的經(jīng)驗(yàn)，從發(fā)射無人飛船開始到建立長期性空間站，花了約三十多年時(shí)間，經(jīng)歷了五個(gè)階段。l（1）無人飛船 利用動(dòng)物（如狗、猩猩）作為乘客對飛船的各種系統(tǒng)進(jìn)行軌道飛行及回收試驗(yàn)，為人上天作準(zhǔn)備。l（2）單人飛船 試驗(yàn)人對軌道飛行的適應(yīng)能力，全面驗(yàn)證飛船的各基本系統(tǒng)。l（3）多人飛船 一般載23人，試驗(yàn)人的艙外活動(dòng)，飛船的軌道機(jī)動(dòng)、交會(huì)與對接，人在兩艘飛船之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移等技術(shù)，為發(fā)展空間試驗(yàn)作準(zhǔn)備。

3、l（4）短期性空間站 一般是單艙式站（或一個(gè)生活艙加一個(gè)后勤艙），進(jìn)行壓力艙基本系統(tǒng)的試驗(yàn)，進(jìn)行空間科學(xué)、微重力應(yīng)用、對地觀測等試驗(yàn)。l美國除了在短期性空間站上作試驗(yàn)以外，還利用航天飛機(jī)進(jìn)行大型空間結(jié)構(gòu)的組裝與展開、衛(wèi)星的回收與維修、從軌道平臺(tái)上發(fā)射衛(wèi)星等試驗(yàn)。l（5）長期性（永久性）空間站 是一種模塊式組裝的大型空間基地，是從科學(xué)試驗(yàn)向軌道生產(chǎn)過渡的空間設(shè)施。登月艙形狀象一只蜘蛛。能把兩名航天員從月球軌道送到月球表面，完成任務(wù)后，在把航天員送回等候在月球軌道上的指令艙。由航天員在月面上駕駛的工作車，能夠載重，機(jī)動(dòng)靈活，節(jié)省航天員的體力，大大提高工作效率。在太空中穿衣服十分困難，要比地面花多得

4、多的時(shí)間。在太空中洗澡要在密閉的浴室中，不然水就會(huì)四處飛揚(yáng)。在太空中怎么睡覺都是一樣的。但是要用帶子綁好，不然就會(huì)在飛船中飄來飄去。在太空中上廁所要在特制的衛(wèi)生間中進(jìn)行，排泄物被吸走，并貯存在容器中。水泡在失重狀態(tài)下漂浮在太空中失重并不影響人的咀嚼和吞咽功能，但是，在太空中吃飯要十分注意，不然食物殘?jiān)鼤?huì)危及航天員的安全。l美、蘇兩國三十多年的載人航天實(shí)驗(yàn)，證明了人對空間飛行環(huán)境的適應(yīng)能力，也提出了人在空間的耐久力的問題。l美國的結(jié)論傾向于人在空間一次值班時(shí)間以三個(gè)月為宜。l蘇聯(lián)人已創(chuàng)下了一次飛行一年的時(shí)間紀(jì)錄。l飛行時(shí)間過長，會(huì)對心血管系統(tǒng)，對紅血球的減少，特別是骨骼中鈣的損失產(chǎn)生不能康復(fù)的病

5、變。人的心理因素，艙內(nèi)的生活環(huán)境，食品的營養(yǎng)供應(yīng)等問題也影響人在空間的長期生活。因此有人傾向于在長期飛行的載人空間飛行器上制造人造重力。名 稱發(fā)射時(shí)間飛船飛行次數(shù)主要活動(dòng)單人飛船（“東方”號(hào)）1961.41963.66考驗(yàn)人在空間的適應(yīng)能力，編隊(duì)飛行三人飛船（“上升”號(hào)）1964.101965.32艙外活動(dòng)三人飛船（“聯(lián)盟”號(hào)）1967.41970.68機(jī)動(dòng)飛行，交會(huì)，對接短期空間站（“禮炮”15號(hào)）1971.41976.615軍事應(yīng)用空間站（“禮炮”67號(hào)）1977.933微重力試驗(yàn)及應(yīng)用，空間科學(xué)，對地觀察，軍事用途長期空間站（“和平”號(hào)）1986.2 微重力試驗(yàn)及應(yīng)用，空間科學(xué)有的學(xué)者將

6、短期空間站稱作空間實(shí)驗(yàn)室。名 稱發(fā)射時(shí)間飛船飛行次數(shù)主要活動(dòng)單人飛船（“水星”號(hào)）1961.51963.56考驗(yàn)人的適應(yīng)能力雙人飛船（“雙子星座”號(hào)）1965.31966.1110軌道機(jī)動(dòng)，交會(huì)，對接艙外活動(dòng)三人飛船 （“阿波羅”號(hào)）1968.101972.1211 其中6次登月，3次繞月飛行短期空間站（“天空實(shí)驗(yàn)室”）1973.51979.73空間修理，材料加工，生物醫(yī)學(xué)，地球資源，天文學(xué)等研究航天飛機(jī)1981.488 發(fā)射、回收與修理衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)室，空間站建設(shè)長期空間站（“國際空間站”）1998 是以美國為主的多國合作項(xiàng)目； 至1998年底；未包括1967年開始的6次無人飛行；1969年

7、7月20日21日，阿姆斯特朗第一個(gè)登上月球。l環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)是載人航天系統(tǒng)中保障航天員和有效載荷專家生活和工作的系統(tǒng)。一般來講，生命保障系統(tǒng)可分為五種類型：開式系統(tǒng)開式系統(tǒng)、改進(jìn)式開改進(jìn)式開放系統(tǒng)放系統(tǒng)、最低限度的閉式系統(tǒng)最低限度的閉式系統(tǒng)、半閉式半閉式系統(tǒng)系統(tǒng)、閉合系統(tǒng)閉合系統(tǒng)。l環(huán)控生保系統(tǒng)應(yīng)在載人航天器臨射待命、發(fā)射段飛行、軌道飛行、返回段飛行和著陸后等待回收的各個(gè)階段，為航天員（或載荷專家）創(chuàng)造合適的艙內(nèi)生存環(huán)境條件，保障他們在空間飛行的特殊環(huán)境下安全地生活和正常地工作。l一、環(huán)境控制功能一、環(huán)境控制功能l大氣壓力、氣體成分、大氣溫度和濕度；l座艙的防火、防噪聲和防輻射。l二、

8、生命保障功能二、生命保障功能l提供各種生活設(shè)施，解決空間飛行條件下的進(jìn)食、飲水和處理個(gè)人衛(wèi)生問題，保證人的正常生活。（1）保證合適的大氣總壓和氧分壓；（2）提供氧氣及補(bǔ)充泄漏的氮?dú)夂脱鯕猓唬?）清除二氧化碳及有害氣體，保證潔凈度；（4）保證合適的溫度、濕度和通風(fēng)條件，收集和管理冷凝水；（5）實(shí)行飲用和衛(wèi)生用水的管理；（6）收集生理廢物和其它廢棄物；（7）提供艙內(nèi)航天服及其支持設(shè)備，用作座艙環(huán)控的安全備份；（8）煙火檢測和火情抑制措施；（9）出現(xiàn)壓力、溫度等應(yīng)急情況，轉(zhuǎn)入應(yīng)急工況，保證航天員的生命安全；（10）提供出艙活動(dòng)航天服及支持設(shè)備；（11）出艙活動(dòng)時(shí)座艙壓力控制，為航天員提供吸氧排氮裝置

9、，保證出艙安全。l供氣調(diào)壓分系統(tǒng)；l氣體成分控制通風(fēng)凈化分系統(tǒng)；l座艙溫度濕度控制分系統(tǒng)；l水管理分系統(tǒng)；l廢物收集處理分系統(tǒng)；l航天服循環(huán)分系統(tǒng)；l火煙檢測與滅火分系統(tǒng)；l食品管理分系統(tǒng)；l系統(tǒng)參數(shù)測量控制分系統(tǒng)。l由于飛行任務(wù)和飛行器總體的設(shè)計(jì)的約束；l如：乘員人數(shù)；自主飛行時(shí)間、飛行任務(wù)周期等。l飛行環(huán)境方面的設(shè)計(jì)約束；l如：力學(xué)環(huán)境條件、空間環(huán)境條件等。l來自于航天員方面的醫(yī)學(xué)和工效學(xué)要求。l如：座艙大氣的要求，溫度、濕度和通風(fēng)的要求等。l航天員的代謝產(chǎn)物，如二氧化碳和廢水等全部不回收再生，而是拋出艙外或封存起來帶回地面。l消耗物質(zhì)通過天地往返系統(tǒng)來輸送和補(bǔ)給。載人飛船、航天飛機(jī)和初期

10、空間站都是這類系統(tǒng)。如美國載人飛船和航天飛機(jī)采用液態(tài)超臨界壓力儲(chǔ)存主氧和高壓氣態(tài)儲(chǔ)存輔助氧供航天員呼吸。航天員呼出的二氧化碳由消耗性氫氧化鋰吸收，二氧化碳和氫氧化鋰本身作為廢物帶回地面。水由地面補(bǔ)給，一切廢水和廢物都不加利用，甚至散熱也常用水作為蒸發(fā)的消耗性材料。 l二氧化碳的凈化系統(tǒng)采用可再生式的方案，采用再生式分子篩替代消耗性的氫氧化鋰，如“天空實(shí)驗(yàn)室”。 l（1）采用再生式凈化方式除去艙內(nèi)的二氧化碳；一人一天產(chǎn)生490升二氧化碳4KO2+2H2O+4CO23O2+4KHCO3l（2）衛(wèi)生用廢水再生；l衛(wèi)生用水再生已用于前蘇聯(lián)載人空間站。 l閉合氧和水兩個(gè)回路，完全使水和氧再生。 l閉合氧

11、、水和碳的回路，可定義為：生物和非生物以閉路的形式在總系統(tǒng)邊界進(jìn)行質(zhì)量交換的集合體系。在邊界內(nèi)，各種成分之間形成由生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)決定的物質(zhì)流，系統(tǒng)要存在下去，物質(zhì)流就要形成閉環(huán)。最簡單的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)為三步過程：l植物在光合作用下把CO2和其它成分轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)物和O2；l植物以食物的形式供人食用，O2為人所吸收；l人的氧化廢物作為無機(jī)營養(yǎng)供給植物，形成閉環(huán)中只有光輻射作為外界的輸入，但物質(zhì)流是閉合的。l由一組相互獨(dú)立而又相互聯(lián)系的分系統(tǒng)組成，包括：艙內(nèi)環(huán)境控制；氧氣的供應(yīng)與二氧化碳的處理；水的處理與供應(yīng)；廢物處理；溫、濕度控制；乘員系統(tǒng)（保健、衛(wèi)生設(shè)備、飲食與居住設(shè)備）；1.航天員與艙外活動(dòng)生命保障

12、系統(tǒng)。 每天人的消耗量3人90天的消耗量氧0.84kg227kg水26.5kg7155kg二氧化碳凈化劑1.84kg500kg食物1.1kg291kgl一.載人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的影響因素和要求l二.航天醫(yī)學(xué)的要求 l三.系統(tǒng)工程設(shè)計(jì) l1.系統(tǒng)組成的影響不同艙段的設(shè)計(jì)對生命系統(tǒng)的影響。l2.補(bǔ)給周期的影響l3.電源系統(tǒng)的影響 電源提供氧和水，甚至碳的回路。l4.航天員人數(shù)及工作模式 航天員人數(shù)和性別確定后才能對生保系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和總體布局設(shè)計(jì)。l5.空間站工作的壽命與成本要求1.艙內(nèi)大氣總壓和氣體成分需要氧氣0.84kg/天，最高0.061kg/h。2.二氧化碳濃度的影響排出CO21kg/天。3

13、.艙壓變化率4.航天員的舒適條件包括艙壓、壁溫、氣溫、循環(huán)氣體流動(dòng)速度和溫度。5.艙內(nèi)大氣污染的要求（1）人的代謝產(chǎn)物 活性炭吸附，除臭，除微量有害氣體。（2）揮發(fā)性的物質(zhì) 過濾，清除微塵和氣溶膠。（3）設(shè)備的有害氣體 CO、CH4、H2、C2H2：催化燃燒，需要選擇合適的催化劑，使能在室溫下反應(yīng)。制定系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的要求和地面規(guī)則；確定可能實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)方案；建立關(guān)于氧和水閉環(huán)回路基本物質(zhì)的系統(tǒng)水平上的質(zhì)量平衡；進(jìn)行系統(tǒng)水平的綜合比較研究，選擇最優(yōu)的閉環(huán)方案；進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，制定出分系統(tǒng)的技術(shù)要求和有關(guān)技術(shù)方案；進(jìn)行分系統(tǒng)水平的綜合比較研究，選擇各分項(xiàng)分系統(tǒng)的基本方案。l氣體環(huán)境是建立、維持和保

14、障航天員生命安全的首要條件。氣體的主要成分是氧氣和氮?dú)?，氧氮?dú)怏w儲(chǔ)存和壓力調(diào)節(jié)技術(shù)是保障艙內(nèi)大氣壓力和成分的基本技術(shù)，在載人航天設(shè)計(jì)中占有重要的地位。 1、高壓氣態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)、高壓氣態(tài)儲(chǔ)存技術(shù)l系統(tǒng)簡單，存放時(shí)間長；但重量大，體積大。l應(yīng)用超高強(qiáng)度合金高壓容器：1550MPa2、超臨界壓力低溫儲(chǔ)存技術(shù)、超臨界壓力低溫儲(chǔ)存技術(shù)l體積小，重量輕。l如超臨界液氧貯存：-183，液=800氣 l若主電源采用燃料電池，則更合理。3、固態(tài)氧、固態(tài)氧l處于研究中。l組成：氣源組件、減壓組件、供氣開關(guān)組件和排氣調(diào)壓組件等主要技術(shù)模塊。l作用：不但控制艙內(nèi)的總壓和氧氣的分壓，還為供水等系統(tǒng)提供加壓的氣源。一一.二

15、氧化碳凈化技術(shù)二氧化碳凈化技術(shù)l氫氧化鋰吸收技術(shù)和超氧化物（如KO2）與氫氧化鋰綜合吸收技術(shù)；lLiOH吸收CO2l超氧化物具有吸收CO2和供應(yīng)氧氣的雙重功能。但由于吸收的CO2與提供的O2的比例與人體排出的CO2和吸入的O2的比例不同，需另外用LiOH吸收剩余的CO2。二二.微量污染的凈除微量污染的凈除l活性炭吸附劑：臭氣和微量污染物l催化燃燒：一氧化碳通過催化氧化變?yōu)槎趸肌過濾：去除微塵和氣溶膠 l廢熱來源：人體的代謝熱、艙內(nèi)儀器設(shè)備的廢熱和透過艙壁來至于外部的漏熱。其中人體代謝熱約占50%，且波動(dòng)較大。l水汽來源：人（呼吸和體表蒸發(fā)，每人每天排濕量約1800g；飲水和個(gè)人衛(wèi)生活動(dòng)）

16、及與人的活動(dòng)相關(guān)的設(shè)施。l任務(wù)：排熱去濕l本節(jié)內(nèi)容：1.艙內(nèi)大氣溫度控制 ；2.濕度控制 l分主動(dòng)溫控和被動(dòng)溫控兩部分。前者屬于環(huán)境與生保系統(tǒng)，后者屬于結(jié)構(gòu)本身。l主動(dòng)溫控的功能是在各飛行階段散去載人航天艙內(nèi)產(chǎn)生的廢熱和來自其它熱源的熱流。l系統(tǒng)包括：通風(fēng)散熱分系統(tǒng)；流體傳輸回路；散熱回路；散熱器；冷卻板；消耗性熱源。l熱最后通過散熱設(shè)備輻射到空間中。l一般溫控系統(tǒng)中都有兩路并行系統(tǒng)保證其可靠性。 l例：消耗性蒸發(fā)劑散熱器空間水蒸發(fā)器l在微重力條件下，人的活動(dòng)產(chǎn)生大量的水汽，如不清除將達(dá)到飽和狀態(tài)。l由于在微重力條件下，水汽的冷凝和收集與地面不同，因此要特殊處理。l與溫度控制聯(lián)系起來進(jìn)行。l系

17、統(tǒng)組成：冷凝熱交換器、水分離器和水收集器。l少數(shù)情況采用吸附劑（如分子篩）進(jìn)行部分控制。l難點(diǎn)：微重力下的氣液分離問題。l早期的載人航天器的廢物處理比較簡單，直到出現(xiàn)天空實(shí)驗(yàn)室和航天飛機(jī)時(shí)才有比較完善的系統(tǒng)，如“天空廁所”。l液態(tài)廢物：尿液（約1.5kg/天）、濕氣的冷凝水和個(gè)人衛(wèi)生用水。l固態(tài)廢物：糞便、嘔吐物及其它生活廢棄物。l液態(tài)廢物和固態(tài)廢物的收集和處理系統(tǒng)。l例：美國航天飛機(jī)的大、小便收集系統(tǒng)l航天員每天呼出1kg的CO2，吸入0.84kg O2。凈除艙內(nèi)的CO2和把它轉(zhuǎn)換為O2的技術(shù)稱為氧的再生技術(shù)。分三步進(jìn)行： l一. CO2濃縮技術(shù) l二. CO2還原技術(shù) l三.電解制氧技術(shù)

18、收集并濃縮CO2的技術(shù)。1.分子篩二氧化碳凈化技術(shù)；l美“天空實(shí)驗(yàn)室”2.固態(tài)胺二氧化碳凈除和濃縮技術(shù)；l吸收解吸方法3.電化學(xué)二氧化碳收集與濃縮技術(shù)；4.膜擴(kuò)散方法。l二氧化碳加氫還原為水的過程。1.Sabatier二氧化碳還原（轉(zhuǎn)化率高：98%）lCO24H2 CH42H2O放熱l產(chǎn)生的CH4排出或用作推進(jìn)劑2.Bosch還原（多次循環(huán)，轉(zhuǎn)化率低）lCO22H2 C 2H2Ol缺點(diǎn)： C吸附在催化劑上不易去除。l催化劑：鐵、鈷、鎳、釕鐵合金l1.固體聚合物電解制氧技術(shù)l固態(tài)電解質(zhì)：過氟磺酸型的離子交換薄膜浸水后，導(dǎo)電性好。l2.靜態(tài)供水電解技術(shù) H2O電解 H20.5O2+熱 l一.多層過

19、濾技術(shù) l二.膜技術(shù)的應(yīng)用 l三.相變廢水處理技術(shù) l四.廢水和廢物的綜合處理系統(tǒng) l多級(jí)濾器：去懸浮物l正負(fù)離子交換樹脂床：清除溶于水的無機(jī)物；l活性炭吸附床和微生物控制裝置：去除水中有機(jī)物質(zhì)以保護(hù)水質(zhì)。l反滲透膜 l超濾膜和反滲透膜，廢水在一定壓力下通過膜處理器。l超濾膜：去除懸浮物和高分子污染物l反滲透膜：排除有機(jī)顆粒、微生物和大部分低分子量的鹽類。1.蒸汽壓縮蒸餾技術(shù)2.熱電膜蒸發(fā)組合系統(tǒng)3.汽相催化除氨廢水處理系統(tǒng)4.閉環(huán)空氣蒸發(fā)式廢水處理系統(tǒng)廢水、廢物變?yōu)樗?、氣體和固體殘?jiān)?。?：航天飛機(jī)組合式便器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖l為了保護(hù)航天員在艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí)的安全，太空艙內(nèi)應(yīng)設(shè)置煙、火檢測和消防系統(tǒng)。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由探測器送出報(bào)警信號(hào)。此時(shí)的航天員立即穿上防護(hù)服具和個(gè)人救生裝備投入滅火，并由救生裝備提供氧氣。當(dāng)不能