创造航天员生存的微小气候环境

我们都知道，在整个太阳系中有八大行星，而其中只有地球上有人类存在，其他的行星到现在为止还没有探得过任何的生命迹象，这是为什么呢？这是由于地球被厚厚的大气层包裹，与太阳的距离刚刚好，这样就为人类提供了一个舒适的生活环境。

人为了维持人体正常的生理活动，要不断和环境进行物质和能量的交换。维持生命的基本物质是水、食品和氧气。人如果没有食品最多可以生存一个月左右，没有水可能活几天，没有氧气则只能生存几分钟。人在正常的生理活动中，除了消耗氧气、食品外，还产生一定量的二氧化碳和其他一些垃圾。氧气、食品需要供应，垃圾需要处理，在地球上，这些任务是由我们赖以生存的生物圈来完成的。

人在太空中，宇宙空间恶劣的环境因素如真空、辐射、超低温、微重力等，会直接威胁人的生命。如果没有一套完整的环境控制与生命保障系统，人不可能在这样的环境中生存。环境控制与生命保障系统，简称环控生保系统，其任务是在航天器密闭舱内创造一个适合居住的环境条件，并为航天员的生存提供必要的物质条件，保证航天员在航天器内的正常生命活动及工作效率。

环控生保系统的功能和组成

由环控生保系统的全称我们可以联想到它的两大功能：

一是环境控制功能。实现航天器座舱内的环境控制，即大气压力控制、气体成分控制、温湿度控制。

二是生命保障功能。为航天员提供维持生命必需的物质条件和各种生活支持设施，解决航天飞行条件下，特别是轨道飞行条件下航天员进食、饮水和处理个人卫生所遇到的特殊困难，保证航天员的正常生理活动。

为了实现环境控制与生命保障的基本功能，环控生保系统主要由完成各自特定功能的分系统组成。按照NASA的规范，它可以分为供氧调压、大气净化、温湿度控制、水管理、废物管理等几个部分。

链接：环控生保系统的具体功能

①维持飞行器内适宜的大气总压和氧分压；

②提供航天员新陈代谢所需要的氧气，补充由于座舱泄露等原因而消耗的氧气和氮气；

③处理二氧化碳和其他微量有害气体成分，保证座舱大气的洁净度；

④维持座舱内适宜的温度、湿度，保证舱内气体的流通；

⑤保障航天员饮用水和卫生用水的供应，实现水回收和管理；

⑥收集处理航天员产生的生理废物和其他废弃物。

压力制度

座舱的压力控制系统是生命保障系统最重要的组成部分，它能维持舱内压力和供人呼吸用氧，对保证航天员的健康至关重要。载人航天器舱内的压力并非都是保持和地面的压力一致的，国外用于载人航天器舱内的气体压力有两种：

一种是座舱压力及舱内气体组分与地面上一样，即一个大气压力制度。这种压力符合人体的生理要求，人们已经习惯生活在这种气体环境里。苏联/俄罗斯的载人航天器，从加加林驾驶的“东方号”，到“联盟号”飞船，再到“和平号”空间站，密闭舱内的压力，都是用一个大气压力制度。美国现在的航天飞机密闭舱也是用这种压力制度。但这种压力制度的舱内压力高，为保持压力需要的控制调节比较复杂。由于舱体内外所受到的压力差别较大，所以要求舱体结构坚固。航天员穿着航天服出舱活动时，由于航天服所提供的压力较低，为避免减压病的发生，要经过较长时间的吸氧排氮。

另一种压力制度是舱内保持1/3的大气压力，舱内气体是纯氧。美国的“水星号”“双子星座号”“阿波罗号”系列飞船，都是使用这种压力制度。这种压力制度使得舱压的调节相对简单，而且由于舱体内外压差较小，使得舱内气体的泄露量小，同时在穿着低压航天服前不需要吸氧排氮（仅在发射前吸氧排氮3小时）。但是人体长时间呼吸纯氧会抑制红细胞的生长，对眼鼻有刺激作用。更为严重的是舱内纯氧容易引起火灾，因为许多在氧氮混合条件下不易燃的材料在纯氧条件下会变得易燃。1967年1月27日，“阿波罗1号”在做登月舱充纯氧试验时，因电线碰擦引起大火，当营救人员打开舱门时，3名最优秀的航天员都已被燃烧所产生的剧毒气体熏死了。

氧气来源

解决了舱内的压力问题之后，所面临的另一个大问题就是供氧。太空中没有大气，更没有氧气，因此，在航天器内航天员生存所需要的氧气和其他气体都是从地球上带上去的。在轨道舱中，为了不断补充人体消耗和座舱泄露的气体，维持舱内压力平衡，舱内必须要有专门的氧气和氮气的储存系统。氧气储存方式一般有三种：

第一种是将其作为高压气态保存，短期载人航天器一般用这种方法。

第二种是采用液化的方法，将氧置于低温之下，使其成为液态进行储存，这种方式结构紧凑，重量轻。

第三种实际上是利用碱金属超氧化物经过一系列反应产生氧气，这种方式常称为化学储存方式。氧气产量的多少常通过舱内的水汽含量和二氧化碳含量来控制。

温湿度控制

载人航天时舱内温度如不加控制，会逐渐升高。使座舱温度升高的原因有很多，航天员的人体代谢过程会产生热，舱内的仪表设备运行的时候会产生热，飞船上升、返回时传入舱内的气动力产生的热，以及飞船运行时太阳辐射传入舱内的热，这些都会使舱温升高。载人航天器都配备有完善的温度控制系统，使舱内温度始终控制在人感到舒服的范围内。温度控制的方法基于防止、减少外界热传入和积极地将舱内产生的废热排出舱外的思想。

常用的一种散热方法是水蒸发法。在真空的环境下，水在1.7℃～7.3℃的低温可以沸腾形成蒸汽，水蒸发时会吸收大量的热量。因此可将水输入到热交换器，通过低温蒸发，便将热排出舱外。短时间飞行常用这种方法，而长时间飞行可用升华器、辐射器方法散热。

航天员呼出的气体和排出的汗液都含有一定量的水蒸气，如果不采取措施将这些水蒸气清除的话，航天员会因为环境湿度太大而感觉不舒服，而且过高的湿度对舱内的仪表设备运行也是不利的。飞船中常用的去湿方法是采用分子筛材料吸附舱内空气中的水蒸气，然后在真空条件下解吸去湿。

有害物质（气体）的处理

除了水蒸气，载人航天器内还有人体代谢产生的有害物质，特别是蛋白质代谢分解的有害产物，以及舱内设备中非金属材料的挥发物。这些物质对航天员的影响不只是舒服与否，更重要的是它们作为一种污染源，有可能影响航天员的身体健康。尤其是人体代谢产生的有害物质危害更大，如呼吸时排出的二氧化碳、一氧化碳、甲醇、挥发性脂肪酸等；胃肠道排出的有害物质甲烷、硫化氢、甲硫醇、吲哚等；出汗时汗液中的有害挥发物胺、氨、苯酸等。

为什么我们在地球上不必担心这些有害物质？这是因为，生活在地球上的人，其居住环境中一般都有门窗与外界相通，这些有害物质不断地排出室外，与周围大气相混合，不会影响人体健康。而在密闭舱中就不同了，如一个不吸烟的青年人，一昼夜可排放出一氧化碳10毫克，而一个航天员在密闭舱平均占有一个立方多的空间，生活一昼夜产生的一氧化碳即可达到对人体有害的程度。

在航天器中要尽量减少这些物质，消除污染。人体排出的代谢产物是难以避免的，但座舱内非金属材料的分解产物，在一定程度上是可以控制或减少的，这一般是通过选用一些挥发物少的非金属材料作为航天材料。如美国的“阿波罗”飞船选材时，对所有备选的非金属材料进行有害物质排放量测量试验，淘汰那些排放量超标的材料。

对于无法避免的污染物，一般采用吸收、过滤、催化等方法进行消除。如人体代谢的二氧化碳，常采用吸收剂或分子筛进行消除；微量污染物，如汗液及座舱材料挥发物可采用活性炭进行吸附消除；但对于分子小、沸点低且不易吸收的污染物如一氧化碳、甲烷等，可以采用催化燃烧的方法消除。

生命之源

水对有生命的生物体是极为重要的。生活在宇宙空间的航天员，也需要供给生活用水和饮食用水。载人航天器内的供水系统是采用多种方法解决的。航行时间短的，一般采用储水器从地面携带净水到太空。储水器采用橡胶囊或金属风箱式可折叠水箱，囊内充有一定量的氮，在失重条件下增加囊内压力，水即可排出，且储水方式简单易行。水箱的容积与航天时间长短、人数多少、飞船载重量等相适应。氢氧燃料电池产生的水也是供水的一种，这种水经过冷却，温度下降到18℃～24℃，再经过消毒器消毒、净化后送入储水箱。

载人航天器在太空飞行时，水处于失重状态，不会自行从水箱中流出，因此供水的水箱都装有增压装置，加压后水即可流出。

在类似空间站这种长期的载人航天器中，如果依靠地面上定期送水，那这样做是非常不经济的。而且如果由于某种原因水不能及时送到，航天员的生命就会出现危机。所以在这种航天器上，水是由它自己“生产”的。

我们知道地球上的水是在不停地循环着的。海洋中的水被蒸发到空气中形成云，云又转换为雨降落到地面上，雨水汇集成河流最后又回到海洋。在这个循环过程中自然界的微生物和土壤对地面上的水起着净化的作用。航天器内“生产”水的过程正是模拟这么一个过程。水的来源是航天器中一切可以收集到的水，经过净化器的处理就成为航天员的生活用水。

当你在航天器中喝水时，千万不要去想水的来源。因为这些水是从航天器中各个地方收集而来的，包括燃料电池产生的冷凝水、洗漱用水甚至排尿以及上面提到的水蒸气等。如果仔细收集，基本可以实现航天器的自给自足。这也许听起来比较恶心，但是事实上，经过空间站的净化处理器后的水，可能比地球上我们多数人喝的水都要干净。

再回过头来看看水循环系统，它并不是单独存在的，它与其他系统也有着联系，正如地球环境一样，水的循环与大气、生物有着千丝万缕的联系。从载人航天器的发展来看，生命保障系统的设计正力求模拟地球上的环境，因此未来的载人航天器，比如永久性空间站，就会成为太空中另一个“地球”。

链接：“水星号”飞船的环境控制系统

温度控制

以散热方式维持舱内恒定的适宜温度。热负荷来源于人体代谢产生的热、电器设备产生的热和由外部环境传入的热。早期载人飞船主要利用消耗性液体（通常是水）的蒸发潜热和在真空环境控制水的蒸汽压力来控制舱内温度。随着飞行时间延长和乘员人数增多而改用泵压流体循环温控系统。传热流体通过热交换器将热量带到空间辐射散热器散向空间，而将消耗性的水蒸发器作为辅助散热手段。

湿度控制

湿度控制的作用是除去来自航天员呼出的气体和体表蒸发的水蒸气。干燥法是利用硅胶和分子筛等材料的吸附作用除去舱内大气中的水蒸气，并在真空中解吸。冷凝分离技术更为简单可靠，它能将舱内循环流动大气中的水冷凝在热交换器的特制表面上，借助一定的压力使冷凝水通过透水不透气的多孔材料进入储水容器中，作为蒸发散热器或处理待用的水源。

舱压和氧分压控制

在航天器的上升段，泄压阀排放舱内气体，直至舱压达到预定值时自动关闭。在轨道段，供气系统自动向舱内供气，补偿舱体泄漏和航天员的氧消耗，维持恒定舱压。舱压超过额定值时，压力调节器自动向舱外排气，使舱压维持在一定范围内。密封舱采用纯氧大气环境时仅须控制总压，不单独控制氧分压。密封舱采用一定氧含量的混合气体大气环境时，则用氧分压和总压传感器作为敏感元件，通过执行机构分别控制氧气流量和氮气流量，使舱压和氧分压维持在规定的范围内。

二氧化碳净化和微量污染控制

净除二氧化碳一般采用化学吸收法，又分为消耗式和再生式两种。消耗式吸收法常用氢氧化锂作吸收剂，控制舱内大气中二氧化碳的含量，此法性能可靠。采用再生式方法时常用分子筛作为二氧化碳净化剂，它在真空环境中易于解吸。此外，还有多种可重复使用的二氧化碳净化技术，如电渗析、低温冻结、扩散和采用液体和固体吸收剂等。微量污染来源于人体排泄物和设备的挥发物，通常采用的是过滤、吸附和催化氧化等综合处理技术。强迫通风式干过滤法可以消除尘埃；吸附法可有效地除去臭气和烟雾；活性炭能较好地吸附中、高沸点的碳氢化合物；对一氧化碳、氢、甲烷等低沸点气体一般采用催化氧化法。此外，还须对航天员进行消毒和检疫，以防污染密闭舱大气环境。