載人航天器CO2清除技術(shù)分析與任務(wù)模式設(shè)計

楊 樂，李志杰，田 林，徐小平，李勁東

（1.中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計部，北京 100094；2.中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

CO2是人體新陳代謝產(chǎn)物，排出量隨運動加劇而增大，常壓條件下，成年人休息時每分鐘呼出約0.2 L CO2，劇烈運動時每分鐘產(chǎn)生的CO2超過4.0 L，每人每天約排出1 kg CO2。如果不加以控制，CO2會在密閉環(huán)境中迅速累積。暴露于2%質(zhì)量分數(shù)的CO2環(huán)境下數(shù)小時后，人體會出現(xiàn)頭痛和呼吸困難的癥狀；在3%質(zhì)量分數(shù)的CO2中暴露1 h后，人休息時會感覺出汗和呼吸困難；暴露于4%～5%質(zhì)量分數(shù)的CO2幾分鐘內(nèi)即可出現(xiàn)頭暈、嗜睡與呼吸困難等癥狀。更高的CO2濃度會導致人類昏迷、肌肉抽搐，最終死亡。在真空環(huán)境下，由于空氣對流顯著減少，在CO2源（如鼻子和嘴巴）周圍可能會形成局部的CO2富集區(qū)。計算流體動力學分析顯示，如果沒有足夠的通風，10 h內(nèi)，在睡覺的乘員的嘴巴和下巴周圍的CO2分壓會上升到1.2 kPa以上[1]。

美國阿波羅乘員艙規(guī)定CO2分壓不大于0.5 kPa為最佳水平，最大允許1 kPa，應(yīng)急情況下為2 kPa；美國NASA-STD-3000規(guī)定，國際空間站正常運行時，CO2分壓不高于0.4 kPa，90 d任務(wù)運行標準為1.01 kPa，28 d應(yīng)急標準為1.2 kPa。俄羅斯空間站艙段要求為：飛行1個月內(nèi)，CO2分壓不高于1.33 kPa，30～180 d，CO2分壓不超過1.04 kPa，180 d以上不大于0.79 kPa[2]。

為確保航天員安全、健康、高效地完成任務(wù)，載人航天器中使用環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（Environ?mental Control and Life Support System，ECLSS）對CO2進行連續(xù)清除。航天器CO2清除技術(shù)主要分為非再生式與物理化學再生式兩類。非再生式技術(shù)主要利用消耗性材料氫氧化鋰（LiOH）或氫氧化鉀（KOH）和超氧化鉀（KO2）混合物與CO2的化學反應(yīng)，將氣態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為固態(tài)生成物，其中KO2還能在反應(yīng)中釋放O2。非再生式技術(shù)主要用于短期載人航天任務(wù)，在中長期任務(wù)中作為備份或應(yīng)急狀態(tài)下使用。

在中長期載人航天任務(wù)中，消耗性非再生式技術(shù)存在消耗品質(zhì)量消耗過快導致再補給成本上升的問題。目前可再生式CO2清除技術(shù)主要包括國際空間站的分子篩和即將應(yīng)用于獵戶座載人飛船的固態(tài)胺系統(tǒng)。再生式CO2清除技術(shù)不僅能夠?qū)⒆搩?nèi)CO2分壓降至很低水平，還能大幅提高航天器內(nèi)物質(zhì)循環(huán)利用率并降低地面再補給成本。對于再生式或非再生式CO2清除技術(shù)方案的選擇，主要基于任務(wù)持續(xù)時間、乘員人數(shù)及相對應(yīng)的消耗品、設(shè)備質(zhì)量、功率可靠性等。

本文對幾種應(yīng)用于載人航天器的CO2清除技術(shù)進行調(diào)研與分析，分別介紹設(shè)備基本工作原理、技術(shù)特點和應(yīng)用情況等；并對不同方法的能耗、再生性、CO2清除率等參數(shù)進行比對分析，總結(jié)技術(shù)發(fā)展趨勢；最終基于未來載人航天任務(wù)特點，結(jié)合上述分析，提供符合任務(wù)需求的CO2清除技術(shù)途徑，為未來載人深空探測任務(wù)的實施提供參考。

1 非再生式技術(shù)

1.1 基本原理

該方法采用非再生化學反應(yīng)劑，以氫氧化物和超氧化物為主，常用的有無水LiOH、KOH和KO2混合物；其中LiOH的反應(yīng)式如式（1）（2）所示：

總反應(yīng)方程如式（3）所示：

從式（3）可以看出，無水LiOH首先吸收氣流中的水氣，生成LiOH的水合物LiOH·H2O；LiOH·H2O再吸收氣流中的CO2生成LiCO3。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，每吸收1 kg CO2釋放2031.9 kJ熱量[3]。

KO2是一級氧化劑，是碳化鈣型粉末狀晶體，有吸濕性、順磁性，其與CO2的反應(yīng)式如下：

KO2在吸收CO2的同時會釋放O2，能夠彌補人體代謝所消耗的O2，其強堿性能夠輔助消除艙內(nèi)的酸性氣體污染物，在前蘇聯(lián)東方號、上升號等載人航天器得到了廣泛應(yīng)用。但KO2遇易燃物、有機物、還原劑等會引起燃燒甚至爆炸，在座艙內(nèi)遇水或水蒸氣會釋放大量熱量，給飛船熱控系統(tǒng)帶來熱負荷的同時容易導致局部反應(yīng)床溫度過高而引起反應(yīng)物燒結(jié)或結(jié)塊堵塞，對反應(yīng)速率有一定影響，因此已逐漸被取代[4]。

1.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

LiOH吸收罐為徑向流通結(jié)構(gòu)，由幾組并聯(lián)設(shè)計的LiOH罐（濾筒）組成。氣流起初只通過一個濾筒，當一個濾筒用完后，艙內(nèi)CO2分壓上升，轉(zhuǎn)換閥門，氣流轉(zhuǎn)向另一個平行濾筒，同時航天員手動更換濾筒。阿波羅飛船上的LiOH罐[5]如圖1所示。發(fā)射任務(wù)所攜帶的LiOH罐數(shù)量取決于航天器內(nèi)乘員人數(shù)和任務(wù)持續(xù)時間。

圖1 阿波羅飛船上的LiOH罐實物圖Fig.1 Lithium hydroxide canister from the Apollo spacecraft

LiOH水合及與CO2的化合反應(yīng)主要在反應(yīng)帶中進行，如圖2所示[5]。LiOH隨反應(yīng)進行逐漸消耗，當LiOH消耗殆盡時，反應(yīng)停止，出口端CO2質(zhì)量濃度上升，反應(yīng)罐失效。

圖2 LiOH吸收罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of LiOH absorption tank

理論上1 kg無水LiOH能夠吸附0.85 kg CO2，但實際上LiOH的吸附性能不可能被完全利用，主要原因：

（1）LiOH孔隙度不足，CO2與其接觸面積有限；

（2）反應(yīng)區(qū)內(nèi)溫度及濕度并非最佳反應(yīng)條件，限制了反應(yīng)的進行；

（3）隨著反應(yīng)的進行，顆粒表面被生成物覆蓋，阻礙了CO2的吸收。

考慮到LiOH的利用率、容器及夾具質(zhì)量與藥品黏合劑質(zhì)量，實際上1 kg LiOH罐只能吸收0.48～0.65 kg CO2。

1.3 技術(shù)特點與應(yīng)用情況

用LiOH清除CO2的技術(shù)已非常成熟，對于一般短期載人航天任務(wù)，其設(shè)備操作簡單，功能可靠，但由于反應(yīng)劑不可再生，且功能單一，不適合中長期、多人載人航天任務(wù)；其次，LiOH與CO2反應(yīng)釋放大量熱量，給航天器熱控系統(tǒng)帶來額外熱負荷；此外，LiOH為強腐蝕化學品，系統(tǒng)一旦損壞泄露，LiOH粉末直接進入航天器通風環(huán)路，將對乘員皮膚與黏膜產(chǎn)生強烈刺激與腐蝕作用。

美國宇航局早期的水星（1958-1963年）、雙子座（1961-1966年）和阿波羅（1961-1972年）任務(wù)均使用LiOH罐清除CO2。LiOH罐簡單、輕便、可靠、有效，是早期用于生命支持的CO2清除策略的主要組成部分。前蘇聯(lián)上升號、禮炮號利用KO2完成了CO2清除，從聯(lián)盟號開始逐漸用LiOH罐替代KO2。

隨著國際空間站的建立，以及未來載人深空探測任務(wù)的逐漸實施，各國宇航局對CO2清除策略的需求從強調(diào)簡單、高可靠性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐笄宄矢?、具有可再生等。因此，這一期間發(fā)展了多種可再生清除技術(shù)。

2 固態(tài)胺技術(shù)

2.1 基本原理

固態(tài)胺技術(shù)是一種基于胺的真空再生吸附技術(shù)。固態(tài)胺能夠吸附氣體中的CO2、水蒸氣與部分微量氣體。將液胺涂在塑料珠（SA9T）上，固化后形成固態(tài)胺吸附劑。涂有吸附劑的塑料珠包裹于泡沫鋁中，并交錯鎮(zhèn)充在反應(yīng)床中。兩個反應(yīng)床交替進行吸附與解吸附，當一個反應(yīng)床吸附飽和時，將其暴露真空，破壞碳酸氫鹽的化學鍵，釋放出CO2與H2O從而完成再生，設(shè)備如圖3所示。

圖3 固態(tài)胺設(shè)備實物圖Fig.3 Solid amine equipment

固態(tài)胺設(shè)備[6]中的主要反應(yīng)如下：

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

固態(tài)胺設(shè)備內(nèi)采用閥芯式短管閥門使氣流從艙室通過吸附床變成清潔空氣后返回艙室，同時將吸附飽和的解吸床與設(shè)備隔離，并直接轉(zhuǎn)換至真空通道。該閥門周期性切換位置，以改變反應(yīng)床的功能，并在運行過程中平衡反應(yīng)床之間的壓力，這有助于最大限度地減少漏氣。CO2和H2O的吸附可以同時發(fā)生，而且在一定程度上是獨立的。吸附反應(yīng)為放熱反應(yīng)，而解吸反應(yīng)需要熱量驅(qū)動，床層的交錯設(shè)計與泡沫鋁材料能夠?qū)⑽椒磻?yīng)產(chǎn)生的熱量通過導熱傳遞給相鄰的解吸床，增加解吸反應(yīng)速率,如圖4所示[7]。

圖4 固態(tài)胺設(shè)備清除CO2原理圖Fig.4 Schematic diagram of solid amine equipment

2.3 技術(shù)特點與應(yīng)用情況

與不可再生技術(shù)相比，固態(tài)胺技術(shù)優(yōu)勢顯著：

（1）由于吸附劑可通過改變氣壓方式再生，因此大幅降低了地面補給成本。

（2）由于集成了CO2、水蒸氣及微量廢氣同步清除功能，可以取代熱控分系統(tǒng)中的冷凝換熱器的濕度控制功能，因此省去了傳統(tǒng)的冷凝換熱器，同時提高了新型換熱器的溫度并改善了材料的表面導熱性能，從而簡化了熱控系統(tǒng)設(shè)計，提高了換熱效率。

（3）胺基吸附劑基于變氣壓吸附過程，相比其他采用高溫來增強再生動力學的可再生系統(tǒng)需要更少的功率，且在太空中較容易獲取真空環(huán)境。

固態(tài)胺技術(shù)同樣存在一些缺陷，如反應(yīng)床在真空中解吸CO2和H2O時，會將部分座艙空氣直接排出；其次，固態(tài)胺系統(tǒng)長時間工作后可能會出現(xiàn)泄漏。

美國漢密爾頓標準公司從20世紀80年代起開發(fā)基于胺的真空再生吸附系統(tǒng)作為不可再生式CO2清除系統(tǒng)的替代品。系統(tǒng)最初使用HSC+作為吸附劑材料，被稱為再生CO2去除系統(tǒng)（Regenerable Carbon Dioxide Removal System，RCRS），90年代早期在航天飛機上進行了飛行驗證。該公司后期使用SA9T作為吸附劑材料，將項目稱為CO2與水蒸氣清除胺搖擺床[8]（CO2and Moisture Removal Amine Swing-bed，CAMRAS），CAMRAS大幅提升了CO2的吸附能力，2013年搭載國際空間站完成了飛行驗證。該公司計劃在獵戶座多用途載人飛行器（MPCV）上安裝3臺獨立的CAMRAS（2用1備），以完成4～6名乘員的CO2代謝量的清除，徹底取代LiOH罐。

在軌測試階段的CAMRAS設(shè)備上安裝了空氣干燥輪及氣孔，以防止真空解吸時水蒸氣與座艙空氣大量損失，為期10個月的測試中通過以上兩種裝置收集了115 kg水與7.66 kg空氣，回收率分別達到了79%及51%[8]。

3 四床分子篩

3.1 基本原理

四床分子篩（Four Bed Molecular Sieves，4BMS）利用5A沸石作為吸附劑清除航天器內(nèi)的CO2。沸石能夠在高溫環(huán)境中解吸再生。由于沸石對水蒸氣較為敏感，因此空氣進入吸附床之前，先用硅膠床去除水分。四床分子篩中的兩個床為硅膠干燥床，兩個床為沸石吸附床。

3.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

四床分子篩（圖5）工作流程如下：

圖5 四床分子篩結(jié)構(gòu)示意圖[10]Fig.5 Structure diagram of 4-bed molecular sieve

（1）含CO2的濕空氣首先進入硅膠干燥床；

（2）清除了水蒸氣后的干燥空氣通過鼓風機導入5A沸石吸附床以清除CO2（由于低溫條件下吸附效果最好，所以干燥空氣必須通過預冷器降溫，以抵消之前吸附的反應(yīng)熱量）；

（3）干燥且不含CO2的空氣被導向一個硅膠解吸干燥床，在增加濕度的同時完成硅膠床解吸再生后，返回座艙。

當沸石吸附床解吸時，為減少空氣損耗，利用雙級泵將吸附床上的空氣抽走，返回座艙，由于5A沸石吸附劑解吸時需要大量的熱量，故利用集成在吸附床內(nèi)的加熱器提高沸石的溫度，吸附的CO2或直接排向艙外，或經(jīng)過壓縮，進入CO2減排系統(tǒng)[9]。

3.3 技術(shù)特點與應(yīng)用

安裝于國際空間站的四床分子篩設(shè)備[10]如圖6所示。該設(shè)備又稱為CO2清除裝置（Carbon Dioxide Removal Assembly，CDRA），已連續(xù)運行19年，技術(shù)成熟，可靠性高，但在運行期間也發(fā)生了一些問題：

圖6 測試階段的四床分子篩設(shè)備Fig.6 4-bed molecular sieve equipment in test stage

（1）硅膠床與沸石吸附劑密封性不佳，長時間運行產(chǎn)生的粉塵污染了閥門并造成加熱器短路。

（2）由于沸石對水敏感，水分持續(xù)滲透會造成沸石吸附劑性能加速衰減。后期可能將沸石替換為疏水性吸附劑，降低水蒸氣對吸附劑的影響。

（3）沸石再生解吸必須加熱至121℃，解吸平均能耗達到714 W[11]。

四床分子篩技術(shù)繼承自美國天空實驗室的雙床分子篩，是首個應(yīng)用于空間環(huán)境的可再生CO2清除系統(tǒng)，該設(shè)備運行了4 000多小時，驗證了分子篩技術(shù)的可靠性。國際空間站的四床分子篩改進了天空實驗室的雙床設(shè)計，增加了兩個可再生干燥床，降低了空氣的濕度，提高了CO2的吸附效率。

2001年，2臺CDRA設(shè)備搭載STS-98發(fā)射升空，1個安裝在國際空間站的美國命運實驗室模塊中，另1個安裝在Node 3中。國際空間站的CDRA設(shè)備是俄羅斯CO2清除系統(tǒng)的補充，當空間站超過3名乘員時，該設(shè)備能夠提供長期清除能力，并將美國艙段CO2分壓保持在0.7 kPa以下[12]。

4 技術(shù)途徑總結(jié)與對比

表1比較了3種應(yīng)用于載人航天器的現(xiàn)役CO2清除技術(shù)[13-16]，分析如下：

表1 3種CO2清除裝置參數(shù)比對Tab.1 Parameters comparison of three CO2removal devices

（1）LiOH清除系統(tǒng)的單機質(zhì)量、體積與功耗最低，并且簡單可靠，但由于不可再生，每清除2 kg CO2（相當于2名航天員一天的代謝量）必須消耗3.17 kg吸收劑（LiOH/塑料珠+罐體），隨著任務(wù)時間增加，吸收劑的消耗數(shù)量線性增長，再補給成本較大，且反應(yīng)釋放的熱量成為系統(tǒng)的熱負荷。

（2）固態(tài)胺清除系統(tǒng)功能強大，能夠同時吸附空氣中的CO2、水蒸氣與部分微量廢氣，且體積、質(zhì)量、功耗相對較小，但清除能力偏小。獵戶座飛船的CAMRAS系統(tǒng)未安裝CO2減排系統(tǒng)，解吸時直接向艙外排放，對O2/N2儲罐系統(tǒng)造成一定負擔。

（3）目前應(yīng)用于國際空間站的四床分子篩已在軌運行19年，其功耗、體積、質(zhì)量較大，只能應(yīng)用于大型航天器。相較于CAMRAS系統(tǒng)，分子篩具備完整的CO2減排系統(tǒng)，可以利用Sabatier反應(yīng)器將CO2還原為甲烷（CH4）和水，提高了空間站物質(zhì)的循環(huán)利用率，降低了再補給成本。

5 基于載荷質(zhì)量的任務(wù)模式分析

CO2清除設(shè)備是載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)的重要組成部分。選擇CO2清除技術(shù)方案時必須詳細調(diào)研技術(shù)本身的特性，結(jié)合任務(wù)周期、乘員人數(shù)等因素進行綜合分析。本節(jié)主要討論3種技術(shù)方案執(zhí)行不同空間任務(wù)期間載荷質(zhì)量的增量。

5.1 近地空間站任務(wù)

以中國空間站為例，空間站1個駐留期為180 d，空間站上共3名航天員，以每人每天排出1 kg CO2估算，1個周期內(nèi)須清除約540 kg CO2，按照表1中的設(shè)備質(zhì)量數(shù)據(jù)，在不考慮備用設(shè)備的情況下，計算過程及結(jié)果如下：

LiOH設(shè)備的基礎(chǔ)質(zhì)量為17.24 kg，其中LiOH反應(yīng)劑及罐體質(zhì)量為3.17 kg（LiOH耗盡后須更換的總質(zhì)量），1個罐體能夠清除座艙中約2 kg CO2氣體，若清除540 kg CO2，則需要855.9 kg LiOH的再補給質(zhì)量；LiOH設(shè)備運行時要用風機將座艙內(nèi)的空氣吹入反應(yīng)罐，風機功率為22.5 W，則1個周期能耗為97.2 kW·h；固態(tài)胺與分子篩設(shè)備為再生式，故不考慮再補給質(zhì)量，只計算周期內(nèi)能耗水平。采用不同方案時的參數(shù)如表2所列。

表2 空間站采用不同清除方案時的參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters of different cleaning schemes in space station

分析如下：

（1）若采用LiOH清除技術(shù)，理論上須攜帶至少873 kg相關(guān)載荷，而固態(tài)胺和分子篩由于吸附劑可再生，無須額外攜帶消耗品，載荷質(zhì)量僅為設(shè)備本身質(zhì)量（未考慮吸附劑老化替換、漏氣影響）。理想條件下LiOH罐分別在第2～3天和第36天與固態(tài)胺及分子篩達到質(zhì)量平衡，如圖7所示。

圖7 空間站采用不同清除方案時的載荷質(zhì)量變化趨勢Fig.7 Load mass variation trend of space station with different cleaning schemes

（2）相比固態(tài)胺，分子篩需要高溫脫附，能耗較大，而固態(tài)胺能夠取代冷凝換熱器及污染物控制盒功能，因此固態(tài)胺技術(shù)優(yōu)勢較為明顯。

5.2 載人登月任務(wù)

載人登月任務(wù)往返約需17天，3名航天員，以每人每天排出1 kg CO2計算，往返任務(wù)須清除約51 kg CO2（分子篩質(zhì)量相對于小型載人航天器過大，故暫不作為備選技術(shù)。）

表3 載人登月任務(wù)參數(shù)對比Tab.3 Comparison of parameters of manned lunar landing mission

在理想條件下，使用LiOH方案須不斷更換反應(yīng)劑，因此再補給消耗品質(zhì)量增長較快，但能耗相對較低。與近地空間站任務(wù)類似，LiOH罐與再補給消耗品質(zhì)量在第2～3 d后超過固態(tài)胺設(shè)備質(zhì)量。作為短期載人航天任務(wù)，衡量技術(shù)方案的優(yōu)劣不能僅對比載荷本身，還應(yīng)討論載荷與其他，如熱控、乘員分系統(tǒng)的耦合關(guān)系，以此作為最佳技術(shù)方案。

6 結(jié)論

本文調(diào)研了3種應(yīng)于載人航天器的CO2清除技術(shù)，分析了它們的結(jié)構(gòu)與性能特點，并結(jié)合近地軌道空間站與登月任務(wù)進行了基于載荷質(zhì)量的計算，得出以下結(jié)論：

（1）功能性拓展

載人航天器CO2清除技術(shù)逐漸從單一CO2清除逐步發(fā)展為CO2、水蒸氣及微量氣體同步清除，有效提升了設(shè)備集成度，降低了載荷質(zhì)量與體積。

（2）獨立性增強

LiOH與CO2反應(yīng)生熱，熱量須借助熱控系統(tǒng)的水升華器排出；固態(tài)胺設(shè)備則取代了熱控系統(tǒng)中的冷凝換熱器，實現(xiàn)了溫濕度控制解耦（將原本耦合控制的兩種或多種體系分開，形成單獨控制，從而提高了控制效果）。

（3）再生效率提升

LiOH作為不可再生式設(shè)備，由于補給質(zhì)量隨任務(wù)時間延長而不斷增大，很難應(yīng)用于中長期載人航天任務(wù)；分子篩技術(shù)雖然實現(xiàn)了可再生的目的，但由于技術(shù)原理限制，再生功耗、設(shè)備質(zhì)量與體積較大，使用時有較多限制，一般用于空間站等大型航天器；固態(tài)胺技術(shù)在實現(xiàn)再生的同時大幅降低了設(shè)備體積、功耗及質(zhì)量，提升再生效率的同時也拓展了使用場景。

從一次性使用的LiOH，到可再生但是質(zhì)量及功耗偏大的四床分子篩，再到輕便且多功能的固態(tài)胺系統(tǒng)；從單一的CO2處理功能到水蒸氣與CO2同步處理，多種參數(shù)不斷提升的同時集成化設(shè)計水平也在提高。載人航天器CO2清除是環(huán)控生保的重要環(huán)節(jié)，面向未來長期、系統(tǒng)的載人深空探測任務(wù)，必須持續(xù)研究并開展試驗驗證。