載人航天技術

載人航天技術——環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)衛(wèi)星技術再入返回技術+可回收式衛(wèi)星+環(huán)控生保技術++航天員生物載荷載人飛船生物衛(wèi)星載人航天器的組成一般的載人航天器包括：

1.結構與機構分系統(tǒng)包括構成載人壓力艙及設備艙的殼體；內部支承結構；防結構；交會對接機構；分離解鎖機構；艙門機構及天線、帆板展開機構等。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、導航與控制分系統(tǒng)。5.推進分系統(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.回收與著陸分系統(tǒng)。10.應急救生分系統(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)保設施和個人所需的設備和用品。13.有效載荷分系統(tǒng)，由各種科學試驗和技術試驗項目組成的分系統(tǒng)。載人航天技術的發(fā)展階段

根據(jù)蘇、美的經(jīng)驗，從發(fā)射無人飛船開始到建立長期性空間站，花了約三十多年時間，經(jīng)歷了五個階段。（1）無人飛船利用動物（如狗、猩猩）作為乘客對飛船的各種系統(tǒng)進行軌道飛行及回收試驗，為人上天作準備。（2）單人飛船試驗人對軌道飛行的適應能力，全面驗證飛船的各基本系統(tǒng)。（3）多人飛船一般載2～3人，試驗人的艙外活動，飛船的軌道機動、交會與對接，人在兩艘飛船之間進行轉移等技術，為發(fā)展空間試驗作準備。（4）短期性空間站一般是單艙式站（或一個生活艙加一個后勤艙），進行壓力艙基本系統(tǒng)的試驗，進行空間科學、微重力應用、對地觀測等試驗。美國除了在短期性空間站上作試驗以外，還利用航天飛機進行大型空間結構的組裝與展開、衛(wèi)星的回收與維修、從軌道平臺上發(fā)射衛(wèi)星等試驗。（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，是從科學試驗向軌道生產過渡的空間設施。東方號飛船及其運載火箭東方號乘員艙結構圖“阿波羅”飛船指令艙登月艙月球車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，機動靈活，節(jié)省航天員的體力，大大提高工作效率。穿衣服洗澡在太空中穿衣服十分困難，要比地面花多得多的時間。在太空中洗澡要在密閉的浴室中，不然水就會四處飛揚。睡覺上廁所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)生間中進行，排泄物被吸走，并貯存在容器中。做游戲科學考察水泡在失重狀態(tài)下漂浮在太空中吃飯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，不然食物殘渣會危及航天員的安全。精美的食品人在空間的耐久力的問題美、蘇兩國三十多年的載人航天實驗，證明了人對空間飛行環(huán)境的適應能力，也提出了人在空間的耐久力的問題。美國的結論傾向于人在空間一次值班時間以三個月為宜。蘇聯(lián)人已創(chuàng)下了一次飛行一年的時間紀錄。飛行時間過長，會對心血管系統(tǒng)，對紅血球的減少，特別是骨骼中鈣的損失產生不能康復的病變。人的心理因素，艙內的生活環(huán)境，食品的營養(yǎng)供應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。蘇聯(lián)載人航天技術發(fā)展簡況名稱發(fā)射時間飛船飛行次數(shù)主要活動單人飛船（“東方”號）1961.4～1963.66考驗人在空間的適應能力，編隊飛行三人飛船（“上升”號）1964.10～1965.32艙外活動三人飛船（“聯(lián)盟”號）1967.4～1970.68機動飛行，交會，對接短期空間站①（“禮炮”1～5號）1971.4～1976.615軍事應用空間站（“禮炮”6～7號）1977.933微重力試驗及應用，空間科學，對地觀察，軍事用途長期空間站（“和平”號）1986.2

微重力試驗及應用，空間科學①有的學者將短期空間站稱作空間實驗室。美國載人航天技術發(fā)展簡況

名稱發(fā)射時間飛船飛行次數(shù)主要活動單人飛船（“水星”號）1961.5～1963.56考驗人的適應能力雙人飛船（“雙子星座”號）1965.3～1966.1110軌道機動，交會，對接．艙外活動三人飛船③

（“阿波羅”號）1968.10～1972.1211③其中6次登月，3次繞月飛行短期空間站（“天空實驗室”）1973.5～1979.73空間修理，材料加工，生物醫(yī)學，地球資源，天文學等研究航天飛機1981.488②

發(fā)射、回收與修理衛(wèi)星、空間實驗室，空間站建設長期空間站①（“國際空間站”）1998

①是以美國為主的多國合作項目；②至1998年底；③未包括1967年開始的6次無人飛行；1969年7月20日~21日，阿姆斯特朗第一個登上月球。第一節(jié)概述環(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)、改進式開放系統(tǒng)、最低限度的閉式系統(tǒng)、半閉式系統(tǒng)、閉合系統(tǒng)。功能環(huán)控生保系統(tǒng)應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階段，為航天員（或載荷專家）創(chuàng)造合適的艙內生存環(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。一、環(huán)境控制功能大氣壓力、氣體成分、大氣溫度和濕度；座艙的防火、防噪聲和防輻射。二、生命保障功能提供各種生活設施，解決空間飛行條件下的進食、飲水和處理個人衛(wèi)生問題，保證人的正常生活。具體功能（1）保證合適的大氣總壓和氧分壓；（2）提供氧氣及補充泄漏的氮氣和氧氣；（3）清除二氧化碳及有害氣體，保證潔凈度；（4）保證合適的溫度、濕度和通風條件，收集和管理冷凝水；（5）實行飲用和衛(wèi)生用水的管理；（6）收集生理廢物和其它廢棄物；（7）提供艙內航天服及其支持設備，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、溫度等應急情況，轉入應急工況，保證航天員的生命安全；（10）提供出艙活動航天服及支持設備；（11）出艙活動時座艙壓力控制，為航天員提供吸氧排氮裝置，保證出艙安全?；窘M成供氣調壓分系統(tǒng)；氣體成分控制通風凈化分系統(tǒng)；座艙溫度濕度控制分系統(tǒng)；水管理分系統(tǒng)；廢物收集處理分系統(tǒng)；航天服循環(huán)分系統(tǒng)；火煙檢測與滅火分系統(tǒng)；食品管理分系統(tǒng)；系統(tǒng)參數(shù)測量控制分系統(tǒng)。設計約束條件由于飛行任務和飛行器總體的設計的約束；如：乘員人數(shù)；自主飛行時間、飛行任務周期等。飛行環(huán)境方面的設計約束；如：力學環(huán)境條件、空間環(huán)境條件等。來自于航天員方面的醫(yī)學和工效學要求。如：座艙大氣的要求，溫度、濕度和通風的要求等。一.開式系統(tǒng)航天員的代謝產物，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。消耗物質通過天地往返系統(tǒng)來輸送和補給。載人飛船、航天飛機和初期空間站都是這類系統(tǒng)。如美國載人飛船和航天飛機采用液態(tài)超臨界壓力儲存主氧和高壓氣態(tài)儲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。二.改進式開放系統(tǒng)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“天空實驗室”。三.最低限度的閉式系統(tǒng)（1）采用再生式凈化方式除去艙內的二氧化碳； 一人一天產生490升二氧化碳 4KO2+2H2O+4CO23O2+4KHCO3（2）衛(wèi)生用廢水再生；衛(wèi)生用水再生已用于前蘇聯(lián)載人空間站。四.半閉式系統(tǒng)閉合氧和水兩個回路，完全使水和氧再生。五.閉合系統(tǒng)閉合氧、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)邊界進行質量交換的集合體系。在邊界內，各種成分之間形成由生態(tài)系統(tǒng)動力學決定的物質流，系統(tǒng)要存在下去，物質流就要形成閉環(huán)。最簡單的生態(tài)系統(tǒng)環(huán)為三步過程：植物在光合作用下把CO2和其它成分轉變?yōu)橛袡C物和O2；植物以食物的形式供人食用，O2為人所吸收；人的氧化廢物作為無機營養(yǎng)供給植物，形成閉環(huán)中只有光輻射作為外界的輸入，但物質流是閉合的。閉合系統(tǒng)組成由一組相互獨立而又相互聯(lián)系的分系統(tǒng)組成，包括：艙內環(huán)境控制；氧氣的供應與二氧化碳的處理；水的處理與供應；廢物處理；溫、濕度控制；乘員系統(tǒng)（保健、衛(wèi)生設備、飲食與居住設備）；航天員與艙外活動生命保障系統(tǒng)。正常情況下人體的主要代謝參數(shù)

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1.1kg291kg第二節(jié)系統(tǒng)設計的依據(jù)與要求一.載人系統(tǒng)總體設計的影響因素和要求二.航天醫(yī)學的要求三.系統(tǒng)工程設計一.載人系統(tǒng)總體設計的影響因素和要求1.系統(tǒng)組成的影響 不同艙段的設計對生命系統(tǒng)的影響。2.補給周期的影響3.電源系統(tǒng)的影響電源提供氧和水，甚至碳的回路。4.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)進行系統(tǒng)設計和總體布局設計。5.空間站工作的壽命與成本要求二.航天醫(yī)學的要求（一人）1.艙內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.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)氣體流動速度和溫度。5.艙內大氣污染的要求（1）人的代謝產物活性炭吸附，除臭，除微量有害氣體。（2）揮發(fā)性的物質過濾，清除微塵和氣溶膠。（3）設備的有害氣體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。三.系統(tǒng)工程設計制定系統(tǒng)工程設計方法的要求和地面規(guī)則；確定可能實現(xiàn)的閉環(huán)方案；建立關于氧和水閉環(huán)回路基本物質的系統(tǒng)水平上的質量平衡；進行系統(tǒng)水平的綜合比較研究，選擇最優(yōu)的閉環(huán)方案；進行概念設計，制定出分系統(tǒng)的技術要求和有關技術方案；進行分系統(tǒng)水平的綜合比較研究，選擇各分項分系統(tǒng)的基本方案。第三節(jié)氣體儲存與壓力調節(jié)技術氣體環(huán)境是建立、維持和保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氣，氧氮氣體儲存和壓力調節(jié)技術是保障艙內大氣壓力和成分的基本技術，在載人航天設計中占有重要的地位。一.氣體儲存技術1、高壓氣態(tài)儲存技術系統(tǒng)簡單，存放時間長；但重量大，體積大。應用超高強度合金高壓容器：15~50MPa2、超臨界壓力低溫儲存技術體積小，重量輕。如超臨界液氧貯存：-183℃，ρ液=800ρ氣

若主電源采用燃料電池，則更合理。3、固態(tài)氧處于研究中。二.壓力調節(jié)技術組成：氣源組件、減壓組件、供氣開關組件和排氣調壓組件等主要技術模塊。作用：不但控制艙內的總壓和氧氣的分壓，還為供水等系統(tǒng)提供加壓的氣源。第四節(jié)艙內大氣凈化技術一.二氧化碳凈化技術氫氧化鋰吸收技術和超氧化物（如KO2）與氫氧化鋰綜合吸收技術；LiOH吸收CO2超氧化物具有吸收CO2和供應氧氣的雙重功能。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.微量污染的凈除活性炭吸附劑：臭氣和微量污染物催化燃燒：一氧化碳通過催化氧化變?yōu)槎趸肌＿^濾：去除微塵和氣溶膠第五節(jié)艙內大氣溫度和濕度的控制廢熱來源：人體的代謝熱、艙內儀器設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%，且波動較大。水汽來源：人（呼吸和體表蒸發(fā)，每人每天排濕量約1800g；飲水和個人衛(wèi)生活動）及與人的活動相關的設施。任務：排熱去濕本節(jié)內容：1.艙內大氣溫度控制；2.濕度控制一.艙內大氣溫度控制分主動溫控和被動溫控兩部分。前者屬于環(huán)境與生保系統(tǒng)，后者屬于結構本身。主動溫控的功能是在各飛行階段散去載人航天艙內產生的廢熱和來自其它熱源的熱流。系統(tǒng)包括：通風散熱分系統(tǒng)；流體傳輸回路；散熱回路；散熱器；冷卻板；消耗性熱源。熱最后通過散熱設備輻射到空間中。一般溫控系統(tǒng)中都有兩路并行系統(tǒng)保證其可靠性。例：消耗性蒸發(fā)劑散熱器——空間水蒸發(fā)器二.濕度控制在微重力條件下，人的活動產生大量的水汽，如不清除將達到飽和狀態(tài)。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。與溫度控制聯(lián)系起來進行。系統(tǒng)組成：冷凝熱交換器、水分離器和水收集器。少數(shù)情況采用吸附劑（如分子篩）進行部分控制。難點：微重力下的氣液分離問題。第六節(jié)廢物處理系統(tǒng)早期的載人航天器的廢物處理比較簡單，直到出現(xiàn)天空實驗室和航天飛機時才有比較完善的系統(tǒng)，如“天空廁所”。液態(tài)廢物：尿液（約1.5kg/天）、濕氣的冷凝水和個人衛(wèi)生用水。固態(tài)廢物：糞便、嘔吐物及其它生活廢棄物。液態(tài)廢物和固態(tài)廢物的收集和處理系統(tǒng)。例：美國航天飛機的大、小便收集系統(tǒng)第七節(jié)氧的再生技術航天員每天呼出1kg的CO2，吸入0.84kgO2。凈除艙內的CO2和把它轉換為O2的技術稱為氧的再生技術。分三步進行：一.CO2濃縮技術二.CO2還原技術三.電解制氧技術一.CO2濃縮技術收集并濃縮CO2的技術。1.分子篩二氧化碳凈化技術；美“天空實驗室”2.固態(tài)胺二氧化碳凈除和濃縮技術；吸收——解吸方法3.電化學二氧化碳收集與濃縮技術；4.膜擴散方法。二.CO2還原技術二氧化碳加氫還原為水的過程。1.Sabatier二氧化碳還原（轉化率高：98%）CO2＋4H2

CH4＋2H2O＋放熱產生的CH4排出或用作推進劑2.Bosch還原（多次循環(huán)，轉化率低）CO2＋2H2C

＋2H2O缺點：C吸附在催化劑上不易去除。催化劑：鐵、鈷、鎳、釕鐵合金三.電解制氧技術1.固體聚合物電解制氧技術固態(tài)電解質：過氟磺酸型的離子交換薄膜浸水后，導電性好。2.靜態(tài)供水電解技術H2O＋電解H2＋0.5O2+熱第八節(jié)水的再生技術一.多層過濾技術二.膜技術的應用三.相變廢水處理技術四.廢水和廢物的綜合處理系統(tǒng)水和空氣的重復利用一.多層過濾技術多級濾器：去懸浮物正負離子交換樹脂床：清除溶于水的無機物；活性炭吸附床和微生物控制裝置：去除水中有機物質以保護水質。二.膜技術的應用反滲透膜超濾膜和反滲透膜，廢水在一定壓力下通過膜處理器。超濾膜：去除懸浮物和高分子污染物反滲透膜：排除有機顆粒、微生物和大部分低分子量的鹽類。三.相變廢水處理技術1.蒸汽壓縮蒸餾技術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)四.廢水和廢物的綜合處理系統(tǒng)廢水、廢物變?yōu)樗?、氣體和固體殘渣。例：航天飛機組合式便器內部結構示意圖第九節(jié)航天員的安全防護為了保護航天員在艙內發(fā)生火災等危險情況時的安全，太空艙內應設置煙、火檢測和消防系統(tǒng)。在發(fā)生火災時，由探測器送出報警信號。此時的航天員立即穿上防護服具和個人救生裝備投入滅火，并由救生裝備提供氧氣。當不能在艙內工作時可進入救生艇避難。第十節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測量和控制信息的提取和預處理；提供給地面和航天員顯示界面；用于實施控制；用于故障控制。第十一節(jié)典型環(huán)境控制和生保系統(tǒng)一.美國“雙子星座”飛船環(huán)控生保系統(tǒng)二.美國航天飛機的環(huán)控生保系統(tǒng)三.俄羅斯“聯(lián)盟”號飛船環(huán)控生保系統(tǒng)第十二節(jié)航天服航天服是保證航天員在航天過程中生命安全的艙外活動中有效的防護設備。航天服構成一個柔性密閉的空間來保障航天員不受真空環(huán)境和強陽光及空間微流塵的危害，以保證完成各艙外活動。