國外空間站環控生保分系統研究現狀和發展趨勢分析

侯倩（航天恒星科技有限公司）

環境控制與生命保障分系統（ECLSS，簡稱為環控生保分系統）是載人航天器所獨有和必需的一個最重要分系統。環控生保分系統應對人類在空間特殊環境的生存需求，通過大氣控制、溫度控制、供應和再循環、水再循環、食物供應、廢物清除、火災等應急措施的解決，為載人航天器上航天員的正常生活、工作、身體健康和生命安全提供關鍵性保障。該分系統研究涵蓋物理、化學、材料、生物、機電等多個技術領域，它從最初的非再生式儲存系統，到物化再生式生保系統，目前已逐漸向生態、循環的受控生保系統發展。

縱觀美俄空間站環控生保技術的發展歷程，其研發路線為：基礎研究-原理樣機-工程樣機-地面驗證-飛行試驗驗證-裝站工作，也就是說新技術實現在軌工程應用前都有一個在軌飛行試驗的過程。

1 環控生保系統的發展現狀

環控生保系統的研究階段

國外環控生保分系統經歷了3個發展階段。

第一代生保系統為非再生式儲存式生保系統，即食物、氧氣、水從地面上隨飛行器帶入太空，這種一次性消耗的模式不能滿足載人航天長時間、遠距離、多人次駐足太空的需要。

第二個階段為物化再生式生保系統。美國、俄羅斯從20世紀50年代就開始了相關研究，其主要特點是在空間載人航天器上實現消耗量最大的氧氣和水的再生循環利用，而食物完全由地面補給，航天員生活產生的糞便及廢棄物隨運輸飛船或航天飛機一同返回地面后進行消毒處理。

第三階段是閉合受控生態生保系統（CLESS）。物化再生式生保系統解決了航天員在太空生存所需的空氣、水的基本問題，但系統中食物、氮氣等物質仍需地面運輸，成本高，效率低，需占用空間站載重量和存儲資源。研究生態、可循環的閉合受控生態生保系統已成為美、俄等航天技術發達國家的研究重點。它利用綠色植物和微生物等生物組分來生產食物、處理廢物，同時再生空氣和水，在有限的密閉空間內建立一個生態系統，實現其中的物質循環和能量循環，滿足人類在宇宙空間長時間飛行或外星球建立基地長期生活的需要。目前，基于微生物的受控生保系統已成為各國的研究熱點。

2 “國際空間站”環控生保情況介紹

俄羅斯和平號空間站和正在服役的“國際空間站”均采用物化再生式生保系統?！皣H空間站”中的生保系統支持將尿液轉化為飲用水，并能將CO2中50%的O還原為O2。下面著重介紹“國際空間站”的環控生保系統。

針對大氣控制、供應和再循環問題，俄羅斯的電解（Elektron）氧生成器通過將水分解為氫氣和氧氣（電解）來生成氧氣。必要時將會點燃固體燃料氧生成器或氧燭來產生更多的氧氣。壓力控制組件（泵和閥門系統）將以正確的百分比混合氮氣和氧氣，監控空氣壓力，并在必要時為空間站減壓以防止壓力過高，或在緊急情況下滅火。CO2清除組件（一系列特殊材料制成的層）將吸收CO2并排放到外太空。另外，備用化學CO2消除罐可以通過使CO2與氫氧化鋰反應而將其清除。微量污染控制系統將過濾艙內空氣，以清除因泄漏、溢出與放氣而排出的微量氣味和揮發性化學物質，還將使用作為備用設施的有害雜質過濾器?？臻g站和加熱系統將控制整個空間站內的濕度和空氣流通。最后，主要成分分析儀將會不斷檢測艙內氣體的數量和類型，并控制大氣供應和再循環系統。

除空氣之外，水是“國際空間站”最重要的物質?？臻g站上嚴格節約用水，沒有長時間奢侈的淋浴。實際上，大多數航天員都通過海綿擦洗進行洗浴。水回收和管理子系統會從各種來源收集、再循環和分配水，包括：水池、尿（來自空間站上的航天員員和實驗室中的動物）、航天服污水、加熱和冷卻系統、艙內空氣（航天員和實驗室中的動物呼出的濕氣）、航天飛機和燃料電池。水回收和管理子系統包括各種冷凝器、過濾器和水凈化器。水將用于飲用和冷卻電氣系統。水回收和管理子系統不是百分之百有效，而且水在通過Elektron氧生成器、氣閘和CO2清除系統時會流失一部分，因此需要定期從地球上補充水；不過該系統大大減少需要從地球上運來的水量。

“國際空間站”必須保持清潔，因為漂浮的灰塵和碎片可能會造成危險。清潔、飲食、工作和個人衛生都會產生廢物。進行普通的全面清潔時，航天員會使用各種抹布（濕的、干的、織物、具有清潔功能的和用于消毒的）、清潔劑和濕/干真空吸塵器清潔各個表面、過濾器及自身。垃圾將整理成袋并放入進步號貨運飛船中，然后送回地球進行處理。來自衛生間的固體廢物經過壓縮、干燥后放入袋中，也帶回地球處理（焚燒）。從固體廢物回收的水經過處理和凈化后飲用。

在應急措施上，“國際空間站”設計了火災探測和滅火子系統，其中包括：每個艙中的區域煙塵探測器、每個電子設備支架上的煙塵探測器、每個艙中的警報器和警報燈、無毒便攜式滅火器[基于CO2（來自美國）或氮化合物（來自俄羅斯）的泡沫或液體滅火器]、個人呼吸器（每個乘員都有面具和氧氣瓶）。滅火后，大氣控制系統會過濾空氣以消除微粒和有毒物質。

3 國外對閉合受控生態生保系統的研究情況

俄羅斯對閉合受控生態生保系統研究最初的切入點是研究兩環節系統中水的凈化和空氣再生問題。因藻類有凈化空氣的作用，于1965年進行了首次“人、藻類”密閉系統試驗。之后，又逐步加入高等植物、微生物，到1972年俄羅斯生物物理研究所建造了容積為315m3的供3人試驗的地基模擬系統，其中水和氣體實現了完全循環，部分食物實現了系統內再生。為了提高系統閉環性，針對植物不可食部分，俄羅斯進行了多個解決方案和技術研究，包括化學方法、生物方法、燃燒處理和2003年提出的類土壤基質處理法。類土壤基質處理法因可將生物處理中的有害物質有效凈化而備受青睞。

火星農場概念圖

歐洲航天局（ESA）也進行了大量的閉合受控生態生保系統研究，其研究思路是在部分閉合的物化再生式生保技術基礎上，逐步將空氣、水、食物和廢物回路閉合起來。研制利用微生物分解廢物的生物反射器，為植物提供CO2、氮化合物和礦物質。真菌培養、小動物培養和微藻培養可單獨進行，最后在高等植物栽培艙內進行高等植物栽培試驗和人與動植物整合試驗。

美國航空航天局（NASA）大規模閉合受控生態生保系統研究始于20世紀70年代后期，曾進行了以高等植物為重點，結合藻類、微生物、小動物，進行物化再生式生保技術的物質閉合循環試驗。其發展思路是，首先在地面建立實用的生保實驗室，積累連續的試驗數據，再逐步擴大到空間多人的生保試驗系統，并利用生物衛星、航天飛機、空間站進行了空間生保技術試驗。美國于21世紀初開始實施“先進生保計劃”，其目的是為未來長期空間飛行提供生命保障，利用該系統在空間飛行期間所有生保物資都可進行循環和再利用。美國約翰遜航天中心設計和建設了該計劃的核心部件—行星生物再生式生保系統試驗綜合裝置，它具有密封的內部環境，可以保障4人乘員組進行長達1年多的實驗。它由生物和物化系統整合而成，可以進行全部所需的大氣再生、水循環、生物量生產、食品加工、固體廢物處理、微量污染物控制和熱控等。同時，通過空間站搭載實驗的方式，開展了大量空間生態生命科學試驗。

4 國外在物化生保系統和受控生保系統研究中的驗證情況

俄羅斯環控生保技術在軌驗證情況

（1）冷凝水處理技術

俄羅斯在“禮炮”系列空間站上開始進行冷凝水處理系統部分回收和凈化冷凝廢水的在軌飛行試驗，到禮炮-4空間站運行時，冷凝廢水凈化系統已成為標準的設備。具體試驗情況如下：l975年冷凝水處理系統在禮炮-4上工作65天，1977-1981年在禮炮-6上工作570天，l982-l986年在禮炮-7上工作743天。

該系統經改進后直接在和平號空間站上應用。從1986年3月l6日-1999年8月28日共回收冷凝再生水14t，空間站將近50%的水來自冷凝廢水的再生。

（2）電解制氧技術

俄羅斯研制的流動堿性電解制氧系統從1987年作為實驗件開始在和平號空間站開始進行在軌飛行試驗。經驗證后，從1989年開始作為裝站設備為航天員主份供氧。2000年，該系統經改進后裝備在“國際空間站”俄羅斯星辰號服務艙內，為其建造立下了汗馬功勞。

（3）CO2去除技術

俄羅斯對真空解吸固態胺CO2去除技術進行了較為深入的研究，固態胺吸附技術首先在和平號空間站進行了在軌飛行試驗，并作為主份的CO2去除裝置工作。2000年，該系統裝備在“國際空間站”俄羅斯艙段應用。

（4）尿處理技術

俄羅斯早期采用膜滲透燕發技術方案，具有空間站長期飛行試驗的實踐經驗。該系統自1990年1月安裝在和平號空間站開始進行飛行試驗，截止到l994年2月，共從尿（含預處理劑）中回收水3550kg。其回收的水主要用于電解制氧。

為解決和平號空間站中使用的尿收集處理系統的高能耗缺點，“國際空間站”俄羅斯艙段開發了新的多級旋轉蒸餾器技術。由于該技術尚未完成在軌飛行驗證，因此，目前該系統還未在“國際空間站”上實際運行。

（5）微量有害氣體去除技術

微量有害氣體去除技術在空間站進行了充分的飛行驗證。禮炮-7的微量有害氣體去除系統驗證1個獨立的活性炭配上催化劑凈化罐和5個KO2配上活性炭凈化罐的技術。

和平號空間站的微量有害氣體凈化系統采用了再生與非再生相結合的方法控制座艙大氣中的微量有害氣體，利用催化氧化的方法消除CO和H2，用活性炭去除各類揮發性有機物(VOC)，其中吸附大分子量各類揮發性有機物的活性炭和吸收酸性、堿性無機氣體的浸漬炭由于用量最少且難再生，對其不進行再生處理。而對吸附小分子量各類揮發性有機物的活性炭用熟真空的方法進行再生處理，反復利用。經飛行試驗表明，該技術對于長期控制艙內的微量有害氣體水平是有效的。

“國際空間站”俄羅斯艙段沿用了和平號微量有害氣體凈化系統的設計和配置，并于2003年3月24日增加了專門用于處理CH4的高溫催化氧化裝置。

美國環控生保技術在軌驗證情況

（1）冷凝水處理技術

美國的冷凝水處理系統采用催化氧化的方案。該系統于2008年隨航天飛機運到“國際空間站”美國實驗艙，開展在軌飛行試驗；完成所有的在軌試驗后，于2010年轉入節點-3艙，正式裝站應用。

（2）電解制氧技術

美國的電解制氧系統于2006年7月由航天飛機帶到“國際空間站”美國實驗艙，開始進行在軌飛行試驗，針對在軌試驗的問題，進行了改進，最終在2010年1月轉入到節點-3艙，正式裝站應用。

（3）CO2去除技術

美國在“天空實驗室”的生命保障系統中對分子篩CO2去除技術進行了飛行驗證，并獲得了良好的CO2凈化效果。2001年2月，英國的四床分子篩CO2去除裝置在“國際空間站”裝站應用。

（4）尿處理技術

美國空間站尿處理技術采用蒸氣壓縮蒸餾（VCD）的技術方案，該技術的研究開發經歷了幾十年的歷程，在實現“國際空間站”應用前，首先對核心的旋轉鼓（DA）在航天飛機上進行了飛行驗證；2008年，整個系統隨航天飛機發射進入美國實驗艙，進行在軌飛行驗證；完成所有的試驗后，與2010年轉入3號節點艙正式應用。

“國際空間站”主要的動植物培養實驗裝置

（5）微量有害氣體去除技術

“天空實驗室”對微量有害氣體的再生吸咐凈化進行了飛行驗證，具體內容是將活性炭置于分子篩床內，載人飛行期間活性炭可與分子篩一起進行再生。在此基礎上，國際空間站進行了技術升級，采用高溫催化氧化與吸附凈化技術相結合的方法，凈化艙內有害氣體。該裝置在2001年裝備在美國艙段應用。

受控生態生保系統關鍵功能部件空間飛行驗證實驗

受控生態生保系統主要通過高等植物和微藻為乘員生產食物、氧氣和水，并去除乘員產生的CO2等氣體；通過飼養動物為乘員提供動物蛋白；通過微生物的分解作用，將系統內的廢物轉化為可再用的物質，從而實現系統內物質的完全閉合循環。因此，該系統主要有植物/藻類培養裝置（子系統）、動物培養裝置（子系統）、微生物廢水/廢物處理裝置等組成。

目前，美、俄等國利用和平號空間站、航天飛機以及“國際空間站”開展了受控生態生保系統動植物培養裝置（或子系統）的空間飛行驗證實驗?？臻g飛行實驗主要目的是考察生物（包括動物、植物、藻類和微生物等）在空間的適應能力，以及動物飼養、植物/藻類培養、微生物處理廢物等裝置在空間運行的可靠性、穩定性和安全性，為將來長期飛行任務中的空間站、月球/火星基地上建立受控生態生保系統奠定基礎。

在和平號空間站上，俄羅斯研制成SVET空間溫室，成功進行了小蘿卜、大白菜和小麥等多種蔬菜/糧食作物的栽培試驗，其中已經對小麥進行了連續三代從種子到種子的栽培。美國和俄羅斯的裝置已經安裝在“國際空間站”上，進行了小麥、甘藍和豌豆等幾種作物的栽培試驗研究，并獲得了作物完整的生長周期循環。

在“國際空間站”上，美、俄、歐、日等航天大國和組織為各自的艙段研制成各種類型的動植物培養裝置。一方面可利用這些裝置進行動植物試驗研究，為開展生命科學研究提供良好的試驗平臺；另一方面，通過這些研究為未來空間站建成受控生態生保系統奠定理論和技術基礎。

5 國外環控生保系統的發展趨勢

美國航空航天局于2010年10月發布了《空間技術發展路線圖草案—人類健康生活支持和居住系統（HLHS）》。草案提出了近地軌道以外的航天任務中需要面臨的五大需求，包括高可靠、自供給、后勤最小化需求，為乘員提供執行任務及突發情況時的保護以應對空間特殊環境的需求，應對乘員生理、心理健康問題，對航天器火情、再生系統等安全監測和應急需求；對空間輻射及其他健康危險要素需制定防護和減緩措施。

該路線圖將人類健康生活支持和居住系統分為包括環控生保分系統在內的5個分系統，按照從地面驗證到空間驗證的發展思路。其中，環控生保系統解決航天器空氣再生、水再生和管理、廢物管理、食物生產的問題。到2030年要建立一個超過95%的氧氣由植物釋放，超過98%的水由生態系統再生，超過95%的資源可回收，具備食物自產能力的綠色生態的受控生保系統。

美國航空航天局提出未來深空探測要求生保系統發展趨勢有三點：①采用自主監測的高可靠性的、易維護的流程和集成系統；②增加自給自足，啟用高度可靠的手段恢復生命支持物質，如氧氣、水和食物；③最小化的物流供應，以減少整體備件質量。

因此，環控生保系統需要解決4個問題：大規模氧氣再生和存儲、水循環和管理、固體廢物最小化和可循環利用、自主補給和清潔衛生的閉環居住環境。圍繞這4個問題，美國航空航天局在草案中提出了解決辦法，其下屬的艾姆斯研究中心、肯尼迪航天中心、約翰遜航天中心等研究機構開展了相應研究。

在氧氣再生問題上，航空航天局研究通過提高排氣通道中動態機電機械設備以及組件（包括閥門、壓縮機等）的可靠性，避免吸附劑、熱交換器涂料隨時間推移的關鍵性能損失，以提高系統可靠性和氧氣再生率。提高氧氣再生設備的控制能力，研究氧氣高壓液化技術實現氧氣高密度存儲，滿足未來覆蓋行星基地表面的需要。艾姆斯研究中心2012年研究出一種固態吸附技術實現CO2的分離和壓縮，其研究的變溫吸附壓縮機未來可替代現在空間站生保系統中的機械壓縮機，能為飛船運輸節省大約900kg/年的載重量。

氣相催化氨去除系統

廢物氧化/焚化系統

在水循環的解決方案上，由于廢水物理、化學和微生物的復雜及多變性，與氧氣再生類似，美國航空航天局提出研究提高動態機電設備（包括真空管、抽水機、氣體/液體分離器）和靜態材料（吸附劑、催化劑、膜）的可靠性及穩定性，保護設備免受雙向生理和化學結垢、氣態污染物（例如氨）釋放的影響，并開發從更多的潛在廢水源的水再生技術。2012年美國航空航天局艾姆斯生命科學部宣布研究出氣相催化氨去除（VPCAR）系統，這是一種單步的水回收系統，3年內無需消耗品或維護，比目前“國際空間站”使用的最先進的水回收系統先進很多。

在固體廢物管理上，美國航空航天局考慮通過水再生、空氣再生等其他子系統對資源進行檢索和重用，通過耗材、航天器材料的預先選擇，原料制造有價值的產品比如防輻射材料、燃料的原料等。該局設計的可生物降解材料能顯著提高資源恢復并減少殘留。艾姆斯中心開發的廢物氧化/焚化系統在約翰遜航天中心經過高級生命支持（ALS）系統第三階段長達91天的集成系統測試，焚燒爐中的所有痕量污染氣體成分明顯低于航天器的最大允許濃度（SMAC）值，這是首次在閉環系統測試中采用的廢物處理技術。艾姆斯研究中心還研究采用碳納米管捕獲微量污染物，并將它們轉換成有用的產品（如氮氧化物轉化成N2和O2），具有卓越的痕量污染物控制能力。

在以往的居住系統中，衣物和消耗品都是從地面運輸的，不滿足可靠性、質量、體積和自主性的要求。為了應對深空飛行模式，必須建立閉合系統或實現部分循環。通過基因工程提高植物收獲指數、蛋白質、維生素含量，創造高效、量大的作物。美國科學家克里斯?布朗使用納米技術和生物技術開發了可編程植物。航空航天局正在研究解決用于糧食生產的照明技術，包括發光二級管或太陽光的捕獲技術等，并在約翰遜航天中心構建了太空農場模型。如果在太空中建立一個“溫室”，光源需要盡可能高效，以減少能源需求。在居住系統的清潔問題上，尿液預處理和衛生清潔劑等必須符合水回收技術，未來將研究碎屑收集設備、表面清潔系統、基于包裝材料的儲存技術、抗菌防腐恢復控制、火災后處理等先進技術。

美國航空航天局還提出深空探測的環控生保技術可以用于地球環境的改善和保護上，可應用的領域包括：空氣污染控制技術、CO2去除和封存技術、廢水處理至飲用水標準、先進的環保檢測技術、替代能源的生產（如生物燃料）、減少廢物和副產品發電、電源效率最大化、先進的食品生產技術。

除美國航空航天局外，俄羅斯研制的環控生保分系統的閉合性也很高 ,但目前其內部生產的食物大多是植物性的，不能滿足全營養的要求，還需要每天從系統外為每人提供30g的蛋白質食物。因此，今后的任務是在系統中飼養動物以提供動物蛋白質。如果能夠把動物蛋白的生產過程和尿的處理過程結合起來，可能是比較理想的。目前，俄羅斯專家提出在系統內加一個小咸水湖來養魚，同時將水中一部分鹽提取出來，這些措施都可以大大提高系統的閉合性。

6 我國環控生保系統研究現狀和差距分析

我國從1968年就開始了曙光號飛船環控生保系統的預先研究、總體研究和關鍵設備的研究，以及系統地面試驗、飛行試驗驗證。1992年我國正式啟動載人航天工程，環控生保技術進入工程研制階段。經過“神舟”載人飛行任務的考核，我國已突破了座艙大氣壓力控制、大氣凈化、大氣溫濕度控制、大氣通風的關鍵技術，并就火災應急、壓力應急、著陸應急狀態下的關鍵問題進行了攻關。

面向未來載人深空探測需求，國內相關機構也在積極研究受控生保系統技術。2012年12月，我國首次受控生態生保地面集成試驗取得成功。30天的試驗由2名飛行員在密閉試驗艙中，通過艙內種植36m2的食用蔬菜及微生物，達成O2、CO2、水等物質的動態平衡。

但是，與美、俄等國相比，我國環控生保技術仍存在較大差距。未來，按照載人航天發展路線圖，規劃我國環控生保系統發展，在空間站上實現物化再生式生保系統的工程應用，應依托空間站優勢，研究受控生保系統關鍵技術，并進行試驗驗證，對提升我國空間話語權，加速載人航天工程應用，實現火星探測乃至行星基地建設具有重要意義。