載人航天器密封艙內一氧化碳安全控制

俞 進

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙構成一個特殊的密閉環境。為保證航天員的在軌生命安全和正常工作生活，艙內的環境控制，特別是艙內有害氣體控制尤為重要。密封艙內使用了大量非金屬材料，安裝了許多產品設備，在艙內密閉環境中，材料脫氣、設備泄漏等都有可能產生有害氣體，對航天員的身體健康產生不良影響[1]，其中一氧化碳是一種可對航天員的生命安全造成很大威脅的有害氣體：它無色、無臭、無刺激性，幾乎不溶于水，被人體吸入后會造成心血管系統和神經系統缺氧，輕者使人頭痛、惡心，重者導致昏迷、驚厥甚至死亡，因此，必須引起高度重視。

一氧化碳是航天器密封艙內空氣質量控制中需要重點關注的污染物之一。本文分析了載人航天器密封艙內一氧化碳的產生來源，結合國外航天器研制經驗提出了一氧化碳的控制濃度要求，研究了非金屬材料控制使用、火工品泄漏控制、凈化通風等控制措施及檢測手段，并通過地面模擬試驗進行了驗證。

1 一氧化碳來源

1.1 非金屬材料常溫脫氣或燃燒產物

載人航天器密封艙內使用了大量的非金屬材料，分別用于裝飾、密封、隔熱和絕緣等方面。這些非金屬材料在常溫（18～20 ℃）條件下會緩慢地發生氧化降解反應，釋放出二氧化碳，以及一氧化碳、烴等有毒成分，從而對航天員生命造成一定威脅。美國“天空實驗室”的艙內大氣污染物達到81種，“阿波羅”飛船內達到300多種；中國的“神舟”飛船內也測到26種。而幾乎所有的常見非金屬材料常溫脫氣的產物中都有一氧化碳，特別是橡膠、樹脂、聚乙烯等脫氣量更大。

如果環境溫度增高，氧化降解反應將加速，則非金屬材料特別是聚合材料會發生熱分解產生煙霧和蒸氣，其中包含更多的有害氣體[2]。例如，在航天器返回再入過程中，返回艙與大氣層空氣摩擦，導致在經過預冷處理后，艙內空氣溫度仍將高于在軌期間3 ℃左右，達到24 ℃。此時，非金屬材料將釋放更多的有害氣體。

另外，一般地，材料生產出來后在前1～2個月內脫氣最為迅速，然后緩慢釋放，經過4～6個月后逐漸趨于平緩。因此新出廠的材料馬上在密封艙內使用，將會脫出較多的有害氣體。如果因為設備過熱等特殊原因導致非金屬材料發生熱分解，則燃燒產物中更會有大量有害氣體。“阿波羅4A號”飛船在發射前20天進行地面模擬試驗期間，由于飛船控制系統一條電纜短路產生電火花，引燃艙內的可燃材料，加之艙內的純氧環境加速了火焰擴散，產生大量的一氧化碳和其他有毒物質，最終導致3名航天員中毒身亡[3]。

1.2 人體代謝產物

人體的代謝產物通過呼出的氣體、大小便和皮膚排出體外，其中呼氣、排便等廢物中也會產生一氧化碳。根據人體代謝測量統計數據，人體代謝產生一氧化碳的量為16.2～33 mg/d。在高溫、高濕、高負荷等條件下，代謝產物中一氧化碳的量可能也會增加。

空間任務中，人體產生的大小便等廢物會通過專門的廢物收集設備及時進行收集處理，正常情況下不會有大量的有害氣體排進艙內。另外，艙內溫濕度環境控制在適宜航天員生活的范圍內，飛行程序合理設計也不會使航天員出現高負荷的情況。因此，人體代謝不是艙內一氧化碳產生的主要來源。

1.3 火工品泄漏

載人航天器設備工作時可能產生一氧化碳，如密封控制不好將有可能泄漏進密封艙內，引起一氧化碳濃度的增加。經分析，這類情況主要發生在密封艙內火工品工作時，即在載人航天器返回過程中產生。

返回過程是指從載人航天器在軌飛行期間返回艙段與其他艙段分離時開始，至返回艙段落地，航天員安全出艙期間的過程。期間主要經過返回艙段與推進艙段分離，進入稠密大氣層，進入黑障區，拉出減速傘和主傘以及著陸等階段，經歷制動、分離、再入、彈蓋、減速傘解鎖、拋防熱大底、反推發動機點火、著陸切主傘及著陸等事件。而上述事件中，艙段分離、彈蓋、拋防熱大底、反推發動機點火和著陸等事件中，設備火工品的工作將會引起艙內有害氣體產生量的增加，涉及通氣閥、非電傳爆裝置、拋底火工鎖、大底天線蓋鎖和反推發動機等火工品。

火工品內部裝有火藥，利用裝藥燃燒或爆炸產生的能量通過驅動機構來完成分離等功能。火工品工作時火藥燃燒會產生大量燃氣，而燃氣中含有一氧化碳、硫化氫等有害氣體。雖然火工品內部都采取了嚴格的密封控制措施，但理論上仍可能有少量一氧化碳等有害氣體泄漏進艙內。

2 一氧化碳濃度指標

一氧化碳會給航天員的生命安全帶來威脅，因此須對載人航天器密封艙內的一氧化碳濃度指標提出控制要求。

蘇聯/俄羅斯在《航天器艙內有害氣體微量污染物最高容許濃度及清除方法》及聯邦國家標準ГOCTP 50804－1995《載人航天器中航天員的居住環境醫學：工程要求》[4]中對一氧化碳濃度提出了控制要求。其中，《清除方法》適用于駐留期5～10 d，聯邦國家標準適用于駐留期15～360 d。

NASA約翰遜航天中心于1993年/1999年2次公布了對艙內主要污染物的控制要求，并形成了JSC 20584《航天器艙內空氣污染物最高容許濃度》[5]標準，適用于駐留期1～180 d。

歐洲航天局作為國際空間站研制的主要合作伙伴，于1997年制定ECSS-Q-70-29A《航天器艙內微量污染物最高容許濃度》標準[6]，提出了針對駐留期10 d的控制要求。

各國對航天器內一氧化碳最高容許濃度的具體要求參見表1。

表1 各國航天器標準中一氧化碳最高容許濃度Table 1 The highest acceptable CO density in different standards

3 一氧化碳控制

3.1 非金屬材料控制

從非金屬材料的選用抓起，禁止/限制一氧化碳釋放量大的材料裝器使用。

3.1.1 制定非金屬材料選用要求

1）材料性能應與其地面及在軌環境相適應，并保持性能穩定[7]；

2）材料使用過程中應無污染組分脫出，無刺激性和特殊氣味氣體產生；

3）材料應不存在相互作用形成易燃、易爆、有毒的二次危險化合物[7]；

4）禁用材料不得使用，限用材料滿足限用條件后才能使用。

3.1.2 開展非金屬材料脫出有害氣體篩選試驗

制定非金屬材料脫出有害氣體篩選試驗要求，規定密封艙內的材料應進行有害氣體試驗檢測，檢測合格的材料方可裝器使用；對于檢測不合格的材料，需選擇其他合格材料進行替換。

試驗條件為[8]：溫度50 ℃、普通空氣（氧含量21%）、1個標準大氣壓下，材料樣品放置72 h，測量脫出氣體的種類和含量。篩選試驗的合格標準為：脫出一氧化碳含量不大于25 μg/g；脫出總有機物含量不大于100 μg/g；氣味指標不高于1.5級，即有氣味但不強烈。

3.1.3 開展非金屬材料燃燒產物篩選試驗

使用非金屬材料時應對其燃燒產物中的一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫、氰化氫等6種成分進行測定，6種燃燒產物指標均合格才可裝器使用。

3.2 火工品泄漏控制

航天器返回過程中觸發的返回艙內火工品包含通氣閥、非電傳爆裝置、大底天線蓋鎖、拋底火工鎖和反推發動機等。

首先需對不同火工品的一氧化碳泄漏量指標提出要求，一般應比整個航天器一氧化碳泄漏量指標嚴1～2個量級。

然后進行相關火工品的安全性設計，提高其密封性能。火工裝置的密封性能包括：產品自身的密封，產品與返回艙體的安裝密封。火工裝置與返回艙體的安裝密封靠2道O形密封圈保證。產品自身的密封通過以下途徑解決[8]：

1）選用密封型電起爆器，其極針與本體之間采用玻璃燒結工藝，具有良好的密封性能；

2）起爆器與殼體之間的端面密封面采用“V型封嚴槽+金屬密封圈”形式，同時在螺紋連接處涂適量硅橡膠；

3）在殼體與點火殼螺紋末端增加徑向O形圈，避免火工裝置發火時軸向沖擊對端面密封的影響，提高密封可靠性；

4）在火工裝置完成分離功能后，通過縱向槽將藥室中的高壓燃氣迅速泄放到艙外，提高火工裝置點火后的密封可靠性。

通過對產品進行批抽檢和綜合點火試驗來檢測其密封性能滿足情況。批抽檢試驗可通過對火工品內的燃燒腔艙體加壓測量計算其漏率的方法，檢驗裝置如圖1所示。綜合點火試驗則是利用模擬艙，將火工品裝好并按照工作時序依次點燃，然后對模擬艙內空氣中的一氧化碳濃度進行測量。批抽檢和綜合點火試驗結果表明各單項火工品的一氧化碳泄漏量均滿足指標要求，才能可靠保證返回艙一氧化碳含量滿足醫學要求[9]。

圖1 火工品檢驗裝置Fig.1 The test device for the pyrotechnics

3.3 凈化通風控制

載人航天器需結合艙內通風設計配置凈化裝置，包括氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器、凈化風機等專用設備。凈化器采取物理吸附、催化氧化和化學反應吸收、過濾等方法，能夠消除二氧化碳、一氧化碳、甲醛等有害氣體；凈化風機抽取艙內含有二氧化碳、一氧化碳等成分的空氣，經氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器等凈化后回送到艙內。其中一氧化碳采用催化氧化方法進行消除[10]。

航天器艙內凈化設備的配置數量應滿足在軌飛行任務及返回期間的艙內凈化需求。為保證凈化風機正常工作，還應采取主備份冷冗余等控制措施。

在航天員穿著艙內壓力服期間，還可采取在服裝供氣通風回路中設置一氧化碳濾除裝置，專門對一氧化碳進行吸附凈化濾除，從而保證壓力服供氣的一氧化碳濃度能夠滿足醫學要求。

在飛船著陸后，為保證艙內外通風，應設置著陸通風裝置，在通風閥開啟后，開啟通風機，實現艙內外空氣的置換，濾除一氧化碳。

氣體凈化還應考慮故障情況下的凈化需要。如果飛船著陸后返回艙由于通風閥門被阻無法打開，或者在上升段出現海上應急著陸，海浪較大，返回艙通風閥不能正常開啟，無法進行艙內外氣體交換，則航天員可利用返回艙內配置的氧瓶氣源，通過手動操作開啟供氧閥實現艙內供氧，同時利用艙內配置的氣體凈化裝置保證（等待）救援期間的艙內有害氣體濃度滿足醫學要求。

4 一氧化碳檢測

目前常用的氣體檢測方法主要有接觸式和非接觸式2種。常用的接觸式檢測方法有氣相色譜法、半導體法、電化學法等[11-12]。氣相色譜法是一種物理化學式方法，用色譜柱分離混合化合物后，可以根據不同氣體吸附能力的不同，分析多種氣體的種類和數量。該方法常用在定量分析上，具有靈敏度高、速度快等優點，對混合氣體的分離能力優于其他方法。半導體一氧化碳傳感器是利用半導體元件（如氧化錫等金屬氧化物）中添加Pt、Pd等元素與一氧化碳氣體接觸后發生還原反應，放出的熱量使元件溫度升高從而電阻發生變化的特性，將一氧化碳的成分和濃度轉化成電信號進行監測和報警。該方法其具有較高的靈敏度，且價格便宜。電化學一氧化碳傳感器是利用被測氣體的電化學活性，在高活性催化劑作用下將其氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測成分濃度。目前，在載人航天領域，氣相色譜法應用得最為廣泛。

非接觸式檢測法是基于氣體對光的選擇性吸收原理對氣體成分進行檢測。根據所利用光源不同，非接觸式檢測法又可分為紅外吸收法、激光檢測法和紫外檢測法。紅外吸收法是利用不同氣體有特定的紅外光譜，通過其在特定波長紅外光強處吸收峰值的強度變化來判定氣體成分的濃度。該方法具有性能穩定、測量范圍廣、靈敏度高、準確度高、響應快速、使用壽命長等特點，可同時檢測多種氣體成分，有良好的選擇性，特別適合于對多組分混合氣體中某一待分析組分的測量，是目前具有良好應用前景的氣體測試方法。而紫外檢測法適用范圍較小，只應用于檢測汞蒸氣等少數氣體。激光檢測技術檢測時需配合可調的半導體激光器技術，成本較高，操作較復雜[13]。

一氧化碳分子光譜是振動-轉動光譜，具有強弱2個吸收帶[13]。采用紅外光譜吸收技術測量一氧化碳已成為國內外眾多研究小組的目標。目前我國已利用空心光纖紅外吸收光譜法研制出載人航天器專用的有害氣體檢測裝置，具有重量輕、功耗低、靈敏度高、響應迅速等特點，可在短時間內同時檢測出一氧化碳等多種氣體成分。經過地面封閉模擬艙實驗，設備對一氧化碳濃度的檢測誤差在6%以內[14]，滿足密封艙一氧化碳檢測要求，其測量原理見圖2[14]。

圖2 有害氣體檢測設備測量原理Fig.2 Principle of detecting toxic gases

5 一氧化碳試驗

5.1 封艙采樣

在載人航天器研制過程中，應在地面開展密封艙的封艙有害氣體檢測試驗，用以檢測一段時間內艙內總的有害氣體濃度情況，對控制措施的有效性進行驗證。試驗應在艙內設備加電情況下進行，凈化裝置不必開啟。具體方法為：將密封艙封閉一段時間后，不開艙狀態采集艙內的氣體，進行有害氣體的濃度檢測。

檢測的結果應滿足允許的有害氣體濃度控制指標。

5.2 有人參與模擬飛行試驗

在載人航天器研制過程中，還應開展有人參與的密封艙模擬飛行器任務的綜合試驗，對一氧化碳等有害氣體的控制能力進行綜合考核。具體方法為：利用容積、布局、環境等與真實飛行艙段相近的地面模擬密封艙，模擬飛行工況，地面人員按照工作程序開展模擬飛行試驗。試驗時氣體凈化裝置等凈化設備正常工作，試驗過程中實時采集艙內的氣體，進行有害氣體的濃度檢測。

檢測的結果應滿足允許的有害氣體濃度控制指標。

6 安全控制效果分析

通過分析確定了載人航天器密封艙內的一氧化碳來源主要為非金屬材料常溫脫氣和火工品泄漏。為此載人航天器制定了非金屬材料選用要求，開展了火工品安全性設計，進行了材料的篩選試驗、火工品綜合點火試驗及封艙試驗等工作。試驗檢測結果表明，艙內使用的結構板、泡沫塑料、緊固膠等產生較多的一氧化碳。通過對材料牌號選擇和用量方面的控制，能夠將艙內本底的一氧化碳含量控制在允許指標內。經封艙試驗檢測，艙內一氧化碳的本底釋放量較小，能夠控制在1 mg/m3左右；隨著封艙時間的增加，一氧化碳釋放有所增加，釋放速率滿足控制指標，說明非金屬材料釋放量通過材料篩選得到了有效控制。綜合點火試驗結果表明，火工品的一氧化碳泄漏量得到有效控制，返回艙內氣體一氧化碳含量滿足醫學要求。氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器等專項凈化試驗表明一氧化碳濾除效果明顯。最后通過有人參與的密封艙模擬飛行器任務的綜合試驗，對一氧化碳等有害氣體的控制能力進行了綜合考核，驗證了載人航天器密封艙內的一氧化碳控制效果滿足航天員生存要求。

“神舟”系列飛船和“天宮一號”目標飛行器在軌飛行結果表明，載人航天器密封艙內一氧化碳的控制結果滿足醫學指標要求，有效保證了航天員的在軌健康和安全。

7 結束語

本文通過對載人航天器一氧化碳來源的分析，結合國外航天器研制經驗提出了一氧化碳濃度控制指標，研究了非金屬材料控制使用、火工品泄漏控制、凈化通風等控制措施，制定了非金屬材料篩選試驗、火工品綜合點火試驗、封艙采樣等試驗驗證方法。飛行試驗結果表明，載人航天器返回過程中的一氧化碳濃度滿足指標要求，各項控制措施有效。本方法還可對載人航天器密封艙內其他種類有害氣體的控制提供參考。