等效系統質量法在艙外服CO2清除評估中的應用

楊樂 田林 李志杰 徐小平 李勁東

(1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)(2 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

CO2是人體呼吸代謝產物，在封閉狹小的艙外航天服中，若不加以清除或控制，航天服內CO2濃度將顯著升高，過高濃度的CO2將對人體產生不同程度的影響。為確保航天員順利完成出艙任務，必須使用艙外航天服環控生保系統對CO2進行連續清除，將CO2濃度控制在對人體無害的范圍內。艙外航天服環控生保系統一般為背包結構，集成了包括供氣調壓、通風凈化、溫濕度控制等眾多分系統[1]，復雜的集成環境與應用場景對CO2清除設備的體積、質量、能耗、散熱、結構等屬性提出了眾多苛刻要求。利用物理/化學方法清除CO2是載人航天環控生保技術的普遍做法，但針對不同任務類型，需要在眾多CO2清除方法中評估并選擇滿足任務需求的技術途徑。

等效系統質量(Equivalent System Mass，ESM)分析是一種生命保障系統評估方法，在針對多任務類型的生保系統方案評估中，該方法能夠將待評估技術方案中的各項參數如體積、功率、能耗、熱控功率及乘員維護時間利用相應轉換系數統一折算為質量參數，并基于該參數進行對比與評估[2]。

對于地球軌道應用航天器而言，星載電子設備成本約占項目總預算50%以上，而載人航天器由于加入了生命保障系統模塊，相應降低了電子設備成本占比，且由于運載火箭的發射成本在載人航天項目預算中占比相對較大，而發射成本直接取決于航天器質量，因此美國國家航空航天局(NASA)將等效系統質量分析手段作為一個系統概念，并不定期發布并更新生命支持系統基線與假設值文檔(Life Support Baseline Values and Assumptions Document，BVAD)，從等效系統質量分析與建模的角度提供近地軌道空間站、月球(軌道艙、前哨基地、著陸艙)及火星(軌道艙、著陸艙)生命保障系統的設備參考值，以及分系統、單機的質量等效系數與計算方法，以方便技術人員對載人航天器生命保障系統的各項技術進行評估，尤其是在美國國家航空航天局“先進生命保障”項目(Advanced Life Support，ALS)的最佳技術途徑評估中發揮著不可取代的作用。但由于等效系統質量分析方法本身的限制，在技術評估與對比中，無法體現技術研發成本、安全性及可靠性等方面指標[3]。文獻[4-5]利用等效系統質量方法，基于月球表面艙外活動任務，比較了幾種艙外航天服熱控技術，包括水升華器、水膜蒸發器、電致變色散熱器及相變材料。文獻[6]利用等效系統質量方法，比較了地球攜帶食物補給和受控生態生保系統植物部件就地生產兩種補給模式的優劣。

本文在對LiOH罐、金屬氧化物及快速循環胺3種艙外航天服CO2清除系統概述的基礎上，對其各項指標進行了系統等效質量分析，結合月球表面及火星表面艙外活動任務模式，計算了多周期下等效質量并分析了影響最終數值的敏感量，并根據評估結果選擇了不同任務模式下最佳CO2清除設備，同時對等效系統質量分析方法的使用進行了總結，旨在為我國載人航天任務環控生保系統提供一種針對多個待選技術的有效參考評估方法。

1 CO2代謝及清除需求分析

1.1 CO2清除需求分析

CO2是人體呼吸代謝量最多的氣體，正常軌道飛行時，除體育鍛煉及應急故障處理等工況，航天員處于正常軌道飛行且清醒狀態時，活動等級介于靜息和輕度活動范圍，此時代謝水平介于1.3～2.1 kcal/min之間，每天約排出1 kgCO2。而出艙活動平均代謝水平則為3.3～4.4 kcal/min，較正常軌道飛行增加約2倍，而與代謝率增長同時，耗氧量與CO2排出率也呈相應比例升高。將美俄載人航天飛行出艙活動平均代謝數據與地面代謝數據相比，出艙活動平均代謝水平相當于重度體力勞動(3.9～4.49 kcal/min)，而出艙活動的代謝峰值則可達極重代謝負荷，其中美國航天員為8.3 kcal/min，俄羅斯航天員為9.9～13 kcal/min，俄羅斯航天員代謝負荷較高的主要原因是其艙外航天服以硬式或半硬式為主，內部充氣壓力高達40 kPa，而美國艙外服以軟式為主，內部充壓約29 kPa左右，因此俄羅斯航天員著服操作時需克服服裝壓力做功更多，代謝水平也相應更高。出艙活動能量代謝較高主要與出艙任務本身特點有關，其主要影響因素包括肌肉活動增多、心理應激與艙外航天服內環境溫度較高等。

為明確CO2清除設備代謝需求，需要結合人體代謝率及耗氧量數據對出艙活動狀態下人體CO2代謝量進行估算，人體O2消耗量和CO2排出率是進行航天服生命保障系統調壓供氧、氣體凈化和確定航天服通風量參數需用的關鍵生理學能量代謝參數。人體O2消耗量與人體新陳代謝率有關(見表1)，在人體代謝產熱率為120 W時，O2消耗量為0.34 L/min；代謝率為523 W時，O2消耗量上升至1.49 L/min，按照蘇聯/俄羅斯1965—1991年航天員出艙活動資料，當人體平均代謝率為300 W時，O2消耗量為0.9 L/min[7]。

表1 人體代謝率與耗氧量

已知某一代謝水平情況下的人體O2消耗量時，可依據該代謝水平時的呼吸熵參考值估算CO2排出率，反之，已知CO2排出率，亦可反推O2消耗量。

已知艙外活動平均代謝水平為3.3～4.4 kcal/min，約為正常軌道代謝水平3倍，峰值代謝水平更高，為正常軌道代謝水平4～5倍，由此可知其CO2排出率也相應比例增加，平均排出率達到126.88 g/h，峰值排出率為211 g/h。按照一次出艙活動8 h計，清除總量約為1.02 kgCO2，因此相應CO2清除設備的清除速率及8 h清除總量應不小于上述指標。

1.2 CO2清除技術概述

基于LiOH化學吸收原理的CO2清除技術在人類首次載人航天任務中就得到了應用。LiOH能夠與空氣中的水結合生成LiOH·H2O，并與CO2反應生成Li2CO3，并釋放大量熱量，最終以化學反應的方式將氣態CO2固化，經過多年發展，其應用已非常成熟，被用于絕大部分已有的艙外航天服及航天器環控生保系統；但LiOH是一次性消耗品，耗盡后需重現填裝，對于長期任務多次EVA，需要攜帶大量一次性LiOH罐，占用大量上行資源，因此各國相繼開發可再生式CO2清除技術[8]。

金屬氧化物技術(Metal Oxide，MetOx)是一種主要應用于艙外航天服的可再生式CO2清除技術，2000年開始應用于國際空間站艙外航天服。金屬氧化物罐可以同時清除服內CO2與水蒸氣，但無論是罐體本身還是空間站內的回收裝置質量都比較大，而且回收過程耗能巨大且耗時較長[9]。

快速循環胺技術(Rapid Cycle Amine，RCA)是美國針對“星座計劃”先進環控生保系統發展的一種可再生式CO2清除技術，目前已經發展至第三代產品，可實現CO2、水蒸氣同步清除。吸附劑利用真空環境即時再生，能耗較低且質量較小，目前已通過一系列地面驗證試驗，2019年10月美國國家航空航天局公布的新一代艙外航天服(X-EMU)就采用了這一技術[10]。

針對出艙活動對艙外服內CO2清除的功能需求，對3種CO2清除方法進行了調研并對指標進行了匯總，見表2[11-16]。近年來全球航天活動持續深入，人類探索的目標逐漸向地外行星延伸，隨著我國空間站建立以及載人月球探測任務的逐步實施，載人月球探測開發以及載人火星探測均是未來載人探測的主要發展方向。

表2 3種CO2清除裝置指標比對

2 系統質量等效計算方法

作為一種評估方法，等效系統質量是指將待評估有效載荷的不同的性能特征和規格轉換為統一的、可量化的質量度量，即將體積(V)、功率(P)、熱控系統功率(C)及乘員時間(T)等指標統一轉換為質量單位，并計算載荷工作周期內消耗品質量及體積損耗，從而獲得該載荷的等效質量，等效質量最小則意味該載荷在工作周期內的潛在經濟性最優。

SESM=MS+VSrv+(MC+VCrv+Prp+

Crc+Trt)×N

(1)

式中：SESM為等效質量和；MS與VS分別為待選設備的質量與體積，每次使用時不會消耗；MC和VC是每次進行出艙活動時所需消耗品的質量與體積；P是設備功率；C是熱控系統功率；T是每次出艙期間對該設備的操作與維護時間；N是任務期間所執行的8 h出艙活動次數；rv、rp、rt、rc表示轉換系數，rv單位為kg/m3，rc單位為h/kg，rp和rt單位為kg/kW，作用是將設備體積、功率等非質量參數轉換為等效質量，再添加到最終等效質量中。(本文中使用的轉換參數來源于NASA于2018年發布生命支持系統基線與假設值文檔中的載人航天器生保系統，雖然該文檔中未體現出艙活動相關設備硬件轉換參數，但艙外航天服與航天器2種生保系統的底層計算模式類似，因此本文使用此相關轉換系數)。

將分別從CO2清除設備的體積、功率、熱控系統功率及乘員時間等4個角度，結合月球及火星表面出艙任務的相關轉換系數，計算2種任務模式下，3種CO2清除設備的等效質量。

2.1 體積等效

體積轉換系數主要考慮了地球與應用場景的距離及是否充壓兩方面因素，航行距離越遠，所耗費推進劑質量越多，因此轉換系數越高。載人飛船軌道艙與返回艙均為充壓結構，而貨運飛船部分艙段為非充壓結構，充壓結構由于密封性要求結構強度更高，結構更復雜，因此推進劑消耗更多，轉換系數也越高。艙外航天服內為密閉充壓環境，且在運輸過程中全程處于充壓艙內，因此按照充壓體積計算，分別取133.1 kg/m3及215.5 kg/m3，見表3[2]。

表3 兩種任務模式下體積轉換系數

2.2 設備功率等效

等效功率轉換系數取決于設備的電力系統類型，包括發電系統、電力存儲、系統部署位置等，發電效率越低，系統質量越大，系統部署位置越遠，其等效功率轉換系數越高。由于應用于中長期載人航天任務的核能發電及儲電技術尚不成熟，許多參數為理論推算值，太陽能光伏(無儲能)由于系統簡單，可靠性高，應用較廣泛，因此選取太陽能光伏(無儲電)轉換系數，見表4[2]。

表4 兩種任務模式下設備功率轉換系數

2.3 熱控系統功率等效

熱控系統功率是指設備運行期間由于設備散熱對熱控系統所造成的熱負荷，轉換系數取決于熱控系統構型，其數值大小與熱控系統部署位置、結構質量及傳熱效率相關。

LiOH罐工作時會產生反應熱，其反應如下

2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O

(2)

按照8 h艙外活動期間需清除1.02 kg CO2計算，釋放2072.54 kJ熱量，熱控系統功率為71.96 W。

金屬氧化物設備運行時不產生熱量，但其再生反應時，需利用加熱空氣通入罐體內，將整個罐體加熱至204 ℃或略高，高溫會降低金屬氧化物吸附劑的吸附量，使CO2與其他微量氣體緩慢釋放，此過程維持約10 h，再生器最大瞬時功率約為1.5 kW，單次再生過程約耗費10 kW·h電能。按照平均加熱功率1 kW，97%熱效率計算，熱控系統功率為970 W。2種任務模式的熱控措施均為輕質流體回路+輻冷器，見表5[2]。

表5 2種任務模式下熱控系統功率轉換系數

2.4 乘員時間等效

乘員時間是指航天員對生保系統的維護、修理時間等，由于該指標難以調研，故按照0.5 kg·人-1h-1代入后續計算。月面出艙位置選擇月面行走，火星表面出艙選擇較近的火星著陸器，分別為15.66 kg·人-1h-1及0.94 kg·人-1h-1代入后續計算，見表6[2]。

表6 2種任務模式下設備乘員時間轉換系數

2.5 等效系統質量計算匯總

根據2.1～2.4節所選取等效轉換系數及表2設備參數，按照式1計算方法，將3種CO2清除設備在月球表面及火星表面單次艙外活動等效質量進行了計算與匯總，等效系統質量越低，則認為該待選技術更具有經濟優勢，發射成本越低。如表7及表8所示。

表7 月球表面3種設備的等效質量

表8 火星表面3種設備的等效質量

由表7與表8可知，對于單次月面艙外活動，金屬氧化物等效質量數值遠高于其他兩種技術途徑，其再生器功率及再生過程中對熱控系統造成過高熱負荷是主要原因，金屬氧化物CO2清除設備主要應用于國際空間站航天員的出艙活動，再生器布置于空間站內，航天員每次執行艙外活動任務后，將金屬氧化物罐從艙外服背包內取出放入再生器內進行加熱等再生流程，這一過程中電源及熱控系統功能由位于近地軌道的國際空間站提供，其相關轉換系數低于月表及火星表面，等效質量和也隨之較低；而快速循環胺系統再生依靠外部真空環境現場即時完成，不需借助額外再生裝置，過程中僅消耗部分電能，其等效質量和隨部署位置變化相對較小；LiOH罐作為非再生式設備，每次出艙活動需更換消耗品，且LiOH與CO2反應會釋放部分反應熱，因此單次出艙活動等效和高于快速循環胺。因此在不同任務場景下，熱控系統功率可能成為敏感系數，在待選技術評估中應盡量避免熱功率及熱控系統轉換系數過高的技術途徑。

3 多任務模式ESM分析

3.1 月球表面艙外活動ESM分析

由表7可知，航天員在月球表面分別使用LiOH罐、金屬氧化物及快速循環胺作為CO2清除方法，完成1次艙外活動的等效質量和為32.87 kg、278.72 kg及16.52 kg，MetOx作為一種可再生式清除方法，在沒有消耗品的情況下等效質量明顯高于其他方法初步分析原因是設備及再生設備的質量與體積較大，在僅完成1次出艙活動的任務規模評估中無法體現再生式方法的優勢，將分別計算5、25及125次艙外活動中3種方法的等效質量和。計算結果見表9。

表9 月球表面3種設備不同任務規模艙外活動等效質量

如圖1所示，金屬氧化物在所有任務規模下，等效質量和都遠遠高于其他2種清除方法，在數據分析中發現，造成該結果的主要原因是金屬氧化物再生時功率高達1 kW，且大部分功耗通過電阻絲轉化為熱量用于再生金屬氧化物罐體，對航天器熱控系統造成大量熱負荷，最終大幅提高航天器電源及熱控系統設計規模，進而增加了功率等效質量及散熱等效質量。但對于近地軌道空間站，由于其較大的電源及熱控系統容量，以及相對較低的等效系數，金屬氧化物方法可能具有一定優勢。

圖1 月球表面3種設備不同任務規模艙外活動等效質量趨勢圖

3.2 火星表面艙外活動等效系統質量分析

與月球表面艙外活動分析方法相同，根據表8可知，航天員完成1次艙外活動的等效質量和為22.57 kg、332.17 kg及11.52 kg。由于火星表面部署電源系統代價更高，因此對于需要高功率代價完成再生的金屬氧化物在火星表面完成1次艙外活動的等效質量比月球表面更高。表10及圖2總結了5、25及125次火星表面艙外活動中3種方法的等效質量和。

表10 火星表面3種設備不同任務規模艙外活動等效質量

圖2 火球表面3種設備不同任務規模艙外活動等效質量趨勢圖

與月球表面艙外活動等效質量和趨勢類似，金屬氧化物等效質量依然遠高于其他兩種清除方法。作為一種不可再生的CO2清除方法，由于功率及熱控系統功率相對較低，LiOH罐的等效質量依然具備一定優勢；快速循環胺方法由于其可再生性及利用真空環境完成再生的優勢，使其質量、體積、功率等指標均占有優勢，在兩種艙外活動模式下等效質量和最小，因此其潛在經濟性最佳。

作為等效系統質量評估體系下優勢明顯的固態胺技術得到了美國航空航天局的持續支持，相繼研發了應用于多種使用場景下，基于固態胺材料的CO2吸附裝置，如“獵戶座”飛船的CO2與水蒸氣清除胺搖擺床(CO2and moisture removal amine swing-bed，CAMRAS)，該裝置2013年搭載國際空間站完成了空間測試，以取代不可再生的LiOH罐[17]；針對未來火星載人探測任務研發了溫度搖擺吸附系統(Temperature Swing Adsorption，TSA)，其技術原理與快速循環胺相似，由于火星表面CO2濃度較高，壓力解吸效率低，故其解吸方式為加熱解吸[18]；而快速循環胺技術本身已應用于美國下一代才外航天服(X-EMU)，以取代目前的金屬氧化物技術。

4 結論

通過月球及火星表面艙外活動CO2清除方法等效系統質量對比與評估，得出以下結論：

(1)在某些任務場景下，部分再生式環控技術在全周期使用中，其等效質量可能超過非再生式技術，造成該結論的主要原因在于再生設備的再生過程功率及散熱功率過高，大幅提高了功率等效質量及散熱功率等效質量，進而提升了載人深空探測器的電源與熱控分系統部署規模。

(2)快速循環胺作為一種可再生式CO2清除方法，由于其依靠外部真空環境實現再生，因此極大降低了消耗品質量、體積以及相應再生功率與散熱功率，是一種具備潛在經濟性的再生式環控生保技術。

(3)等效系統質量分析方法本身優勢在于將環控生保技術各接口關系通過等效系數轉化完成了量化評估，數值結果較精確使最終評估結論更直觀；線性計算方法使多種待選技術在多周期、不同任務場景下的評估過程更加標準、簡潔；通過設備體積、功率、散熱等多個維度等效轉化，能夠較充分計算設備在運行周期內質量“代價”，即設備本身、相關接口系統及消耗品的發射成本，從而評估設備的潛在經濟性。

本文在調研3種艙外航天服CO2清除技術硬件及等效系統質量方法的基礎上，結合月球與火星表面載人探測任務，利用等效系統質量計算對比了3種方法的相關等效參數，評估了不同任務模式下技術適應性與潛在經濟性，為我國載人航天總體方案論證方法提供新思路。