艙外航天服CO2 清除技術發展現狀

楊 樂， 吳 琪， 田 林， 徐小平， 李勁東

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

1 引言

CO是人體代謝產物，通過呼吸不斷排出體外。 航天員在艙外航天服密閉環境中等負荷下，呼吸熵為0.8 時，CO排出率一般為0.65 L／min（標準狀態）或1.29 g／min，隨著時間積累，CO的濃度逐漸升高，過高的CO濃度會對人體產生毒性。 一般封閉空間內空氣中CO濃度約為0.04%，適宜人類呼吸；濃度達到0.1%時，人體普遍有不適感覺；濃度達到3%時，肺呼吸量正常，但呼吸深度增加；濃度至8%～10%時，人體呼吸明顯困難，意識陷入不清，以致呼吸停止；濃度達30%時可致人死亡。

在艙外活動（Extra Vehicular Activity，EVA）期間，為確保航天員安全、健康、高效完成任務，必須使用便攜式生命保障系統（Portable Life Support System，PLSS，也稱艙外航天服環控生保系統）對人體新陳代謝產生的CO進行連續清除，從而將CO濃度控制在對人體無害的范圍內。 PLSS 一般為背包結構，集成了包括供氣調壓、通風凈化、溫濕度控制等分系統，對CO清除設備的體積、質量、能耗、散熱、結構等方面提出了眾多苛刻要求。 地面環境中有許多化學／物理方法可以清除大氣中的CO，但綜合考慮質量、體積與清理效率等指標要求，能夠直接用于艙外航天服的清除技術非常有限。

從首次載人航天飛行開始，LiOH 清除技術就得到了應用。 LiOH 能夠吸收CO，并將其轉化為固態LiCO，由于技術成熟、設備簡單，被用于絕大部分已有的艙外航天服環控生保系統。 但LiOH 不可再生，對于長期任務多次出艙活動，需要攜帶大量一次性LiOH 罐，占用了寶貴的發射資源。 LiOH 為強堿性粉末，如果揮發到空氣中，會對航天員皮膚黏膜造成強烈刺激，直接威脅航天員健康。

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CO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去除服內CO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。

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開展的一種可再生式CO清除技術，目前已經發展至RCA3.0版本，可實現CO與水蒸氣同步清除。 吸附劑利用真空環境現場再生，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NASA 公布的新一代xEMU 航天服就采用了該技術。

溫度 搖 擺 吸 附 （ Temperature Swing Adsorption，TSA）是NASA 針對火星環境設計的一款可再生式CO清除系統，利用高溫對吸附劑進行即時再生，原理與RCA 系統較為接近。

本文對以上4 種應用于艙外航天服的CO清除技術進行綜述，分別介紹設備基本工作原理、技術特點、應用情況等；對其能耗、再生性、CO吸收率等指標進行了比對；基于月球與火星載人航天任務特點，分析了符合任務需求的CO清除技術途徑，為未來實施載人深空探測提供參考。

2 基于LiOH 的CO2 清除技術

2.1 基本原理

采用非再生化學吸附劑，主要以氫氧化物為主，常用的有無水LiOH 和堿石灰（Ca（OH）和NaOH 的混合物）。 Ca（OH）比較便宜，方便量產，但由于鈣原子質量較大，單位質量Ca（OH）吸收的CO量較小（不超過130 L／kg）；鋰的相對原子質量較小，對CO的吸附量能達到350 ～400 L／kg。 故實際飛行任務大多選擇LiOH 作為CO清除工質，反應式如式（1）、（2）所示：

總反應方程如式（3）所示：

無水LiOH 首先吸收氣流中的水汽，生成LiOH 的水合物LiOH·HO；然后LiOH·HO 吸收氣流中的CO，生成LiCO。 該反應為放熱反應，每吸收1 kg CO釋放2031.9 kJ 熱量。

2.2 結構組成與工作方式

LiOH 吸收罐采用徑向流通結構，適合小流速的人體呼吸代謝產物反應。 LiOH 是強堿性化學品，反應過程中生成熱，能夠在短時間使生成的水分完全氣化，一旦罐體破損，腐蝕性粉末在通風系統中漂浮，威脅航天員健康。 中國飛天艙外航天服采用高壓工藝將LiOH 壓制成顆粒狀，在保證較高吸收效率的同時提高了LiOH 顆粒的力學強度，并采用彈簧機構壓緊LiOH 藥層，提高其抗振性能。

LiOH 水化與吸收CO反應主要在反應帶中進行（圖1），反應伴隨出艙活動持續進行，LiOH也隨之逐漸消耗。 由于彈簧的壓緊作用，反應帶由罐體入口向出口移動，LiOH 反應帶消耗殆盡，反應停止，出口端CO濃度上升，反應罐失效。

圖1 LiOH 吸收罐結構示意圖［10］Fig.1 Structure of LiOH absorption tank［10］

理論上1 kg 無水LiOH 能夠吸附0.85 kg CO，但實際上LiOH 的吸附性能不可能被完全利用，主要有以下原因：①LiOH 孔隙度不足，CO與其接觸面積有限；②反應區內溫度及濕度并非最佳反應條件，限制反應進行；③隨著反應的進行，顆粒表面被生成物覆蓋，阻礙了CO的吸收。

考慮到LiOH 利用率、容器與粘合劑質量，實際上1 kg LiOH 只能吸附0.48 kg CO。

2.3 技術特點

LiOH 清除CO技術發展至今已非常成熟，對于一般短期出艙任務，其設備操作簡單、功能可靠。 但由于吸附劑不可再生且功能單一，已不再適合未來深空探測任務。 此外，LiOH 吸附劑本身為強腐蝕化學品，系統一旦損壞泄露，吸附劑直接進入艙外服通風環路，將對航天員皮膚與黏膜產生強烈刺激與腐蝕作用。

2.4 應用情況

利用不可再生式的LiOH 進行CO清除是載人航天器與艙外服中較常用的方法。 從20 世紀60 年代末的阿波羅系列登月服至今，美國航天飛機上使用的EMU 航天服及俄羅斯Orlan 系列航天服（圖2）、中國飛天艙外航天服都采用LiOH 清除CO。

圖2 俄羅斯Orlan?M 艙外服LiOH 反應罐Fig.2 LiOH reaction tank in Russian Orlan?M spacesuit

阿波羅登月服A7L－5、A7L－6 型（前期型號）PLSS 背包中 LiOH 質量為1.2 kg， 體積為0.006 5 m，出艙活動可維持最高4 h。 后期阿波羅14 ～17 任務使用經過改進的A7LB，攜帶1.42 kg LiOH，出艙活動時間延長至7 h（氧源壓力也由7.6 MPa 提高至10.3 MPa）；國際空間站EMU 艙外航天服中LiOH 罐集成于污染物控制罐（包含活性炭）中，7 h 出艙活動期間約能吸收0.671 kg CO。 LiOH 作為不可再生式吸附劑，雖然需要在每次完成EVA 后對其進行補充，但由于航天飛機及早期空間活動在軌停留時間較短（7～14 d）及EVA 次數較低，對其進行補充而帶來的發射質量成本尚能接受。 但隨著國際空間站的建立，長期、多次EVA 日益頻繁，每次任務需攜帶大量LiOH 罐，造成發射成本上升，因此需要一種可再生式CO清除技術。

3 基于金屬氧化物的CO2 清除技術

3.1 基本原理

一般采用堿性金屬氧化物（氧化銀）作為吸附劑，可以吸收酸性的CO氣體，并在高溫下發生逆反應，從而實現解吸。 在該反應中CO不會與金屬氧化物直接反應，只有當足夠的HO 與氧化物反應生成OH時，才會發生反應。 最終CO與氧化銀在低溫條件下反應生成碳酸銀（固體粉末），航天員在EVA 過程結束，返回空間站后，可使用專用設備對吸附劑進行再生重復利用。主要反應如式（4）～（9）所示：

總反應如式（10）所示：

整個反應階段并不消耗HO，HO 只是作為催化劑提供OH。 在再生反應中，通過加熱至204 ℃，使AgCO直接分解為AgO 與CO。

3.2 結構組成與工作方式

裝置由金屬氧化物吸附罐和再生器兩部分組成。

3.2.1 金屬氧化物吸附罐

金屬氧化物吸附罐外觀如圖3 所示，航天員出艙活動時會攜帶2 個罐體，一個用于吸附航天員在氣閘艙內吸氧排氮過程中產生的CO與濕氣，另一個用于EVA 期間的氣體吸附，該裝置安裝在航天服的污染物控制罐中。

圖3 金屬氧化物吸附罐Fig.3 Metal oxide adsorption tank Metox

金屬氧化物吸附罐由不銹鋼外殼、金屬氧化物板組件、0.11 kg 活性炭床、150 目顆粒過濾器和狀態指示器組成。 整體尺寸長為34.3 cm，高為24.9 cm，厚為8.6 cm，最大裝配質量為15.5 kg。

反應過程如下：含CO及水蒸氣的氣流由罐體右側進入（圖4），首先經過活性炭反應床，去除由人體代謝反應所產生的微量污染物；氣流隨后通過金屬氧化物反應床，去除CO與濕氣；最后，氣體在離罐前通過150 目絲網， 去除固體顆粒。

圖4 吸附反應過程示意圖［10］Fig.4 Schematic diagram of adsorption reaction process［10］

在8 h EVA 及吸氧排氮期間，該設備能夠清除0.67 kg CO，與LiOH 反應罐清除水平基本持平。

3.2.2 再生器

再生器外觀如圖5 所示，圖6 顯示了該設備在空間站中的排列結構，出于要同時對2 個罐體進行再生反應及備份考慮，國際空間站氣閘艙內溫濕度控制系統（Temperature and Humidity Control，THC）艙架上布置了2 臺再生器。

圖5 地面測試狀態下再生器Fig.5 Diagram of regenerator under ground test

圖6 2 個安裝在國際空間站THC 艙架上的再生器Fig.6 Two regenerators mounted on the ISS rack

再生器組件結構如圖7 所示。 它由控制器、風機、閥門、換熱器、加熱器、烘箱、溫度傳感器和2 個過濾器組成。 整體尺寸長為0.45 m，高為0.48 m，寬為0.76 m。 單個再生器質量（不含罐體）為47.6 kg。

圖7 再生器結構Fig.7 Structure of the regenerator

航天員返回氣閘艙后，將金屬氧化物吸附罐從背包內取下，放入再生器（圖8），開始再生反應。再生反應分為2 步：①首先通入加熱空氣（與吸附反應氣體流動方向相反）到罐體內，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CO與其他微量氣體緩慢釋放，并由空間站環控生保系統吸收，此過程維持約為10 h；②加熱過程完成后，利用冷卻氣體對罐體表面進行約4 h 降溫，冷卻的目的主要是防止罐體內金屬氧化物在空間站內自主對站內空氣中CO及水蒸氣進行吸附。 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。

圖8 EVA 后航天員將罐體取下放入再生器的操作過程Fig.8 Tank removed and put into the regenerator by astronauts after EVA

3.3 技術特點

相比LiOH 反應罐，MetOx 系統的優點如下：

1）可重復利用；

2）可同時去除水蒸氣與CO。

盡管此系統已成功使用數年，但存在3 個主要缺點：

1）質量過大。 MetOx 系統質量（15.5 kg）相較LiOH 系統（3.2 kg）更重；此外再生器質量為47.6 kg，一次在空間站布置2 臺，總重近為100 kg。

2）工作時間有限。 一旦吸附劑飽和，艙外航天服內CO濃度會迅速上升至致命水平，因此與LiOH 吸附技術類似，EVA 時間受限于所攜帶吸附劑數量；

3）回收代價較大。 航天員需返回空間站使用專用設備（再生器）對金屬氧化物吸附罐內的吸附劑進行回收利用，回收操作周期長約為14 h，且耗能巨大。

3.4 應用情況

MetOx 系統于2000 年7 月發射運送至國際空間站，自2001 年至今國際空間站中航天員使用EMU 進行出艙活動時，都使用該設備進行CO清除。

4 快速循環胺技術

4.1 基本原理

快速循環胺技術以固態胺作為吸附劑，其材料是引入了胺基的樹脂，屬弱堿性陰離子交換樹脂，能與水反應生成水化胺，然后再與CO反應生成碳酸氫鹽，它與CO的總反應如式（11）所示：

RCA 利用2 個固態胺吸附反應床同時去除CO與水蒸氣，2 個反應床交替進行吸附與解吸附。 當固態胺吸附飽和時，將其暴露向真空，破壞碳酸氫鹽的化學鍵，釋放出CO，從而完成再生。

4.2 結構組成與工作方式

RCA 系統主要包括4 部分：化學吸附劑、雙床吸附罐、閥門總成及控制器。 該系統使用2 個交替反應床來吸附CO，一個反應床在通風環路中吸附CO與水蒸氣，另一個用于真空環境下再生。 當一個反應床飽和時，將其離線并開始解吸附，并將另一個反應床重新聯機進行吸附。

具體操作如圖9 所示。 RCA 系統在工作時，A 床接入環路通風系統，吸附空氣中CO與水蒸氣，與此同時B 床暴露于真空環境中，進行脫附；隨著A 床中吸附量逐漸飽和，吸附能力逐漸下降，安裝于氣體管路出口的CO感應器檢測到CO含量持續上升，判斷A 床吸附能力已飽和，設備進入中間狀態，旁通閥開啟，管路內空氣不經吸附直接由入口排入出口，此時設備暫時失去吸附能力，A 床與B 床直接連接，開始平衡氣壓；待兩床間氣壓平衡，旁通閥關閉，B 床接入通風環路，開始吸附，A 床暴露于真空開始解吸附，吸附劑內CO與水蒸氣直接進入真空環境。

圖9 RCA 設備吸附與解吸附過程［12］Fig.9 Adsorption and desorption process of RCA［12］

4.3 技術特點

RCA 技術相較其他CO清除方法具有如下優勢：

1）RCA 系統較目前國際空間站EMU 使用的金屬氧化物CO去除系統能明顯降低質量，單個設備質量由之前15.5 kg 降至 3.84 kg（RCA1.0），體積也大為縮小（圖10）。

圖10 MetOx 與RCA1.0 系統尺寸對比［13］Fig.10 Size comparison between Metox and RCA1.0［13］

2）吸附劑可即時再生，無需在空間站安裝大型高能耗再生設備，極大降低了發射成本與空間站能耗。

3）使用時間無限制，相較現有EVA 7～8 h 限制時間，提升了艙外航天服續航時間，為今后出艙任務規劃、出艙前吸氧排氮時間安排等提供了充足的時間保障。

盡管RCA 系統具有諸多優點，但它仍然存在3 個需要解決的問題：

1）為了降低胺的揮發性，減少再生時向空間損失的胺，故選擇分子量較大的吸附劑，致使RCA 的CO吸收能力偏低；

2）RCA 系統可能會在通風循環中產生少量氨的氣味，使航天員感到不適；

3）RCA 設備的再生裝置必須集成于便攜式生保背包中（圖11），增加了通風環路的復雜性，降低便攜生保系統的可靠性。

圖11 RCA2.0 集成于PLSS2.0 系統中Fig.11 RCA2.0 integrated into PLSS2.0 system

4.4 應用情況

1995 年NASA 提出利用再生式吸附與脫附循環概念收集CO與水蒸氣，但由于當時LiOH吸收劑技術非常成熟，且NASA 正持續推進MetOx 再生技術，同時EMU 管道通風技術尚未徹底成熟，很難在管路內集成新設備，所以該技術當時并未得到大力支持。

2005 年美國啟動星座計劃，2007 年開始研發新一代EMU 及PLSS，明確選擇RCA 作為CO與HO 清除技術途徑。 2011 年美國漢勝公司（Hamilton Sundstrand）完成原型機設計。 截至2017 年，RCA 設備經歷了3 代發展，從地面樣機RCA1.0、地面原理樣機RCA2.0 直到地面測試樣機RCA3.0（圖12），并分別作為先進PLSS1.0、PLSS2.0 及PLSS3.0 主要分系統進行了地面測試（包括振動、 吸附性能、 長壽命、 真空測試等），完成了設備與PLSS 集成設計及相關部件的優化。 測試結果滿足NASA 對下一代艙外航天服指標要求（表1）。 2019 年10 月，NASA 公布了采用了RCA 技術清除CO的xEMU 登月航天服將用于2024 年重返月球任務。

圖12 RCA 樣機Fig.12 RCA prototype

表1 RCA 系列產品性能比對［15－18］Table 1 Performance comparison of RCA 1.0～3.0［15－18］

5 溫度搖擺吸附系統

5.1 基本原理

溫度搖擺吸附系統（Temperature Swing Ad?sorption，TSA）與RCA 技術類似，利用2 個（或3個）吸附劑床層對CO與水蒸氣進行吸附，并利用改變溫度的方式實現脫附，即在低溫條件下（5 ℃）實現吸附，在較高溫條件下（22 ℃）實現脫附。 此外，在吸附床上部安裝有一個冷凝器，用于水蒸氣清除。

5.2 結構組成與工作方式

雙床系統（圖13、14）由2 個吸附床、2 個離心泵、閥門系統及1 個冷凝器組成。 系統直接與液冷服水循環系統連接，實現2 個床層的溫度調節，具體工作方式如下：①液冷服內工質（水）在完成對人體降溫后，其溫度20.3 ℃升高至22.2 ℃，水流量約為109 kg／h，經離心泵驅動進入脫附反應床＃2，用于提升床層溫度，以驅使其釋放CO；②來自反應床＃2 約9.3 kg／h 冷卻水與之前用于冷卻吸附床反應床＃1 的大流量冷卻水（109 kg／h）混合進入水生華器，并降溫至5 ℃，對吸附床反應床＃1 進行降溫，同時自身溫度由5 ℃提升至5.6 ℃；③冷卻水再次分流，少部分冷卻水（9.3 kg／h）進入液冷服，大部分冷卻水（109 kg／h）進入水升華器進行降溫。

圖13 TSA 系統工作原理圖Fig.13 Working principle of TSA system

圖14 雙床溫度搖擺系統Fig.14 Double bed TSA

5.3 技術特點

三床系統（圖15）相較兩床系統多1 個反應床，主要用于兩床交替過渡暫時無法工作時進行吸附。 TSA 技術可同時去除通風環路內的CO與HO，且可實現吸附劑現場再生，體積與質量較小。 但缺點是其對溫度較敏感，一旦液冷系統發生故障，吸附效率將大幅下降。

圖15 三床溫度搖擺系統Fig.15 Three bed TSA

5.4 應用情況

美國TDA 研究中心與NASA 約翰遜宇航中心于2011 年完成TSA 裝置的設計，分別對三床與雙床系統進行了一系列地面測試，實現了最高0.08 kg／h 的CO清除率。

6 指標比對

表2 比較了4 種適用于艙外服CO去除技術的性能特點，可以看到：①LiOH 清除系統的運行質量最輕（TSA 目前產品成熟度較低，無法直接比對），并且最簡單和最可靠，但是它不可再生，每次EVA 前均需要安裝新的LiOH 罐，隨著EVA次數的增加，消耗品的質量也相應增大，這對于長期多次出艙任務來說，顯著提高了發射成本；②金屬氧化物清除系統可以再生，在艙外服上只需要很低的能耗，然而此系統需要在艙內配置2 套高能耗、大質量的再生設備，且金屬氧化物罐體本身質量較大；③快速循環胺系統可即時再生，不需要額外的再生設備，每次EVA 全過程（包括再生）能耗僅為金屬氧化物系統的1.1%，且已應用于獵戶座艙外艙外服，前景較好；④溫度搖擺系統技術與快速循環胺系統原理較接近，但技術尚不成熟。

表2 4 種CO2 清除裝置指標比對Table 2 Index comparison of four CO2 removal devices

7 CO2 清除技術未來應用分析

7.1 載人登月任務

月球氣體非常稀薄，表面大氣壓力在10～10Pa之間。 月夜期間寧靜的大氣密度只有大約 2 × 10分子／cm， 而月晝則降到了10分子／cm，比地球小14 個數量級。

月球表面是一個灰體源，表面溫度變化根據緯度和月球晝夜周期的時間來決定，溫度在－180～150 ℃之間。 月球表面溫度由所吸收的太陽輻射和來自于其內部的熱量所決定，在月球赤道上滿月時吸收太陽輻射產生的月球溫度為117 ℃，新月前則降到了大約－163 ℃，同時隨著緯度的增高而降低。

阿波羅計劃中，成功實現了6 次登月任務（Apollo－13 任務除外），共有12 名航天員到達月面，累計出艙15 次，單次出艙平均時間為5.3 h、累計出艙時間80 h，單次最長月面行走距離約為35.24 km（Apollo－17 任務中航天員駕駛月球車）、累計月面行走距離約為96 km。 考慮到中國首次載人登月面臨的火箭運載能力限制，登月艙可能為非密封設計，以減輕質量，這意味著航天員需在軌道艙或空間站內完成吸氧排氮后直接穿著艙外航天服進入登月艙，完成軌道艙與著陸器在軌分離－著陸器下降著陸－航天員出艙活動－著陸器上升－軌道艙與著陸器對接全過程，總耗時超過10 h 以上，這也對艙外服CO清除技術提出了更高的要求。

現有CO清除技術中，LiOH 罐工作時間有限；金屬氧化物雖然能夠實現再生，但再生設備質量巨大無法安裝于著陸器中，且再生反應時間過長；考慮到月面真空度較高，RCA 系統可利用真空環境實現現場再生，且質量較低，可連續工作時間長，初步分析RCA 系統較適合載人登月任務。

7.2 火星探測

近地航天器距太陽平均距離為1 AU，火星則為1.52 AU，根據實測數據，海盜一號（著陸緯度22°N）在1 個火星年中測量溫度范圍為－98 ～－3 ℃，海盜二號（著陸緯度48°N） 為－123 ～－8 ℃。 火星大氣極為稀薄，底層大氣壓力只有地球海平面的0.7%，平均約為640 Pa。 火星大氣成分主要為CO，約占95%以上，其余還有2.7%的氮氣等。

火星與地球最近距離約5500 萬公里，遠大于地月距離38 萬公里，對載荷質量約束更加苛刻，LiOH 與金屬氧化物清除設備質量過大；其次由于火星底層大氣二氧化碳分壓較大，需要依賴真空環境再生的快速循環胺也不再適用該環境。 優先使用溫度搖擺吸附系統，通過改變溫度的方式可以實現CO的收集與排放。

8 小結

本文調研了4 種用于艙外航天服的CO清除技術，分析了其發展趨勢，并結合未來載人航天任務特點進行了分析，總結如下：

1）功能性拓展。 從單一CO清除逐步發展為CO與水蒸氣同步清除，后期甚至可清除其他氣態污染物，極大提高了設備集成性，降低了載荷質量與體積。

2）可再生性提升。 從最初不可再生的LiOH，到可再生卻質量偏大的MetOx，再到輕便的RCA、TSA，工作循環次數從1 提升至100＋，提升了載人航天任務物質閉合度，大幅降低了空間物資補充成本。

3）獨立性增強。 LiOH 與CO反應生熱，熱量需借助熱控系統的水升華器排出；MetOx 吸附床飽和后需返回空間站，借助大型再生設備完成吸附床再生；RCA 較為獨立，吸附床可通過空間真空環境及時再生，降低了與其他分系統的耦合關系。

4）任務適應性提高。 RCA 與TSA 技術原理類似，都使用固態胺作為吸附劑，但分別采用變壓與變溫實現吸附與脫附效果，在近地軌道空間站及月球表面的真空環境下使用RCA，能夠最大限度利用設備內外壓力差，實現CO快速脫附，在具有一定大氣密度和較高CO分壓的火星表面優先使用TSA 系統實現CO的收集與排放。

從一次性使用的LiOH，到可再生卻質量偏大的MetOx，再到輕便且可即時再生的RCA、TSA，從單一的CO處理功能到水蒸氣與CO同步處理，多種指標不斷提升的同時集成化設計水平也在提高。 艙外航天服CO清除能力是航天員進行艙外活動的主要約束條件之一，面向未來長期、系統的載人深空探測任務需要持續研究并開展試驗驗證。