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這項(xiàng)技術(shù),，助力航天員“太空漫步”,！

2022-09-07 10:51:47 來源：中國載人航天 A+A-

近日，神舟十四號航天員陳冬,、劉洋身著艙外航天服，在航天員蔡旭哲和地面人員的配合支持下,，圓滿完成約6小時(shí)的出艙活動,。艙外航天服是航天員出艙活動必需的支持裝備，針對空間站任務(wù)出艙活動需求，我國自主研制的新一代“飛天”艙外航天服已列裝服役,，為執(zhí)行出艙任務(wù)的航天員保駕護(hù)航,。我們知道，艙外航天服可以看作是一種特殊的載人航天器,，那么在長達(dá)數(shù)小時(shí)的出艙活動中,，航天員在艙外航天服的密閉環(huán)境中呼吸產(chǎn)生的二氧化碳（CO?）該如何處理呢？

航天員在艙外活動期間,，為了確保安全,、健康、高效地完成任務(wù),，必須使用便攜式生命保障系統(tǒng)（PLSS,，艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)）對航天員新陳代謝產(chǎn)生的CO?進(jìn)行連續(xù)清除，從而將其濃度控制在對人體無害的范圍內(nèi),。便攜式生命保障系統(tǒng)一般安裝在背包結(jié)構(gòu)內(nèi),，同時(shí)集成了包括供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化,、溫濕度控制等主要功能模塊的產(chǎn)品,，對CO?清除設(shè)備的體積、質(zhì)量,、能耗,、散熱、結(jié)構(gòu)等方面有許多要求,。CO?清除設(shè)備的選擇主要取決于出艙任務(wù)類型,、出艙時(shí)間、頻次及出艙環(huán)境,。

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背包式便攜式生命保障系統(tǒng)

基于氫氧化鋰（LiOH）的CO?清除技術(shù)

我國“飛天”艙外航天服采用非再生式的氫氧化鋰（LiOH）作為吸附劑進(jìn)行CO?清除。通過將LiOH壓制成藥餅,，使LiOH吸收罐在保證較高吸收效率的同時(shí)可極大降低航天員艙外活動時(shí)的呼吸阻力,，延長其艙外活動時(shí)間。

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航天員身著“飛天”艙外航天服開展艙外活動

基于LiOH的CO?清除技術(shù)發(fā)展至今已非常成熟,。雖然需要在每次完成出艙活動后需對其進(jìn)行更換和補(bǔ)充,，但對于一般短期出艙任務(wù)，其設(shè)備操作簡單,、功能可靠,，被用于絕大部分已有的艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)。

從20世紀(jì)60年代末的阿波羅系列登月服至今,，美國EMU艙外航天服和俄羅斯Orlan-M艙外航天服均采用了該項(xiàng)技術(shù),。但由于吸附劑不可再生且功能單一，且消耗性資源均需地面運(yùn)輸補(bǔ)給,，增加了保障性難度,。因此，面向未來長期,、頻繁的艙外活動和深空探測任務(wù),，需要應(yīng)用再生式的CO?清除技術(shù),。

基于金屬氧化物的CO?清除技術(shù)

研究和應(yīng)用再生式的CO?清除技術(shù),，是面向未來長期,、頻繁的艙外活動及深空探測任務(wù)的關(guān)鍵,。例如驗(yàn)證基于堿性金屬氧化物的CO?清除技術(shù),，一般采用氧化銀作為吸附劑,。在該反應(yīng)中CO?不會與金屬氧化物直接反應(yīng),，只有當(dāng)足夠的水蒸氣與氧化物反應(yīng)生成OH-時(shí),，才會發(fā)生反應(yīng),。最終CO?與氧化銀在低溫條件下反應(yīng)生成碳酸銀固體粉末,。清除裝置由金屬氧化物吸附罐和再生器兩部分組成。航天員在艙外活動結(jié)束,，返回空間站后,，可使用再生器對吸附劑進(jìn)行重復(fù)利用。

盡管金屬氧化物罐可重復(fù)利用,，但回收代價(jià)較大,。與LiOH吸收罐相比，無論是罐體本身還是回收裝置質(zhì)量都比較大,，出艙時(shí)間同樣受限于所攜帶吸附劑數(shù)量,，且回收過程耗能巨大。

快速循環(huán)胺技術(shù)

為此,，研究人員還在探尋一種更高性能,、再生式的技術(shù)——快速循環(huán)胺技術(shù)。快速循環(huán)胺技術(shù)以固態(tài)胺作為吸附劑,，利用固態(tài)胺吸附同時(shí)去除CO?與水蒸氣,。當(dāng)固態(tài)胺吸附飽和時(shí)，將其暴露向真空,，破壞碳酸氫鹽的化學(xué)鍵,，釋放出CO?,，從而完成再生,。

與金屬氧化物CO?去除系統(tǒng)相比,，其設(shè)備質(zhì)量和體積更低；吸附劑可即時(shí)再生,，無需在空間站安裝大型高能耗再生設(shè)備,，可極大降低發(fā)射成本與空間站能耗；使用時(shí)間無限制,，大大提升了艙外航天服續(xù)航時(shí)間,，為今后出艙任務(wù)規(guī)劃、出艙前吸氧排氮時(shí)間安排等提供了充足的時(shí)間保障,。

由于該系統(tǒng)設(shè)備的再生裝置必須集成于便攜式生保背包中,，對通風(fēng)凈化管路的設(shè)計(jì)提出了更高要求。該技術(shù)將應(yīng)用于NASA重返月球任務(wù)所使用的xEMU登月航天服,，也是未來我國實(shí)施載人登月任務(wù)的研究重點(diǎn),。

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