再生生保系統(tǒng):保障航天員長期駐留空間站
北京時間2022年5月10日,伴隨著一聲“點火”,天舟四號貨運飛船搭乘長征七號遙五運載火箭飛向中國空間站,拉開了又一次中國載人航天飛行任務(wù)的序幕。
從神舟五號21小時的太空之旅,到神舟十三號航天員長達(dá)6個月的太空駐留,僅靠一次性地面補給已不能滿足任務(wù)需要。為航天員提供環(huán)境控制、生命保障和應(yīng)急保障等功能的空間站環(huán)控生保技術(shù),成為實現(xiàn)空間站在軌長期運行的關(guān)鍵。
對于保障航天員在軌生命安全的環(huán)控生??蒲腥藛T來說,安全是他們研制和運營產(chǎn)品的底線。在天和核心艙發(fā)射成功一周年之際,中國航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室舉行了一場別開生面的座談會。那些曾經(jīng)參與空間站任務(wù)再生式環(huán)控生保關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的科研人員,一起回顧當(dāng)初的奮斗時光,展望中國載人航天的美好未來。
“好比用沖刺的速度跑完一場馬拉松”
和熟悉的同事們再次面對面坐在一起,中國航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平感慨頗深。過去那些一起奮斗的時刻,滿滿當(dāng)當(dāng)充斥著他的記憶。忙碌,將時間無限拉長?;貞浧甬a(chǎn)品研發(fā)的那段日子,張勇平覺得“那時候的每一天都在全力奔跑”。
從論證設(shè)計到完成初樣產(chǎn)品設(shè)計,他們只用了3年。3年,環(huán)控生??蒲袌F隊以過硬的攻關(guān)能力,創(chuàng)造了環(huán)控生保技術(shù)發(fā)展的“中國速度”。
用環(huán)控生保室主任卞強的話說,“我們團隊的工作狀態(tài),好比用沖刺的速度跑完一場馬拉松”。
2020年初,新冠肺炎疫情來勢洶洶。環(huán)控生??蒲袌F隊接到通知,要在短期內(nèi)完成產(chǎn)品正樣交付任務(wù)。
那年春節(jié),許多人都是在辦公室里度過的。他們和家人急急忙忙吃頓年夜飯,又火速投入到工作中。
這是一場接力賽。
水處理子系統(tǒng)總裝集成負(fù)責(zé)人熊濤加入團隊后,經(jīng)過兩年歷練挑起大梁,擔(dān)任負(fù)責(zé)人。微量有害氣體去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人周國棟是個90后,25歲就成為最年輕的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平在正樣產(chǎn)品交付任務(wù)中連續(xù)工作了一個月。完成主體工作后,他因身體原因不得不暫停工作。隨后,剛?cè)肼殯]多久的白攀峰,在總體負(fù)責(zé)人楊潤澤的幫帶下,及時頂上空缺,完成后續(xù)任務(wù)。
研究員李英斌記得,在空間站任務(wù)啟動時,他們5個子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人集中到一起,封閉辦公十多天,沒日沒夜研究討論,終于按節(jié)點拿出了一套總體方案。
如今,看著航天員在中國空間站里自由呼吸、舒適生活,他們的心里滿是成就感和自豪感?;貞浧鹉嵌纹D難的日子,曾經(jīng)的技術(shù)負(fù)責(zé)人尹永利說:“那時我們只有一個信念,就是讓航天員在天上安全舒適地工作和生活。我們做到了!”
讓資源在太空“生生不息”
2020年5月5日,長征五號B運載火箭在文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功,拉開了中國空間站在軌建造階段飛行任務(wù)的序幕。
再生式環(huán)控生保是空間站關(guān)鍵技術(shù)之一。2005年,在國家863計劃支持下,環(huán)控生保室已經(jīng)開展了基礎(chǔ)研究等工作。2008年,再生式環(huán)控生保通過關(guān)鍵技術(shù)立項論證評審。
這十幾年來,環(huán)控生??蒲袌F隊?wèi){借著一股不服輸?shù)膭蓬^兒,艱難起步、論證研制,攻克了大容量電解等關(guān)鍵技術(shù)難點,為空間站建造打下了堅實基礎(chǔ)。
在以往的載人飛行任務(wù)中,環(huán)控生保使用的是非再生技術(shù),也就是航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶。隨著空間站任務(wù)一步步推進,航天員在太空駐留的時間越來越長,僅依靠地面攜帶已無法滿足要求,環(huán)控生保技術(shù)必須要從非再生走向再生。
再生式環(huán)控生保系統(tǒng),顧名思義,就是實現(xiàn)水等消耗性資源的循環(huán)利用,保障航天員在軌長期駐留。這個系統(tǒng)可以收集航天員揮發(fā)的水分、排放的尿液,還有呼出的二氧化碳,然后把這些收集到的水汽、水和二氧化碳還原成航天員可在軌利用的氧氣和水。
再生式環(huán)控生保系統(tǒng)包括電解制氧、飲水收集與處理、尿處理、二氧化碳以及微量有害氣體去除等子系統(tǒng)。其中,水氣分離是不少子系統(tǒng)研發(fā)過程中都要面對的共同難題。
“微重力條件下,水氣處于混合狀態(tài)?!彪娊庵蒲鯃F隊相關(guān)負(fù)責(zé)人解釋說,要在太空中進行電解制氧,將水電解成氧氣和氫氣后,還需要通過膜分離技術(shù)將氣體與液體分離。
合適的膜材料并不好找。電解制氧團隊一次次調(diào)研試驗,可研制出的膜材料重量和壽命仍不符合指標(biāo)要求。后來,他們通過請教行業(yè)內(nèi)資深專家,研究前沿論文,創(chuàng)新性地設(shè)計了新型膜結(jié)構(gòu)。研制過程中,他們一次次碰壁,又一次次突破難關(guān)。最終,研制出的膜材料,壽命比最初提升了10倍,重量也下降到了最初的1/4。
如今,在中國空間站天和核心艙內(nèi),由電解水產(chǎn)生的氧氣,解決了航天員呼吸問題,大大降低了物資補給成本。這只是再生生保技術(shù)在空間站的運用之一。
“一年來,我們研制的尿處理和冷凝水收集裝置成功轉(zhuǎn)化了2600多公斤的水,為兩艘貨運飛船節(jié)省了將近一半的上行重量?!弊酉到y(tǒng)負(fù)責(zé)人丁平自豪地說,“整個再生生保系統(tǒng)實現(xiàn)了氧氣資源100%再生,水資源80%再生。有了完整的再生系統(tǒng),發(fā)射重量大大減少,每年能節(jié)約上行物資6噸左右?!?/p>
天上運行每一秒,地面牽動無數(shù)心
4月29日,天和核心艙已在軌運行滿一年。這意味著,環(huán)控生保系統(tǒng)也運行了一周年。
一年,365天,8760小時,525600分鐘……屏幕上,代表著環(huán)控生保系統(tǒng)運行時間的數(shù)字不斷跳動著。每分每秒,都牽動著環(huán)控生保科研人員的心。
“國際空間站20年的運行經(jīng)驗表明,環(huán)控生保系統(tǒng)在軌故障率達(dá)到平均每年22起左右。”卞強介紹說,中國空間站環(huán)控生保系統(tǒng)也面臨著同樣的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。為了保證航天員安全,團隊工作人員在各階段全方位排查故障,還進行了高強度、多批次試驗,確保產(chǎn)品不帶任何隱患上天。
動態(tài)水氣分離器是尿處理子系統(tǒng)的核心部件。在進行正樣產(chǎn)品交付前,設(shè)計師鄧明君像往常一樣進行產(chǎn)品性能測試。電機通電運轉(zhuǎn)后,面板顯示一切正常。鄧明君并沒因此就放松警惕。突然,他發(fā)現(xiàn)電機運行噪聲似乎有點異常。
鄧明君將耳朵湊近電機仔細(xì)傾聽。經(jīng)歷了近千次試驗,他對電機發(fā)出的噪聲再熟悉不過。以往的電機噪聲平穩(wěn)而細(xì)膩,而這次的噪聲似乎有一絲“瑕疵”。他將手輕輕放在電機上,隱約感覺到了異常振動。
沒有猶豫,鄧明君果斷停止試驗。上報項目組領(lǐng)導(dǎo)決策后,他們將電機送回廠家進行拆解,成功排除了故障。
返修、再測試、再驗收。環(huán)控生保室的研究人員已經(jīng)習(xí)慣了排除一個個故障、解決一個個難題。
神舟十二號航天員湯洪波曾在環(huán)控生保室參與了一年研制工作。湯洪波說:“環(huán)控生保人是我們飛天時的生命守護者。在飛行的90多天時間里,操作最多、關(guān)注最多、維護最多的就是環(huán)控生保產(chǎn)品,通話最多的也是和環(huán)控生保專家們探討產(chǎn)品和技術(shù),有他們在,我們才可以安心飛行、放心工作和生活。”
雖然再生系統(tǒng)在空間站順利運行,但這個團隊的任務(wù)遠(yuǎn)沒結(jié)束。天上運行一天,地面就需要保障一天。
“從受領(lǐng)任務(wù)那天起,大家就揪著一顆心,或許要到再生系統(tǒng)進入空間站穩(wěn)定運行15年后,這顆懸著的心才能稍稍放下?!睆堄缕缴钣懈杏|地說。
如今,環(huán)控生保室不僅在再生式環(huán)控生保技術(shù)上取得突破,也在同步開展受控生態(tài)環(huán)控生保技術(shù)的積累和研究,并成功實施了“綠航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗。
“未來航天員駐留月球、飛向火星,我們的產(chǎn)品一定能為航天員提供更好的保障,太空家園一定會充滿生機活力?!闭劦轿磥淼沫h(huán)控生保,大家充滿期待,也充滿了信心。
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