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6個月的太空駐留，僅靠一次性地面補給已不能滿足任務需要。為航天員提供環(huán)境控制、生命保障和應急保障等功能的空間站環(huán)控生保技術，成為實現(xiàn)空間站在軌長期運行的關鍵。

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)參與空間站任務再生式環(huán)控生保關鍵技術攻關的科研人員，一起回顧當初的奮斗時光，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，中國航天員科研訓練中心環(huán)控生保室二氧化碳去除子系統(tǒng)負責人張勇平感慨頗深。過去那些一起奮斗的時刻，滿滿當當充斥著他的記憶。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”。

從論證設計到完成初樣產(chǎn)品設計，他們只用了3年。3年，環(huán)控生?？蒲袌F隊以過硬的攻關能力，創(chuàng)造了環(huán)控生保技術發(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。

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)總裝集成負責人熊濤加入團隊后，經(jīng)過兩年歷練挑起大梁，擔任負責人。微量有害氣體去除子系統(tǒng)負責人周國棟是個90后，25歲就成為最年輕的子系統(tǒng)負責人。二氧化碳去除子系統(tǒng)負責人張勇平在正樣產(chǎn)品交付任務中連續(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，在總體負責人楊潤澤的幫帶下，及時頂上空缺，完成后續(xù)任務。

研究員李英斌記得，在空間站任務啟動時，他們5個子系統(tǒng)負責人集中到一起，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。回憶起那段艱難的日子，曾經(jīng)的技術負責人尹永利說：“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的序幕。

再生式環(huán)控生保是空間站關鍵技術之一。2005年，在國家863計劃支持下，環(huán)控生保室已經(jīng)開展了基礎研究等工作。2008年，再生式環(huán)控生保通過關鍵技術立項論證評審。

這十幾年來，環(huán)控生?？蒲袌F隊憑借著一股不服輸?shù)膭蓬^兒，艱難起步、論證研制，攻克了大容量電解等關鍵技術難點，為空間站建造打下了堅實基礎。

在以往的載人飛行任務中，環(huán)控生保使用的是非再生技術，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)。”電解制氧團隊相關負責人解釋說，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)新性地設計了新型膜結構。研制過程中，他們一次次碰壁，又一次次突破難關。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。”子系統(tǒng)負責人丁平自豪地說，“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。”

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?？蒲腥藛T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。上報項目組領導決策后，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，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，但這個團隊的任務遠沒結束。天上運行一天，地面就需要保障一天。

“從受領任務那天起，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。”張勇平深有感觸地說。

如今，環(huán)控生保室不僅在再生式環(huán)控生保技術上取得突破，也在同步開展受控生態(tài)環(huán)控生保技術的積累和研究，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。”談到未來的環(huán)控生保，大家充滿期待，也充滿了信心。

上圖：科研人員正在進行產(chǎn)品測試。孫　偉攝