航天新征程|打造太空家園
(資料圖)
11月30日,神舟十五號航天員順利入駐中國空間站,與神舟十四號航天員“會師”太空。6名航天員同時在軌,創(chuàng)造了中國空間站訪客新紀錄,同時也對空間站的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)提出了更高的要求。本周,《面對面》專訪中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強。
航天員的“保護傘”
距離中國空間站約400公里的中國航天員中心,與空間站組合體1:1大小的地面伴飛艙里,環(huán)控生保團隊開始了一天的工作。模擬6名航天員的在軌活動,團隊需要對艙內(nèi)的氧氣、二氧化碳等參數(shù)進行實時監(jiān)測。
記者:為什么伴飛艙你們也要密切關注它們的數(shù)據(jù)變化?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:因為天上的這套系統(tǒng)運行時間長了之后,我們不知道它會發(fā)生什么樣的問題,在地面這套模擬系統(tǒng)的時候,我們會比天上提前一到兩天,程序要提前一到兩天。
記者:什么叫提前一到兩天?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:如果說明天要干的事情,我今天就給它干了。比如說像乘員輪換6個人的系統(tǒng),馬上要進6個人了,我會在提前一到兩天的時候,把地面的代謝模擬系統(tǒng)調(diào)成6個人的狀態(tài),我要看看我這個環(huán)境控制能力,在什么時間會達到最高點,在什么時間平衡濃度會有可能超限,會啟動非再生功能。
神舟十五號飛行任務是中國空間站建造階段的最后一棒,也是空間站應用與發(fā)展階段的第一棒。6名航天員同時在軌5天,驗證空間站系統(tǒng)航天員在軌輪換保障能力。
記者:能保障他們幾天,最大值?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:十天。
記者:這十天再往上還有可能嗎?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:有可能。工程上給我們提的要求最大是十天,其實從目前這個系統(tǒng)狀態(tài)來看,長期六個人也是有可能的。
記者:你說的長期是多久?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:十五年。我們不光在核心艙有,在問天艙還有一套再生生保系統(tǒng),這兩套系統(tǒng)是備份關系,核心艙壞了用問天艙的,如果兩套全壞,我還有一套非再生系統(tǒng)去保底。有這三套系統(tǒng)在天上,我們可以短時保證六個人十天,如果工程上有需要,六個人長期在軌,我們也可以通過工作模式去設計。
國際空間站20年的運行經(jīng)驗表明,環(huán)控生保系統(tǒng)在軌故障率高,平均每年22起。卞強和他的團隊也面臨著同樣的風險和挑戰(zhàn)。要攻克難關,更要杜絕隱患。為了保證安全,團隊工作人員不僅要在各階段全方位排查故障,還要經(jīng)過高強度、多批次試驗,讓隱患暴露出來,讓產(chǎn)品不帶任何隱患上天。
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:某一次任務發(fā)射之前,有一個產(chǎn)品到我們手里面,我們一個設計師發(fā)現(xiàn)在運行過程中就是有一個微小的噪聲。其實所有的指標都是正常的,它的噪聲水平也是正常的,但是從聽覺上我們感覺,這里面有一個不和諧的聲音。我們就果斷地把這個產(chǎn)品叫停了,最后拆解發(fā)現(xiàn)果真是在軸承上有一個細微的裂紋。
記者:如果沒發(fā)現(xiàn)會怎樣?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:沒發(fā)現(xiàn)帶上天,帶上天之后系統(tǒng)運行就會有安全性問題。本來我規(guī)劃運行兩年或者是三年,我沒有帶相應的備件的話在一年半它壞了,它的故障就有可能導致某一個系統(tǒng)的失效,可能這個任務就得提前結(jié)束,為了保證航天員安全,咱們可能就會提前返回。
在攻克15項關鍵技術(shù)和11個技術(shù)難點后,2020年3月底,再生式環(huán)控生保系統(tǒng)終于完成正樣飛天產(chǎn)品交付,實現(xiàn)了由“補給式”向“再生式”的重大跨越。
打造再生式環(huán)控生保系統(tǒng)
在以往的短期載人飛行任務中,航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶,即消耗式的非再生技術(shù),但如果在軌時長超過3個月,僅靠地面補給代價過于沉重。空間站任務啟動時,再生式環(huán)控生保被列為空間站重大關鍵技術(shù)之一,即運用物理化學的方法,對航天員產(chǎn)生的二氧化碳、水汽和尿等廢棄物進行回收利用,實現(xiàn)空間站大氣、水等物資的循環(huán)再生。
記者:再生生保就是把呼出的二氧化碳再變成氧氣,把廢水變成可以利用的純凈水,這個理論上你們認識到把它實現(xiàn),難不難?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:最底層的機理大家都知道,但是真真正正地要去實現(xiàn),把這個化學方程式在天上去實現(xiàn),它必須走完從理論到技術(shù),從技術(shù)到工程的過程,其實就是把一個小型的化工廠搬到了天上。
記者:核心艙應當說是寸土寸金,那一定是給你們有限的空間?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:整個工程研制之初,它已經(jīng)把地方給你分配好了,這個大概是1.5個立方,就這么大。
記者:就這么點地,要帶一個化工廠上去,怎么弄?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:通過高效的地面集成,系統(tǒng)集成技術(shù)。我們自己做了一套系統(tǒng),就是翻轉(zhuǎn)式維修的一套系統(tǒng),這套系統(tǒng)不僅正面可以裝設備,反面也可以裝設備。
記者:如果想再升級怎么辦呢?總不能說是在家拆了裝修重來?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:其實系統(tǒng)在設計之初的時候,我們就預留了一些可供升級的接口,包括安裝位置、供電接口、信息傳送接口,后續(xù)如果系統(tǒng)還有一些局部上升級的話,我們會通過備件更換的方式實現(xiàn)系統(tǒng)升級。
設計初期,再生式環(huán)控生保系統(tǒng)包括五個子系統(tǒng):電解制氧子系統(tǒng)、二氧化碳去除子系統(tǒng)、微量有害氣體去除子系統(tǒng)、尿處理子系統(tǒng)和水處理子系統(tǒng)。雖然原理簡單,但如何從技術(shù)到工程突破是一項世界性難題。其中,尿處理系統(tǒng)是讓卞強費神多的。
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:尿液當中雜質(zhì)很多,要想提取水,就必須對它進行預處理。預處理后的尿液是一種強酸強氧化性的東西,和它接觸的東西都必須耐酸,還要旋轉(zhuǎn)耐磨,這個難度比較大,尿處理系統(tǒng)里面用了一個軸承,就這一個軸承我們整整干了五六年。
記者:如果說這個問題不解決,那它帶來的影響又是什么?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:這個產(chǎn)品壽命就會非常短,有的甚至于幾百個小時它就壞了,如果說十幾天、二十天、幾十天就換一個東西的話,你回收回來水的代價還不如你更換這個產(chǎn)品的代價,那就得不償失了。
太空中的這套裝置沒有現(xiàn)成產(chǎn)品,國際上也沒有經(jīng)驗可以借鑒,團隊必須根據(jù)自身產(chǎn)品特點自主研發(fā)。由于經(jīng)不起技術(shù)上的反復,他們采取了多方案并行的方式,從中選擇成功率較大的方案繼續(xù)推進,直到產(chǎn)品滿足使用壽命要求。
空間站尿箱的設計容量為22升,尿液在衛(wèi)生區(qū)經(jīng)過預處理后,由航天員搬運轉(zhuǎn)移至尿處理系統(tǒng)。
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:我們有一套系統(tǒng),尿收滿了之后會自動提醒航天員這地方尿箱滿了,可以處理了。
記者:22升尿液收集起來了在尿箱里面,它能產(chǎn)生多少飲用水?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:這個效率應該是在83%左右。18公斤,22升的尿液進入這個水箱之后,它要進水處理系統(tǒng),水處理系統(tǒng)之后,最終的成品水都是裝在這個里面,尿的再生水和汗液的再生水是混著的。大概是一箱尿再生水和一箱汗再生水,混成一個軟水箱,搬到飲水機那塊供航天員日常生活使用,不光是喝。
記者:22升要處理完了,要處理成可食用的純凈水要花多久?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:尿處理系統(tǒng)對這個22升的尿液進行處理的話,大概需要12個小時左右,這只是中水,再用不到12個小時的時間,就會把它處理成純凈水。
讓太空家園更宜居
除了保障系統(tǒng)的功能性,環(huán)控生保團隊也會充分考慮航天員在軌生活的便利和舒適性。
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:我們盡量去讓航天員有一種家的感覺,設計的時候我們會盡量去參考我們家里面衛(wèi)生間使用的方式。
記者:我們在地球上是有重力的,你排出來是往下,但是在天上它會飛,你怎么把它給逮起來?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:我們做了一套引流系統(tǒng),大風量地去吸。
2021年6月17日,神舟十二號飛船發(fā)射升空,與2021年4月29日發(fā)射入軌的天和核心艙成功對接。航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波成為進駐中國空間站的第一批太空訪客。3個月的“太空出差”,他們首次在軌驗證再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的全部功能。
當航天員把地球的生活搬上了太空,環(huán)控生保團隊也把航天員的太空生活搬進了空間站地面伴飛艙。同時,在航天員支持中心監(jiān)控大廳,環(huán)控生保團隊也對神舟十二號飛行乘組及空間站組合體實施24小時不間斷跟蹤測控,并根據(jù)下行參數(shù)對系統(tǒng)作故障判斷和健康管理。
記者:你們作為生保系統(tǒng)的科研人員的話,最關注天上的哪一塊?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:其實我們更關注的是大小便處理這一塊。
記者:為什么?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:因為只要這個系統(tǒng)出現(xiàn)故障,留給我們的處理時間非常短。舉一個例子,如果電解制氧處理系統(tǒng)故障,整個空間站里面有一定的氧氣,它可以供航天員維持一段時間,這個時間可能會達到一天兩天或者兩天三天都有可能。但是大小便系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后,留給我們的處理時間非常短。
記者:為什么這么說?
中國航天員中心環(huán)控生保室主任卞強:人有三急。
記者:有堵的時候沒有?
航天員湯洪波:沒有完全堵上,但是就是那個管路內(nèi)的壓力會特別大,那個液體它就不容易在整個系統(tǒng)里面循環(huán)起來,大概20升左右的尿液要處理十七八個小時,二十個小時左右,要處理很長時間,地面監(jiān)測就發(fā)現(xiàn)這個處理時間超時了。
中國空間站成為宜居的“太空家園”,這背后,是當年那支平均年齡不到35歲的科研團隊,他們用10年的時間將他們的產(chǎn)品送上天。
如今,6名航天員在軌輪換進一步驗證了環(huán)控生保系統(tǒng)的保障能力,這群在航天員身后默默托舉他們飛天的人,用前后數(shù)十年的艱辛付出和24小時不間斷的日夜守護為他們一路保駕護航。然而,卞強和他的團隊目標不止于此。
在攻克再生式環(huán)控生保技術(shù)時,團隊也同步開展受控生態(tài)環(huán)控生保技術(shù)的積累和研究,即生物再生式技術(shù),通過植物光合作用和微生物分解作用,實現(xiàn)氧氣、水和食物的循環(huán)利用,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,為未來人類長期太空飛行,駐留月球、飛向火星的預先研究打開了新局面。
編輯:賽音畢力格關鍵詞: 中國空間站
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