載人航天器環(huán)境控制與生命保障技術(shù)研究

載人航天器環(huán)境控制與生命保障技術(shù)研究

環(huán)境檢測(cè)和生命存儲(chǔ)系統(tǒng)是任何駕駛員必要的系統(tǒng)。是區(qū)別航天器是否是載人航天器的顯著標(biāo)志,是航天技術(shù)從無(wú)人航天向載人航天發(fā)展必須首先要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。飛船環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的基本任務(wù)是在密封艙(飛船軌道艙、返回艙)內(nèi)為航天員創(chuàng)造一個(gè)基本的生活條件和適宜的工作環(huán)境:即對(duì)座艙大氣的環(huán)境(包括大氣的壓力、氣體成分、溫度和濕度等)實(shí)行人工調(diào)節(jié)控制;為航天員提供生命支持,即向航天員供氧、供水和供食;對(duì)艙內(nèi)航天員生理代謝等產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行收集和處理;為艙內(nèi)可能出現(xiàn)的火情實(shí)行探測(cè)和抑制。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)是飛船上十分重要又相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng),是直接關(guān)系到航天員身體健康和生命安全的系統(tǒng),也是關(guān)系到航天任務(wù)能否圓滿完成重要系統(tǒng)。本系統(tǒng)不僅與飛船系統(tǒng)及其各分系統(tǒng)有復(fù)雜的技術(shù)接口界面,還與航天員系統(tǒng)有著更加密切的聯(lián)系。在飛船正式執(zhí)行載人飛行前,環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)必須在不同的系統(tǒng)層次上進(jìn)行嚴(yán)格的試驗(yàn)驗(yàn)證,充分證明系統(tǒng)合格后,才能實(shí)行載人飛行。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)在載人航天中的重要作用和技術(shù)難度,受到了廣泛的重視和關(guān)注。載人航天器生命保障基本技術(shù),一般可分為非再生式、部分再生式和全再生式(或稱全閉式生物生態(tài)系統(tǒng))。美國(guó)從水星、雙子星座、阿波羅飛船到航天飛機(jī),俄羅斯(前蘇聯(lián))從東方號(hào)、上升號(hào)、聯(lián)盟號(hào)到當(dāng)今的聯(lián)盟-TMA飛船。雖然,兩國(guó)一代又一代飛船的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善,各自的系統(tǒng)技術(shù)和組成不完全相同,發(fā)揮了各自的技術(shù)專長(zhǎng)和技術(shù)優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)也各具特色。但其系統(tǒng)都采用了非再生式生命保障技術(shù)(即為航天員提供生命支持的物質(zhì),經(jīng)航天員消耗后不再再生利用)。美、俄等多個(gè)國(guó)家都早已開(kāi)展了部分再生和全再生式生命保障技術(shù)研究,但只有部分再生式技術(shù)在飛行時(shí)間較長(zhǎng)的空間站上使用,而全再生式技術(shù)目前仍還在研究中,未見(jiàn)空間應(yīng)用的報(bào)道。根據(jù)國(guó)家發(fā)展航天技術(shù)的總體規(guī)劃,作出了以飛船起步,在20世紀(jì)末或21世紀(jì)初突破載人航天技術(shù)的偉大決策。按飛船的總體方案和計(jì)劃要求,航天醫(yī)學(xué)工程研究所承擔(dān)了飛船環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的型號(hào)研制任務(wù)。飛船作為我國(guó)第一代載人航天器,不僅飛行周期短,而且航天員人數(shù)也不多。所以,也將采用非再生式環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)技術(shù)。本文將重點(diǎn)論述系統(tǒng)的主要技術(shù)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)保護(hù)的技術(shù)要求飛船環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)主要任務(wù)是1)確保返回艙和軌道艙內(nèi)具有合適的大氣總壓和氧分壓;2)提供航天員代謝所需的氧氣;3)排除航天員代謝產(chǎn)生的CO2,控制其他微量有害氣體的濃度在要求的范圍內(nèi);4)控制返回艙和軌道艙內(nèi)氣體的溫度、濕度,為航天員提供合適的溫濕度環(huán)境和艙內(nèi)通風(fēng)條件;5)為航天員提供飲水,實(shí)施供水、冷凝水管理和食品管理;6)收集和處理航天員生理代謝產(chǎn)生的廢物和艙內(nèi)其他廢棄物;7)具有煙火探測(cè)能力,并備有相應(yīng)的滅火措施;8)飛船發(fā)生壓力應(yīng)急時(shí),實(shí)施壓力應(yīng)急轉(zhuǎn)換,保障著航天服的航天員生命安全。技術(shù)要求技術(shù)要求主要來(lái)自飛船、航天員兩大系統(tǒng)及其相關(guān)系統(tǒng)的定性和定量的要求,主要有:1)航天員飛行人數(shù)及周期;2)分系統(tǒng)設(shè)備允許的重量、體積、能耗;3)艙內(nèi)及航天服內(nèi)大氣物理參數(shù)的控制要求;4)航天員的生理醫(yī)學(xué)參數(shù)(航天員不同狀態(tài)下的氧耗率、CO2排出率、產(chǎn)熱率、排濕率、以及飲水量、排尿量、一次大便量等);5)系統(tǒng)的安全性和可靠性要求;6)系統(tǒng)和部組件的環(huán)境試驗(yàn)要求、電磁兼容性要求;7)系統(tǒng)的邊界條件、限制因素和接口關(guān)系等。艙壓調(diào)節(jié)控制方案系統(tǒng)技術(shù)的確定原則載人航天工程是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程,不僅耗資大,且舉世矚目,成敗與否影響極大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遵循的主要原則如下:1)以確保航天員安全第一的原則,確定系統(tǒng)技術(shù)方案。對(duì)航天員生命安全直接相關(guān)的技術(shù)方案(例如,座艙總壓、氧分壓的調(diào)節(jié)控制等)必須確保萬(wàn)無(wú)一失;2)根據(jù)突破載人航天的目標(biāo)和計(jì)劃及載人飛船的總體方案,充分考慮我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,注重系統(tǒng)總體方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性和系統(tǒng)的整體技術(shù)水平,不片面追求單項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)性;3)充分利用航天醫(yī)學(xué)工程研究所環(huán)境控制和生命保障技術(shù)研究方面的技術(shù)成果和技術(shù)基礎(chǔ),盡可能多地采用已經(jīng)經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)考核或經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了的技術(shù),以提高系統(tǒng)可靠性,縮短研制周期,減少經(jīng)費(fèi)投入;4)盡可能多地借鑒和吸收利用國(guó)內(nèi)外的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)吸取和利用原航空、航天部的適用技術(shù),開(kāi)展與有關(guān)技術(shù)優(yōu)勢(shì)單位的合作。重點(diǎn)分析美國(guó)和俄羅斯等國(guó)載人航天的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),有重點(diǎn)、有針對(duì)性地引入必要的適用技術(shù)。以加快研制步伐,提高產(chǎn)品水平和質(zhì)量。根據(jù)環(huán)控生保系統(tǒng)的任務(wù)和技術(shù)要求,根據(jù)預(yù)先確定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,在對(duì)國(guó)內(nèi)外載人航天器環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)資料分析和消化吸收后,確定飛船環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)。在這里對(duì)系統(tǒng)的主要技術(shù)進(jìn)行論述。艙壓調(diào)節(jié)和供氣技術(shù)艙壓調(diào)節(jié)俄羅斯(前蘇聯(lián))從第一代載人航天器東方號(hào)開(kāi)始就采用一個(gè)大氣壓的氧氮混合座艙大氣。不僅人的適應(yīng)性好,而且著火的危險(xiǎn)性小,安全性好。美國(guó)的前三代載人航天器均采用了1/3大氣壓的純氧座艙大氣。雖然此方案構(gòu)成簡(jiǎn)單,較易實(shí)現(xiàn)。但安全性較差,曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)幾次火災(zāi)。因此,美國(guó)自航天飛機(jī)起也改用了一個(gè)大氣壓氧氮混合座艙大氣。我國(guó)第一代載人飛船—“神舟”號(hào)飛船,確定為最優(yōu)良的一個(gè)大氣壓氧氮混合座艙大氣,其中氧分壓略高于地面值。飛船在軌飛行時(shí),艙內(nèi)航天員的耗氧和艙體結(jié)構(gòu)泄漏損失,將使座艙的總壓和氧分壓下降,因此,必須由艙壓調(diào)節(jié)設(shè)備和氣源,根據(jù)需要向艙內(nèi)供氧/氮?dú)怏w,調(diào)節(jié)控制艙內(nèi)的總壓和氧分壓在要求范圍內(nèi)。根據(jù)預(yù)先方案性比較試驗(yàn)研究結(jié)果,以及飛船艙體的結(jié)構(gòu)泄漏量、航天員的耗氧量等,確定圖1所示艙壓的調(diào)節(jié)控制方案。由系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)處理設(shè)備,不斷地檢測(cè)艙內(nèi)的總壓和氧分壓值,經(jīng)過(guò)分析處理后,發(fā)出打開(kāi)供氧或供氮閥的信號(hào),向艙內(nèi)供氧或供氮?dú)?。?dāng)艙內(nèi)氧分壓低于控制帶下限值而總壓未低于下限值時(shí),只開(kāi)供氧閥供氧到氧分壓控制上限;當(dāng)艙內(nèi)總壓或總壓和氧分壓都低于控制帶下限值時(shí),必須先開(kāi)供氧閥向艙內(nèi)供氧,直到氧分壓達(dá)到控制帶上限,接著開(kāi)供氮閥供氮,直到艙總壓達(dá)到控制帶上限。保障艙內(nèi)總壓和氧分壓始終控制在要求范圍內(nèi)。因飛船座艙的結(jié)構(gòu)泄漏損失氣體量很小,所以供氮閥打開(kāi)的次數(shù)很少。這個(gè)方案,不僅在整個(gè)飛行過(guò)程中供氣閥總的開(kāi)啟次數(shù)較少,而且控制比較靈活,可根據(jù)飛行任務(wù)和飛行階段變化的要求調(diào)整總壓和氧分壓的控制帶,而不必更換或改動(dòng)設(shè)備。例如:對(duì)于實(shí)現(xiàn)載人航天后航天員的出艙活動(dòng)任務(wù),用本方案不動(dòng)任何硬件設(shè)備,就可很方便地調(diào)整總壓和氧分壓的控制帶,即提前一定時(shí)間將總壓控制帶降低到70kPa左右,氧分壓控制帶提高到30kPa左右,以縮短出艙活動(dòng)前的預(yù)吸氧時(shí)間,從3～4h減少到40min左右,就可有效地防止減壓病的發(fā)生。供氣技術(shù)根據(jù)飛船的飛行周期、航天員耗氧率、座艙泄漏率、座艙容積及其泄/復(fù)壓次數(shù)等確定系統(tǒng)必須攜帶的氣體量。在載人航天器環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)采用的供氣方法,有氧/氮?dú)獾母邏簹鈶B(tài)貯存和低溫超臨界貯存,以及產(chǎn)氧化合物(超氧化鉀、超氧化鈉等)的化學(xué)貯存。由于低溫超臨界貯存的貯存容器、供氣控制和貯量測(cè)量等方面有一定的技術(shù)難度;以及低溫超臨界貯存的供氣速率,受到超臨界貯存容器內(nèi)部加熱器功率的限制;產(chǎn)氧化合物化學(xué)貯存的供氣速率受到進(jìn)入超氧化合物罐內(nèi)氣體含水汽及CO2量的限制。為適應(yīng)在軌飛行中可能出現(xiàn)的壓力應(yīng)急供氣要求,在用這兩種方法作為主供氣方案的載人航天器上,都設(shè)有高壓氣態(tài)貯存的輔助氣源,以保障應(yīng)急情況下大流量供氣的需要。因此,確定在“神舟”飛船上直接采用壓力為21MPa的高壓氣態(tài)貯存氧氮?dú)庠垂夥桨?。座艙大氣溫濕度控制技術(shù)迄今為止的載人航天器,除美國(guó)最早的水星飛船外,都采用了泵壓式冷卻液循環(huán)的主動(dòng)溫控技術(shù)。根據(jù)“神舟”號(hào)飛船為三艙段的總體構(gòu)型,船上熱量的分布及變化情況,各艙段大氣環(huán)境及設(shè)備的溫控要求,采用內(nèi)外雙冷卻液循環(huán)回路組成的飛船主動(dòng)溫控方案(圖2)。這樣的雙冷卻液回路方案,不僅工作在密封艙的內(nèi)回路和在設(shè)備艙的外回路較易選到更加適配的冷卻液工質(zhì);而且全船的溫控調(diào)配能力強(qiáng);內(nèi)冷卻液回路的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)和外冷卻回路的熱控系統(tǒng)之間,系統(tǒng)與飛船總體之間的任務(wù)及分工界面較清楚明確;工程的實(shí)施操作性好。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng),根據(jù)艙內(nèi)的熱負(fù)荷(航天員產(chǎn)生的代謝熱,設(shè)備產(chǎn)生的廢熱),以及通過(guò)密封艙艙壁的漏熱,座艙大氣的溫濕度控制要求等,進(jìn)行內(nèi)回路的設(shè)計(jì)并與熱控系統(tǒng)的外回路確定界面(液/液)熱交換器內(nèi)外回路的接口參數(shù)。根據(jù)降溫除濕原理及艙內(nèi)熱濕量的大小和變化,確定氣/液冷凝熱交換器及內(nèi)回路冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。內(nèi)回路冷卻液(乙二醇水溶液)收集軌道艙、返回艙熱負(fù)荷,并進(jìn)行熱的定向傳輸。在界面熱交換器傳輸給外回路冷卻液,由外回路冷卻液帶到空間輻射散熱器排除,保障內(nèi)回路冷卻液為(7±2)℃進(jìn)入艙內(nèi)的氣/液冷凝熱交換器,降低流過(guò)冷凝熱交換器的氣體溫度,氣體降溫后形成的冷凝水被鑲嵌在氣流通道中的導(dǎo)水和吸水材料吸附分離,定期由航天員抽吸到冷凝水貯箱。根據(jù)艙內(nèi)的熱負(fù)荷變化和控溫要求,調(diào)節(jié)通過(guò)冷凝熱交換器的氣體流量。即使艙內(nèi)在低熱負(fù)荷下,也應(yīng)保持一定的氣體流量通過(guò)冷凝熱交換器以滿足除濕要求。艙內(nèi)部分熱載荷密度較大的設(shè)備,主要由冷卻液通過(guò)設(shè)備的冷板帶走。就這樣,環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)為航天員和艙內(nèi)設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)適宜的大氣溫濕度環(huán)境。二氧化碳和微量有害氣體排除技術(shù)航天員生理代謝產(chǎn)生CO2和其他微量有害氣體,艙內(nèi)使用名目繁多的非金屬材料也會(huì)不斷放出各種微量有害氣體,在座艙密閉小環(huán)境里累積,影響航天員的身體健康乃至生命的安全。所以,必須進(jìn)行艙內(nèi)有害氣體的排除,嚴(yán)格將這些有害氣體的濃度控制在醫(yī)學(xué)生理允許范圍內(nèi)。目前在載人航天器上使用的排除方法:主要是用氫氧化鋰或超氧化物(超氧化鉀或超氧化鈉等)非再生方法排除CO2,用活性炭吸附和催化氧化等方法排除其他微量有害氣體。超氧化物在排除CO2的同時(shí)還放出氧供航天員呼吸,同時(shí)還能凈化艙內(nèi)部分其他微量有害氣體。但還要用LiOH輔助排除部分CO2,使得CO2排除和產(chǎn)氧的比與人的呼吸商相匹配。航天醫(yī)學(xué)工程研究所以前對(duì)用LiOH排除CO2的技術(shù)研究比較充分,顆粒狀無(wú)水LiOH制備工藝比較成熟。所以,十分明確地選用LiOH排除CO2的方案。廢物收集處理技術(shù)在航天中,艙內(nèi)的廢物主要來(lái)自航天員生理代謝產(chǎn)生的廢物(尿液、糞便)和日常生活和工作中形成的廢棄物(用過(guò)的衛(wèi)生紙巾、剩余的食物、食品包裝和殘?jiān)I吐物等)。航天特殊的微重力因素和密閉又狹小的座艙環(huán)境,使得諸如大小便、個(gè)人衛(wèi)生處理等,在地面上十分容易做的事情變得相當(dāng)困難和復(fù)雜。不僅涉及到微重力條件下氣液分離的技術(shù)難點(diǎn),還要考慮微重力條件下,與人體直接接觸的大小便收集裝置的人-機(jī)界面協(xié)配問(wèn)題,以及心理學(xué)和衛(wèi)生學(xué)上的可接受性問(wèn)題。在這里重點(diǎn)論述大小便收集和處理技術(shù):在載人航天器上廢物收集處理有手動(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)3種方式。手動(dòng)接觸式袋子收集法:將袋子直接套或粘貼在收集部位進(jìn)行收集,收集完后手動(dòng)將袋子作簡(jiǎn)單的殺菌等處理后放入廢物箱內(nèi)。這樣的方法,很顯然技術(shù)較簡(jiǎn)單,但舒適性和衛(wèi)生性較差,航天員有心理負(fù)擔(dān),不樂(lè)意接受,美國(guó)的早期載人航天器使用了這種方法;全自動(dòng)方式在進(jìn)行大小便收集時(shí),不用手直接參與就可完成大小便收集過(guò)程,整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜,也有一定的技術(shù)難度,且有較大容積和能耗要求。美國(guó)航天飛機(jī)用這種方法。盡管開(kāi)始使用時(shí)曾經(jīng)發(fā)生過(guò)這樣或那樣不盡人意的問(wèn)題,經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)后才滿足使用要求。在經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析比較后,根據(jù)總體要求并從我國(guó)的實(shí)際出發(fā),決定在“神舟”號(hào)飛船上采用半自動(dòng)的廢物收集方式(圖3)。在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流的作用下實(shí)現(xiàn)微重力下大小便的傳輸和收集。大便后手動(dòng)將大便袋從桶中取出放入廢物箱中,尿液自動(dòng)隨氣流進(jìn)入尿貯箱,用裝填在箱內(nèi)的高效吸水材料靜態(tài)吸附,實(shí)現(xiàn)微重力下的氣/液(尿)分離,經(jīng)過(guò)過(guò)濾除臭殺菌后衛(wèi)生清潔的氣體還回到艙內(nèi)。座艙壓力應(yīng)急安全保障技術(shù)在載人航天中,可能有以下偶然原因引起座艙突然失壓:艙壁被空間碎片或微流星擊穿大量的國(guó)內(nèi)外資料報(bào)道了航天器飛行的軌道空間存在著大量的大小不等的碎片(亦稱空間垃圾)及微流星,對(duì)載人航天器的飛行安全造成嚴(yán)重威脅。盡管到目前為止還未發(fā)現(xiàn)座艙被空間碎片直接打穿的事故,但已經(jīng)有多起載人航天器被碎片擊中而出現(xiàn)裂縫或凹坑。目前軌道上的碎片還在不斷增多,將會(huì)使這個(gè)問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。艙壁本身發(fā)生失密裝在飛船密封艙壁上的各種閥門(mén)(例如,排氣泄壓閥、壓力平衡閥、安全閥等),由于閥門(mén)本身可能存在不可測(cè)故障隱患,或者閥門(mén)遭受意外的、過(guò)度的機(jī)電力干擾,使得閥門(mén)不該開(kāi)的時(shí)候打開(kāi)了,該關(guān)的時(shí)候關(guān)不上,引起座艙發(fā)生快速泄壓(俄羅斯聯(lián)盟11號(hào)飛船返回時(shí)發(fā)生的3名航天員遇難事件,就是這個(gè)原因);飛船在發(fā)射上升和返回過(guò)程中,以及將來(lái)在軌道上進(jìn)行交會(huì)對(duì)接和分離解鎖等,產(chǎn)生過(guò)大的甚至預(yù)想不到的動(dòng)載荷,也易引起艙壁的密封結(jié)構(gòu)受到損壞,引起座艙泄壓。人為座艙泄壓當(dāng)飛船座艙內(nèi)大氣被嚴(yán)重污染或發(fā)生火災(zāi)時(shí),需要人為地進(jìn)行座艙泄壓,以消除污染或滅火。在載人航天中座艙發(fā)生失壓,是對(duì)航天員生命安全最具威脅性的事件。所以,各國(guó)在初期的載人航天器上除了精心設(shè)計(jì)座艙環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)外,無(wú)一例外地設(shè)計(jì)了一個(gè)航天服循環(huán)系統(tǒng),它作為座艙環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的備份,在座艙一旦發(fā)生失壓時(shí),保障穿著航天服的航天員能待在失壓后的座艙內(nèi),免受低壓、缺氧的威脅,保障生命安全,等待時(shí)機(jī)返回地面。在艙內(nèi)設(shè)置一個(gè)具有獨(dú)立生命保障功能閉式航天服循環(huán)系統(tǒng)(或稱小循環(huán)系統(tǒng)),由小循環(huán)系統(tǒng)維持航天服內(nèi)氣體的壓力、溫度、濕度、CO2和其他微量有害物的濃度在要求范圍內(nèi),似乎是個(gè)十分理想的方案。但這個(gè)小循環(huán)系統(tǒng)較復(fù)雜,設(shè)備較多,需要較大的重量、容積和能耗付出。對(duì)座艙容積較小,裝船設(shè)備較多的“神舟”號(hào)飛船來(lái)說(shuō),如果采用這樣的系統(tǒng),對(duì)本來(lái)已十分擁擠的返回艙,設(shè)備安裝的困難就更加突出,飛船總體也難于接受。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外相關(guān)技術(shù)資料的認(rèn)真分析,根據(jù)飛船總體壓力應(yīng)急飛行時(shí)間不超過(guò)6h的要求,并參考了航天員系統(tǒng)的壓力應(yīng)急航天員安全保障要求的試驗(yàn)研究結(jié)果后,確定了壓力應(yīng)急開(kāi)放式供氧的航天服循環(huán)系統(tǒng)方案(圖4)。該系統(tǒng)由航天服通風(fēng)及壓力應(yīng)急供氧2部分組成。在飛船上升、返回、軌道交會(huì)對(duì)接等失壓的危險(xiǎn)性較大階段,航天員穿航天服并閉合呈開(kāi)式通風(fēng)狀態(tài)。由風(fēng)機(jī)抽座艙內(nèi)氣體送入服裝,實(shí)施航天員的全身通風(fēng),氣體經(jīng)服裝上的壓力調(diào)節(jié)器活門(mén)排出。在這些階段,當(dāng)座艙突然發(fā)生失密泄壓時(shí),航天服可立即轉(zhuǎn)入開(kāi)放式供氧狀態(tài)(切斷通風(fēng)回路,向航天服內(nèi)實(shí)施連續(xù)中等流量供氧),維持服裝壓力,保障航天員的呼吸供氧和頭頸部的通風(fēng)散熱。在軌飛行期間,航天員一般是不穿航天服的。在這期間如果發(fā)生座艙被空間的碎片擊穿而失壓,航天員及時(shí)穿好航天服,直接轉(zhuǎn)入航天服供氧狀態(tài)。這樣的系統(tǒng)不僅可滿足座艙突然失壓時(shí)航天員安全保障要求,且占據(jù)返回艙的容積小,解決了返回艙設(shè)備布局難題。但本方案在壓力應(yīng)急時(shí)僅實(shí)施航天員頭頸部的局部通風(fēng),當(dāng)壓力應(yīng)急的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),航天員舒適水平?jīng)]有閉式循環(huán)系統(tǒng)好?；鸢踩Ｕ霞夹g(shù)在飛船座艙內(nèi),由于存在著名目繁多用作絕緣、隔/絕熱、密封、裝飾等的橡膠、塑料、膠料、化學(xué)纖維、紡織品和紙張,以及航天服、航天食品、和其它個(gè)人生活用品等易燃材料;有供航天員呼吸的氧氣或化學(xué)產(chǎn)氧物;電器系統(tǒng)和設(shè)備可能出現(xiàn)過(guò)載、過(guò)流、接觸不良、短路或其它原因引起局部高溫、超熱等形成點(diǎn)火源,具有著火的3要素。因此,從整體上講,飛船密封艙內(nèi)存在著著火的可能性和危險(xiǎn)性。在飛船座艙內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi),如果不能采取及時(shí)有效的抑制措施,就可能會(huì)引起嚴(yán)重惡果。所以,環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)必須具有火情探測(cè)、滅火以及火后處理等功能,以保障航天員工作和生活的座艙環(huán)境的火安全。火情的探測(cè)是防止火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展和蔓延,及時(shí)采取火的抑制或滅火措施的基礎(chǔ)和前提。在載人航天器上及時(shí)、正確探測(cè)火情,是將火遏制在萌發(fā)狀態(tài),保障載人航天器上“有火不成災(zāi)”火安全的首要條件及技術(shù)關(guān)鍵?；鹎樘綔y(cè)應(yīng)在火災(zāi)發(fā)生前敏感火災(zāi)即將來(lái)臨的異?，F(xiàn)象,并迅速作出反應(yīng),以不同的形式發(fā)出報(bào)警信號(hào),以便采取自動(dòng)或手動(dòng)的火的抑制和滅火措施,免受或少受火災(zāi)的危害。所以,火災(zāi)探測(cè)器要具有足夠高的靈敏度,對(duì)火情快速正確的響應(yīng)能力。與地面上一樣,座艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)也要產(chǎn)生表征火災(zāi)特征的煙、熱、光和氣體等信號(hào)?；馂?zāi)的探測(cè)就是對(duì)這些信號(hào)的探測(cè)。由于在航天的微重力條件下,火情發(fā)生、發(fā)展和傳播蔓延的特殊性、隨機(jī)性和復(fù)雜性,給火災(zāi)探測(cè)器的種類選擇、艙內(nèi)布置、報(bào)警閾值等的合理確定帶來(lái)較大困難。所以,作為我國(guó)初期的載人航天器—“神舟”號(hào)飛船,必須采用航天員探測(cè)和探測(cè)器探測(cè)相結(jié)合的方法。人的感覺(jué)器官是十分敏捷的,其靈敏程度是探測(cè)器無(wú)法比擬的,尤其是在航天器特殊環(huán)境條件下,航天員對(duì)艙內(nèi)火情保持高度警戒,是最為可靠而有效的火災(zāi)探測(cè)方法。根據(jù)飛船艙內(nèi)可能出現(xiàn)火情的特點(diǎn),多數(shù)為局部超熱和/或冒煙陰燃,確定用靈敏度較高的離子感煙探測(cè)器,和可靠穩(wěn)定性較好的差定溫探測(cè)器進(jìn)行火情的探測(cè)。載人航天的特殊環(huán)境和條件,也使滅火問(wèn)題變得相當(dāng)困難和復(fù)雜。飛船座艙空間狹小,各種機(jī)電設(shè)備層疊密布,航天員的操作活動(dòng)空間小,通暢性又差。根據(jù)飛船總體的“局部火災(zāi)”的滅火要求,和艙內(nèi)火災(zāi)可能性的分析;對(duì)國(guó)外載人航天器滅火技術(shù)和國(guó)內(nèi)民用滅火技術(shù)的分析研究后,選擇確定飛船的滅火方案:對(duì)發(fā)現(xiàn)及時(shí)的初起小火,盡可能選用機(jī)械物理辦法滅火,以減少火災(zāi)的影響。例如:用濕毛巾裹纏在著火部位,降溫隔氧,將初起火遏制撲滅;火已經(jīng)燃起或用前述方法不容易撲滅的火,采用哈龍1211滅火劑的便攜式滅火器滅火。對(duì)艙內(nèi)火災(zāi)部位較難預(yù)測(cè)和隨機(jī)不穩(wěn)定的特點(diǎn),航天員可主動(dòng)、靈活地用便攜式滅火器迅速將火撲滅。哈龍1211滅火劑具有滅火速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。著火時(shí)燃燒產(chǎn)物和滅火劑的分解物,會(huì)迅速產(chǎn)生有毒有害物質(zhì),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成航天員中毒甚至窒息死亡。因此,為適應(yīng)各種火情的需要,保障航天員的健康與安全,在飛船上設(shè)置局部防護(hù)型(防護(hù)面具)或全身防護(hù)型(即航天服)兩種防護(hù)裝備,航天員在滅火時(shí)戴防護(hù)面具,滅火后根據(jù)火災(zāi)的大小決定是否需要穿航天服進(jìn)行全身防護(hù)。對(duì)局部性小火產(chǎn)生的大氣污染,一般可利用座艙環(huán)境控制系統(tǒng)的氣體凈化設(shè)備,進(jìn)行污染物的排除。較大火災(zāi)引起嚴(yán)重污染時(shí),要采用座艙泄壓排除污染。系統(tǒng)可靠性技術(shù)根據(jù)環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)的在飛船上的重要作用,必須充分注重系統(tǒng)的可靠性技術(shù)設(shè)計(jì)。環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng),技術(shù)復(fù)雜,涉及的專業(yè)門(mén)類多;系統(tǒng)的工作時(shí)間長(zhǎng),是船上工作時(shí)間最長(zhǎng)的系統(tǒng)之一(從臨發(fā)射前航天員進(jìn)艙開(kāi)始,一直要工作到飛船返回地面航天員離開(kāi)座艙為止);系統(tǒng)的設(shè)備全船分布,在不同的環(huán)境(冷、熱、真空、輻射、微重力、超重等)下都要可靠工作;系統(tǒng)除與飛船系統(tǒng)外還與航天員系統(tǒng)有非常密切而復(fù)雜的界面關(guān)系。這些,對(duì)一個(gè)全新的環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)的可靠性保障顯得格外的重要和技術(shù)的難度。在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中著重強(qiáng)調(diào):1)用系統(tǒng)分析的工具反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,找出系統(tǒng)可靠性保障的重點(diǎn)和難點(diǎn),確定系統(tǒng)安全可靠性保障的關(guān)鍵件、重要件,實(shí)施特殊的設(shè)計(jì)步驟和措施,保障系統(tǒng)的可靠性;2)將航天員、環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)、飛船座艙作為整體,應(yīng)用航天醫(yī)學(xué)工程研究所多年研究并倡導(dǎo)的人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)工程理論,進(jìn)行合理的系統(tǒng)人(航天員)-機(jī)(環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng))界面設(shè)計(jì)和功能分配,人-環(huán)(環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)創(chuàng)造的環(huán)境)間的適配調(diào)控分析,使環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)具有更好的適人性,航天員具有更高的工作效率,使系統(tǒng)具有更好的可靠性安全性;3)在系統(tǒng)的不同層次上采取必要的冷/熱冗余技術(shù),保證系統(tǒng)的可靠性。在滿足系統(tǒng)功能要求的前提下,系統(tǒng)設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)單是獲得系統(tǒng)高可靠的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上采取冗余