熊 濤

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

1 前言

我國(guó)載人飛船的成功發(fā)射為建造空間實(shí)驗(yàn)室等后續(xù)任務(wù)奠定了重要基礎(chǔ)。隨著每次載人航天飛行任務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)，載人航天器艙室污染控制問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注。航天器在地面總裝及軌道飛行時(shí)可能會(huì)引起艙內(nèi)污染物的產(chǎn)生及積累?？傃b過(guò)程可以提供清潔的環(huán)境，而在太空飛行中只能通過(guò)航天器上的主動(dòng)污染凈化設(shè)備控制艙內(nèi)的污染物濃度，如不能即時(shí)清除污染物，顆粒懸浮物會(huì)在太空失重環(huán)境下漂浮于艙室，引起設(shè)備工作性能下降；有害氣體則直接影響到航天員的生命安全。發(fā)展載人航天器總裝過(guò)程環(huán)境污染物控制技術(shù)，不僅是保障各種先進(jìn)裝備正常工作的前提條件，也是保證航天員生存的有力手段。

2 載人航天器艙內(nèi)環(huán)境污染研究概述

2.1 國(guó)外研究概述

美國(guó)、俄羅斯等國(guó)一直非常注重載人航天器艙內(nèi)污染控制問(wèn)題，提出通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)航天器的污染物濃度變化，應(yīng)用各種被動(dòng)和主動(dòng)污染物控制方法對(duì)其加以限制及改善，并制定了詳細(xì)的載人航天器艙室最大容許濃度標(biāo)準(zhǔn)[1]。據(jù)調(diào)查，美國(guó)“水星號(hào)”飛船座艙氣體中已確定的污染物有46種，“天空實(shí)驗(yàn)室”中氣樣分析出300多種化合物，“阿波羅號(hào)”飛船非金屬材料散發(fā)的污染氣體也多達(dá)300多種；航天飛機(jī)前5次飛行中采集的氣樣共測(cè)出152種微量污染氣體。俄羅斯“和平號(hào)”空間站密閉艙氣體中的污染物約 300種。所以，必須通過(guò)被動(dòng)和主動(dòng)方法控制這些污染產(chǎn)生源以及其污染物濃度，以確保艙室氣體潔凈。

被動(dòng)控制是根據(jù)建立的材料釋放氣體準(zhǔn)則，通過(guò)限制使用材料、設(shè)計(jì)安裝和試驗(yàn)程序，最大限度地降低微量化學(xué)污染物釋放量。但是，不管如何選擇材料，都不能完全消除材料釋放的微量有害氣體，而且總裝技術(shù)人員和在軌航天員也會(huì)不斷地帶來(lái)及產(chǎn)生各種污染物，所以需要用主動(dòng)控制污染的方法來(lái)確保艙室氣體的清潔。

國(guó)外許多學(xué)者曾詳細(xì)地研究了人體產(chǎn)生的各種污染物，主要包括呼出的空氣、腸胃排氣和汗液等。過(guò)去微量化學(xué)污染負(fù)荷使用了非常有限的人體代謝污染源信息，主要是P. Webb和R. A. Dora的研究成果[1]，對(duì)飛行器污染控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定作用。后來(lái)，M. A. Golub和T. Wydeven提出艙內(nèi)污染源研究數(shù)據(jù)[2]，全面考慮了Leban、Wagner、M. T.Dmitriyev、A. G. Malysheva和Y. G. Rastyannikov關(guān)于人體代謝產(chǎn)生污染方面的近期研究成果[3]。美國(guó)國(guó)家毒理學(xué)研究委員會(huì)（US National Research Council’s Committee on Toxicology）于 20 世紀(jì) 70 年代主持了人體代謝產(chǎn)生污染方面的研究，研究成果主要為中長(zhǎng)期載人航天任務(wù)提供微量污染物最大容許濃度數(shù)據(jù)，即按要求凈化污染，滿足航天員的舒適性和安全性要求。美國(guó)、俄羅斯和歐空局的研究成果已作為國(guó)際空間站人體代謝污染設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

載人航天發(fā)展與眾多學(xué)科的結(jié)合促進(jìn)了航天毒理學(xué)的形成和發(fā)展。我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的研究工作起步較晚，但在密閉環(huán)境污染源研究、非金屬材料毒理衛(wèi)生學(xué)評(píng)價(jià)、各種艙室有害氣體容許濃度標(biāo)準(zhǔn)制訂和檢測(cè)方法等方面做了許多工作，取得了很大的進(jìn)步和成績(jī)，但就整體水平、規(guī)模和隊(duì)伍來(lái)看，與科技發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有差距。目前，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心、中國(guó)空間技術(shù)研究院、北京航空航天大學(xué)都在載人航天器污染物監(jiān)測(cè)與控制方面取得了許多研究成果，一些污染物監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)直接應(yīng)用于“神舟”系列載人飛船[4]。

在航天器非金屬材料釋放有機(jī)污染物方面，有關(guān)單位主要針對(duì)載人航天器用非金屬材料在真空環(huán)境下出氣物成分及污染分析，確定出氣物的基本成分對(duì)污染物控制與防護(hù)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。但只能滿足真空時(shí)材料脫氣，尚不能滿足載人航天器艙內(nèi)非金屬材料釋放微量污染物研究的需要。

此外，有關(guān)單位還以我國(guó)將要發(fā)展的空間實(shí)驗(yàn)室和空間站為研究對(duì)象，在國(guó)內(nèi)首次針對(duì)中長(zhǎng)期載人航天器艙室微量污染控制開(kāi)展了較為深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作，重點(diǎn)分析了艙室污染源及污染機(jī)理，包括：艙內(nèi)微量污染物來(lái)源、種類(lèi)和特性；艙室氣體中存在的污染物種類(lèi)，微量污染氣體濃度、毒性、分布狀況；有害氣體綜合毒性對(duì)人體和設(shè)備的影響；初步確定主要艙室優(yōu)先凈化的微量污染種類(lèi)及可能的最大容許濃度。

3 載人航天器艙內(nèi)環(huán)境地面控制技術(shù)研究主要內(nèi)容

載人航天器總裝過(guò)程艙內(nèi)污染環(huán)境控制技術(shù)的研究?jī)?nèi)容主要包括污染源分析、污染物采樣分析技術(shù)和污染物控制技術(shù)等幾個(gè)方面（圖1）。

圖1 研究?jī)?nèi)容分解圖Fig. 1 The flowchart of research contents

3.1 艙內(nèi)污染源分析

污染物控制必須從源頭開(kāi)始，有必要詳細(xì)分析載人航天器在總裝過(guò)程中可能的污染源，為篩選優(yōu)先凈化污染物、檢測(cè)分析和控制提供依據(jù)。

總裝過(guò)程中可能存在的污染源有總裝人員新陳代謝污染、非金屬材料釋放的氣體污染和總裝過(guò)程中安裝操作造成的污染等。

3.2 艙內(nèi)污染物采樣分析技術(shù)

根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)控污染物篩選結(jié)果對(duì)總裝過(guò)程中艙內(nèi)污染物進(jìn)行采樣分析，確定污染物濃度時(shí)空分布規(guī)律，是一切后續(xù)工作的研究基礎(chǔ)。

由于污染物包括微量有害氣體、微小多余物和顆粒懸浮物等不同種類(lèi)，將涉及到不同的采樣分析方法，主要包括污染物采樣空間布點(diǎn)方法、微小顆粒懸浮物采樣分析方法和微量有害氣體采樣分析方法[5]。

3.3 艙內(nèi)污染物控制技術(shù)研究

以艙內(nèi)污染源、優(yōu)先控制污染物及其最大容許濃度等研究成果為依據(jù)，從污染源入手，以優(yōu)先控制污染物為對(duì)象，污染物最大容許濃度為控制目標(biāo)，開(kāi)展載人航天器總裝過(guò)程艙內(nèi)污染物控制技術(shù)研究。這項(xiàng)研究涉及多個(gè)子項(xiàng)，子項(xiàng)之間關(guān)系緊密、相輔相成、互為補(bǔ)充。研究工作將包括基礎(chǔ)研究、實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用技術(shù)幾個(gè)方面（圖2）。其中：基礎(chǔ)研究由載人航天器總裝過(guò)程艙內(nèi)污染源分析、重點(diǎn)監(jiān)控優(yōu)先控制污染物篩選、優(yōu)先控制污染物最大容許濃度等部分組成，主要針對(duì)污染源和污染物開(kāi)展研究工作；實(shí)驗(yàn)研究包括污染物采樣分析、非金屬材料脫氣研究、部分污染控制技術(shù)等，主要針對(duì)污染散發(fā)和采樣分析開(kāi)展研究工作；應(yīng)用技術(shù)包括通風(fēng)氣流組織分配優(yōu)化、局部通風(fēng)換氣技術(shù)、局部吸塵技術(shù)，面向污染控制技術(shù)的應(yīng)用。重點(diǎn)是載人航天器艙內(nèi)非金屬材料脫氣研究、局部通風(fēng)換氣技術(shù)研究和局部吸塵技術(shù)研究。

圖2 研究?jī)?nèi)容之間的相互關(guān)系Fig. 2 Relationships between research contents

4 我國(guó)載人飛船總裝期間艙內(nèi)環(huán)境存在的主要問(wèn)題

4.1 濕度問(wèn)題

“神舟五號(hào)”飛船在總裝期間曾發(fā)生正樣吸濕材料提前吸濕的現(xiàn)象，吸濕材料中的水流到艙內(nèi)，對(duì)飛船內(nèi)部設(shè)備造成了污染，同時(shí)吸濕材料全部失效；“神舟五號(hào)”飛船在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)抽真空時(shí)從艙內(nèi)抽出了水，原因是艙內(nèi)空氣濕度太大，水蒸氣含量過(guò)高。這些都是由于在長(zhǎng)達(dá)一年的總裝過(guò)程中，人員進(jìn)艙操作造成的。

4.2 溫度問(wèn)題

載人航天器總裝過(guò)程中，艙內(nèi)溫度會(huì)達(dá)到25 ℃以上；在載人航天器進(jìn)行電性能測(cè)試時(shí)，艙內(nèi)溫度最高可接近30 ℃；這樣的艙內(nèi)溫度給總裝工人進(jìn)艙操作和技術(shù)人員進(jìn)艙測(cè)試以及航天員進(jìn)艙與進(jìn)行人-艙合練都帶來(lái)很大的不適。

4.3 空氣質(zhì)量問(wèn)題

由于載人航天器艙內(nèi)基本處于密封狀態(tài)，空氣不流通，使非金屬材料揮發(fā)出的污染氣體聚集在艙內(nèi)，艙內(nèi)空氣質(zhì)量極差。此外，人呼出的氣體及代謝產(chǎn)物（皮膚排出的汗液等）也會(huì)對(duì)載人航天器艙內(nèi)的產(chǎn)品構(gòu)成危害。

4.4 地面環(huán)境影響問(wèn)題

在長(zhǎng)達(dá)約一年的載人航天器總裝和測(cè)試期間，由于總裝操作者和技術(shù)人員頻繁進(jìn)艙工作，帶進(jìn)艙的灰塵和總裝過(guò)程中產(chǎn)生的非金屬碎屑會(huì)沉積在返回艙大底上，載人航天器處于地面狀態(tài)時(shí)不易察覺(jué)，但在太空中失重的條件下，這些污染物就會(huì)漂浮在艙內(nèi)，嚴(yán)重的有可能影響到航天員的生命之門(mén)——返回艙門(mén)的密封。

5 污染控制裝置的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施效果

根據(jù)載人航天器艙內(nèi)環(huán)境和污染物的特點(diǎn)，可以采取以下幾方面措施改善艙內(nèi)環(huán)境[6]：

(1)通風(fēng)、換氣。使載人航天器艙內(nèi)空氣保持經(jīng)常性的流動(dòng)，稀釋艙內(nèi)污染氣體的濃度，從而達(dá)到減少污染氣體污染的目的；

(2)凈化。通過(guò)向艙內(nèi)送百級(jí)潔凈風(fēng)，形成艙內(nèi)空氣循環(huán)，在艙內(nèi)外空氣不斷交換過(guò)程中，排除艙內(nèi)空氣中的微小懸浮污染物；

(3)除塵。采取高速送風(fēng)的方式對(duì)載人航天器返回艙大底上的沉積物進(jìn)行強(qiáng)制除塵；

(4)降溫、除濕。使載人航天器艙內(nèi)的溫度、濕度達(dá)到載人航天器總裝大廳內(nèi)的環(huán)境溫度、濕度水平。

基于以上考慮，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制了一套環(huán)境控制裝置，具有制冷、除濕、凈化、除塵的功能；從結(jié)構(gòu)上考慮了一體化的設(shè)計(jì)，集成各功能模塊，集成室內(nèi)、外機(jī)組；送風(fēng)、回風(fēng)系統(tǒng)考慮了載人航天器不同工況的需求；溫度、濕度實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制；為了使用的安全和方便，設(shè)置了冷凝水液位報(bào)警系統(tǒng)和過(guò)濾器報(bào)警系統(tǒng)，用于提示操作人員處理冷凝水和更換高效過(guò)濾器。

這套裝置安裝、調(diào)試完成后就按制訂的污染控制要求被應(yīng)用到載人航天器的總裝和測(cè)試過(guò)程中。

在載人航天器總裝的近一年時(shí)間里，該設(shè)備每天開(kāi)機(jī)8 h，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，有效地改善了艙內(nèi)的環(huán)境：在真空熱試驗(yàn)抽真空時(shí)，未從艙內(nèi)抽出水蒸氣，證明裝置解決了飛船艙內(nèi)濕度大的問(wèn)題；在飛船進(jìn)行人-船聯(lián)合測(cè)試的時(shí)候，由于改善了艙內(nèi)的環(huán)境，為航天員的工作提供了良好的條件。2007年12月22日，在“神舟七號(hào)”飛船力學(xué)試驗(yàn)改裝期間，采用塵埃粒子計(jì)數(shù)器SCJ-1D進(jìn)行了艙內(nèi)環(huán)境測(cè)量，在設(shè)備開(kāi)啟前和開(kāi)啟后1 h各測(cè)量一次，分別在軌道艙內(nèi)、返回艙門(mén)口和返回艙內(nèi)取 2點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，每點(diǎn)持續(xù)測(cè)量3 min，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 總裝期間艙內(nèi)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)（設(shè)備開(kāi)啟前）Table 1 Test data of inner environment during AIT (before device startup)

表2 總裝期間艙內(nèi)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)（設(shè)備開(kāi)啟后1 h）Table 2 Test data of inner environment during AIT (1 hour after device startup)

測(cè)量結(jié)果表明：設(shè)備對(duì)艙內(nèi)的溫度、濕度、潔凈度具有明顯的控制作用。

2008年5月，在“神舟七號(hào)”返回艙側(cè)壁與大底最終合攏前，再次用塵埃粒子計(jì)數(shù)器SCJ-1D對(duì)艙內(nèi)沉積多余物吹除過(guò)程進(jìn)行了艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)。在開(kāi)始除塵和除塵后分別在返回艙側(cè)壁與大底的間隙取4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，每點(diǎn)持續(xù)測(cè)量3 min，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 返回艙側(cè)壁與大底最終合攏前艙內(nèi)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)Table 3 Test data of inner environment(before locking of reentry module sidewall and the underframe)

測(cè)量結(jié)果表明：經(jīng)除塵后艙內(nèi)沉積污染物明顯減少。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論及實(shí)踐方面初步研究了載人航天器在總裝過(guò)程中艙內(nèi)污染物控制技術(shù)體系，為保證艙內(nèi)儀器設(shè)備的正常工作，保障航天員在艙內(nèi)環(huán)境中的生命安全創(chuàng)造了有利條件。最終將形成載人航天器總裝過(guò)程環(huán)境污染控制規(guī)范，指導(dǎo)整個(gè)總裝過(guò)程污染物的控制，保證載人航天器艙內(nèi)總裝環(huán)境質(zhì)量，為載人航天器研制的高可靠性提供必要的保證。

（References）

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[3]Wieland P O. Designing for human presence in space:an in-troduction to environmental control and life support systems, NASA RP 21324[R]. Alabama: Marshell Space Flight Center, 1994: 204-205

[4]戚發(fā)軔, 朱仁璋, 李頤黎. 載人航天器技術(shù)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1999

[5]龐麗萍. 載人航天器空氣質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)灰關(guān)聯(lián)分析[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 5

[6]熊濤, 萬(wàn)強(qiáng). 載人飛船總裝過(guò)程中艙內(nèi)環(huán)境污染的控制[J]. 航天器環(huán)境工程, 2005, 22(6)