賈陽(yáng) 陳百超 張旺軍 彭松 陶灼（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

一種深空探測(cè)航天員應(yīng)急生命保障系統(tǒng)

An Emergency Life Support System for Astronaut in Deep Space Exploration

賈陽(yáng) 陳百超 張旺軍 彭松 陶灼（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

在載人月球探測(cè)任務(wù)中，航天員的安全性至關(guān)重要。為了確保航天員在應(yīng)急情況下能夠迅速返回基地，專(zhuān)家提出了一種深空探測(cè)應(yīng)急生命保障系統(tǒng)。常規(guī)狀態(tài)下，其跟隨載人月球車(chē)或航天員運(yùn)動(dòng)，當(dāng)航天員出現(xiàn)意外后，可搭載其通過(guò)飛行的移動(dòng)形式快速返回基地。該系統(tǒng)方案采用一種基于過(guò)氧化氫（H2O2）分解的生命保障裝置，過(guò)氧化氫既作為發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑，又服務(wù)于航天員的應(yīng)急生命保障。該裝置可以提高載人月面航天活動(dòng)的生命保障能力，又通過(guò)復(fù)用最大程度地節(jié)省資源。

1 引言

在執(zhí)行遠(yuǎn)距離探測(cè)任務(wù)時(shí)，航天員如受到外界損傷或自身保障設(shè)備（如航天服、月球車(chē)等）出現(xiàn)異常時(shí)，無(wú)法及時(shí)返回基地（空間站或月球基地）進(jìn)行處理和救治，將導(dǎo)致航天員生命安全受到威脅，甚至一個(gè)小的異常也可能導(dǎo)致航天員生命喪失。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助研發(fā)了一種形似機(jī)械狗的四足機(jī)器人，可以攜帶40kg的裝備，自主跟隨戰(zhàn)場(chǎng)士兵行進(jìn)，為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品，降低戰(zhàn)場(chǎng)上士兵的負(fù)荷。其原理是，由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)能夠帶動(dòng)其有關(guān)節(jié)的四肢運(yùn)動(dòng)，陀螺儀和其他傳感器幫助機(jī)載計(jì)算機(jī)規(guī)劃每一步的運(yùn)動(dòng)。

參考上述思路，為服務(wù)登月任務(wù)中的航天員設(shè)計(jì)了一種能夠跟隨航天員移動(dòng)的應(yīng)急生保系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)伴隨器）。在常規(guī)狀態(tài)下，其跟隨載人月球車(chē)或航天員運(yùn)動(dòng)，當(dāng)航天員出現(xiàn)意外后，可搭載伴隨器，通過(guò)飛行的移動(dòng)形式快速返回基地。

采用一種基于過(guò)氧化氫分解的航天員應(yīng)急生命保障裝置方案，使過(guò)氧化氫在作為發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑的同時(shí)，還可以服務(wù)于航天員的應(yīng)急生命保障。

2 過(guò)氧化氫發(fā)動(dòng)機(jī)

過(guò)氧化氫推進(jìn)劑性質(zhì)

過(guò)氧化氫是一種高密度的液態(tài)氧化劑，汽化潛熱1.55×106J/kg，具有分解放熱的獨(dú)特性質(zhì)，含量高的過(guò)氧化氫具有顯著的過(guò)冷現(xiàn)象，便于貯存。

二戰(zhàn)時(shí)期，德國(guó)將過(guò)氧化氫作為單元推進(jìn)劑應(yīng)用于V－1火箭起飛助推器上，也用來(lái)驅(qū)動(dòng)V－2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪泵。二戰(zhàn)后，世界各國(guó)使用性能更高的肼系列單元推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)代替過(guò)氧化氫單組元催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)；到了20世紀(jì)70年代后期，已基本看不到這種推進(jìn)劑的應(yīng)用了。

由于環(huán)保和降低成本的需求，以及過(guò)氧化氫提純技術(shù)、催化分解技術(shù)的發(fā)展，以過(guò)氧化氫作為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)再次得到研究，如美國(guó)General Kinetics公司研制的100N過(guò)氧化氫單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。

單組元催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)

在國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)、飛船、空間站及其他航天器上應(yīng)用的單組元催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)，基本上都采用有毒推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)，這些推進(jìn)劑的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用都比較復(fù)雜。采用無(wú)毒推進(jìn)系統(tǒng)將從根本上解決毒性問(wèn)題，成為推進(jìn)系統(tǒng)研究的重要發(fā)展方向。

過(guò)氧化氫單組元催化分解發(fā)動(dòng)機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為無(wú)毒、無(wú)污染、可儲(chǔ)存、密度比沖高等，從而改善了操作條件，降低了研制成本，并能改善空間系統(tǒng)的性能，降低維護(hù)成本。在比沖要求不高的情況，從經(jīng)濟(jì)性考慮，可以使用過(guò)氧化氫單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。

理論上，如果燃料停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，分解效率高于95%（不考慮熱散失），則相應(yīng)的分解溫度約為700℃。90%以上的高濃度過(guò)氧化氫具有足夠的穩(wěn)定性，容易儲(chǔ)存與處理。

雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)

使用過(guò)氧化氫作為氧化劑的發(fā)動(dòng)機(jī)中，最常用的是過(guò)氧化氫/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。過(guò)氧化氫流經(jīng)銀網(wǎng)催化劑床之后，分解生成高溫水蒸氣和氧氣，90%濃度的過(guò)氧化氫絕熱分解溫度高于600℃。這些分解產(chǎn)物與霧化的煤油混合、燃燒，產(chǎn)生足夠高的燃燒壓力。

推力室材料選用與過(guò)氧化氫相容的不銹鋼材料。發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，燃燒效率達(dá)97%，噴管溫度最高達(dá)到990℃，但是仍低于材料最高耐用溫度1150℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)密度比沖優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于容積受限的飛行器來(lái)說(shuō)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)比經(jīng)濟(jì)的自燃發(fā)動(dòng)機(jī)有更優(yōu)良的性能，特別是在空間站、載人登月等航天任務(wù)中。

3 航天員伴隨器

伴隨器采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于航天員運(yùn)動(dòng)范圍不大，其推進(jìn)沖量要求不高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖要求不高，但受到體積的限制，對(duì)密度比沖的要求較高。

在月面工作時(shí)，還要提供向上的升力。由于月面低重力，克服重力做功消耗的燃料較少，使得該系統(tǒng)可以服務(wù)航天員的月面活動(dòng)保障。

援疆實(shí)習(xí)支教讓師范生全面參與受援學(xué)校的教育教學(xué)、教學(xué)管理等工作，把實(shí)習(xí)生完全納入正常教師甚至是骨干教師來(lái)運(yùn)行，滿(mǎn)滿(mǎn)一個(gè)學(xué)期的備課、教案書(shū)寫(xiě)、聽(tīng)課、上課、公開(kāi)課、評(píng)課、活動(dòng)組織、班級(jí)管理、班主任或副班主任工作、教學(xué)管理、教務(wù)運(yùn)行、文檔處理、安保執(zhí)勤、消防演練、學(xué)校管理等事務(wù)，這對(duì)于初次走向教師職業(yè)教育的師范生而言，無(wú)疑是最好的學(xué)習(xí)、工作、職業(yè)的再教育和深刻歷練。通過(guò)一個(gè)全面、充分、完整周期性的受援學(xué)校運(yùn)行工作的徹底融入，使得師范生教育教學(xué)能力和綜合素質(zhì)得到有效提升，達(dá)到師范生人才培養(yǎng)目標(biāo)。

伴隨器由底盤(pán)子系統(tǒng)、駕駛子系統(tǒng)、月面及飛行驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、測(cè)控子系統(tǒng)、電源子系統(tǒng)、視覺(jué)探測(cè)系統(tǒng)組成。

駕駛子系統(tǒng)包含航天員防護(hù)罩，以防止火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)羽流、月塵對(duì)航天員的侵害。月球車(chē)有2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在地面行走時(shí)，采用蓄電池電力驅(qū)動(dòng)，在飛行時(shí)，采用過(guò)氧化氫/煤油噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為月球車(chē)提供飛行動(dòng)力。

底盤(pán)中包含了懸架、車(chē)輪、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、液體推進(jìn)劑貯箱和推力器（發(fā)動(dòng)機(jī)）等。

伴隨器組成

可折疊底盤(pán)布局

伴隨器底盤(pán)的整體布局有以下特點(diǎn)：

1）底盤(pán)分為兩部分，中間用銷(xiāo)連接，兩側(cè)車(chē)輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即可將底盤(pán)中間拱起，呈倒V字形，該狀態(tài)可以為航天員提供良好的乘坐便利性和耐力學(xué)沖擊的乘坐環(huán)境。

2）該車(chē)的車(chē)輪可分別相對(duì)懸架旋轉(zhuǎn)，懸架采用可升降懸架，使得該車(chē)在運(yùn)輸過(guò)程中可以折疊，以減小運(yùn)輸包絡(luò)。

運(yùn)輸狀態(tài)

系統(tǒng)的燃料貯箱配有溫度控制加熱器，但裝置本身不提供長(zhǎng)期儲(chǔ)存狀態(tài)下的溫度控制能源，而是由空間站或著陸器提供系統(tǒng)啟動(dòng)前的溫度調(diào)節(jié)能源。系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程均屬于短期過(guò)程，主要利用被動(dòng)熱控措施以及熱容保持溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，必要時(shí)輔助短期主動(dòng)熱控制手段。

4 生命保證裝置方案

該生命保障系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)航天員的快速返回之外，還可以實(shí)現(xiàn)水、氧氣的應(yīng)急提供，主要通過(guò)生命保證裝置實(shí)現(xiàn)。

該裝置在需要時(shí)，借用推進(jìn)系統(tǒng)高壓氣瓶壓力，通過(guò)氦氣增壓方式擠壓貯箱中的過(guò)氧化氫溶液，溶液進(jìn)入氣體發(fā)生器與催化劑充分接觸，分解產(chǎn)生高溫氣體（水蒸氣、氧氣），經(jīng)冷凝后分離成需要的液態(tài)水和氧氣。

曾經(jīng)廣泛使用的催化劑是高錳酸鉀（KMnO4）、氧化錳（MnO）等化合物，目前更多使用過(guò)渡金屬鹽或氧化物，主要是基于過(guò)渡金屬錳、鈷、鉛等的金屬鹽和氧化物，載體材料選擇陶瓷或無(wú)機(jī)物。考慮裝置的使用條件，選用200目鍍銀鎳網(wǎng)，并涂敷添加劑。

該裝置主要由進(jìn)液管道、閥門(mén)、流量調(diào)節(jié)器、氣體發(fā)生器（含催化床）、螺旋冷凝器、氣液分離器、氧箱和水箱等組成。

過(guò)氧化氫溶液通過(guò)進(jìn)液管道流入裝置，截止閥控制系統(tǒng)是否工作，流量調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)的壓力及液位控制溶液的流量，直至關(guān)閉系統(tǒng)。溶液流入到氣體發(fā)生器（A/B互為備份）中，遇到催化劑分解為高溫氣體，包括水蒸氣和氧氣。高溫氣體通過(guò)螺旋冷凝氣后，水蒸氣凝結(jié)，經(jīng)氣液分離器后，氧箱、水箱提供氧氣和水到航天服接口，供航天員應(yīng)急使用。設(shè)備的外包絡(luò)尺寸為273mm×200mm×245mm，其中氧箱體積1.66L，水箱體積0.27L，設(shè)備質(zhì)量5kg。

伴隨器設(shè)備組成

生命保障裝置示意圖

另外，過(guò)氧化氫是強(qiáng)氧化劑，與之接觸的設(shè)備、管道、閥門(mén)、墊片、填料等均使用純鋁或1Cr18Ni9Ti等金屬材料以及符合要求的塑料等非金屬材料。材質(zhì)表面光滑潔凈，并經(jīng)過(guò)鈍化處理。

設(shè)備安裝前，需要對(duì)過(guò)氧化氫流路的所有器件進(jìn)行嚴(yán)格地去油、去銹、鈍化、清潔處理，經(jīng)檢驗(yàn)合格后安裝，檢查裝置管道的氣密性，保證設(shè)備具有良好的氣密性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

在載人月球探測(cè)任務(wù)中，航天員的安全性至關(guān)重要，本文提出了一種航天員遠(yuǎn)距離工作的增強(qiáng)型生命保障系統(tǒng)方案，在應(yīng)急狀態(tài)通過(guò)推進(jìn)劑分解，獲得航天員生命保障必需品氧氣和水，并攜航天員返回探測(cè)基地。系統(tǒng)可以提高航天活動(dòng)的生命保障能力，又通過(guò)復(fù)用最大程度節(jié)省資源，在月球載人航天任務(wù)中具有良好的應(yīng)用前景。