馮紅旗，劉力濤,2，彭 卓，楊京松，卞 強(qiáng),2，李 森

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094； 2. 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

1 引言

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(環(huán)控生保系統(tǒng))在載人航天器密封艙內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)接近地面大氣的生存環(huán)境，提供航天員生命活動(dòng)必需的物質(zhì)條件，與航天員在太空的生存密切相關(guān)。為確保飛行過程中可靠運(yùn)行，保障航天員安全、健康、高效工作，載人飛行前必須對(duì)環(huán)控生保系統(tǒng)經(jīng)過充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證[1]。

密封艙代謝模擬試驗(yàn)是評(píng)價(jià)環(huán)控生保系統(tǒng)性能的重要方法之一，試驗(yàn)中人體代謝負(fù)荷通過代謝模擬設(shè)備進(jìn)行模擬，人體代謝負(fù)荷模擬方法是試驗(yàn)研究的重要內(nèi)容。試驗(yàn)負(fù)荷為真實(shí)人體代謝負(fù)荷，代謝模擬試驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)負(fù)荷的量化控制，負(fù)荷參數(shù)調(diào)節(jié)方便，滿足環(huán)控生保系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入工況和極限工作能力的驗(yàn)證，并且不受人的耐受因素對(duì)試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)條件的制約。

前期神舟載人飛船環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗(yàn)中，模擬了耗氧、產(chǎn)熱、產(chǎn)濕和CO2排放等4項(xiàng)人體代謝負(fù)荷[2-3]，由于試驗(yàn)周期短，不需要考慮長(zhǎng)期試驗(yàn)的累積誤差，因此模擬方法簡(jiǎn)單、設(shè)備運(yùn)行自動(dòng)化程度較低，耗氧模擬過程中對(duì)密封艙內(nèi)環(huán)境條件影響較大。

長(zhǎng)期飛行任務(wù)的環(huán)控生保系統(tǒng)以再生生保為主要技術(shù)特征，一方面系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間顯著增加，航天員單次在軌駐留時(shí)間半年以上、間斷駐留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，因此地面驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)人體代謝負(fù)荷模擬方法要求較高，以減少長(zhǎng)期試驗(yàn)的累積誤差和模擬過程對(duì)密封艙環(huán)境條件的干擾。另一方面，為實(shí)現(xiàn)水的再生循環(huán)，再生生保中包括了水處理和尿處理功能，為驗(yàn)證相應(yīng)的功能，需提供相應(yīng)的代謝負(fù)荷模擬。

基于上述試驗(yàn)需求，需建立適用于長(zhǎng)期飛行任務(wù)的環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗(yàn)方法，解決前期人體代謝負(fù)荷模擬精度不高和真實(shí)性較差等不適于長(zhǎng)期試驗(yàn)的問題，新增微量有害氣體、冷凝水和尿液等代謝模擬項(xiàng)目。

國(guó)際空間站美國(guó)艙段模擬試驗(yàn)艙配置了人體代謝模擬裝置、污染物注入裝置和污水收集與供給實(shí)驗(yàn)室，提供耗氧、產(chǎn)濕、CO2排出、微量有害氣體注入、冷凝水和尿液等人體代謝產(chǎn)物，用于支持開展環(huán)控生保簡(jiǎn)化集成試驗(yàn)(Simplified Integrated Test，SIT)、環(huán)控生保代謝控制試驗(yàn)(Metabolic Control Test，MET)和長(zhǎng)時(shí)間代謝控制試驗(yàn)(Extended Duration Metabolic Control Test，EMCT)[4]。

本文為滿足長(zhǎng)期載人飛行任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)地面驗(yàn)證試驗(yàn)需求，提出一種新的代謝模擬試驗(yàn)方案，優(yōu)化和改進(jìn)代謝模擬方法，開展環(huán)控生保系統(tǒng)集成性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)優(yōu)化和改進(jìn)后代謝模擬試驗(yàn)方法的有效性。

2 代謝模擬試驗(yàn)方案

代謝模擬試驗(yàn)旨在驗(yàn)證密封艙內(nèi)的氧分壓、CO2分壓、溫度、濕度、微量有害氣體等大氣環(huán)境控制能力，以及再生生保系統(tǒng)的電解制氧、CO2去除、微量有害氣體去除、尿處理和水處理等功能。

代謝模擬試驗(yàn)中，通過代謝模擬設(shè)備向環(huán)控生保系統(tǒng)提供人體代謝負(fù)荷，由環(huán)控生保系統(tǒng)對(duì)人體代謝負(fù)荷進(jìn)行控制和處理，根據(jù)控制結(jié)果來評(píng)價(jià)環(huán)控生保系統(tǒng)的工作性能。代謝模擬設(shè)備提供的人體代謝負(fù)荷包括耗氧、CO2排出、產(chǎn)濕、產(chǎn)熱、微量有害氣體排出、冷凝水和尿液等7項(xiàng)。

代謝模擬試驗(yàn)方案如圖1所示。試驗(yàn)中人體對(duì)氧氣的消耗通過耗氧模擬單元消耗掉密封艙內(nèi)空氣中的氧氣來實(shí)現(xiàn)，耗氧模擬單元在消耗氧氣的同時(shí)電解制氧裝置產(chǎn)生氧氣，通過密封艙氧分壓的變化趨勢(shì)來判斷電解制氧裝置的產(chǎn)氧能力和氧分壓控制能力。通過CO2供應(yīng)單元從密封艙外部向艙內(nèi)供應(yīng)CO2氣體來模擬人體排放的CO2，供應(yīng)到艙內(nèi)的CO2由CO2去除裝置予以去除，通過艙內(nèi)CO2分壓變化趨勢(shì)來判斷CO2去除裝置的工作能力。微量有害氣體模擬單元向密封艙內(nèi)注入人體釋放以及艙內(nèi)材料釋放的有害氣體形成有害氣體負(fù)荷，定期采樣分析或在線監(jiān)測(cè)有害氣體濃度，評(píng)估微量有害氣體去除裝置對(duì)微量有害氣體的控制能力。產(chǎn)濕模擬單元向艙內(nèi)提供人體產(chǎn)生的濕氣，產(chǎn)熱模擬單元模擬人體的發(fā)熱并與艙內(nèi)設(shè)備產(chǎn)熱共同構(gòu)成艙內(nèi)熱負(fù)荷，溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行降溫除濕的同時(shí)，產(chǎn)生冷凝水，冷凝水提供給水處理裝置進(jìn)行處理，生產(chǎn)出可用飲用的凈化水。尿液由艙外收集并供應(yīng)給尿處理裝置，生產(chǎn)出的尿蒸餾水提供給水處理裝置，生產(chǎn)出可供飲用的凈化水。凈化水提供給電解制氧裝置用作生產(chǎn)氧氣，氧氣再供應(yīng)到密封艙內(nèi)。

圖1 代謝模擬試驗(yàn)方案Fig.1 Scheme of metabolic simulation test

環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗(yàn)是一種物理模型試驗(yàn)，最基本的試驗(yàn)條件是需要一個(gè)密封艙，密封艙具有與真實(shí)載人艙相近的內(nèi)部構(gòu)造、氣體容積以及絕熱、密封、氣體流動(dòng)等試驗(yàn)邊界。物理模型試驗(yàn)需要幾何相似、物理相似和動(dòng)力相似[5]。密封艙內(nèi)部構(gòu)造與真實(shí)載人艙相近，保證了物理模型試驗(yàn)的幾何相似。密封艙艙體絕熱設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)保證了熱邊界和密封邊界等物理相似。氣體流動(dòng)保證地面重力試驗(yàn)與微重力飛行空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱和物質(zhì)交換的相似性，氣體容積保證密封艙內(nèi)空氣通風(fēng)循環(huán)效率的相似性。

密封艙內(nèi)安裝被研究對(duì)象即上天飛行狀態(tài)的整套環(huán)控生保系統(tǒng)，配套相應(yīng)的試驗(yàn)保障設(shè)備包括測(cè)控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等，提供測(cè)控通信、真空環(huán)境和熱量排散等功能，配套代謝模擬設(shè)備提供試驗(yàn)負(fù)荷輸入。

3 代謝模擬方法

本研究包括耗氧、CO2代謝排出、產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、微量有害氣體釋放、冷凝水和尿液等人體代謝物質(zhì)和能量的模擬方法，每種模擬方法通過獨(dú)立的模塊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊設(shè)備可獨(dú)立使用，也可以聯(lián)合使用，提供人體單一代謝物或者多種代謝物的模擬。

3.1 人體耗氧

3.1.1 模擬方法

密封艙內(nèi)人體耗氧模擬實(shí)質(zhì)上是氣體分離的過程，即把氧氣從空氣中分離出來并排出艙外或消耗掉，使空氣中的氧氣按照人體消耗速率定量減少。早期采用的人體耗氧模擬方法是化學(xué)反應(yīng)法和抽氣補(bǔ)氮法[6-7]。國(guó)外曾經(jīng)通過燃燒和氧化有機(jī)物或無機(jī)物的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到模擬人體耗氧的目的，但是此過程難以精確控制化學(xué)反應(yīng)速率，影響模擬精度。抽氣補(bǔ)氮法，即抽取一定量的密封艙空氣，再向艙內(nèi)注入損失的氮?dú)?，保證艙內(nèi)壓力基本穩(wěn)定，該方法的缺點(diǎn)是抽出來的氣體中包括氧氣和氮?dú)庖酝猓€含有CO2氣體、微量有害氣體和水氣等，另外抽氣-補(bǔ)氣過程還帶來熱量的交換，長(zhǎng)期試驗(yàn)累積誤差是顯著的。

馮紅旗等于2014年研制成功沸石分子篩人體耗氧模擬單元[8]，主要性能如下：

1)具有模擬2人～5人的耗氧能力，最大氧氣消耗量為每天2500 L；

2)進(jìn)氣氧濃度19%～25%，耗氧模擬單元排氣口富氧氣體氧濃度不低于93%；

3)耗氧模擬過程對(duì)密封艙CO2濃度無明顯影響；

4)耗氧模擬過程對(duì)密封艙微量有害氣體濃度無明顯影響。

在耗氧模擬單元實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)密封艙總壓和氧分壓呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，總壓波動(dòng)幅度約為±0.2 kPa，氧分壓波動(dòng)幅度約為±0.05 kPa。分析認(rèn)為，耗氧模擬過程中從密封艙內(nèi)的引氣量和回氣量均較大，密封艙內(nèi)的氣體隨著引氣和回氣而出現(xiàn)周期性的增多和減少，造成壓力波動(dòng)。這種波動(dòng)雖然不改變總壓的整體變化趨勢(shì)，但是會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)分析出現(xiàn)偏差，尤其是在總壓和氧分壓的控制帶邊界上出現(xiàn)錯(cuò)誤控制。

為了解決耗氧模擬過程中密封艙總壓和氧分壓波動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，將一組壓縮機(jī)改為三組壓縮機(jī)，三組壓縮機(jī)相互獨(dú)立，優(yōu)化了引氣關(guān)鍵工作參數(shù)，選取合理的空氧比指標(biāo)，結(jié)合PSA變壓吸附的特點(diǎn)，將空氧比確定為12～14，得出適當(dāng)?shù)囊龤饬?，解決了原耗氧模擬單元引氣量大而造成密封艙總壓和氧分壓波動(dòng)大的現(xiàn)象。圖2和圖3分別表示了耗氧模擬單元改進(jìn)前和改進(jìn)后的密封艙總壓變化趨勢(shì)。

圖2 耗氧模擬單元改進(jìn)前的總壓曲線Fig.2 Total pressure curve before improvement of oxygen consumption simulation unit

圖3 耗氧模擬單元改進(jìn)后的總壓曲線Fig.3 Total pressure curve after improvement of oxygen consumption simulation unit

3.1.2 模擬結(jié)果

試驗(yàn)過程中，分別按照3人(75 L/h)、4人(99.5 L/h)和5人(124 L/h)等不同代謝水平模擬了人體耗氧量，耗氧模擬單元出口富氧氣體氧氣濃度控制結(jié)果如圖4所示，氧濃度控制在93%以上，穩(wěn)定在94.5%左右，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為電解制氧裝置性能和氧分壓控制能力的評(píng)價(jià)提供了驗(yàn)證條件。

圖4 耗氧模擬單元出口氧濃度Fig.4 Oxygen concentration in outlet of oxygen consumption simulation unit

3.2 人體CO2代謝

3.2.1 模擬方法

人體CO2代謝模擬的常規(guī)方法是通過CO2高壓氣瓶向密封艙內(nèi)注入，本試驗(yàn)研究仍采用這種方法。人體的CO2代謝量小，CO2流量控制精度是關(guān)鍵。為減小長(zhǎng)期試驗(yàn)的CO2流量累積誤差，影響試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)采用了流量驅(qū)動(dòng)和質(zhì)量反饋的閉環(huán)控制方法，提高了CO2模擬精度。根據(jù)試驗(yàn)要求，最大CO2模擬量為6人代謝量，選用了精度為0.4%讀數(shù)+0.2%滿量程的ALICAT流量控制器來設(shè)定和控制CO2的排放量，同時(shí)在CO2氣瓶底部安裝精密電子秤，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣瓶重量變化，利用氣瓶重量變化來校準(zhǔn)CO2流量。

CO2注入管道在密封艙內(nèi)的布置方案，主要考慮了兩點(diǎn)，一是CO2排氣口多點(diǎn)設(shè)置，模擬多人在不同位置的CO2排放；二是CO2排氣口設(shè)置在通風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口，使高濃度的CO2及時(shí)擴(kuò)散，避免CO2聚集。

3.2.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗(yàn)中，分別按照3人(63.7 L/h)、4人(85.5 L/h)和6人(107.3 L/h)等不同代謝水平模擬了CO2代謝量。圖5是4人平均水平的CO2代謝量控制情況，設(shè)定值85.5 L/h，最小流量84.7 L/h，最大流量85.8 L/h，誤差控制在±1%內(nèi)，為CO2去除裝置的性能評(píng)價(jià)提供了高精度驗(yàn)證條件。

圖5 人體CO2代謝模擬控制結(jié)果Fig.5 Control result of simulated human metabolic CO2

3.3 人體代謝產(chǎn)熱

3.3.1 模擬方法

密封艙內(nèi)設(shè)備工作過程中的熱量、艙內(nèi)外環(huán)境溫差導(dǎo)致的艙壁漏熱以及人體代謝產(chǎn)熱，構(gòu)成了密封艙內(nèi)熱量的主要來源[9]，其中人體代謝產(chǎn)熱采用模擬的手段實(shí)現(xiàn)。

在人體產(chǎn)熱模擬方面，前期研制的產(chǎn)熱模擬設(shè)備，以模擬人體產(chǎn)熱總量為主，直接在金屬表面上粘貼薄膜加熱片，加熱面熱流密度大、熱量集中，產(chǎn)熱模擬設(shè)備加熱不均勻、溫度范圍不合理。加熱設(shè)備周圍局部空氣溫度偏高，艙內(nèi)空氣溫度不均勻，強(qiáng)化了地面試驗(yàn)中自然對(duì)流的作用，影響地面重力試驗(yàn)溫度場(chǎng)控制試驗(yàn)的精度。

東華大學(xué)研制了適用于艙外航天服試驗(yàn)的暖體假人，暖體假人能夠模擬人體產(chǎn)熱和皮膚溫度[10]，但是該暖體假人采用了無骨架銅殼分體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。

本研究中，采用了人體假人的產(chǎn)熱模擬方式，選擇與人體比例接近的假人，在假人表面均勻纏繞電熱絲，給電熱絲提供直流電壓實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱。假人框架材料采用玻璃鋼，加熱絲材料選用Cr20Ni80，Cr20Ni80電熱絲具有耐高溫、導(dǎo)熱性能好、延展性好的特點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，滿足長(zhǎng)期試驗(yàn)需求。

假人最大發(fā)熱量350 W，供電電壓80 V。為保證假人表面溫度的均勻性，在電熱絲表面覆蓋絕緣層。通過測(cè)試，模擬人體平均產(chǎn)熱量150 W時(shí)，假人表面溫度為32℃～33℃，模擬人體中度活動(dòng)產(chǎn)熱量270 W時(shí)，假人表面溫度為40℃～41℃，假人表面溫度與真實(shí)人體表面溫度接近，表面溫度均勻。

3.3.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗(yàn)中，人體假人的加熱功率在0～280 W之間設(shè)定。圖6表示了設(shè)定發(fā)熱量為250 W的穩(wěn)定情況，約800 s后發(fā)熱量穩(wěn)定，穩(wěn)定后最大偏差為-3.5 W，誤差±1.4%，滿足試驗(yàn)要求。

圖6 人體產(chǎn)熱模擬控制結(jié)果Fig.6 Control result of simulated human heat production

3.4 人體代謝產(chǎn)濕

3.4.1 模擬方法

密封艙濕度控制及除濕過程是長(zhǎng)期載人飛行中水循環(huán)再生功能的重要環(huán)節(jié)，因此除濕能力是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要研究課題。人體代謝產(chǎn)濕的特點(diǎn)是產(chǎn)濕量小、波動(dòng)大，單人產(chǎn)濕速率在50 g/h～150 g/h范圍內(nèi)變化。

前期濕度控制試驗(yàn)研究中曾采用過電加熱加濕和超聲波加濕兩種方式，電加熱加濕法在加濕的同時(shí)會(huì)給密封艙內(nèi)帶來額外的熱量，同時(shí)蒸汽溫度較高，水蒸氣易在冷壁面上結(jié)露，加濕效果差，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

超聲波加濕是一種等焓加濕[11]，等焓加濕過程中液態(tài)水滴汽化時(shí)需要從周圍空氣中吸熱，人體平均和中度活動(dòng)的產(chǎn)濕速率分別為75 g/h、150 g/h，其汽化需要吸收的熱量分別為47 W、94 W，按照2人中度和1人平均的產(chǎn)濕負(fù)荷模式，從空氣中吸收的總熱量為235 W。密封艙容積按照160 m3計(jì)算，空氣質(zhì)量約為200 kg，235 W的熱量會(huì)造成空氣溫度下降約為4.2℃，空氣溫度下降幅度較大。因此需要根據(jù)產(chǎn)濕負(fù)荷的大小，補(bǔ)充相應(yīng)的熱量，防止空氣溫度下降。

前期產(chǎn)濕模擬單元均采用了開環(huán)控制加濕速率的方案，即由定量泵向超聲波加濕器內(nèi)供水，由稱重傳感器監(jiān)測(cè)加濕器內(nèi)水量的變化，供水速率由定量泵控制，供水速率準(zhǔn)確，但是供水速率與超聲波加濕器霧化速率動(dòng)態(tài)匹配性差，調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，不利于長(zhǎng)期試驗(yàn)。

本研究的產(chǎn)濕模擬單元主體結(jié)構(gòu)為超聲波加濕器，產(chǎn)濕速率指標(biāo)為185 g/h，采用了閉環(huán)控制產(chǎn)濕速率的方案，提高了控制精度。在上位計(jì)算機(jī)中設(shè)定產(chǎn)濕速率U0，以精密電子秤作為測(cè)量元件，監(jiān)測(cè)超聲波加濕器重量的變化，通過重量隨時(shí)間的變化速率求得實(shí)際產(chǎn)濕速率U，以U為反饋，通過比較環(huán)節(jié)，確定U與設(shè)定值U0的偏差e，該偏差信號(hào)進(jìn)入控制器，使控制器輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)作用在執(zhí)行器上，改變數(shù)字電位器的位數(shù)，調(diào)節(jié)超聲波加濕陣子頻率，從而控制產(chǎn)濕速率與設(shè)定值一致。產(chǎn)濕模擬單元的控制邏輯如圖7所示。

圖7 產(chǎn)濕速率控制邏輯 Fig.7 Control logic of humidity production rate

為保證產(chǎn)濕速率穩(wěn)定和產(chǎn)濕控制精度，需要精確控制超聲波加濕器水槽的水位，同時(shí)也為適應(yīng)長(zhǎng)期試驗(yàn)需求、減少人工補(bǔ)水的工作量和人工補(bǔ)水過程帶來的誤差，設(shè)計(jì)了自動(dòng)補(bǔ)水功能，能夠自動(dòng)、連續(xù)地向加濕器水槽中補(bǔ)水，保證合理的水位。水槽中設(shè)置了液位開關(guān)，當(dāng)水位低于下限時(shí)，補(bǔ)水電磁閥打開，水箱中的純凈水自動(dòng)流入水槽中，當(dāng)達(dá)到水位上限時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水電磁閥，通過液位開關(guān)的控制使水槽內(nèi)的水位變化范圍為1 cm，保證產(chǎn)濕速率穩(wěn)定。

3.4.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗(yàn)中，產(chǎn)濕速率設(shè)定范圍為50 g/h～180 g/h。圖8為設(shè)定值155 g/h的穩(wěn)定情況，運(yùn)行約900 s后穩(wěn)定在設(shè)定加濕速率，波動(dòng)幅度在±2%以內(nèi)，產(chǎn)濕模擬過程穩(wěn)定時(shí)間短、產(chǎn)濕精度高，滿足試驗(yàn)要求。

圖8 人體代謝產(chǎn)濕模擬控制結(jié)果Fig.8 Control result of simulated human metabolic humidity

3.5 微量有害氣體

3.5.1 模擬方法

載人航天器密封艙內(nèi)的微量有害氣體由非金屬材料通過擴(kuò)散、蒸發(fā)和氧化降解等方式，以及人體代謝及廢棄物釋放而產(chǎn)生[12]。有害氣體必須予以及時(shí)去除以保障航天員的健康安全，在空間站等長(zhǎng)期載人飛行任務(wù)中，有害氣體的凈化尤為重要。

為評(píng)價(jià)環(huán)控生保微量有害氣體去除能力，需要向密封艙內(nèi)注入規(guī)定種類和規(guī)定速率的污染物氣體，模擬密封艙內(nèi)材料和人體釋放的微量有害氣體。選擇了14種典型的污染物作為模擬對(duì)象，具有污染物種類多、物理化學(xué)特性差異大、注入速率調(diào)節(jié)范圍寬等難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)難度較大。

對(duì)于液態(tài)污染物，前期采用過蠕動(dòng)泵+微孔膜+加熱蒸發(fā)的方案，其優(yōu)點(diǎn)是可連續(xù)注入，但在實(shí)際使用過程中，發(fā)現(xiàn)其濃度平衡時(shí)間長(zhǎng)、操作復(fù)雜，穩(wěn)定性、重復(fù)性和調(diào)節(jié)性能較差，不適應(yīng)長(zhǎng)期連續(xù)使用。對(duì)于氣態(tài)污染物，目前常用的方法是使用標(biāo)氣瓶來產(chǎn)生穩(wěn)定濃度的污染氣體，但其缺點(diǎn)是難以維持長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，此外每次更換標(biāo)氣瓶，其發(fā)生濃度均需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。

國(guó)際空間站微量有害去除氣體系統(tǒng)污染物控制試驗(yàn)中，采用注射泵注入液態(tài)污染物，采用蠕動(dòng)泵注入氣態(tài)污染物，具備注入8種污染物的能力。俄羅斯微量污染物控制試驗(yàn)注入系統(tǒng)，可注入氣態(tài)污染物和液態(tài)污染物，氣態(tài)污染物為與空氣或氮?dú)獾幕旌蠚怏w，儲(chǔ)存在鋼瓶中主要缺點(diǎn)是混合氣體中污染物濃度較低，長(zhǎng)期試驗(yàn)時(shí)混合氣體消耗量大。液態(tài)污染物由柱塞泵輸入到加熱容器形成氣態(tài)物質(zhì)后再注入到密閉實(shí)驗(yàn)艙中。

本試驗(yàn)研究中，為了適應(yīng)長(zhǎng)期測(cè)試，將14種污染物分為3類，即氣態(tài)污染物、水溶性污染物和油性污染物，氣態(tài)污染物采用純氣氣瓶和流量控制器的方案直接向密封艙內(nèi)注入。水性污染物和油性污染物分別采用定量環(huán)-載氣驅(qū)動(dòng)-加熱蒸發(fā)的方案，定量環(huán)控制注入量，載氣作為驅(qū)動(dòng)氣體從密封艙內(nèi)取氣，加熱環(huán)節(jié)使液態(tài)污染物及時(shí)汽化，防止冷凝聚集，從而實(shí)現(xiàn)了高精度動(dòng)態(tài)模擬多組分低濃度微量有害氣體的功能。

本研究中的微量氣體注入單元可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)定量注入和靜態(tài)定量注入兩種工作模式，滿足不同的試驗(yàn)需求。動(dòng)態(tài)定量注入是按照一定的產(chǎn)生速率均勻向密封艙內(nèi)注入微量有害氣體。靜態(tài)定量注入是按照規(guī)定注入量一次性向密封艙內(nèi)注入有害氣體并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡。

3.5.2 模擬結(jié)果

選取了一氧化碳、甲苯和乙醛分別作為氣體污染物、油性污染物質(zhì)和水溶性污染物的代表，進(jìn)行注入精度的測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 污染物注入速率測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過測(cè)試，氣體注入精度±3%，油性污染物注入精度±6.7%，水溶性污染物注入精度±7.6%，注入精度滿足試驗(yàn)要求。

3.6 冷凝水

3.6.1 模擬方法

冷凝水水質(zhì)對(duì)真實(shí)有效考核水處理系統(tǒng)的運(yùn)行性能極其關(guān)鍵。真實(shí)的冷凝水來自于人體代謝的濕氣，冷凝水中含有人體代謝的有機(jī)物和無機(jī)物，同時(shí)包含有密封艙空氣中溶解于水的物質(zhì)，因此真實(shí)冷凝水的成分非常復(fù)雜。

前期的代謝模擬試驗(yàn)中，采取了兩種方式提供冷凝水。一種是參考國(guó)外載人飛行中冷凝水水質(zhì)模型配置的冷凝水，包含醇類、酸類等12種有機(jī)污染物，NH3、NaCl等4種無機(jī)污染物，理化指標(biāo)包括pH、電導(dǎo)率、總有機(jī)碳和氨氮含量等4種。第二種方式是代謝模擬試驗(yàn)中空氣降溫除濕過程中收集的冷凝水，這種冷凝水來自于超聲波加濕蒸汽，加濕用水為飲用純凈水。

3.6.2 模擬結(jié)果

本次代謝模擬試驗(yàn)使用了第二種冷凝水。加濕用飲用純凈水的pH為6.62，電導(dǎo)率為2.85 μs/cm，總有機(jī)碳為0.21 mg/L，比較潔凈。在加濕和冷凝過程中由于吸收了密封艙內(nèi)空氣中和吸水材料中的部分物質(zhì)，冷凝水的成分發(fā)生了較大變化，冷凝水的主要成分檢測(cè)結(jié)果：pH為6.04，電導(dǎo)率為85 μs/cm～102 μs/cm，總有機(jī)碳為49 mg/L～95 mg/L，全鹽量為50 mg/L～60 mg/L，溶解性總固體為57 mg/L～61 mg/L。與載人飛行試驗(yàn)的冷凝水成分進(jìn)行比較，代謝模擬試驗(yàn)冷凝水的電導(dǎo)率、總有機(jī)碳、溶解性總固體和全鹽量等指標(biāo)比載人飛行冷凝水小2～5倍，差別較大，主要原因是代謝模擬試驗(yàn)的冷凝水缺少人體代謝的物質(zhì)。冷凝水成分的差異給水處理裝置性能考核帶來一定的偏差，后續(xù)需開展冷凝水水質(zhì)模型的研究，提供成分真實(shí)合理的冷凝水，滿足水處理功能長(zhǎng)期驗(yàn)證試驗(yàn)的需求。

3.7 尿液

3.7.1 模擬方法

代謝模擬試驗(yàn)中尿處理裝置使用的尿液為地面收集的真實(shí)尿液。通常情況下人體尿液中含有一定量的Ca2+，而微重力環(huán)境下由于骨質(zhì)流失，尿液中的Ca2+濃度會(huì)進(jìn)一步增加，驗(yàn)證尿處理功能時(shí)需考慮Ca2+濃度增加的情況[13]。為真實(shí)考核尿處理裝置的性能，需模擬在軌飛行尿液中的Ca2+含量，代謝模擬試驗(yàn)中通過向收集到的尿液中添加氯化鈣的方式增加Ca2+的濃度，濃度控制在200 mg/L～280 mg/L。

為模擬在軌飛行尿液的理化性能，向收集的尿液中添加純凈水和尿預(yù)處理劑。添加純凈水的目的是模擬在軌收集尿液時(shí)的尿沖洗水，使尿液的濃度真實(shí)。尿預(yù)處理劑具有殺菌消毒和防止沉淀物產(chǎn)生的作用，能夠保持尿液儲(chǔ)存過程中物理化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，添加了尿預(yù)處理劑的尿液pH要求為1～2。

3.7.2 模擬結(jié)果

對(duì)收集的真實(shí)尿液添加氯化鈣和尿預(yù)處理劑后進(jìn)行了指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果為：pH為1.85，Ca2+濃度為230 mg/L，模擬結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

3.8 代謝模擬試驗(yàn)實(shí)施情況

利用代謝模擬試驗(yàn)方法和研制的代謝模擬設(shè)備，先后開展了3次代謝模擬試驗(yàn)(環(huán)控生保系統(tǒng)集成性能試驗(yàn))，持續(xù)時(shí)間分別為408 h、432 h和739 h，驗(yàn)證了環(huán)控生保系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究了密封艙總壓、氧分壓、CO2分壓、溫度、濕度和微量有害氣體等與人生存、生活密切相關(guān)的大氣環(huán)境參數(shù)控制能力，研究了不同空氣溫度、濕度、大氣壓力下的電解制氧性能、CO2去除性能、微量有害氣體去除性能、水處理性能和尿處理性能等，研究了環(huán)控生保系統(tǒng)與各種環(huán)境參數(shù)之間的相互影響作用等。

4 討論

針對(duì)長(zhǎng)期載人飛行環(huán)控生保系統(tǒng)性能、壽命和可靠性等方面的考核需求，代謝模擬試驗(yàn)的作用越來越突顯，有必要進(jìn)一步研究和優(yōu)化試驗(yàn)方法，使試驗(yàn)邊界和試驗(yàn)負(fù)荷更為真實(shí)、有效，更好地滿足環(huán)控生保系統(tǒng)的驗(yàn)證需求，初步考慮在以下兩方面進(jìn)行深入研究。

4.1 冷凝水水質(zhì)模型改進(jìn)

比對(duì)代謝模擬試驗(yàn)冷凝水和在軌飛行冷凝水成分，代謝模擬試驗(yàn)收集到的冷凝水缺少人體代謝的有機(jī)物和無機(jī)物，因而比較潔凈，不利于水處理裝置工作性能的評(píng)價(jià)。為了真實(shí)有效地檢驗(yàn)水處理性能，有必要配置接近于真實(shí)成分的冷凝水，用于水處理裝置的性能測(cè)試，初步設(shè)想如下：

1)對(duì)代謝模擬試驗(yàn)收集的冷凝水進(jìn)行調(diào)配，添加無機(jī)物和有機(jī)物。初步確定添加硝酸鈉和硫酸鉀，增加冷凝水中的硝酸鹽、電導(dǎo)率、溶解性總固體和全鹽量等指標(biāo)，電導(dǎo)率達(dá)到200 μs/cm～500 μs/cm。添加乙醇、乙酸和苯甲醇等有機(jī)物，使總有機(jī)碳達(dá)到220 mg/L～350 mg/L，通過無機(jī)物和有機(jī)物的添加，使冷凝水成分和指標(biāo)與在軌飛行冷凝水接近。

2)國(guó)際空間站美國(guó)艙段在開展水再生與管理系統(tǒng)(WRM)地面試驗(yàn)時(shí)，所使用的冷凝水由人體代謝產(chǎn)生，志愿者在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，人體代謝的濕氣通過冷凝熱交換器冷凝并收集，在收集到的冷凝水中添加一種配置的模擬溶液，使其符合預(yù)期的國(guó)際空間站冷凝水成分。

目前我們正在策劃建立一個(gè)類似的冷凝水收集間，配備跑步機(jī)等運(yùn)動(dòng)器材，安裝溫濕度控制系統(tǒng)和冷凝水收集系統(tǒng)，組織志愿者在收集間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，收集人體產(chǎn)生的冷凝水并提供給水處理裝置使用。根據(jù)收集到的冷凝水成分，確定是否添加相關(guān)無機(jī)物和有機(jī)物，使其更加符合在軌飛行冷凝水的成分。

兩種冷凝水各有優(yōu)點(diǎn)，第一種獲取相對(duì)方便，第二種的成分更為真實(shí)，需根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康拇_定選擇哪種冷凝水模型。

4.2 微量有害氣體負(fù)荷模擬

代謝模擬試驗(yàn)中是按照給定的人體微量有害氣體產(chǎn)生速率將其注入到密封艙內(nèi)的，密封艙內(nèi)有害氣體產(chǎn)生速率為材料釋放疊加了模擬人體釋放，通常達(dá)不到最高允許濃度(SMAC)，考核不到微量有害氣體最大去除能力。后續(xù)代謝模擬試驗(yàn)可以提高微量有害氣體的注入速率，使其濃度達(dá)到SMAC水平，在此濃度水平下考核微量有害氣體去除功能的最大能力。

5 結(jié)論

1)提出了環(huán)控生保系統(tǒng)人體代謝模擬試驗(yàn)方法，滿足長(zhǎng)期飛行任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)性能驗(yàn)證，該方法通過了多次地面試驗(yàn)的檢驗(yàn)，證明試驗(yàn)方法合理有效。

2)通過關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)，有效減少了耗氧模擬過程對(duì)密封艙內(nèi)環(huán)境的影響；采用質(zhì)量反饋閉環(huán)控制方案以及產(chǎn)濕模擬自動(dòng)補(bǔ)水方案，顯著提高了CO2模擬和產(chǎn)濕模擬的精度；采用玻璃鋼假人纏繞加熱絲的方案模擬人體產(chǎn)熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、假人表面溫度均勻性好；分別采用純氣氣瓶-流量控制器方案和液態(tài)污染物的定量環(huán)-載氣驅(qū)動(dòng)-加熱蒸發(fā)的方案，高精度模擬了14種微量有害氣體；采用在地面收集的尿液中添加氯化鈣和尿預(yù)處理劑的方法，模擬了在軌飛行的尿液成分。

3)討論了冷凝水代謝模型和微量有害氣體去除能力試驗(yàn)的改進(jìn)方法，可以提高模擬結(jié)果的真實(shí)性和試驗(yàn)有效性。