楊樂 田林 李志杰 徐小平 李勁東

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

CO2是人體呼吸代謝產(chǎn)物，在封閉狹小的艙外航天服中，若不加以清除或控制，航天服內(nèi)CO2濃度將顯著升高，過高濃度的CO2將對(duì)人體產(chǎn)生不同程度的影響。為確保航天員順利完成出艙任務(wù)，必須使用艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)對(duì)CO2進(jìn)行連續(xù)清除，將CO2濃度控制在對(duì)人體無(wú)害的范圍內(nèi)。艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)一般為背包結(jié)構(gòu)，集成了包括供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、溫濕度控制等眾多分系統(tǒng)[1]，復(fù)雜的集成環(huán)境與應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)CO2清除設(shè)備的體積、質(zhì)量、能耗、散熱、結(jié)構(gòu)等屬性提出了眾多苛刻要求。利用物理/化學(xué)方法清除CO2是載人航天環(huán)控生保技術(shù)的普遍做法，但針對(duì)不同任務(wù)類型，需要在眾多CO2清除方法中評(píng)估并選擇滿足任務(wù)需求的技術(shù)途徑。

等效系統(tǒng)質(zhì)量(Equivalent System Mass，ESM)分析是一種生命保障系統(tǒng)評(píng)估方法，在針對(duì)多任務(wù)類型的生保系統(tǒng)方案評(píng)估中，該方法能夠?qū)⒋u(píng)估技術(shù)方案中的各項(xiàng)參數(shù)如體積、功率、能耗、熱控功率及乘員維護(hù)時(shí)間利用相應(yīng)轉(zhuǎn)換系數(shù)統(tǒng)一折算為質(zhì)量參數(shù)，并基于該參數(shù)進(jìn)行對(duì)比與評(píng)估[2]。

對(duì)于地球軌道應(yīng)用航天器而言，星載電子設(shè)備成本約占項(xiàng)目總預(yù)算50%以上，而載人航天器由于加入了生命保障系統(tǒng)模塊，相應(yīng)降低了電子設(shè)備成本占比，且由于運(yùn)載火箭的發(fā)射成本在載人航天項(xiàng)目預(yù)算中占比相對(duì)較大，而發(fā)射成本直接取決于航天器質(zhì)量，因此美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)將等效系統(tǒng)質(zhì)量分析手段作為一個(gè)系統(tǒng)概念，并不定期發(fā)布并更新生命支持系統(tǒng)基線與假設(shè)值文檔(Life Support Baseline Values and Assumptions Document，BVAD)，從等效系統(tǒng)質(zhì)量分析與建模的角度提供近地軌道空間站、月球(軌道艙、前哨基地、著陸艙)及火星(軌道艙、著陸艙)生命保障系統(tǒng)的設(shè)備參考值，以及分系統(tǒng)、單機(jī)的質(zhì)量等效系數(shù)與計(jì)算方法，以方便技術(shù)人員對(duì)載人航天器生命保障系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)估，尤其是在美國(guó)國(guó)家航空航天局“先進(jìn)生命保障”項(xiàng)目(Advanced Life Support，ALS)的最佳技術(shù)途徑評(píng)估中發(fā)揮著不可取代的作用。但由于等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法本身的限制，在技術(shù)評(píng)估與對(duì)比中，無(wú)法體現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成本、安全性及可靠性等方面指標(biāo)[3]。文獻(xiàn)[4-5]利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，基于月球表面艙外活動(dòng)任務(wù)，比較了幾種艙外航天服熱控技術(shù)，包括水升華器、水膜蒸發(fā)器、電致變色散熱器及相變材料。文獻(xiàn)[6]利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，比較了地球攜帶食物補(bǔ)給和受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件就地生產(chǎn)兩種補(bǔ)給模式的優(yōu)劣。

本文在對(duì)LiOH罐、金屬氧化物及快速循環(huán)胺3種艙外航天服CO2清除系統(tǒng)概述的基礎(chǔ)上，對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)等效質(zhì)量分析，結(jié)合月球表面及火星表面艙外活動(dòng)任務(wù)模式，計(jì)算了多周期下等效質(zhì)量并分析了影響最終數(shù)值的敏感量，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果選擇了不同任務(wù)模式下最佳CO2清除設(shè)備，同時(shí)對(duì)等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法的使用進(jìn)行了總結(jié)，旨在為我國(guó)載人航天任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)提供一種針對(duì)多個(gè)待選技術(shù)的有效參考評(píng)估方法。

1 CO2代謝及清除需求分析

1.1 CO2清除需求分析

CO2是人體呼吸代謝量最多的氣體，正常軌道飛行時(shí)，除體育鍛煉及應(yīng)急故障處理等工況，航天員處于正常軌道飛行且清醒狀態(tài)時(shí)，活動(dòng)等級(jí)介于靜息和輕度活動(dòng)范圍，此時(shí)代謝水平介于1.3～2.1 kcal/min之間，每天約排出1 kgCO2。而出艙活動(dòng)平均代謝水平則為3.3～4.4 kcal/min，較正常軌道飛行增加約2倍，而與代謝率增長(zhǎng)同時(shí)，耗氧量與CO2排出率也呈相應(yīng)比例升高。將美俄載人航天飛行出艙活動(dòng)平均代謝數(shù)據(jù)與地面代謝數(shù)據(jù)相比，出艙活動(dòng)平均代謝水平相當(dāng)于重度體力勞動(dòng)(3.9～4.49 kcal/min)，而出艙活動(dòng)的代謝峰值則可達(dá)極重代謝負(fù)荷，其中美國(guó)航天員為8.3 kcal/min，俄羅斯航天員為9.9～13 kcal/min，俄羅斯航天員代謝負(fù)荷較高的主要原因是其艙外航天服以硬式或半硬式為主，內(nèi)部充氣壓力高達(dá)40 kPa，而美國(guó)艙外服以軟式為主，內(nèi)部充壓約29 kPa左右，因此俄羅斯航天員著服操作時(shí)需克服服裝壓力做功更多，代謝水平也相應(yīng)更高。出艙活動(dòng)能量代謝較高主要與出艙任務(wù)本身特點(diǎn)有關(guān)，其主要影響因素包括肌肉活動(dòng)增多、心理應(yīng)激與艙外航天服內(nèi)環(huán)境溫度較高等。

為明確CO2清除設(shè)備代謝需求，需要結(jié)合人體代謝率及耗氧量數(shù)據(jù)對(duì)出艙活動(dòng)狀態(tài)下人體CO2代謝量進(jìn)行估算，人體O2消耗量和CO2排出率是進(jìn)行航天服生命保障系統(tǒng)調(diào)壓供氧、氣體凈化和確定航天服通風(fēng)量參數(shù)需用的關(guān)鍵生理學(xué)能量代謝參數(shù)。人體O2消耗量與人體新陳代謝率有關(guān)(見表1)，在人體代謝產(chǎn)熱率為120 W時(shí)，O2消耗量為0.34 L/min；代謝率為523 W時(shí)，O2消耗量上升至1.49 L/min，按照蘇聯(lián)/俄羅斯1965—1991年航天員出艙活動(dòng)資料，當(dāng)人體平均代謝率為300 W時(shí)，O2消耗量為0.9 L/min[7]。

表1 人體代謝率與耗氧量

已知某一代謝水平情況下的人體O2消耗量時(shí)，可依據(jù)該代謝水平時(shí)的呼吸熵參考值估算CO2排出率，反之，已知CO2排出率，亦可反推O2消耗量。

已知艙外活動(dòng)平均代謝水平為3.3～4.4 kcal/min，約為正常軌道代謝水平3倍，峰值代謝水平更高，為正常軌道代謝水平4～5倍，由此可知其CO2排出率也相應(yīng)比例增加，平均排出率達(dá)到126.88 g/h，峰值排出率為211 g/h。按照一次出艙活動(dòng)8 h計(jì)，清除總量約為1.02 kgCO2，因此相應(yīng)CO2清除設(shè)備的清除速率及8 h清除總量應(yīng)不小于上述指標(biāo)。

1.2 CO2清除技術(shù)概述

基于LiOH化學(xué)吸收原理的CO2清除技術(shù)在人類首次載人航天任務(wù)中就得到了應(yīng)用。LiOH能夠與空氣中的水結(jié)合生成LiOH·H2O，并與CO2反應(yīng)生成Li2CO3，并釋放大量熱量，最終以化學(xué)反應(yīng)的方式將氣態(tài)CO2固化，經(jīng)過多年發(fā)展，其應(yīng)用已非常成熟，被用于絕大部分已有的艙外航天服及航天器環(huán)控生保系統(tǒng)；但LiOH是一次性消耗品，耗盡后需重現(xiàn)填裝，對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)多次EVA，需要攜帶大量一次性LiOH罐，占用大量上行資源，因此各國(guó)相繼開發(fā)可再生式CO2清除技術(shù)[8]。

金屬氧化物技術(shù)(Metal Oxide，MetOx)是一種主要應(yīng)用于艙外航天服的可再生式CO2清除技術(shù)，2000年開始應(yīng)用于國(guó)際空間站艙外航天服。金屬氧化物罐可以同時(shí)清除服內(nèi)CO2與水蒸氣，但無(wú)論是罐體本身還是空間站內(nèi)的回收裝置質(zhì)量都比較大，而且回收過程耗能巨大且耗時(shí)較長(zhǎng)[9]。

快速循環(huán)胺技術(shù)(Rapid Cycle Amine，RCA)是美國(guó)針對(duì)“星座計(jì)劃”先進(jìn)環(huán)控生保系統(tǒng)發(fā)展的一種可再生式CO2清除技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展至第三代產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)CO2、水蒸氣同步清除。吸附劑利用真空環(huán)境即時(shí)再生，能耗較低且質(zhì)量較小，目前已通過一系列地面驗(yàn)證試驗(yàn)，2019年10月美國(guó)國(guó)家航空航天局公布的新一代艙外航天服(X-EMU)就采用了這一技術(shù)[10]。

針對(duì)出艙活動(dòng)對(duì)艙外服內(nèi)CO2清除的功能需求，對(duì)3種CO2清除方法進(jìn)行了調(diào)研并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了匯總，見表2[11-16]。近年來全球航天活動(dòng)持續(xù)深入，人類探索的目標(biāo)逐漸向地外行星延伸，隨著我國(guó)空間站建立以及載人月球探測(cè)任務(wù)的逐步實(shí)施，載人月球探測(cè)開發(fā)以及載人火星探測(cè)均是未來載人探測(cè)的主要發(fā)展方向。

表2 3種CO2清除裝置指標(biāo)比對(duì)

2 系統(tǒng)質(zhì)量等效計(jì)算方法

作為一種評(píng)估方法，等效系統(tǒng)質(zhì)量是指將待評(píng)估有效載荷的不同的性能特征和規(guī)格轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的、可量化的質(zhì)量度量，即將體積(V)、功率(P)、熱控系統(tǒng)功率(C)及乘員時(shí)間(T)等指標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單位，并計(jì)算載荷工作周期內(nèi)消耗品質(zhì)量及體積損耗，從而獲得該載荷的等效質(zhì)量，等效質(zhì)量最小則意味該載荷在工作周期內(nèi)的潛在經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

SESM=MS+VSrv+(MC+VCrv+Prp+

Crc+Trt)×N

(1)

式中：SESM為等效質(zhì)量和；MS與VS分別為待選設(shè)備的質(zhì)量與體積，每次使用時(shí)不會(huì)消耗；MC和VC是每次進(jìn)行出艙活動(dòng)時(shí)所需消耗品的質(zhì)量與體積；P是設(shè)備功率；C是熱控系統(tǒng)功率；T是每次出艙期間對(duì)該設(shè)備的操作與維護(hù)時(shí)間；N是任務(wù)期間所執(zhí)行的8 h出艙活動(dòng)次數(shù)；rv、rp、rt、rc表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，rv單位為kg/m3，rc單位為h/kg，rp和rt單位為kg/kW，作用是將設(shè)備體積、功率等非質(zhì)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為等效質(zhì)量，再添加到最終等效質(zhì)量中。(本文中使用的轉(zhuǎn)換參數(shù)來源于NASA于2018年發(fā)布生命支持系統(tǒng)基線與假設(shè)值文檔中的載人航天器生保系統(tǒng)，雖然該文檔中未體現(xiàn)出艙活動(dòng)相關(guān)設(shè)備硬件轉(zhuǎn)換參數(shù)，但艙外航天服與航天器2種生保系統(tǒng)的底層計(jì)算模式類似，因此本文使用此相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù))。

將分別從CO2清除設(shè)備的體積、功率、熱控系統(tǒng)功率及乘員時(shí)間等4個(gè)角度，結(jié)合月球及火星表面出艙任務(wù)的相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)，計(jì)算2種任務(wù)模式下，3種CO2清除設(shè)備的等效質(zhì)量。

2.1 體積等效

體積轉(zhuǎn)換系數(shù)主要考慮了地球與應(yīng)用場(chǎng)景的距離及是否充壓兩方面因素，航行距離越遠(yuǎn)，所耗費(fèi)推進(jìn)劑質(zhì)量越多，因此轉(zhuǎn)換系數(shù)越高。載人飛船軌道艙與返回艙均為充壓結(jié)構(gòu)，而貨運(yùn)飛船部分艙段為非充壓結(jié)構(gòu)，充壓結(jié)構(gòu)由于密封性要求結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，因此推進(jìn)劑消耗更多，轉(zhuǎn)換系數(shù)也越高。艙外航天服內(nèi)為密閉充壓環(huán)境，且在運(yùn)輸過程中全程處于充壓艙內(nèi)，因此按照充壓體積計(jì)算，分別取133.1 kg/m3及215.5 kg/m3，見表3[2]。

表3 兩種任務(wù)模式下體積轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.2 設(shè)備功率等效

等效功率轉(zhuǎn)換系數(shù)取決于設(shè)備的電力系統(tǒng)類型，包括發(fā)電系統(tǒng)、電力存儲(chǔ)、系統(tǒng)部署位置等，發(fā)電效率越低，系統(tǒng)質(zhì)量越大，系統(tǒng)部署位置越遠(yuǎn)，其等效功率轉(zhuǎn)換系數(shù)越高。由于應(yīng)用于中長(zhǎng)期載人航天任務(wù)的核能發(fā)電及儲(chǔ)電技術(shù)尚不成熟，許多參數(shù)為理論推算值，太陽(yáng)能光伏(無(wú)儲(chǔ)能)由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靠性高，應(yīng)用較廣泛，因此選取太陽(yáng)能光伏(無(wú)儲(chǔ)電)轉(zhuǎn)換系數(shù)，見表4[2]。

表4 兩種任務(wù)模式下設(shè)備功率轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.3 熱控系統(tǒng)功率等效

熱控系統(tǒng)功率是指設(shè)備運(yùn)行期間由于設(shè)備散熱對(duì)熱控系統(tǒng)所造成的熱負(fù)荷，轉(zhuǎn)換系數(shù)取決于熱控系統(tǒng)構(gòu)型，其數(shù)值大小與熱控系統(tǒng)部署位置、結(jié)構(gòu)質(zhì)量及傳熱效率相關(guān)。

LiOH罐工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱，其反應(yīng)如下

2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O

(2)

按照8 h艙外活動(dòng)期間需清除1.02 kg CO2計(jì)算，釋放2072.54 kJ熱量，熱控系統(tǒng)功率為71.96 W。

金屬氧化物設(shè)備運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生熱量，但其再生反應(yīng)時(shí)，需利用加熱空氣通入罐體內(nèi)，將整個(gè)罐體加熱至204 ℃或略高，高溫會(huì)降低金屬氧化物吸附劑的吸附量，使CO2與其他微量氣體緩慢釋放，此過程維持約10 h，再生器最大瞬時(shí)功率約為1.5 kW，單次再生過程約耗費(fèi)10 kW·h電能。按照平均加熱功率1 kW，97%熱效率計(jì)算，熱控系統(tǒng)功率為970 W。2種任務(wù)模式的熱控措施均為輕質(zhì)流體回路+輻冷器，見表5[2]。

表5 2種任務(wù)模式下熱控系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.4 乘員時(shí)間等效

乘員時(shí)間是指航天員對(duì)生保系統(tǒng)的維護(hù)、修理時(shí)間等，由于該指標(biāo)難以調(diào)研，故按照0.5 kg·人-1h-1代入后續(xù)計(jì)算。月面出艙位置選擇月面行走，火星表面出艙選擇較近的火星著陸器，分別為15.66 kg·人-1h-1及0.94 kg·人-1h-1代入后續(xù)計(jì)算，見表6[2]。

表6 2種任務(wù)模式下設(shè)備乘員時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.5 等效系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)算匯總

根據(jù)2.1～2.4節(jié)所選取等效轉(zhuǎn)換系數(shù)及表2設(shè)備參數(shù)，按照式1計(jì)算方法，將3種CO2清除設(shè)備在月球表面及火星表面單次艙外活動(dòng)等效質(zhì)量進(jìn)行了計(jì)算與匯總，等效系統(tǒng)質(zhì)量越低，則認(rèn)為該待選技術(shù)更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，發(fā)射成本越低。如表7及表8所示。

表7 月球表面3種設(shè)備的等效質(zhì)量

表8 火星表面3種設(shè)備的等效質(zhì)量

由表7與表8可知，對(duì)于單次月面艙外活動(dòng)，金屬氧化物等效質(zhì)量數(shù)值遠(yuǎn)高于其他兩種技術(shù)途徑，其再生器功率及再生過程中對(duì)熱控系統(tǒng)造成過高熱負(fù)荷是主要原因，金屬氧化物CO2清除設(shè)備主要應(yīng)用于國(guó)際空間站航天員的出艙活動(dòng)，再生器布置于空間站內(nèi)，航天員每次執(zhí)行艙外活動(dòng)任務(wù)后，將金屬氧化物罐從艙外服背包內(nèi)取出放入再生器內(nèi)進(jìn)行加熱等再生流程，這一過程中電源及熱控系統(tǒng)功能由位于近地軌道的國(guó)際空間站提供，其相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)低于月表及火星表面，等效質(zhì)量和也隨之較低；而快速循環(huán)胺系統(tǒng)再生依靠外部真空環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)完成，不需借助額外再生裝置，過程中僅消耗部分電能，其等效質(zhì)量和隨部署位置變化相對(duì)較??；LiOH罐作為非再生式設(shè)備，每次出艙活動(dòng)需更換消耗品，且LiOH與CO2反應(yīng)會(huì)釋放部分反應(yīng)熱，因此單次出艙活動(dòng)等效和高于快速循環(huán)胺。因此在不同任務(wù)場(chǎng)景下，熱控系統(tǒng)功率可能成為敏感系數(shù)，在待選技術(shù)評(píng)估中應(yīng)盡量避免熱功率及熱控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)過高的技術(shù)途徑。

3 多任務(wù)模式ESM分析

3.1 月球表面艙外活動(dòng)ESM分析

由表7可知，航天員在月球表面分別使用LiOH罐、金屬氧化物及快速循環(huán)胺作為CO2清除方法，完成1次艙外活動(dòng)的等效質(zhì)量和為32.87 kg、278.72 kg及16.52 kg，MetOx作為一種可再生式清除方法，在沒有消耗品的情況下等效質(zhì)量明顯高于其他方法初步分析原因是設(shè)備及再生設(shè)備的質(zhì)量與體積較大，在僅完成1次出艙活動(dòng)的任務(wù)規(guī)模評(píng)估中無(wú)法體現(xiàn)再生式方法的優(yōu)勢(shì)，將分別計(jì)算5、25及125次艙外活動(dòng)中3種方法的等效質(zhì)量和。計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 月球表面3種設(shè)備不同任務(wù)規(guī)模艙外活動(dòng)等效質(zhì)量

如圖1所示，金屬氧化物在所有任務(wù)規(guī)模下，等效質(zhì)量和都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他2種清除方法，在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，造成該結(jié)果的主要原因是金屬氧化物再生時(shí)功率高達(dá)1 kW，且大部分功耗通過電阻絲轉(zhuǎn)化為熱量用于再生金屬氧化物罐體，對(duì)航天器熱控系統(tǒng)造成大量熱負(fù)荷，最終大幅提高航天器電源及熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模，進(jìn)而增加了功率等效質(zhì)量及散熱等效質(zhì)量。但對(duì)于近地軌道空間站，由于其較大的電源及熱控系統(tǒng)容量，以及相對(duì)較低的等效系數(shù)，金屬氧化物方法可能具有一定優(yōu)勢(shì)。

圖1 月球表面3種設(shè)備不同任務(wù)規(guī)模艙外活動(dòng)等效質(zhì)量趨勢(shì)圖

3.2 火星表面艙外活動(dòng)等效系統(tǒng)質(zhì)量分析

與月球表面艙外活動(dòng)分析方法相同，根據(jù)表8可知，航天員完成1次艙外活動(dòng)的等效質(zhì)量和為22.57 kg、332.17 kg及11.52 kg。由于火星表面部署電源系統(tǒng)代價(jià)更高，因此對(duì)于需要高功率代價(jià)完成再生的金屬氧化物在火星表面完成1次艙外活動(dòng)的等效質(zhì)量比月球表面更高。表10及圖2總結(jié)了5、25及125次火星表面艙外活動(dòng)中3種方法的等效質(zhì)量和。

表10 火星表面3種設(shè)備不同任務(wù)規(guī)模艙外活動(dòng)等效質(zhì)量

圖2 火球表面3種設(shè)備不同任務(wù)規(guī)模艙外活動(dòng)等效質(zhì)量趨勢(shì)圖

與月球表面艙外活動(dòng)等效質(zhì)量和趨勢(shì)類似，金屬氧化物等效質(zhì)量依然遠(yuǎn)高于其他兩種清除方法。作為一種不可再生的CO2清除方法，由于功率及熱控系統(tǒng)功率相對(duì)較低，LiOH罐的等效質(zhì)量依然具備一定優(yōu)勢(shì)；快速循環(huán)胺方法由于其可再生性及利用真空環(huán)境完成再生的優(yōu)勢(shì)，使其質(zhì)量、體積、功率等指標(biāo)均占有優(yōu)勢(shì)，在兩種艙外活動(dòng)模式下等效質(zhì)量和最小，因此其潛在經(jīng)濟(jì)性最佳。

作為等效系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)估體系下優(yōu)勢(shì)明顯的固態(tài)胺技術(shù)得到了美國(guó)航空航天局的持續(xù)支持，相繼研發(fā)了應(yīng)用于多種使用場(chǎng)景下，基于固態(tài)胺材料的CO2吸附裝置，如“獵戶座”飛船的CO2與水蒸氣清除胺搖擺床(CO2and moisture removal amine swing-bed，CAMRAS)，該裝置2013年搭載國(guó)際空間站完成了空間測(cè)試，以取代不可再生的LiOH罐[17]；針對(duì)未來火星載人探測(cè)任務(wù)研發(fā)了溫度搖擺吸附系統(tǒng)(Temperature Swing Adsorption，TSA)，其技術(shù)原理與快速循環(huán)胺相似，由于火星表面CO2濃度較高，壓力解吸效率低，故其解吸方式為加熱解吸[18]；而快速循環(huán)胺技術(shù)本身已應(yīng)用于美國(guó)下一代才外航天服(X-EMU)，以取代目前的金屬氧化物技術(shù)。

4 結(jié)論

通過月球及火星表面艙外活動(dòng)CO2清除方法等效系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)比與評(píng)估，得出以下結(jié)論：

(1)在某些任務(wù)場(chǎng)景下，部分再生式環(huán)控技術(shù)在全周期使用中，其等效質(zhì)量可能超過非再生式技術(shù)，造成該結(jié)論的主要原因在于再生設(shè)備的再生過程功率及散熱功率過高，大幅提高了功率等效質(zhì)量及散熱功率等效質(zhì)量，進(jìn)而提升了載人深空探測(cè)器的電源與熱控分系統(tǒng)部署規(guī)模。

(2)快速循環(huán)胺作為一種可再生式CO2清除方法，由于其依靠外部真空環(huán)境實(shí)現(xiàn)再生，因此極大降低了消耗品質(zhì)量、體積以及相應(yīng)再生功率與散熱功率，是一種具備潛在經(jīng)濟(jì)性的再生式環(huán)控生保技術(shù)。

(3)等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法本身優(yōu)勢(shì)在于將環(huán)控生保技術(shù)各接口關(guān)系通過等效系數(shù)轉(zhuǎn)化完成了量化評(píng)估，數(shù)值結(jié)果較精確使最終評(píng)估結(jié)論更直觀；線性計(jì)算方法使多種待選技術(shù)在多周期、不同任務(wù)場(chǎng)景下的評(píng)估過程更加標(biāo)準(zhǔn)、簡(jiǎn)潔；通過設(shè)備體積、功率、散熱等多個(gè)維度等效轉(zhuǎn)化，能夠較充分計(jì)算設(shè)備在運(yùn)行周期內(nèi)質(zhì)量“代價(jià)”，即設(shè)備本身、相關(guān)接口系統(tǒng)及消耗品的發(fā)射成本，從而評(píng)估設(shè)備的潛在經(jīng)濟(jì)性。

本文在調(diào)研3種艙外航天服CO2清除技術(shù)硬件及等效系統(tǒng)質(zhì)量方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合月球與火星表面載人探測(cè)任務(wù)，利用等效系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)算對(duì)比了3種方法的相關(guān)等效參數(shù)，評(píng)估了不同任務(wù)模式下技術(shù)適應(yīng)性與潛在經(jīng)濟(jì)性，為我國(guó)載人航天總體方案論證方法提供新思路。