管春磊（中國航天員科研訓(xùn)練中心）

1 引言

載人航天裝備研制過程中，以航天器環(huán)境控制與生命保障裝備為典型代表的技術(shù)是空間站和深空載人航天器最為核心的技術(shù)之一，其裝備的發(fā)展速度和成熟度必將牽制總體工程研制的發(fā)展速度，也直接關(guān)系到執(zhí)行飛行任務(wù)航天員的生命安全。近些年，隨著世界航天大國紛紛將目光瞄準近地軌道以遠的月球和深空，以美國為代表的國家持續(xù)推動與之相關(guān)的“環(huán)境控制與生命保障技術(shù)”（ECLSS，簡稱“環(huán)控生保技術(shù)”），并進行“國際空間站”（ISS）在軌驗證和地面測試。2019 年美國“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃發(fā)布后，更加促進了地月空間和火星載人探索任務(wù)的“環(huán)控生保”創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)，技術(shù)差距識別和發(fā)展路徑不斷升級細化。

2 總體發(fā)展規(guī)劃

按照2021 年美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布的規(guī)劃，ISS 仍然是“探索級”（地月和火星級）技術(shù)驗證選擇的主要測試平臺，并將輔之以地面測試和地面模擬，從而確定技術(shù)可靠性和有待改進的領(lǐng)域。早期的重返月球“阿爾忒彌斯”任務(wù)將主要使用非再生式“環(huán)控生保系統(tǒng)”，因為最初的月球表面停留持續(xù)時間很短，僅為7 天。“深空門戶”（DSG）地月空間站建造期間和之后，開始最初的短期表面探測任務(wù)。更遠期持續(xù)的月球和火星表面任務(wù)是間歇有人駐留的（需要考慮“環(huán)控生保系統(tǒng)”在休眠期的穩(wěn)定性），單獨一次持續(xù)的月球表面任務(wù)規(guī)劃為30 天，配有適應(yīng)部分重力的部分再生式“環(huán)控生保系統(tǒng)”。最初的火星任務(wù)持續(xù)時間規(guī)劃也是30 天，往返火星路途的飛行任務(wù)和長期火星表面駐留任務(wù)將需要更高閉合度的“環(huán)控生保系統(tǒng)”，從而節(jié)省發(fā)射質(zhì)量并顯著降低對水和大氣等物資的消耗。

2019 年，NASA 發(fā)布了2016——2024 年 在ISS上開展的探索級“環(huán)控生保技術(shù)”在軌驗證路線圖。2021 年發(fā)布的“環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)-乘員健康和績效（ECLSS-CHP）探索居住系統(tǒng)所需能力路線圖”則勾勒出了近地軌道、地月空間、月球表面、火星往返和火星表面探索的技術(shù)演進概況。

目前，NASA 已將探索級技術(shù)開發(fā)的領(lǐng)導(dǎo)權(quán)授予了“環(huán)控生保系統(tǒng)能力領(lǐng)導(dǎo)小組”（SCLT），權(quán)限已擴大到對乘員健康和績效（CHP）的指導(dǎo)?！碍h(huán)控生保系統(tǒng)”與乘員健康和績效相結(jié)合，使人與系統(tǒng)交互分析和技術(shù)之間的協(xié)同更為緊密。SCLT 小組將探索級技術(shù)分為生命保障、環(huán)境監(jiān)測、后勤、火災(zāi)安全四大能力領(lǐng)域。本文將圍繞這四大能力領(lǐng)域，對其最新進展進行概述。

探索開發(fā)可持續(xù)的人類居住系統(tǒng)路線圖（2021年版）

3 生命保障能力領(lǐng)域

生命保障能力領(lǐng)域包括大氣管理、水管理、廢物管理三項能力。大氣管理包括二氧化碳去除、二氧化碳還原、制氧、顆粒物去除和微量污染物控制等技術(shù)。NASA 及其合作伙伴在二氧化碳去除方面處于不同的開發(fā)階段，包括使用熱胺、二氧化碳沉積、液態(tài)胺、離子液體和金屬有機骨架去除二氧化碳。目前開發(fā)的技術(shù)包括改進目前ISS 上使用的Sabatier 二氧化碳還原裝置，開發(fā)更有效的Bosch 還原技術(shù)，也正在開發(fā)一種無需當前還原和制氧設(shè)備的基于電化學的新型技術(shù)。制氧技術(shù)目前正在致力于提高當前系統(tǒng)的可靠性，還開發(fā)一種靜態(tài)蒸汽供給電解替代性技術(shù)。顆粒物去除技術(shù)目前的開發(fā)集中在渦旋過濾器技術(shù)，正在進行設(shè)計和地面測試。目前正在升級當前使用的微量污染物控制吸附劑，并進行一種新型催化氧化劑設(shè)計，已經(jīng)進行了一年多的壽命試驗。

水管理側(cè)重于廢水（冷凝水和尿液）處理、尿液殘液處理和消毒/微生物控制。目前正在投資升級現(xiàn)用尿處理器，此外也在升級水處理器催化反應(yīng)器密封件，2020 年已經(jīng)向ISS 運送了升級組件。作為下一代生物水處理器，得克薩斯理工大學用“膜曝氣生物膜反應(yīng)器”（MABR）完成了3 年期休眠和碳氫化合物負載研究。2021 年春天，NASA 向ISS 發(fā)射了殘液處理器組件，進行技術(shù)演示。消毒/微生物控制技術(shù)方面，目前繼續(xù)測試一種主動銀電解裝置，還在研究使用受控釋放的銀浸漬泡沫的被動銀配給。

廢物管理在廢物收集、儲存、處理和/或丟棄方面，通過新型緊湊型馬桶來實現(xiàn)，技術(shù)目標是裝置的安裝質(zhì)量<70kg，體積<0.34m。新的太空廁所——“通用廢物管理系統(tǒng)（UWMS）”于2020 年底發(fā)射，并于2021 年中期啟動。廢物再生的目標是獲得再生糞便中80%以上的可用水分，南佛羅里達大學正在開發(fā)一種“厭氧膜反應(yīng)器”（AnMBR），用于處理糞便和食物垃圾。

4 環(huán)境監(jiān)測能力領(lǐng)域

環(huán)境監(jiān)測能力領(lǐng)域包括提供持續(xù)實時數(shù)據(jù)所需的技術(shù)，以便監(jiān)測居住艙環(huán)境的即時健康狀況。環(huán)境監(jiān)測項目包括：微生物、大氣、噪聲、水和微粒監(jiān)測。

生命保障系統(tǒng)在軌測試設(shè)備

微生物監(jiān)測能力方面，2017 年公布了使用MinION DNA 測序儀，并完成了微生物群的太空DNA 測序（非培養(yǎng)式測序），2019 年驗證新型設(shè)備，并提高MinION 易用性，2020 年開始Innovaprep ISS 智能采樣濃縮器測試。大氣監(jiān)測能力方面，升級版主成分分析儀“多平臺大氣監(jiān)測儀”通過了關(guān)鍵設(shè)計評審和安全評審，微量氣體監(jiān)測儀“航天器大氣監(jiān)測儀”完成系統(tǒng)設(shè)計評審和試驗艙測試，2019 年送往ISS。正在進行目標氣體監(jiān)測儀“下一代燃燒產(chǎn)物監(jiān)測儀——異常氣體分析儀”和“甲醛氣體光學監(jiān)測儀”研制和測試。噪聲監(jiān)測能力主要是“下一代聲環(huán)境監(jiān)測儀Svantek 120”于2018 年開始在軌測試。水監(jiān)測能力則正在設(shè)計制造小型總有機碳分析儀“miniTOCA”，目標在2023 年交付飛行件。微粒監(jiān)測能力方面，2020 年11 月空氣微粒監(jiān)測器（APM）開始在ISS 運行，已被部署到ISS 美國實驗室艙、節(jié)點1、節(jié)點2 和節(jié)點3 艙段的7 個不同位置，并在那里持續(xù)運行，提供經(jīng)常性的微粒計數(shù)數(shù)據(jù)，顯示與不同在軌活動相關(guān)的微粒濃度日變化和峰值。2021 年12 月啟動的ISS 氣溶膠監(jiān)測器技術(shù)演示中，將有3 個獨立的微型氣溶膠監(jiān)測器，有不同大小入口可供選擇，可以測量直徑≤2.5μm、≤4μm 和≤10μm 的微粒質(zhì)量濃度，該技術(shù)為未來登月任務(wù)艙內(nèi)月塵微粒污染的常規(guī)化、精細化監(jiān)測，提供了技術(shù)選項和基礎(chǔ)。

5 后勤能力領(lǐng)域

對于探索任務(wù)來說，后勤能力領(lǐng)域需要具備的是物資跟蹤、位置分配、衣物處理、包裝和垃圾處理能力，目前開展了智能化、自主式后勤管理技術(shù)測試，以及多用途免拋棄包裝材料和垃圾壓實和處理系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)。

物資跟蹤技術(shù)方面，2017 年開始，在ISS 上開展射頻識別技術(shù)支持的自主后勤管理（REALM-1/2/3）系列實驗。REALM-1 中，6個射頻識別閱讀器連接在ISS 的3 個艙段的4 個電線上，不間斷監(jiān)測標記物品，并有效地提供了數(shù)百件遺失物品的大致位置，識別錯誤裝入返回貨物中的物品，以及庫存數(shù)據(jù)庫錯誤。2019 年開始的REALM-2 實驗，將RFID 閱讀器和4 個天線安裝在“太空蜜蜂”（Astrobee）自由飛行站務(wù)機器人上，由于高效移動性，將后勤識別覆蓋范圍擴展到非儀器區(qū)域。2021 年進行的REALM-3 實驗，通過機器學習，提高系統(tǒng)的復(fù)雜事件處理的能力。

ISS 正在開展“自主后勤管控”系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)，基于機器人自主判斷、分配和移動艙內(nèi)貨物。2020年開始通過人形機器人-2（Robonaut-2）和“太空蜜蜂”開展ISS 在軌測試。

服裝約占乘員補給的25%，減少補給量是探索任務(wù)的重點。ISS 正在開發(fā)先進的耐穿服裝和衣物翻新/衛(wèi)生等技術(shù)，以及與一次性衣物的權(quán)衡比較，確定盈虧平衡點。ISS 還在開發(fā)低水洗衣方法，其中包括正在開發(fā)的原位過氧化氫發(fā)生器，使用回收水產(chǎn)生的過氧化氫在軌道上濕潤家用消毒濕巾，從而減少發(fā)射質(zhì)量。

人形機器人-2 正在測試自主移動艙內(nèi)貨物轉(zhuǎn)運袋

為了避免包裝浪費，ISS 目前正致力于多用途無拋棄包裝技術(shù)研發(fā)，研制的“多用途貨包”，可重新配置為“降噪毯”，降低跑步機噪聲，不需要工具可拆卸。垃圾處理則于2019 年開始進行“垃圾壓實和處理系統(tǒng)”（TCPS）研發(fā)，內(nèi)華達山脈和柯林斯公司兩套系統(tǒng)都實現(xiàn)了NASA 的目標，壓縮生成的“垃圾磚”水活性小于0.6，水再生率大于90%。ISS 目前正在使用兩家公司的技術(shù)，以開發(fā)第二代系統(tǒng)。

6 火災(zāi)安全能力領(lǐng)域

截至目前，在軌火災(zāi)事件已發(fā)生13 次。除2 次外，其余都是有限持續(xù)時間的過熱或電短路事件。最嚴重的航天器火災(zāi)事件是由電解制氧設(shè)備引發(fā)的明火，需要乘組積極干預(yù)才能撲滅。該類型事件表明，火災(zāi)安全是探索航天器需要重點關(guān)注的一個領(lǐng)域?；馂?zāi)安全領(lǐng)域被劃分為4 個能力，分別為：材料易燃性、火災(zāi)探測、滅火和火災(zāi)后清理。

“航天器火災(zāi)”（Saffire）系列實驗是航天器火災(zāi)安全的主要差距彌補工作之一。在諾格公司的“天鵝座”（Cygnus）飛船裝滿垃圾并離開ISS 之后，通過在飛行途中進行相對大規(guī)模的火災(zāi)安全實驗，從而彌補該領(lǐng)域的技術(shù)差距。航天器火災(zāi)-I、II 和III 實驗于2016——2017 年進行，第一次使用大規(guī)模取樣來研究材料易燃性和火勢增長情況。航天器火災(zāi)-IV、V 和VI 實驗擴大了“航天器火災(zāi)”的初始能力，并在高氧濃度和低大氣壓力下進行測試。航天器火災(zāi)-IV 和V 實驗已經(jīng)分別于2020 年5 月和2021 年1 月完成。航天器火災(zāi)-IV 和V 實驗的幾個重要觀測結(jié)果是：①固體上的火焰可以在靜止低重力環(huán)境下存在很長時間，特別是在升高氧氣濃度的情況下；②即使火焰不在物體材料上傳播，物體表面上的薄層結(jié)構(gòu)也可以傳播火焰；③如果材料被充分預(yù)熱，火焰可以在易燃材料之間跳躍。本系列實驗的目標之一是獲得火災(zāi)對航天器影響的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)正被用于驗證未來航天器火災(zāi)情景建模方法。

NASA 計劃開展更多的“航天器火災(zāi)”實驗，以量化更復(fù)雜的火災(zāi)安全場景，如：探測筆記本電腦中鋰離子電池的熱失控造成的火災(zāi)并進行滅火，以及隨后的大氣凈化。這將是對一種危險的航天器火災(zāi)安全反應(yīng)的端到端測試，期間還將使用計劃用于探索任務(wù)的最新火災(zāi)安全技術(shù)。

7 經(jīng)驗和啟示

（1）持續(xù)細化整體戰(zhàn)略規(guī)劃，推動關(guān)鍵能力技術(shù)的成熟化發(fā)展

近幾年，美國在NASA 總體發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，對探索“環(huán)控生保系統(tǒng)”四大能力領(lǐng)域覆蓋技術(shù)進行了調(diào)整和進一步細化。技術(shù)研制和測試重點分階段進行，2018 年和2019 年，更多的重點放在了深空門戶空間站上使用的技術(shù)，2020 年和2021 年則著眼于長期月面駐留和火星往返飛行。通過激勵企業(yè)創(chuàng)新和開展國際合作，不斷提高以下技術(shù)的成熟度：一是使用能夠進行智能化自主監(jiān)測和控制管理，并易于乘組維護的高可靠性處理程序和綜合系統(tǒng)；二是通過生命保障必需品再生和生產(chǎn)（如：氧氣、水等），提高自給自足能力；同時實現(xiàn)廢物的資源化利用，減少存儲的體積及其對環(huán)境的影響；三是將后勤補給最小化，以減少備件、維護設(shè)備和其他需要占用存儲空間的物品總質(zhì)量。

（2）ISS 和后續(xù)低地球軌道平臺的長期測試，對于驗證探索級技術(shù)至關(guān)重要

在ISS 驗證的生命保障技術(shù)計劃分為兩大類：一是ISS 現(xiàn)有“最先進”系統(tǒng)硬件的升級；二是設(shè)計并制造結(jié)合不同技術(shù)的新設(shè)備。ISS 同時具備微重力、真實的人類復(fù)雜廢物流、真實的航天器密閉大氣環(huán)境，這些特征目前在其他地方模擬不了。另一個優(yōu)勢是ISS 能夠把所有“環(huán)控生保子系統(tǒng)”集成在一起，了解其在相關(guān)環(huán)境下正常和非正常運行期間的相互作用特點。當前NASA 正在ISS 建立一個集成的探索級ECLSS 測試床，其中每個子系統(tǒng)向相關(guān)的下游系統(tǒng)提供必要的產(chǎn)物，與實現(xiàn)火星往返飛行任務(wù)所需的功能相匹配。ISS 平臺能夠提供技術(shù)測試支持的探索任務(wù)是最多的，包括：“獵戶座”“深空門戶”“持續(xù)性載人月球表面任務(wù)”和“火星往返飛行”。

（3）地面測試是在軌測試的前期積累和有益補充，能夠?qū)崿F(xiàn)對新技術(shù)的最大化利用

壽命、可靠性和魯棒性測試是通過地面測試來完成的，在地面測試中，可以同時進行多個裝置單元的測試，并且可以在不危及乘組或航天器的情況下開展超出設(shè)計極限（如：減壓、高溫或降級模式）的測試?？梢钥吹?，上述4 大能力領(lǐng)域新技術(shù)和系統(tǒng)研制，大部分當前都在地面進行測試，目前NASA 正在使用的地基測試系統(tǒng)在功能上模仿ISS 測試床，子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分與在軌構(gòu)造非常匹配，下一步還打算建立部組件級測試能力，從而實現(xiàn)對易磨損組件（如：泵、閥門、風機等）的直接可靠性測試。

（4）鼓勵商業(yè)公司不斷研制低成本、交貨期短、可靠性強的新型環(huán)控生保技術(shù)

NASA 正在通過“小企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）項目，推動商業(yè)公司更深入地參與空間站和探索任務(wù)“環(huán)控生保技術(shù)”研制。其中包括：“霍尼韋爾”（Honeywell）開發(fā)的可以替代現(xiàn)有二氧化碳去除系統(tǒng)的離子液體吸附劑系統(tǒng)；吉納公司（Giner）基于“水管理膜”（WAMM）的電解制氧系統(tǒng)；精密燃燒公司（PCI）效能更高的緊湊型Sabatier 二氧化碳還原反應(yīng)器；典范公司（Paragon）基于離子膜水處理技術(shù)的尿液處理器。由于這些技術(shù)具有大量的工業(yè)應(yīng)用，因此它們幾乎是現(xiàn)成的組件，這保證了部件的可用性、較短的周期和較低的成本，由于能夠得到長期工業(yè)應(yīng)用，所以在可靠性、靈活性、再生性和效能方面勝過以前的技術(shù)，也意味著其改進能夠得到長期支持。

驗證平臺及其對彌補各個目的地探索能力差距的支持

8 結(jié)束語

從NASA 的經(jīng)驗可以看到，需要根據(jù)任務(wù)應(yīng)用場景確定“環(huán)控生?！钡奈镔|(zhì)供應(yīng)需求，從而確定配備的技術(shù)能力。此外，近地軌道、月球、火星目的地雖然不同，但又存在一定的相似性，“環(huán)控生保系統(tǒng)”應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃通用性以及模塊單元更換等方式，節(jié)約成本。

總之，載人航天的關(guān)鍵是突破以人為本的技術(shù)，為了實現(xiàn)航天員在近地軌道以遠的目的地長期駐留，安全、健康、高效地完成維修建造、科學考察任務(wù)，必然需要裝備體系技術(shù)預(yù)研規(guī)劃具備很強的系統(tǒng)性、科學性、指導(dǎo)性，在裝備正式投入型號研制之前，能夠借助在軌空間站平臺和地面測試，鼓勵擁有相關(guān)新型技術(shù)的商業(yè)公司加入，深入研究技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、辨別發(fā)展重點、指導(dǎo)項目布局、促進相關(guān)領(lǐng)域協(xié)作，避免發(fā)展斷層或重復(fù)建設(shè)，從而更好地推動關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新、突破，以及與其他技術(shù)之間的交叉、融合，實現(xiàn)長期可持續(xù)和成本節(jié)約的發(fā)展目標。