楊朝舒, 吳志強(qiáng), 臧華兵, 劉力濤, 胡清華, 楊松林

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室, 北京 100094)

1 引言

艙外活動是載人航天的關(guān)鍵技術(shù)之一,而艙外航天服(Extravehicular Mobility Unit, EMU)技術(shù)是艙外活動的核心技術(shù)[1]。

EMU 包含兩大部分,分別是便攜式生命保障系統(tǒng)(Portable Life Support System, PLSS)和壓力服裝系統(tǒng)。其中,PLSS 承擔(dān)著在艙外活動中供氧調(diào)壓、通風(fēng)凈化、CO2去除、溫濕度控制等多重功能,高度集成,其性能和可靠性具有重要意義[2]。

目前,NASA 在航天飛機(jī)(Shuttle)和國際空間站(ISS)所使用的Shuttle/ISS EMU 自研發(fā)至今已超過40 年,雖然在工作中積累了豐富的經(jīng)驗,但是在使用壽命、在軌維修性、環(huán)境適應(yīng)性等方面已不足以支撐未來深空探測等復(fù)雜的任務(wù)需求。因此,NASA 于21 世紀(jì)初展開了新一代艙外服(Exploration Extravehicular Mobility Unit, xEMU)的研發(fā)計劃[3]。計劃的重要內(nèi)容之一就是開發(fā)新一代的便攜式生保系統(tǒng),并將其命名為xPLSS,以全面適應(yīng)未來復(fù)雜多樣的任務(wù)需求,并在整體設(shè)計理念及關(guān)鍵單機(jī)技術(shù)上均體現(xiàn)出了長足的發(fā)展[4-6]。

隨著中國載人航天工程正式邁入空間站時代,未來的艙外活動將更加頻繁。充分研究、梳理美國xPLSS 的研制進(jìn)展,有望為中國新一代艙外航天服便攜式生命保障系統(tǒng)的研制提供參考。

2 xPLSS 的功能與架構(gòu)

xPLSS 的主要功能及工作原理如下:在艙外活動中通過氣瓶為航天員提供氧氣,并控制服裝壓力。氣體在風(fēng)機(jī)的作用下實現(xiàn)循環(huán),并在循環(huán)中去除CO2和微量污染物;通過熱控回路對航天服的溫度進(jìn)行控制,熱控回路內(nèi)的水溫通過膜蒸發(fā)器調(diào)節(jié);對服裝壓力、氧氣濃度等重要物理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控等。

xPLSS 的水氣回路的結(jié)構(gòu)簡圖以及整個裝置的三維模型如圖1 所示[6]。其主要結(jié)構(gòu)與上一代PLSS 的水氣回路一致,包括:主供氧回路、備用供氧回路、通風(fēng)回路、熱控回路、輔助熱控回路以及真空入口支路。其中,主、備供氧回路,通風(fēng)回路為氣體回路,工質(zhì)為氧氣;熱控及輔助熱控回路為液體回路,工質(zhì)為純水。真空入口支路用于固態(tài)胺反應(yīng)器的循環(huán)解吸,也可為系統(tǒng)內(nèi)壓力傳感器提供參考壓力。各回路的主要功能及其與Shuttle/ISS EMU所使用的上一代PLSS 對比如表1 所示。

表1 xPLSS 與Shuttle/ISS EMU 的便攜式生保系統(tǒng)(上一代PLSS)的水氣回路的功能對比Table 1 A functional comparison of water/gas loops between xPLSS and the PLSS of Shuttle/ISS EMU (the previous PLSS)

圖1 xPLSS 的水氣回路結(jié)構(gòu)簡圖和三維模型[6]Fig.1 Water/gas loop diagram and 3D model of xPLSS[6]

3 xPLSS 的設(shè)計指標(biāo)

xPLSS 的主要設(shè)計指標(biāo)與上一代PLSS 的對比如表2 所示,從中可見,xPLSS 在出艙頻率和次數(shù)、預(yù)呼吸時間要求、使用壽命等方面均提出了更高的要求[7-8]。

表2 xPLSS 的設(shè)計指標(biāo)Table 2 Design Requirements for xPLSS

3.1 更高的出艙頻率和出艙時長

根據(jù)阿波羅任務(wù)經(jīng)驗以及未來月面科考需求,xPLSS 的設(shè)計指標(biāo)中,要求代謝率為1200 BTU/hr(1 BTU/hr 約為0.29 W)的條件下,單次出艙的最高時間不小于8 h,對現(xiàn)有PLSS 的熱控功能模塊、CO2去除功能模塊的持續(xù)工作能力提出了更高的要求[6]。

此外,自星座計劃[9]以來,任務(wù)周期內(nèi)的出艙次數(shù)達(dá)到100 次[7,10]。而這一指標(biāo)對系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求、對消耗品的用量提出了更嚴(yán)格的約束。

3.2 更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性要求

美國第一代EMU 始于阿波羅計劃,主要應(yīng)用于登陸月球后的出艙活動;第二代EMU 主要用于近地軌道的艙外活動。xEMU 則需要工作在近地軌道、近月軌道月面甚至火星表面等不同環(huán)境,對xPLSS 的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求:在重力環(huán)境方面,xEMU 既要適應(yīng)地面測試階段的地球重力環(huán)境、也要適應(yīng)在軌階段的微重力環(huán)境,還要適應(yīng)月球、火星表面上的部分重力環(huán)境[11];在環(huán)境壓力方面,既要適應(yīng)真空絕壓環(huán)境,也要適應(yīng)火星大氣環(huán)境;在防護(hù)性方面,既要考慮對太空微流星的防護(hù),又要考慮對月塵的防護(hù)[12]。

3.3 更短的預(yù)呼吸時間要求

EMU 的服裝壓力遠(yuǎn)低于大氣壓力,航天員在艙外活動中,可能會出現(xiàn)減壓病,這就需要航天員在出艙前經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)呼吸。在空間站時代,如不提前一天進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練,航天員預(yù)呼吸過程需長達(dá)4 h[13]。這對未來任務(wù)中,更為頻繁的出艙活動帶來的不便。因此,在xEMU 的設(shè)計指標(biāo)中,要求減少現(xiàn)有的預(yù)呼吸時間至0.5 h。

3.4 更長的在軌使用壽命

現(xiàn)有的Shuttle/ISS EMU 非常依賴航天飛機(jī)或貨運(yùn)飛船的周期性補(bǔ)給,在軌使用壽命通常為2 年,結(jié)束后需返回地面完成基地級維修。然而,在未來深空探測任務(wù)中,從地面補(bǔ)給消耗品的難度勢必加大。因此,在xPLSS 的設(shè)計指標(biāo)中,提高了對零件在軌維修性的要求,并要求xPLSS 的水和氧氣可實現(xiàn)在軌加注,從而最大程度的降低消耗品補(bǔ)給需求,并最終將EMU 的在軌使用壽命從2 年逐步提高至8 年。

4 設(shè)計理念的發(fā)展

4.1 可擴(kuò)展性的設(shè)計理念

通過前文的指標(biāo)分析,xPLSS 需適應(yīng)近地軌道、月面、火星等多種重力及大氣環(huán)境,而前兩代EMU 的研發(fā)只針對某個單一的任務(wù)背景,這種設(shè)計理念無法滿足未來多樣化的任務(wù)需求。

因此,NASA 對于xEMU 的研發(fā)計劃,更傾向于首先開發(fā)一套綜合性能指標(biāo)優(yōu)良、可完成多種空間探測任務(wù)的新型艙外服,即首先針對深空探測任務(wù)開發(fā)一套標(biāo)準(zhǔn)版xEMU 的研制計劃,標(biāo)準(zhǔn)版xEMU 還具有良好的可拓展性,以便根據(jù)后續(xù)具體的任務(wù)特點,衍生出不同的xEMU 版本[4]。

在NASA 確立了標(biāo)準(zhǔn)版xEMU 的基線之后,首先針對2025 年前后的空間站出艙演示任務(wù),制定 了xEMU Lite 的 開 發(fā) 計 劃。xEMU Lite 的xPLSS 的通風(fēng)系統(tǒng)仍沿用4.3 psi 的服裝壓力。針對未來的探月任務(wù),將在標(biāo)準(zhǔn)版xEMU 的基礎(chǔ)上開發(fā)登月版xEMU(xEMU-L),著重改善各管路接口的月塵防護(hù)能力;針對未來的火星探索計劃,將對標(biāo)準(zhǔn)版xEMU 進(jìn)行大幅升級,開發(fā)用于火星登陸版本,針對火星大氣環(huán)境和重力環(huán)境,進(jìn)一步降低xPLSS 的重量、提高其續(xù)航能力和機(jī)動性[3]。

4.2 分布式、冗余化的設(shè)計理念

在上一代PLSS 中,3 個核心旋轉(zhuǎn)部件:泵、風(fēng)機(jī)、動態(tài)水氣分離器高度集成,通過同一個直流電機(jī)驅(qū)動,這樣的設(shè)計可以有效降低系統(tǒng)重量和功耗,但也限制了各旋轉(zhuǎn)部件的設(shè)計思路,降低了系統(tǒng)的可靠性, 并在使用中引發(fā)了一系列問題[14-15]。因此,xPLSS 摒棄了原有的集成化方案,轉(zhuǎn)而借鑒俄國PLSS 的設(shè)計思路,采用獨立的雙風(fēng)機(jī)和雙泵結(jié)構(gòu)[15]。這樣的設(shè)計帶來了如下好處:首先,采用獨立的風(fēng)機(jī)和泵,實現(xiàn)了系統(tǒng)水、氣回路的物理隔離,避免了水侵入氣路的風(fēng)險;其次,將泵由集成方案中的離心泵替換為旋轉(zhuǎn)齒輪泵,降低了對熱控回路的供水壓力的要求[16];再次,風(fēng)機(jī)和泵由單獨的電機(jī)驅(qū)動,并可根據(jù)工況調(diào)整轉(zhuǎn)速;最后,備份的風(fēng)機(jī)和泵可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

這種分布式、冗余化的設(shè)計理念同樣體現(xiàn)在xPLSS 的控制和監(jiān)測系統(tǒng)之中。在空間站EMU中,Shuttle/ISS EMU 控制功能全部集成在航天員胸前的測控面板中。而xPLSS 更多地體現(xiàn)了局部控制的理念。系統(tǒng)中的主、備用調(diào)壓閥、熱控閥、固態(tài)胺反應(yīng)器、膜蒸發(fā)器、風(fēng)扇、泵等設(shè)備的步進(jìn)電機(jī)上均集成了獨立的控制器。這些控制器一方面與主控單元共享數(shù)據(jù),另一方面可以完成對各自單機(jī)的局部控制,提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度及可靠性。此外,在供電系統(tǒng)中,xPLSS 采用了3 組獨立電源,而非上一代PLSS 的單電源架構(gòu),提高了系統(tǒng)的可靠性。

需要注意的是,分布式、冗余化的設(shè)計理念在提高可靠性的同時,必然增加系統(tǒng)的重量代價:ISS/Shuttle EMU 的重量是127.1 kg,而xEMU 重量預(yù)計為183.6 kg[3],超過了設(shè)計約束。這一問題引起了設(shè)計方的關(guān)注,也會促使設(shè)計理念和系統(tǒng)架構(gòu)的調(diào)整。

4.3 模塊化和可更換性的設(shè)計理念

xPLSS 在設(shè)計中注重系統(tǒng)簡化,并借助關(guān)鍵單機(jī)技術(shù)的發(fā)展,去除了一些不必要的功能單元。為了提高xPLSS 的在軌維修性,降低對地面基地級維修的依賴,xPLSS 在設(shè)計過程中大量引入了模塊化設(shè)計的思想,實現(xiàn)了各模塊的在軌可更換[17]。主要的單機(jī)和功能模塊均被封裝成在軌可更換單元(Orbit Replaceable Unit, ORU),具有標(biāo)準(zhǔn)的供電和管路接口。xPLSS 采用了類似于印制電路板的流道板,將原來單機(jī)之間的管路連接大量更改為單機(jī)和流道板之間的平面對接,在節(jié)省管路的同時,提高了單機(jī)更換效率。在這種模塊化可更換性設(shè)計理念的指導(dǎo)下,xPLSS 內(nèi)幾乎所有的單機(jī)均可以在不拆除其余部件的前提下完成在軌更換[15]。

5 主要功能和核心單機(jī)技術(shù)的發(fā)展

5.1 主要功能的發(fā)展

5.1.1 應(yīng)急生保機(jī)制的改進(jìn)

當(dāng)主生保系統(tǒng)中的供氧、CO2去除、溫濕度控制等模塊失效時,EMU 需通過應(yīng)急生保系統(tǒng)實現(xiàn)上述功能。Shuttle/ISS EMU 的應(yīng)急生保模式主要應(yīng)對從飛行器出艙后應(yīng)急返回座艙的情況,時間約為30 min。應(yīng)急生保功能主要通過備用供氧模塊中的高壓氧源的吹掃來完成[18]。

xEMU 的任務(wù)需求不僅要應(yīng)對從飛行器出艙后的應(yīng)急返回,還要面對登月任務(wù)中,當(dāng)月球車出現(xiàn)故障時應(yīng)急返回著陸器座艙的情況。后者需要提供的應(yīng)急時間可長達(dá)1.25 h。因此,在xPLSS中應(yīng)急生保功能通過備用供氧模塊和輔助熱控回路共同完成。在時長較小、代謝率較低和環(huán)境溫度較低的情況下,可僅采用高壓氣流吹掃方式;當(dāng)需要提供的應(yīng)急時間較長、xPLSS 會開啟輔助熱控回路與高壓氣流共同完成應(yīng)急生保功能,從而降低應(yīng)急氣流,延長應(yīng)急生保時間[19]。

5.1.2 壓力制度的改變

PLSS 主要的壓力參數(shù)包括主、備氧瓶壓力和服裝壓力。兩代PLSS 壓力名稱上的對比如表3所示。

表3 兩代EMU 主要氣體壓力參數(shù)的對比Table 3 Comparison of the pressure parameters between the current and next generation EMU

在PLSS 中,備用氣瓶壓力遠(yuǎn)高于主氧瓶,從而采用較小容積填充更多的氣體,但過高的氣瓶壓力帶來一定風(fēng)險,且無法實現(xiàn)氣瓶的在軌加注。xPLSS 將主、備用氣源壓力一致調(diào)整為3000 psi,實現(xiàn)了主、備氣瓶在軌加注,不必再將備用氧瓶作為消耗品上行。此外,xPLSS 采用了4.1 ～8.4 psi且連續(xù)可調(diào)的服裝壓力,航天員出艙活動開始后,先采用較高的服裝壓力,再逐漸向低壓過渡,一旦在艙外活動中出現(xiàn)減壓病癥狀,再將服裝壓力調(diào)高進(jìn)行應(yīng)對[19]。

然而,xPLSS 采用的高服裝壓力會對壓力服系統(tǒng)的氣密性帶來挑戰(zhàn);高服裝壓力還降低會對航天員艙外活動中關(guān)節(jié)的靈活性,并造成額外的身體負(fù)擔(dān)[4]。

5.2 關(guān)鍵單機(jī)技術(shù)的發(fā)展

5.2.1 膜蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展

在前兩代EMU 中,熱控回路以水升華器作為核心換熱元件。雖然水升華器的換熱效率已經(jīng)滿足現(xiàn)在大部分的任務(wù)需求,但仍存在著抗污染能力有限、無法工作在火星大氣環(huán)境等問題。

為適應(yīng)新的任務(wù)需求,NASA 自20 世紀(jì)90年代就開啟了航天服膜蒸發(fā)(Spacesuit Water Membrane Evaporator, SWME) 技術(shù)的研發(fā)[20]。SWME 利用了疏水多孔薄膜中水蒸發(fā)的相變過程帶走熱量,使其能夠在火星等存在大氣的環(huán)境下工作[21]。目前,NASA 完成了基于中空纖維膜材料的SWME 研發(fā)和實驗[22-24],開發(fā)了專用于SWME 的調(diào)壓閥[25],并完成了SWME 在xPLSS中的集成設(shè)計[26]。此外,NASA 于2020 年在ISS上搭載一套基于SWME 的小型熱控回路(簡稱:SERFE),通過長達(dá)2 年的在軌實驗,驗證了SERFE 穩(wěn)定的換熱性能和抗污染能力[27-29]。

膜蒸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用,在一定程度上簡化了生保系統(tǒng)水、氣回路的結(jié)構(gòu)。首先,由于蒸發(fā)器工作時僅需消耗少量的水,可以將其直接嵌入至熱控回路之中,不必采用單獨的支路為其供水;其次,冷卻水流經(jīng)蒸發(fā)器時,通過蒸發(fā)作用,可自動排出內(nèi)部的氣泡[30],從而取消了系統(tǒng)中的氣泡分離器和動態(tài)水氣分離器,優(yōu)化了系統(tǒng)配置。

5.2.2 快循環(huán)固態(tài)胺技術(shù)的發(fā)展

在早期的載人航天任務(wù)中,NASA 采用了非再生的氫氧化鋰技術(shù)用于EMU 通風(fēng)回路內(nèi)的CO2去除,重量代價較大。雖然NASA 在1990 年代采用了再生式的金屬氧化物(MetOx)型CO2去除裝置,但在軌解吸需要高溫通風(fēng),能耗很高[7]。

固態(tài)胺材料是美國漢密爾頓標(biāo)準(zhǔn)公司開發(fā)的一種CO2吸附劑,并可通過真空或加熱的方式解吸?；诠虘B(tài)胺材料的CO2去除裝置具有體積小、質(zhì)量輕、能耗低等優(yōu)點[31],為了打破單個CO2吸附材料對出艙時間的限制,NASA 開啟了快循環(huán)固態(tài)胺(Rapid Cycle Amine, RCA) 技術(shù)研究[32-33]。該技術(shù)采用2 套固態(tài)胺反應(yīng)床循環(huán)工作的技術(shù)路線,實現(xiàn)艙外活動中固態(tài)胺的同步吸附和解吸,并提高了熱效率。目前,NASA 已完成了三代RCA 的研發(fā)[34-36],優(yōu)化了反應(yīng)床切換的模式和切換閥結(jié)構(gòu)[37],并完成了RCA 在xPLSS 通風(fēng)回路中的集成和測試[38-40]。RCA 技術(shù)的應(yīng)用,極大地提高了xPLSS 的使用壽命,減少了系統(tǒng)對消耗品的依賴。

6 結(jié)語

本文分析和總結(jié)了美國新一代便攜式生命保障系統(tǒng)的研制歷程和結(jié)構(gòu)特點,從中可以得到對中國相關(guān)研究的啟示:

1)系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)和理念要適應(yīng)未來深空探測等復(fù)雜的任務(wù)需求。

2)保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)研究和持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)是提升系統(tǒng)綜合性能的根本。

3)要重視歷次出艙活動中豐富的使用經(jīng)驗,為新一代生保系統(tǒng)的設(shè)計提供重要借鑒。

4)發(fā)揮項目的平臺作用,促進(jìn)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的交流,在交流中迸發(fā)創(chuàng)新活力。

5)要辯證地看待xPLSS 部分設(shè)計理念的發(fā)展。對于冗余備份、可拓展性設(shè)計導(dǎo)致的系統(tǒng)重量增加、高服裝壓力帶來的氣密性風(fēng)險和靈活度下降等問題還需綜合考量、充分論證。