天和核心艙環(huán)控生保系統(tǒng)在軌穩(wěn)定運(yùn)行一周年——再生生保系統(tǒng)：保障航天員長期駐留空間站

北京時(shí)間2022年5月10日，伴隨著一聲“點(diǎn)火”，天舟四號貨運(yùn)飛船搭乘長征七號遙五運(yùn)載火箭飛向中國空間站，拉開了又一次中國載人航天飛行任務(wù)的序幕。

從神舟五號21小時(shí)的太空之旅，到神舟十三號航天員長達(dá)6個(gè)月的太空駐留，僅靠一次性地面補(bǔ)給已不能滿足任務(wù)需要。為航天員提供環(huán)境控制、生命保障和應(yīng)急保障等功能的空間站環(huán)控生保技術(shù)，成為實(shí)現(xiàn)空間站在軌長期運(yùn)行的關(guān)鍵。

對于保障航天員在軌生命安全的環(huán)控生保科研人員來說，安全是他們研制和運(yùn)營產(chǎn)品的底線。在天和核心艙發(fā)射成功一周年之際，中國航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室舉行了一場別開生面的座談會。那些曾經(jīng)參與空間站任務(wù)再生式環(huán)控生保關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的科研人員，一起回顧當(dāng)初的奮斗時(shí)光，展望中國載人航天的美好未來。

“好比用沖刺的速度跑完一場馬拉松”

和熟悉的同事們再次面對面坐在一起，中國航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平感慨頗深。過去那些一起奮斗的時(shí)刻，滿滿當(dāng)當(dāng)充斥著他的記憶。忙碌，將時(shí)間無限拉長?；貞浧甬a(chǎn)品研發(fā)的那段日子，張勇平覺得“那時(shí)候的每一天都在全力奔跑”。

從論證設(shè)計(jì)到完成初樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)，他們只用了3年。3年，環(huán)控生?？蒲袌F(tuán)隊(duì)以過硬的攻關(guān)能力，創(chuàng)造了環(huán)控生保技術(shù)發(fā)展的“中國速度”。

用環(huán)控生保室主任卞強(qiáng)的話說，“我們團(tuán)隊(duì)的工作狀態(tài)，好比用沖刺的速度跑完一場馬拉松”。

2020年初，新冠肺炎疫情來勢洶洶。環(huán)控生保科研團(tuán)隊(duì)接到通知，要在短期內(nèi)完成產(chǎn)品正樣交付任務(wù)。

那年春節(jié)，許多人都是在辦公室里度過的。他們和家人急急忙忙吃頓年夜飯，又火速投入到工作中。

這是一場接力賽。

水處理子系統(tǒng)總裝集成負(fù)責(zé)人熊濤加入團(tuán)隊(duì)后，經(jīng)過兩年歷練挑起大梁，擔(dān)任負(fù)責(zé)人。微量有害氣體去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人周國棟是個(gè)90后，25歲就成為最年輕的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平在正樣產(chǎn)品交付任務(wù)中連續(xù)工作了一個(gè)月。完成主體工作后，他因身體原因不得不暫停工作。隨后，剛?cè)肼殯]多久的白攀峰，在總體負(fù)責(zé)人楊潤澤的幫帶下，及時(shí)頂上空缺，完成后續(xù)任務(wù)。

研究員李英斌記得，在空間站任務(wù)啟動時(shí)，他們5個(gè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人集中到一起，封閉辦公十多天，沒日沒夜研究討論，終于按節(jié)點(diǎn)拿出了一套總體方案。

如今，看著航天員在中國空間站里自由呼吸、舒適生活，他們的心里滿是成就感和自豪感?；貞浧鹉嵌纹D難的日子，曾經(jīng)的技術(shù)負(fù)責(zé)人尹永利說：“那時(shí)我們只有一個(gè)信念，就是讓航天員在天上安全舒適地工作和生活。我們做到了！”

讓資源在太空“生生不息”

2020年5月5日，長征五號B運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場發(fā)射成功，拉開了中國空間站在軌建造階段飛行任務(wù)的序幕。

再生式環(huán)控生保是空間站關(guān)鍵技術(shù)之一。2005年，在國家863計(jì)劃支持下，環(huán)控生保室已經(jīng)開展了基礎(chǔ)研究等工作。2008年，再生式環(huán)控生保通過關(guān)鍵技術(shù)立項(xiàng)論證評審。

這十幾年來，環(huán)控生?？蒲袌F(tuán)隊(duì)?wèi){借著一股不服輸?shù)膭蓬^兒，艱難起步、論證研制，攻克了大容量電解等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，為空間站建造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在以往的載人飛行任務(wù)中，環(huán)控生保使用的是非再生技術(shù)，也就是航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶。隨著空間站任務(wù)一步步推進(jìn)，航天員在太空駐留的時(shí)間越來越長，僅依靠地面攜帶已無法滿足要求，環(huán)控生保技術(shù)必須要從非再生走向再生。

再生式環(huán)控生保系統(tǒng)，顧名思義，就是實(shí)現(xiàn)水等消耗性資源的循環(huán)利用，保障航天員在軌長期駐留。這個(gè)系統(tǒng)可以收集航天員揮發(fā)的水分、排放的尿液，還有呼出的二氧化碳，然后把這些收集到的水汽、水和二氧化碳還原成航天員可在軌利用的氧氣和水。

再生式環(huán)控生保系統(tǒng)包括電解制氧、飲水收集與處理、尿處理、二氧化碳以及微量有害氣體去除等子系統(tǒng)。其中，水氣分離是不少子系統(tǒng)研發(fā)過程中都要面對的共同難題。

“微重力條件下，水氣處于混合狀態(tài)?！彪娊庵蒲鯃F(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人解釋說，要在太空中進(jìn)行電解制氧，將水電解成氧氣和氫氣后，還需要通過膜分離技術(shù)將氣體與液體分離。

合適的膜材料并不好找。電解制氧團(tuán)隊(duì)一次次調(diào)研試驗(yàn)，可研制出的膜材料重量和壽命仍不符合指標(biāo)要求。后來，他們通過請教行業(yè)內(nèi)資深專家，研究前沿論文，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了新型膜結(jié)構(gòu)。研制過程中，他們一次次碰壁，又一次次突破難關(guān)。最終，研制出的膜材料，壽命比最初提升了10倍，重量也下降到了最初的1/4。

如今，在中國空間站天和核心艙內(nèi)，由電解水產(chǎn)生的氧氣，解決了航天員呼吸問題，大大降低了物資補(bǔ)給成本。這只是再生生保技術(shù)在空間站的運(yùn)用之一。

“一年來，我們研制的尿處理和冷凝水收集裝置成功轉(zhuǎn)化了2600多公斤的水，為兩艘貨運(yùn)飛船節(jié)省了將近一半的上行重量?！弊酉到y(tǒng)負(fù)責(zé)人丁平自豪地說，“整個(gè)再生生保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氧氣資源100%再生，水資源80%再生。有了完整的再生系統(tǒng)，發(fā)射重量大大減少，每年能節(jié)約上行物資6噸左右。”

天上運(yùn)行每一秒，地面牽動無數(shù)心

4月29日，天和核心艙已在軌運(yùn)行滿一年。這意味著，環(huán)控生保系統(tǒng)也運(yùn)行了一周年。

一年，365天，8760小時(shí)，525600分鐘……屏幕上，代表著環(huán)控生保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的數(shù)字不斷跳動著。每分每秒，都牽動著環(huán)控生?？蒲腥藛T的心。

“國際空間站20年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，環(huán)控生保系統(tǒng)在軌故障率達(dá)到平均每年22起左右?！北鍙?qiáng)介紹說，中國空間站環(huán)控生保系統(tǒng)也面臨著同樣的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。為了保證航天員安全，團(tuán)隊(duì)工作人員在各階段全方位排查故障，還進(jìn)行了高強(qiáng)度、多批次試驗(yàn)，確保產(chǎn)品不帶任何隱患上天。

動態(tài)水氣分離器是尿處理子系統(tǒng)的核心部件。在進(jìn)行正樣產(chǎn)品交付前，設(shè)計(jì)師鄧明君像往常一樣進(jìn)行產(chǎn)品性能測試。電機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)后，面板顯示一切正常。鄧明君并沒因此就放松警惕。突然，他發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行噪聲似乎有點(diǎn)異常。

鄧明君將耳朵湊近電機(jī)仔細(xì)傾聽。經(jīng)歷了近千次試驗(yàn)，他對電機(jī)發(fā)出的噪聲再熟悉不過。以往的電機(jī)噪聲平穩(wěn)而細(xì)膩，而這次的噪聲似乎有一絲“瑕疵”。他將手輕輕放在電機(jī)上，隱約感覺到了異常振動。

沒有猶豫，鄧明君果斷停止試驗(yàn)。上報(bào)項(xiàng)目組領(lǐng)導(dǎo)決策后，他們將電機(jī)送回廠家進(jìn)行拆解，成功排除了故障。

返修、再測試、再驗(yàn)收。環(huán)控生保室的研究人員已經(jīng)習(xí)慣了排除一個(gè)個(gè)故障、解決一個(gè)個(gè)難題。

神舟十二號航天員湯洪波曾在環(huán)控生保室參與了一年研制工作。湯洪波說：“環(huán)控生保人是我們飛天時(shí)的生命守護(hù)者。在飛行的90多天時(shí)間里，操作最多、關(guān)注最多、維護(hù)最多的就是環(huán)控生保產(chǎn)品，通話最多的也是和環(huán)控生保專家們探討產(chǎn)品和技術(shù)，有他們在，我們才可以安心飛行、放心工作和生活?！?/p>

雖然再生系統(tǒng)在空間站順利運(yùn)行，但這個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)遠(yuǎn)沒結(jié)束。天上運(yùn)行一天，地面就需要保障一天。

“從受領(lǐng)任務(wù)那天起，大家就揪著一顆心，或許要到再生系統(tǒng)進(jìn)入空間站穩(wěn)定運(yùn)行15年后，這顆懸著的心才能稍稍放下?！睆堄缕缴钣懈杏|地說。

如今，環(huán)控生保室不僅在再生式環(huán)控生保技術(shù)上取得突破，也在同步開展受控生態(tài)環(huán)控生保技術(shù)的積累和研究，并成功實(shí)施了“綠航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)。

“未來航天員駐留月球、飛向火星，我們的產(chǎn)品一定能為航天員提供更好的保障，太空家園一定會充滿生機(jī)活力?！闭劦轿磥淼沫h(huán)控生保，大家充滿期待，也充滿了信心。

上圖：科研人員正在進(jìn)行產(chǎn)品測試。孫 偉攝