載人航天器艙內地面環境污染分析與控制方法

熊 濤

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

1 前言

我國載人飛船的成功發射為建造空間實驗室等后續任務奠定了重要基礎。隨著每次載人航天飛行任務時間的延長，載人航天器艙室污染控制問題越來越受到人們的關注。航天器在地面總裝及軌道飛行時可能會引起艙內污染物的產生及積累。總裝過程可以提供清潔的環境，而在太空飛行中只能通過航天器上的主動污染凈化設備控制艙內的污染物濃度，如不能即時清除污染物，顆粒懸浮物會在太空失重環境下漂浮于艙室，引起設備工作性能下降；有害氣體則直接影響到航天員的生命安全。發展載人航天器總裝過程環境污染物控制技術，不僅是保障各種先進裝備正常工作的前提條件，也是保證航天員生存的有力手段。

2 載人航天器艙內環境污染研究概述

2.1 國外研究概述

美國、俄羅斯等國一直非常注重載人航天器艙內污染控制問題，提出通過連續監測航天器的污染物濃度變化，應用各種被動和主動污染物控制方法對其加以限制及改善，并制定了詳細的載人航天器艙室最大容許濃度標準[1]。據調查，美國“水星號”飛船座艙氣體中已確定的污染物有46種，“天空實驗室”中氣樣分析出300多種化合物，“阿波羅號”飛船非金屬材料散發的污染氣體也多達300多種；航天飛機前5次飛行中采集的氣樣共測出152種微量污染氣體。俄羅斯“和平號”空間站密閉艙氣體中的污染物約 300種。所以，必須通過被動和主動方法控制這些污染產生源以及其污染物濃度，以確保艙室氣體潔凈。

被動控制是根據建立的材料釋放氣體準則，通過限制使用材料、設計安裝和試驗程序，最大限度地降低微量化學污染物釋放量。但是，不管如何選擇材料，都不能完全消除材料釋放的微量有害氣體，而且總裝技術人員和在軌航天員也會不斷地帶來及產生各種污染物，所以需要用主動控制污染的方法來確保艙室氣體的清潔。

國外許多學者曾詳細地研究了人體產生的各種污染物，主要包括呼出的空氣、腸胃排氣和汗液等。過去微量化學污染負荷使用了非常有限的人體代謝污染源信息，主要是P. Webb和R. A. Dora的研究成果[1]，對飛行器污染控制系統設計有一定作用。后來，M. A. Golub和T. Wydeven提出艙內污染源研究數據[2]，全面考慮了Leban、Wagner、M. T.Dmitriyev、A. G. Malysheva和Y. G. Rastyannikov關于人體代謝產生污染方面的近期研究成果[3]。美國國家毒理學研究委員會（US National Research Council’s Committee on Toxicology）于 20 世紀 70 年代主持了人體代謝產生污染方面的研究，研究成果主要為中長期載人航天任務提供微量污染物最大容許濃度數據，即按要求凈化污染，滿足航天員的舒適性和安全性要求。美國、俄羅斯和歐空局的研究成果已作為國際空間站人體代謝污染設計的基礎。

2.2 國內研究現狀

載人航天發展與眾多學科的結合促進了航天毒理學的形成和發展。我國在這個領域的研究工作起步較晚，但在密閉環境污染源研究、非金屬材料毒理衛生學評價、各種艙室有害氣體容許濃度標準制訂和檢測方法等方面做了許多工作，取得了很大的進步和成績，但就整體水平、規模和隊伍來看，與科技發達國家相比還有差距。目前，中國航天員科研訓練中心、中國空間技術研究院、北京航空航天大學都在載人航天器污染物監測與控制方面取得了許多研究成果，一些污染物監測與控制技術直接應用于“神舟”系列載人飛船[4]。

在航天器非金屬材料釋放有機污染物方面，有關單位主要針對載人航天器用非金屬材料在真空環境下出氣物成分及污染分析，確定出氣物的基本成分對污染物控制與防護設計具有重要的參考價值。但只能滿足真空時材料脫氣，尚不能滿足載人航天器艙內非金屬材料釋放微量污染物研究的需要。

此外，有關單位還以我國將要發展的空間實驗室和空間站為研究對象，在國內首次針對中長期載人航天器艙室微量污染控制開展了較為深入的理論和實驗研究工作，重點分析了艙室污染源及污染機理，包括：艙內微量污染物來源、種類和特性；艙室氣體中存在的污染物種類，微量污染氣體濃度、毒性、分布狀況；有害氣體綜合毒性對人體和設備的影響；初步確定主要艙室優先凈化的微量污染種類及可能的最大容許濃度。

3 載人航天器艙內環境地面控制技術研究主要內容

載人航天器總裝過程艙內污染環境控制技術的研究內容主要包括污染源分析、污染物采樣分析技術和污染物控制技術等幾個方面（圖1）。

圖1 研究內容分解圖Fig. 1 The flowchart of research contents

3.1 艙內污染源分析

污染物控制必須從源頭開始，有必要詳細分析載人航天器在總裝過程中可能的污染源，為篩選優先凈化污染物、檢測分析和控制提供依據。

總裝過程中可能存在的污染源有總裝人員新陳代謝污染、非金屬材料釋放的氣體污染和總裝過程中安裝操作造成的污染等。

3.2 艙內污染物采樣分析技術

根據重點監控污染物篩選結果對總裝過程中艙內污染物進行采樣分析，確定污染物濃度時空分布規律，是一切后續工作的研究基礎。

由于污染物包括微量有害氣體、微小多余物和顆粒懸浮物等不同種類，將涉及到不同的采樣分析方法，主要包括污染物采樣空間布點方法、微小顆粒懸浮物采樣分析方法和微量有害氣體采樣分析方法[5]。

3.3 艙內污染物控制技術研究

以艙內污染源、優先控制污染物及其最大容許濃度等研究成果為依據，從污染源入手，以優先控制污染物為對象，污染物最大容許濃度為控制目標，開展載人航天器總裝過程艙內污染物控制技術研究。這項研究涉及多個子項，子項之間關系緊密、相輔相成、互為補充。研究工作將包括基礎研究、實驗研究和應用技術幾個方面（圖2）。其中：基礎研究由載人航天器總裝過程艙內污染源分析、重點監控優先控制污染物篩選、優先控制污染物最大容許濃度等部分組成，主要針對污染源和污染物開展研究工作；實驗研究包括污染物采樣分析、非金屬材料脫氣研究、部分污染控制技術等，主要針對污染散發和采樣分析開展研究工作；應用技術包括通風氣流組織分配優化、局部通風換氣技術、局部吸塵技術，面向污染控制技術的應用。重點是載人航天器艙內非金屬材料脫氣研究、局部通風換氣技術研究和局部吸塵技術研究。

圖2 研究內容之間的相互關系Fig. 2 Relationships between research contents

4 我國載人飛船總裝期間艙內環境存在的主要問題

4.1 濕度問題

“神舟五號”飛船在總裝期間曾發生正樣吸濕材料提前吸濕的現象，吸濕材料中的水流到艙內，對飛船內部設備造成了污染，同時吸濕材料全部失效；“神舟五號”飛船在進行熱真空試驗抽真空時從艙內抽出了水，原因是艙內空氣濕度太大，水蒸氣含量過高。這些都是由于在長達一年的總裝過程中，人員進艙操作造成的。

4.2 溫度問題

載人航天器總裝過程中，艙內溫度會達到25 ℃以上；在載人航天器進行電性能測試時，艙內溫度最高可接近30 ℃；這樣的艙內溫度給總裝工人進艙操作和技術人員進艙測試以及航天員進艙與進行人-艙合練都帶來很大的不適。

4.3 空氣質量問題

由于載人航天器艙內基本處于密封狀態，空氣不流通，使非金屬材料揮發出的污染氣體聚集在艙內，艙內空氣質量極差。此外，人呼出的氣體及代謝產物（皮膚排出的汗液等）也會對載人航天器艙內的產品構成危害。

4.4 地面環境影響問題

在長達約一年的載人航天器總裝和測試期間，由于總裝操作者和技術人員頻繁進艙工作，帶進艙的灰塵和總裝過程中產生的非金屬碎屑會沉積在返回艙大底上，載人航天器處于地面狀態時不易察覺，但在太空中失重的條件下，這些污染物就會漂浮在艙內，嚴重的有可能影響到航天員的生命之門——返回艙門的密封。

5 污染控制裝置的設計思路和實施效果

根據載人航天器艙內環境和污染物的特點，可以采取以下幾方面措施改善艙內環境[6]：

(1)通風、換氣。使載人航天器艙內空氣保持經常性的流動，稀釋艙內污染氣體的濃度，從而達到減少污染氣體污染的目的；

(2)凈化。通過向艙內送百級潔凈風，形成艙內空氣循環，在艙內外空氣不斷交換過程中，排除艙內空氣中的微小懸浮污染物；

(3)除塵。采取高速送風的方式對載人航天器返回艙大底上的沉積物進行強制除塵；

(4)降溫、除濕。使載人航天器艙內的溫度、濕度達到載人航天器總裝大廳內的環境溫度、濕度水平。

基于以上考慮，北京衛星環境工程研究所研制了一套環境控制裝置，具有制冷、除濕、凈化、除塵的功能；從結構上考慮了一體化的設計，集成各功能模塊，集成室內、外機組；送風、回風系統考慮了載人航天器不同工況的需求；溫度、濕度實現了自動化控制；為了使用的安全和方便，設置了冷凝水液位報警系統和過濾器報警系統，用于提示操作人員處理冷凝水和更換高效過濾器。

這套裝置安裝、調試完成后就按制訂的污染控制要求被應用到載人航天器的總裝和測試過程中。

在載人航天器總裝的近一年時間里，該設備每天開機8 h，運行可靠、穩定，有效地改善了艙內的環境：在真空熱試驗抽真空時，未從艙內抽出水蒸氣，證明裝置解決了飛船艙內濕度大的問題；在飛船進行人-船聯合測試的時候，由于改善了艙內的環境，為航天員的工作提供了良好的條件。2007年12月22日，在“神舟七號”飛船力學試驗改裝期間，采用塵埃粒子計數器SCJ-1D進行了艙內環境測量，在設備開啟前和開啟后1 h各測量一次，分別在軌道艙內、返回艙門口和返回艙內取 2點進行動態測量，每點持續測量3 min，測量結果見表1、表2。

表1 總裝期間艙內環境測量數據（設備開啟前）Table 1 Test data of inner environment during AIT (before device startup)

表2 總裝期間艙內環境測量數據（設備開啟后1 h）Table 2 Test data of inner environment during AIT (1 hour after device startup)

測量結果表明：設備對艙內的溫度、濕度、潔凈度具有明顯的控制作用。

2008年5月，在“神舟七號”返回艙側壁與大底最終合攏前，再次用塵埃粒子計數器SCJ-1D對艙內沉積多余物吹除過程進行了艙內環境監測。在開始除塵和除塵后分別在返回艙側壁與大底的間隙取4個點進行動態測量，每點持續測量3 min，測量結果見表3。

表3 返回艙側壁與大底最終合攏前艙內環境測量數據Table 3 Test data of inner environment(before locking of reentry module sidewall and the underframe)

測量結果表明：經除塵后艙內沉積污染物明顯減少。

6 結束語

本文從理論及實踐方面初步研究了載人航天器在總裝過程中艙內污染物控制技術體系，為保證艙內儀器設備的正常工作，保障航天員在艙內環境中的生命安全創造了有利條件。最終將形成載人航天器總裝過程環境污染控制規范，指導整個總裝過程污染物的控制，保證載人航天器艙內總裝環境質量，為載人航天器研制的高可靠性提供必要的保證。

（References）

[1]王普秀. 航天環境控制與生命保障工程基礎[M]. 北京: 國防工業出版社, 2003: 145-156

[2]Perry J L. Trace chemical contaminant generation rates for space-craft contamination control system design,NASA Technical Memorandum 108497[R]. Alabama:Marshell Space Flight Center, 1995: 1-8

[3]Wieland P O. Designing for human presence in space:an in-troduction to environmental control and life support systems, NASA RP 21324[R]. Alabama: Marshell Space Flight Center, 1994: 204-205

[4]戚發軔, 朱仁璋, 李頤黎. 載人航天器技術[M]. 北京:國防工業出版社, 1999

[5]龐麗萍. 載人航天器空氣質量模糊綜合評價灰關聯分析[J]. 北京航空航天大學學報, 2005, 5

[6]熊濤, 萬強. 載人飛船總裝過程中艙內環境污染的控制[J]. 航天器環境工程, 2005, 22(6)