一種深空探測航天員應急生命保障系統

賈陽 陳百超 張旺軍 彭松 陶灼（北京空間飛行器總體設計部）

一種深空探測航天員應急生命保障系統

An Emergency Life Support System for Astronaut in Deep Space Exploration

賈陽 陳百超 張旺軍 彭松 陶灼（北京空間飛行器總體設計部）

在載人月球探測任務中，航天員的安全性至關重要。為了確保航天員在應急情況下能夠迅速返回基地，專家提出了一種深空探測應急生命保障系統。常規狀態下，其跟隨載人月球車或航天員運動，當航天員出現意外后，可搭載其通過飛行的移動形式快速返回基地。該系統方案采用一種基于過氧化氫（H2O2）分解的生命保障裝置，過氧化氫既作為發動機推進劑，又服務于航天員的應急生命保障。該裝置可以提高載人月面航天活動的生命保障能力，又通過復用最大程度地節省資源。

1 引言

在執行遠距離探測任務時，航天員如受到外界損傷或自身保障設備（如航天服、月球車等）出現異常時，無法及時返回基地（空間站或月球基地）進行處理和救治，將導致航天員生命安全受到威脅，甚至一個小的異常也可能導致航天員生命喪失。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助研發了一種形似機械狗的四足機器人，可以攜帶40kg的裝備，自主跟隨戰場士兵行進，為士兵運送彈藥、食物和其他物品，降低戰場上士兵的負荷。其原理是，由汽油機驅動的液壓系統能夠帶動其有關節的四肢運動，陀螺儀和其他傳感器幫助機載計算機規劃每一步的運動。

參考上述思路，為服務登月任務中的航天員設計了一種能夠跟隨航天員移動的應急生保系統（簡稱伴隨器）。在常規狀態下，其跟隨載人月球車或航天員運動，當航天員出現意外后，可搭載伴隨器，通過飛行的移動形式快速返回基地。

采用一種基于過氧化氫分解的航天員應急生命保障裝置方案，使過氧化氫在作為發動機推進劑的同時，還可以服務于航天員的應急生命保障。

2 過氧化氫發動機

過氧化氫推進劑性質

過氧化氫是一種高密度的液態氧化劑，汽化潛熱1.55×106J/kg，具有分解放熱的獨特性質，含量高的過氧化氫具有顯著的過冷現象，便于貯存。

二戰時期，德國將過氧化氫作為單元推進劑應用于V－1火箭起飛助推器上，也用來驅動V－2火箭發動機的渦輪泵。二戰后，世界各國使用性能更高的肼系列單元推進劑發動機代替過氧化氫單組元催化分解發動機；到了20世紀70年代后期，已基本看不到這種推進劑的應用了。

由于環保和降低成本的需求，以及過氧化氫提純技術、催化分解技術的發展，以過氧化氫作為推進劑的發動機再次得到研究，如美國General Kinetics公司研制的100N過氧化氫單組元發動機。

單組元催化分解發動機

在國內外運載火箭動力系統、飛船、空間站及其他航天器上應用的單組元催化分解發動機，基本上都采用有毒推進劑推進系統，這些推進劑的生產、儲存、運輸和使用都比較復雜。采用無毒推進系統將從根本上解決毒性問題，成為推進系統研究的重要發展方向。

過氧化氫單組元催化分解發動機的突出優點表現為無毒、無污染、可儲存、密度比沖高等，從而改善了操作條件，降低了研制成本，并能改善空間系統的性能，降低維護成本。在比沖要求不高的情況，從經濟性考慮，可以使用過氧化氫單組元發動機。

理論上，如果燃料停留時間足夠長，分解效率高于95%（不考慮熱散失），則相應的分解溫度約為700℃。90%以上的高濃度過氧化氫具有足夠的穩定性，容易儲存與處理。

雙組元發動機

使用過氧化氫作為氧化劑的發動機中，最常用的是過氧化氫/煤油發動機。過氧化氫流經銀網催化劑床之后，分解生成高溫水蒸氣和氧氣，90%濃度的過氧化氫絕熱分解溫度高于600℃。這些分解產物與霧化的煤油混合、燃燒，產生足夠高的燃燒壓力。

推力室材料選用與過氧化氫相容的不銹鋼材料。發動機試車過程中，燃燒效率達97%，噴管溫度最高達到990℃，但是仍低于材料最高耐用溫度1150℃。試驗結果表明，發動機密度比沖優勢明顯，對于容積受限的飛行器來說，這種發動機比經濟的自燃發動機有更優良的性能，特別是在空間站、載人登月等航天任務中。

3 航天員伴隨器

伴隨器采用火箭發動機，由于航天員運動范圍不大，其推進沖量要求不高，對發動機的比沖要求不高，但受到體積的限制，對密度比沖的要求較高。

在月面工作時，還要提供向上的升力。由于月面低重力，克服重力做功消耗的燃料較少，使得該系統可以服務航天員的月面活動保障。

援疆實習支教讓師范生全面參與受援學校的教育教學、教學管理等工作，把實習生完全納入正常教師甚至是骨干教師來運行，滿滿一個學期的備課、教案書寫、聽課、上課、公開課、評課、活動組織、班級管理、班主任或副班主任工作、教學管理、教務運行、文檔處理、安保執勤、消防演練、學校管理等事務，這對于初次走向教師職業教育的師范生而言，無疑是最好的學習、工作、職業的再教育和深刻歷練。通過一個全面、充分、完整周期性的受援學校運行工作的徹底融入，使得師范生教育教學能力和綜合素質得到有效提升，達到師范生人才培養目標。

伴隨器由底盤子系統、駕駛子系統、月面及飛行驅動子系統、測控子系統、電源子系統、視覺探測系統組成。

駕駛子系統包含航天員防護罩，以防止火箭發動機工作時羽流、月塵對航天員的侵害。月球車有2套驅動系統，在地面行走時，采用蓄電池電力驅動，在飛行時，采用過氧化氫/煤油噴氣發動機為月球車提供飛行動力。

底盤中包含了懸架、車輪、車輪驅動機構、轉向機構、液體推進劑貯箱和推力器（發動機）等。

伴隨器組成

可折疊底盤布局

伴隨器底盤的整體布局有以下特點：

1）底盤分為兩部分，中間用銷連接，兩側車輪相對旋轉，即可將底盤中間拱起，呈倒V字形，該狀態可以為航天員提供良好的乘坐便利性和耐力學沖擊的乘坐環境。

2）該車的車輪可分別相對懸架旋轉，懸架采用可升降懸架，使得該車在運輸過程中可以折疊，以減小運輸包絡。

運輸狀態

系統的燃料貯箱配有溫度控制加熱器，但裝置本身不提供長期儲存狀態下的溫度控制能源，而是由空間站或著陸器提供系統啟動前的溫度調節能源。系統執行任務的過程均屬于短期過程，主要利用被動熱控措施以及熱容保持溫度在規定的范圍內，必要時輔助短期主動熱控制手段。

4 生命保證裝置方案

該生命保障系統除了能夠實現航天員的快速返回之外，還可以實現水、氧氣的應急提供，主要通過生命保證裝置實現。

該裝置在需要時，借用推進系統高壓氣瓶壓力，通過氦氣增壓方式擠壓貯箱中的過氧化氫溶液，溶液進入氣體發生器與催化劑充分接觸，分解產生高溫氣體（水蒸氣、氧氣），經冷凝后分離成需要的液態水和氧氣。

曾經廣泛使用的催化劑是高錳酸鉀（KMnO4）、氧化錳（MnO）等化合物，目前更多使用過渡金屬鹽或氧化物，主要是基于過渡金屬錳、鈷、鉛等的金屬鹽和氧化物，載體材料選擇陶瓷或無機物。考慮裝置的使用條件，選用200目鍍銀鎳網，并涂敷添加劑。

該裝置主要由進液管道、閥門、流量調節器、氣體發生器（含催化床）、螺旋冷凝器、氣液分離器、氧箱和水箱等組成。

過氧化氫溶液通過進液管道流入裝置，截止閥控制系統是否工作，流量調節器根據系統的壓力及液位控制溶液的流量，直至關閉系統。溶液流入到氣體發生器（A/B互為備份）中，遇到催化劑分解為高溫氣體，包括水蒸氣和氧氣。高溫氣體通過螺旋冷凝氣后，水蒸氣凝結，經氣液分離器后，氧箱、水箱提供氧氣和水到航天服接口，供航天員應急使用。設備的外包絡尺寸為273mm×200mm×245mm，其中氧箱體積1.66L，水箱體積0.27L，設備質量5kg。

伴隨器設備組成

生命保障裝置示意圖

另外，過氧化氫是強氧化劑，與之接觸的設備、管道、閥門、墊片、填料等均使用純鋁或1Cr18Ni9Ti等金屬材料以及符合要求的塑料等非金屬材料。材質表面光滑潔凈，并經過鈍化處理。

設備安裝前，需要對過氧化氫流路的所有器件進行嚴格地去油、去銹、鈍化、清潔處理，經檢驗合格后安裝，檢查裝置管道的氣密性，保證設備具有良好的氣密性能。

5 結束語

在載人月球探測任務中，航天員的安全性至關重要，本文提出了一種航天員遠距離工作的增強型生命保障系統方案，在應急狀態通過推進劑分解，獲得航天員生命保障必需品氧氣和水，并攜航天員返回探測基地。系統可以提高航天活動的生命保障能力，又通過復用最大程度節省資源，在月球載人航天任務中具有良好的應用前景。