美國新一代艙外航天服便攜式生命保障系統的研究進展

楊朝舒, 吳志強, 臧華兵, 劉力濤, 胡清華, 楊松林

(中國航天員科研訓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鍵技術之一,而艙外航天服(Extravehicular Mobility Unit, EMU)技術是艙外活動的核心技術[1]。

EMU 包含兩大部分,分別是便攜式生命保障系統(Portable Life Support System, PLSS)和壓力服裝系統。其中,PLSS 承擔著在艙外活動中供氧調壓、通風凈化、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(Shuttle)和國際空間站(ISS)所使用的Shuttle/ISS EMU 自研發至今已超過40 年,雖然在工作中積累了豐富的經驗,但是在使用壽命、在軌維修性、環境適應性等方面已不足以支撐未來深空探測等復雜的任務需求。因此,NASA 于21 世紀初展開了新一代艙外服(Exploration Extravehicular Mobility Unit, xEMU)的研發計劃[3]。計劃的重要內容之一就是開發新一代的便攜式生保系統,并將其命名為xPLSS,以全面適應未來復雜多樣的任務需求,并在整體設計理念及關鍵單機技術上均體現出了長足的發展[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 的研制進展,有望為中國新一代艙外航天服便攜式生命保障系統的研制提供參考。

2 xPLSS 的功能與架構

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。氣體在風機的作用下實現循環,并在循環中去除CO2和微量污染物;通過熱控回路對航天服的溫度進行控制,熱控回路內的水溫通過膜蒸發器調節;對服裝壓力、氧氣濃度等重要物理參數進行監控等。

xPLSS 的水氣回路的結構簡圖以及整個裝置的三維模型如圖1 所示[6]。其主要結構與上一代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,通風回路為氣體回路,工質為氧氣;熱控及輔助熱控回路為液體回路,工質為純水。真空入口支路用于固態胺反應器的循環解吸,也可為系統內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(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 的水氣回路結構簡圖和三維模型[6]Fig.1 Water/gas loop diagram and 3D model of xPLSS[6]

3 xPLSS 的設計指標

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

表2 xPLSS 的設計指標Table 2 Design Requirements for xPLSS

3.1 更高的出艙頻率和出艙時長

根據阿波羅任務經驗以及未來月面科考需求,xPLSS 的設計指標中,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,對現有PLSS 的熱控功能模塊、CO2去除功能模塊的持續工作能力提出了更高的要求[6]。

此外,自星座計劃[9]以來,任務周期內的出艙次數達到100 次[7,10]。而這一指標對系統的可靠性提出了更高要求、對消耗品的用量提出了更嚴格的約束。

3.2 更強的環境適應性要求

美國第一代EMU 始于阿波羅計劃,主要應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境,對xPLSS 的環境適應性提出了更高的要求:在重力環境方面,xEMU 既要適應地面測試階段的地球重力環境、也要適應在軌階段的微重力環境,還要適應月球、火星表面上的部分重力環境[11];在環境壓力方面,既要適應真空絕壓環境,也要適應火星大氣環境;在防護性方面,既要考慮對太空微流星的防護,又要考慮對月塵的防護[12]。

3.3 更短的預呼吸時間要求

EMU 的服裝壓力遠低于大氣壓力,航天員在艙外活動中,可能會出現減壓病,這就需要航天員在出艙前經過嚴格的預呼吸。在空間站時代,如不提前一天進行適應性訓練,航天員預呼吸過程需長達4 h[13]。這對未來任務中,更為頻繁的出艙活動帶來的不便。因此,在xEMU 的設計指標中,要求減少現有的預呼吸時間至0.5 h。

3.4 更長的在軌使用壽命

現有的Shuttle/ISS EMU 非常依賴航天飛機或貨運飛船的周期性補給,在軌使用壽命通常為2 年,結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中,從地面補給消耗品的難度勢必加大。因此,在xPLSS 的設計指標中,提高了對零件在軌維修性的要求,并要求xPLSS 的水和氧氣可實現在軌加注,從而最大程度的降低消耗品補給需求,并最終將EMU 的在軌使用壽命從2 年逐步提高至8 年。

4 設計理念的發展

4.1 可擴展性的設計理念

通過前文的指標分析,xPLSS 需適應近地軌道、月面、火星等多種重力及大氣環境,而前兩代EMU 的研發只針對某個單一的任務背景,這種設計理念無法滿足未來多樣化的任務需求。

因此,NASA 對于xEMU 的研發計劃,更傾向于首先開發一套綜合性能指標優良、可完成多種空間探測任務的新型艙外服,即首先針對深空探測任務開發一套標準版xEMU 的研制計劃,標準版xEMU 還具有良好的可拓展性,以便根據后續具體的任務特點,衍生出不同的xEMU 版本[4]。

在NASA 確立了標準版xEMU 的基線之后,首先針對2025 年前后的空間站出艙演示任務,制定 了xEMU Lite 的 開 發 計 劃。xEMU Lite 的xPLSS 的通風系統仍沿用4.3 psi 的服裝壓力。針對未來的探月任務,將在標準版xEMU 的基礎上開發登月版xEMU(xEMU-L),著重改善各管路接口的月塵防護能力;針對未來的火星探索計劃,將對標準版xEMU 進行大幅升級,開發用于火星登陸版本,針對火星大氣環境和重力環境,進一步降低xPLSS 的重量、提高其續航能力和機動性[3]。

4.2 分布式、冗余化的設計理念

在上一代PLSS 中,3 個核心旋轉部件:泵、風機、動態水氣分離器高度集成,通過同一個直流電機驅動,這樣的設計可以有效降低系統重量和功耗,但也限制了各旋轉部件的設計思路,降低了系統的可靠性, 并在使用中引發了一系列問題[14-15]。因此,xPLSS 摒棄了原有的集成化方案,轉而借鑒俄國PLSS 的設計思路,采用獨立的雙風機和雙泵結構[15]。這樣的設計帶來了如下好處:首先,采用獨立的風機和泵,實現了系統水、氣回路的物理隔離,避免了水侵入氣路的風險;其次,將泵由集成方案中的離心泵替換為旋轉齒輪泵,降低了對熱控回路的供水壓力的要求[16];再次,風機和泵由單獨的電機驅動,并可根據工況調整轉速;最后,備份的風機和泵可以進一步提高系統的可靠性。

這種分布式、冗余化的設計理念同樣體現在xPLSS 的控制和監測系統之中。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 更多地體現了局部控制的理念。系統中的主、備用調壓閥、熱控閥、固態胺反應器、膜蒸發器、風扇、泵等設備的步進電機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據,另一方面可以完成對各自單機的局部控制,提升了系統的響應速度及可靠性。此外,在供電系統中,xPLSS 采用了3 組獨立電源,而非上一代PLSS 的單電源架構,提高了系統的可靠性。

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

4.3 模塊化和可更換性的設計理念

xPLSS 在設計中注重系統簡化,并借助關鍵單機技術的發展,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 在設計過程中大量引入了模塊化設計的思想,實現了各模塊的在軌可更換[17]。主要的單機和功能模塊均被封裝成在軌可更換單元(Orbit Replaceable Unit, ORU),具有標準的供電和管路接口。xPLSS 采用了類似于印制電路板的流道板,將原來單機之間的管路連接大量更改為單機和流道板之間的平面對接,在節省管路的同時,提高了單機更換效率。在這種模塊化可更換性設計理念的指導下,xPLSS 內幾乎所有的單機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技術的發展

5.1 主要功能的發展

5.1.1 應急生保機制的改進

當主生保系統中的供氧、CO2去除、溫濕度控制等模塊失效時,EMU 需通過應急生保系統實現上述功能。Shuttle/ISS EMU 的應急生保模式主要應對從飛行器出艙后應急返回座艙的情況,時間約為30 min。應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 的任務需求不僅要應對從飛行器出艙后的應急返回,還要面對登月任務中,當月球車出現故障時應急返回著陸器座艙的情況。后者需要提供的應急時間可長達1.25 h。因此,在xPLSS中應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、代謝率較低和環境溫度較低的情況下,可僅采用高壓氣流吹掃方式;當需要提供的應急時間較長、xPLSS 會開啟輔助熱控回路與高壓氣流共同完成應急生保功能,從而降低應急氣流,延長應急生保時間[19]。

5.1.2 壓力制度的改變

PLSS 主要的壓力參數包括主、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險,且無法實現氣瓶的在軌加注。xPLSS 將主、備用氣源壓力一致調整為3000 psi,實現了主、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且連續可調的服裝壓力,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減壓病癥狀,再將服裝壓力調高進行應對[19]。

然而,xPLSS 采用的高服裝壓力會對壓力服系統的氣密性帶來挑戰;高服裝壓力還降低會對航天員艙外活動中關節的靈活性,并造成額外的身體負擔[4]。

5.2 關鍵單機技術的發展

5.2.1 膜蒸發技術的發展

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滿足現在大部分的任務需求,但仍存在著抗污染能力有限、無法工作在火星大氣環境等問題。

為適應新的任務需求,NASA 自20 世紀90年代就開啟了航天服膜蒸發(Spacesuit Water Membrane Evaporator, SWME) 技術的研發[20]。SWME 利用了疏水多孔薄膜中水蒸發的相變過程帶走熱量,使其能夠在火星等存在大氣的環境下工作[21]。目前,NASA 完成了基于中空纖維膜材料的SWME 研發和實驗[22-24],開發了專用于SWME 的調壓閥[25],并完成了SWME 在xPLSS中的集成設計[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2 年的在軌實驗,驗證了SERFE 穩定的換熱性能和抗污染能力[27-29]。

膜蒸發技術的應用,在一定程度上簡化了生保系統水、氣回路的結構。首先,由于蒸發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,冷卻水流經蒸發器時,通過蒸發作用,可自動排出內部的氣泡[30],從而取消了系統中的氣泡分離器和動態水氣分離器,優化了系統配置。

5.2.2 快循環固態胺技術的發展

在早期的載人航天任務中,NASA 采用了非再生的氫氧化鋰技術用于EMU 通風回路內的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,能耗很高[7]。

固態胺材料是美國漢密爾頓標準公司開發的一種CO2吸附劑,并可通過真空或加熱的方式解吸。基于固態胺材料的CO2去除裝置具有體積小、質量輕、能耗低等優點[31],為了打破單個CO2吸附材料對出艙時間的限制,NASA 開啟了快循環固態胺(Rapid Cycle Amine, RCA) 技術研究[32-33]。該技術采用2 套固態胺反應床循環工作的技術路線,實現艙外活動中固態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[34-36],優化了反應床切換的模式和切換閥結構[37],并完成了RCA 在xPLSS 通風回路中的集成和測試[38-40]。RCA 技術的應用,極大地提高了xPLSS 的使用壽命,減少了系統對消耗品的依賴。

6 結語

本文分析和總結了美國新一代便攜式生命保障系統的研制歷程和結構特點,從中可以得到對中國相關研究的啟示:

1)系統的設計指標和理念要適應未來深空探測等復雜的任務需求。

2)保持穩定的基礎研究和持續的技術攻關是提升系統綜合性能的根本。

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

4)發揮項目的平臺作用,促進工業界和學術界的交流,在交流中迸發創新活力。

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