一種深空探測航天員應(yīng)急生命保障系統(tǒng)

賈陽 陳百超 張旺軍 彭松 陶灼（北京空間飛行器總體設(shè)計部）

一種深空探測航天員應(yīng)急生命保障系統(tǒng)

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(shè)計部）

在載人月球探測任務(wù)中，航天員的安全性至關(guān)重要。為了確保航天員在應(yīng)急情況下能夠迅速返回基地，專家提出了一種深空探測應(yīng)急生命保障系統(tǒng)。常規(guī)狀態(tài)下，其跟隨載人月球車或航天員運動，當(dāng)航天員出現(xiàn)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(tǒng)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(fā)動機推進劑，又服務(wù)于航天員的應(yīng)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(fù)用最大程度地節(jié)省資源。

1 引言

在執(zhí)行遠距離探測任務(wù)時，航天員如受到外界損傷或自身保障設(shè)備（如航天服、月球車等）出現(xiàn)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(dǎo)致航天員生命安全受到威脅，甚至一個小的異常也可能導(dǎo)致航天員生命喪失。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助研發(fā)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(zhàn)場士兵行進，為士兵運送彈藥、食物和其他物品，降低戰(zhàn)場上士兵的負(fù)荷。其原理是，由汽油機驅(qū)動的液壓系統(tǒng)能夠帶動其有關(guān)節(jié)的四肢運動，陀螺儀和其他傳感器幫助機載計算機規(guī)劃每一步的運動。

參考上述思路，為服務(wù)登月任務(wù)中的航天員設(shè)計了一種能夠跟隨航天員移動的應(yīng)急生保系統(tǒng)（簡稱伴隨器）。在常規(guī)狀態(tài)下，其跟隨載人月球車或航天員運動，當(dāng)航天員出現(xiàn)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(yīng)急生命保障裝置方案，使過氧化氫在作為發(fā)動機推進劑的同時，還可以服務(wù)于航天員的應(yīng)急生命保障。

2 過氧化氫發(fā)動機

過氧化氫推進劑性質(zhì)

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

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

由于環(huán)保和降低成本的需求，以及過氧化氫提純技術(shù)、催化分解技術(shù)的發(fā)展，以過氧化氫作為推進劑的發(fā)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(fā)動機。

單組元催化分解發(fā)動機

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

過氧化氫單組元催化分解發(fā)動機的突出優(yōu)點表現(xiàn)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(tǒng)的性能，降低維護成本。在比沖要求不高的情況，從經(jīng)濟性考慮，可以使用過氧化氫單組元發(fā)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(yīng)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(wěn)定性，容易儲存與處理。

雙組元發(fā)動機

使用過氧化氫作為氧化劑的發(fā)動機中，最常用的是過氧化氫/煤油發(fā)動機。過氧化氫流經(jīng)銀網(wǎng)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(chǎn)物與霧化的煤油混合、燃燒，產(chǎn)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(fā)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(jié)果表明，發(fā)動機密度比沖優(yōu)勢明顯，對于容積受限的飛行器來說，這種發(fā)動機比經(jīng)濟的自燃發(fā)動機有更優(yōu)良的性能，特別是在空間站、載人登月等航天任務(wù)中。

3 航天員伴隨器

伴隨器采用火箭發(fā)動機，由于航天員運動范圍不大，其推進沖量要求不高，對發(fā)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(tǒng)可以服務(wù)航天員的月面活動保障。

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

駕駛子系統(tǒng)包含航天員防護罩，以防止火箭發(fā)動機工作時羽流、月塵對航天員的侵害。月球車有2套驅(qū)動系統(tǒng)，在地面行走時，采用蓄電池電力驅(qū)動，在飛行時，采用過氧化氫/煤油噴氣發(fā)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(qū)動機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、液體推進劑貯箱和推力器（發(fā)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(cè)車輪相對旋轉(zhuǎn)，即可將底盤中間拱起，呈倒V字形，該狀態(tài)可以為航天員提供良好的乘坐便利性和耐力學(xué)沖擊的乘坐環(huán)境。

2）該車的車輪可分別相對懸架旋轉(zhuǎn)，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(luò)。

運輸狀態(tài)

系統(tǒng)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(tài)下的溫度控制能源，而是由空間站或著陸器提供系統(tǒng)啟動前的溫度調(diào)節(jié)能源。系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)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(guī)定的范圍內(nèi)，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(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)航天員的快速返回之外，還可以實現(xiàn)水、氧氣的應(yīng)急提供，主要通過生命保證裝置實現(xiàn)。

該裝置在需要時，借用推進系統(tǒng)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(fā)生器與催化劑充分接觸，分解產(chǎn)生高溫氣體（水蒸氣、氧氣），經(jīng)冷凝后分離成需要的液態(tài)水和氧氣。

曾經(jīng)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?？紤]裝置的使用條件，選用200目鍍銀鎳網(wǎng)，并涂敷添加劑。

該裝置主要由進液管道、閥門、流量調(diào)節(jié)器、氣體發(fā)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(tǒng)是否工作，流量調(diào)節(jié)器根據(jù)系統(tǒng)的壓力及液位控制溶液的流量，直至關(guān)閉系統(tǒng)。溶液流入到氣體發(fā)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(jié)，經(jīng)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(yīng)急使用。設(shè)備的外包絡(luò)尺寸為273mm×200mm×245mm，其中氧箱體積1.66L，水箱體積0.27L，設(shè)備質(zhì)量5kg。

伴隨器設(shè)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(shè)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(zhì)表面光滑潔凈，并經(jīng)過鈍化處理。

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

5 結(jié)束語

在載人月球探測任務(wù)中，航天員的安全性至關(guān)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(tǒng)方案，在應(yīng)急狀態(tài)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(tǒng)可以提高航天活動的生命保障能力，又通過復(fù)用最大程度節(jié)省資源，在月球載人航天任務(wù)中具有良好的應(yīng)用前景。