等效系統(tǒng)質(zhì)量法在艙外服CO2清除評估中的應用

楊樂 田林 李志杰 徐小平 李勁東

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

CO2是人體呼吸代謝產(chǎn)物，在封閉狹小的艙外航天服中，若不加以清除或控制，航天服內(nèi)CO2濃度將顯著升高，過高濃度的CO2將對人體產(chǎn)生不同程度的影響。為確保航天員順利完成出艙任務，必須使用艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)對CO2進行連續(xù)清除，將CO2濃度控制在對人體無害的范圍內(nèi)。艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)一般為背包結(jié)構(gòu)，集成了包括供氣調(diào)壓、通風凈化、溫濕度控制等眾多分系統(tǒng)[1]，復雜的集成環(huán)境與應用場景對CO2清除設(shè)備的體積、質(zhì)量、能耗、散熱、結(jié)構(gòu)等屬性提出了眾多苛刻要求。利用物理/化學方法清除CO2是載人航天環(huán)控生保技術(shù)的普遍做法，但針對不同任務類型，需要在眾多CO2清除方法中評估并選擇滿足任務需求的技術(shù)途徑。

等效系統(tǒng)質(zhì)量(Equivalent System Mass，ESM)分析是一種生命保障系統(tǒng)評估方法，在針對多任務類型的生保系統(tǒng)方案評估中，該方法能夠?qū)⒋u估技術(shù)方案中的各項參數(shù)如體積、功率、能耗、熱控功率及乘員維護時間利用相應轉(zhuǎn)換系數(shù)統(tǒng)一折算為質(zhì)量參數(shù)，并基于該參數(shù)進行對比與評估[2]。

對于地球軌道應用航天器而言，星載電子設(shè)備成本約占項目總預算50%以上，而載人航天器由于加入了生命保障系統(tǒng)模塊，相應降低了電子設(shè)備成本占比，且由于運載火箭的發(fā)射成本在載人航天項目預算中占比相對較大，而發(fā)射成本直接取決于航天器質(zhì)量，因此美國國家航空航天局(NASA)將等效系統(tǒng)質(zhì)量分析手段作為一個系統(tǒng)概念，并不定期發(fā)布并更新生命支持系統(tǒng)基線與假設(shè)值文檔(Life Support Baseline Values and Assumptions Document，BVAD)，從等效系統(tǒng)質(zhì)量分析與建模的角度提供近地軌道空間站、月球(軌道艙、前哨基地、著陸艙)及火星(軌道艙、著陸艙)生命保障系統(tǒng)的設(shè)備參考值，以及分系統(tǒng)、單機的質(zhì)量等效系數(shù)與計算方法，以方便技術(shù)人員對載人航天器生命保障系統(tǒng)的各項技術(shù)進行評估，尤其是在美國國家航空航天局“先進生命保障”項目(Advanced Life Support，ALS)的最佳技術(shù)途徑評估中發(fā)揮著不可取代的作用。但由于等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法本身的限制，在技術(shù)評估與對比中，無法體現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成本、安全性及可靠性等方面指標[3]。文獻[4-5]利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，基于月球表面艙外活動任務，比較了幾種艙外航天服熱控技術(shù)，包括水升華器、水膜蒸發(fā)器、電致變色散熱器及相變材料。文獻[6]利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，比較了地球攜帶食物補給和受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件就地生產(chǎn)兩種補給模式的優(yōu)劣。

本文在對LiOH罐、金屬氧化物及快速循環(huán)胺3種艙外航天服CO2清除系統(tǒng)概述的基礎(chǔ)上，對其各項指標進行了系統(tǒng)等效質(zhì)量分析，結(jié)合月球表面及火星表面艙外活動任務模式，計算了多周期下等效質(zhì)量并分析了影響最終數(shù)值的敏感量，并根據(jù)評估結(jié)果選擇了不同任務模式下最佳CO2清除設(shè)備，同時對等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法的使用進行了總結(jié)，旨在為我國載人航天任務環(huán)控生保系統(tǒng)提供一種針對多個待選技術(shù)的有效參考評估方法。

1 CO2代謝及清除需求分析

1.1 CO2清除需求分析

CO2是人體呼吸代謝量最多的氣體，正常軌道飛行時，除體育鍛煉及應急故障處理等工況，航天員處于正常軌道飛行且清醒狀態(tài)時，活動等級介于靜息和輕度活動范圍，此時代謝水平介于1.3～2.1 kcal/min之間，每天約排出1 kgCO2。而出艙活動平均代謝水平則為3.3～4.4 kcal/min，較正常軌道飛行增加約2倍，而與代謝率增長同時，耗氧量與CO2排出率也呈相應比例升高。將美俄載人航天飛行出艙活動平均代謝數(shù)據(jù)與地面代謝數(shù)據(jù)相比，出艙活動平均代謝水平相當于重度體力勞動(3.9～4.49 kcal/min)，而出艙活動的代謝峰值則可達極重代謝負荷，其中美國航天員為8.3 kcal/min，俄羅斯航天員為9.9～13 kcal/min，俄羅斯航天員代謝負荷較高的主要原因是其艙外航天服以硬式或半硬式為主，內(nèi)部充氣壓力高達40 kPa，而美國艙外服以軟式為主，內(nèi)部充壓約29 kPa左右，因此俄羅斯航天員著服操作時需克服服裝壓力做功更多，代謝水平也相應更高。出艙活動能量代謝較高主要與出艙任務本身特點有關(guān)，其主要影響因素包括肌肉活動增多、心理應激與艙外航天服內(nèi)環(huán)境溫度較高等。

為明確CO2清除設(shè)備代謝需求，需要結(jié)合人體代謝率及耗氧量數(shù)據(jù)對出艙活動狀態(tài)下人體CO2代謝量進行估算，人體O2消耗量和CO2排出率是進行航天服生命保障系統(tǒng)調(diào)壓供氧、氣體凈化和確定航天服通風量參數(shù)需用的關(guān)鍵生理學能量代謝參數(shù)。人體O2消耗量與人體新陳代謝率有關(guān)(見表1)，在人體代謝產(chǎn)熱率為120 W時，O2消耗量為0.34 L/min；代謝率為523 W時，O2消耗量上升至1.49 L/min，按照蘇聯(lián)/俄羅斯1965—1991年航天員出艙活動資料，當人體平均代謝率為300 W時，O2消耗量為0.9 L/min[7]。

表1 人體代謝率與耗氧量

已知某一代謝水平情況下的人體O2消耗量時，可依據(jù)該代謝水平時的呼吸熵參考值估算CO2排出率，反之，已知CO2排出率，亦可反推O2消耗量。

已知艙外活動平均代謝水平為3.3～4.4 kcal/min，約為正常軌道代謝水平3倍，峰值代謝水平更高，為正常軌道代謝水平4～5倍，由此可知其CO2排出率也相應比例增加，平均排出率達到126.88 g/h，峰值排出率為211 g/h。按照一次出艙活動8 h計，清除總量約為1.02 kgCO2，因此相應CO2清除設(shè)備的清除速率及8 h清除總量應不小于上述指標。

1.2 CO2清除技術(shù)概述

基于LiOH化學吸收原理的CO2清除技術(shù)在人類首次載人航天任務中就得到了應用。LiOH能夠與空氣中的水結(jié)合生成LiOH·H2O，并與CO2反應生成Li2CO3，并釋放大量熱量，最終以化學反應的方式將氣態(tài)CO2固化，經(jīng)過多年發(fā)展，其應用已非常成熟，被用于絕大部分已有的艙外航天服及航天器環(huán)控生保系統(tǒng)；但LiOH是一次性消耗品，耗盡后需重現(xiàn)填裝，對于長期任務多次EVA，需要攜帶大量一次性LiOH罐，占用大量上行資源，因此各國相繼開發(fā)可再生式CO2清除技術(shù)[8]。

金屬氧化物技術(shù)(Metal Oxide，MetOx)是一種主要應用于艙外航天服的可再生式CO2清除技術(shù)，2000年開始應用于國際空間站艙外航天服。金屬氧化物罐可以同時清除服內(nèi)CO2與水蒸氣，但無論是罐體本身還是空間站內(nèi)的回收裝置質(zhì)量都比較大，而且回收過程耗能巨大且耗時較長[9]。

快速循環(huán)胺技術(shù)(Rapid Cycle Amine，RCA)是美國針對“星座計劃”先進環(huán)控生保系統(tǒng)發(fā)展的一種可再生式CO2清除技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展至第三代產(chǎn)品，可實現(xiàn)CO2、水蒸氣同步清除。吸附劑利用真空環(huán)境即時再生，能耗較低且質(zhì)量較小，目前已通過一系列地面驗證試驗，2019年10月美國國家航空航天局公布的新一代艙外航天服(X-EMU)就采用了這一技術(shù)[10]。

針對出艙活動對艙外服內(nèi)CO2清除的功能需求，對3種CO2清除方法進行了調(diào)研并對指標進行了匯總，見表2[11-16]。近年來全球航天活動持續(xù)深入，人類探索的目標逐漸向地外行星延伸，隨著我國空間站建立以及載人月球探測任務的逐步實施，載人月球探測開發(fā)以及載人火星探測均是未來載人探測的主要發(fā)展方向。

表2 3種CO2清除裝置指標比對

2 系統(tǒng)質(zhì)量等效計算方法

作為一種評估方法，等效系統(tǒng)質(zhì)量是指將待評估有效載荷的不同的性能特征和規(guī)格轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的、可量化的質(zhì)量度量，即將體積(V)、功率(P)、熱控系統(tǒng)功率(C)及乘員時間(T)等指標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為質(zhì)量單位，并計算載荷工作周期內(nèi)消耗品質(zhì)量及體積損耗，從而獲得該載荷的等效質(zhì)量，等效質(zhì)量最小則意味該載荷在工作周期內(nèi)的潛在經(jīng)濟性最優(yōu)。

SESM=MS+VSrv+(MC+VCrv+Prp+

Crc+Trt)×N

(1)

式中：SESM為等效質(zhì)量和；MS與VS分別為待選設(shè)備的質(zhì)量與體積，每次使用時不會消耗；MC和VC是每次進行出艙活動時所需消耗品的質(zhì)量與體積；P是設(shè)備功率；C是熱控系統(tǒng)功率；T是每次出艙期間對該設(shè)備的操作與維護時間；N是任務期間所執(zhí)行的8 h出艙活動次數(shù)；rv、rp、rt、rc表示轉(zhuǎn)換系數(shù)，rv單位為kg/m3，rc單位為h/kg，rp和rt單位為kg/kW，作用是將設(shè)備體積、功率等非質(zhì)量參數(shù)轉(zhuǎn)換為等效質(zhì)量，再添加到最終等效質(zhì)量中。(本文中使用的轉(zhuǎn)換參數(shù)來源于NASA于2018年發(fā)布生命支持系統(tǒng)基線與假設(shè)值文檔中的載人航天器生保系統(tǒng)，雖然該文檔中未體現(xiàn)出艙活動相關(guān)設(shè)備硬件轉(zhuǎn)換參數(shù)，但艙外航天服與航天器2種生保系統(tǒng)的底層計算模式類似，因此本文使用此相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù))。

將分別從CO2清除設(shè)備的體積、功率、熱控系統(tǒng)功率及乘員時間等4個角度，結(jié)合月球及火星表面出艙任務的相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)，計算2種任務模式下，3種CO2清除設(shè)備的等效質(zhì)量。

2.1 體積等效

體積轉(zhuǎn)換系數(shù)主要考慮了地球與應用場景的距離及是否充壓兩方面因素，航行距離越遠，所耗費推進劑質(zhì)量越多，因此轉(zhuǎn)換系數(shù)越高。載人飛船軌道艙與返回艙均為充壓結(jié)構(gòu)，而貨運飛船部分艙段為非充壓結(jié)構(gòu)，充壓結(jié)構(gòu)由于密封性要求結(jié)構(gòu)強度更高，結(jié)構(gòu)更復雜，因此推進劑消耗更多，轉(zhuǎn)換系數(shù)也越高。艙外航天服內(nèi)為密閉充壓環(huán)境，且在運輸過程中全程處于充壓艙內(nèi)，因此按照充壓體積計算，分別取133.1 kg/m3及215.5 kg/m3，見表3[2]。

表3 兩種任務模式下體積轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.2 設(shè)備功率等效

等效功率轉(zhuǎn)換系數(shù)取決于設(shè)備的電力系統(tǒng)類型，包括發(fā)電系統(tǒng)、電力存儲、系統(tǒng)部署位置等，發(fā)電效率越低，系統(tǒng)質(zhì)量越大，系統(tǒng)部署位置越遠，其等效功率轉(zhuǎn)換系數(shù)越高。由于應用于中長期載人航天任務的核能發(fā)電及儲電技術(shù)尚不成熟，許多參數(shù)為理論推算值，太陽能光伏(無儲能)由于系統(tǒng)簡單，可靠性高，應用較廣泛，因此選取太陽能光伏(無儲電)轉(zhuǎn)換系數(shù)，見表4[2]。

表4 兩種任務模式下設(shè)備功率轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.3 熱控系統(tǒng)功率等效

熱控系統(tǒng)功率是指設(shè)備運行期間由于設(shè)備散熱對熱控系統(tǒng)所造成的熱負荷，轉(zhuǎn)換系數(shù)取決于熱控系統(tǒng)構(gòu)型，其數(shù)值大小與熱控系統(tǒng)部署位置、結(jié)構(gòu)質(zhì)量及傳熱效率相關(guān)。

LiOH罐工作時會產(chǎn)生反應熱，其反應如下

2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O

(2)

按照8 h艙外活動期間需清除1.02 kg CO2計算，釋放2072.54 kJ熱量，熱控系統(tǒng)功率為71.96 W。

金屬氧化物設(shè)備運行時不產(chǎn)生熱量，但其再生反應時，需利用加熱空氣通入罐體內(nèi)，將整個罐體加熱至204 ℃或略高，高溫會降低金屬氧化物吸附劑的吸附量，使CO2與其他微量氣體緩慢釋放，此過程維持約10 h，再生器最大瞬時功率約為1.5 kW，單次再生過程約耗費10 kW·h電能。按照平均加熱功率1 kW，97%熱效率計算，熱控系統(tǒng)功率為970 W。2種任務模式的熱控措施均為輕質(zhì)流體回路+輻冷器，見表5[2]。

表5 2種任務模式下熱控系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.4 乘員時間等效

乘員時間是指航天員對生保系統(tǒng)的維護、修理時間等，由于該指標難以調(diào)研，故按照0.5 kg·人-1h-1代入后續(xù)計算。月面出艙位置選擇月面行走，火星表面出艙選擇較近的火星著陸器，分別為15.66 kg·人-1h-1及0.94 kg·人-1h-1代入后續(xù)計算，見表6[2]。

表6 2種任務模式下設(shè)備乘員時間轉(zhuǎn)換系數(shù)

2.5 等效系統(tǒng)質(zhì)量計算匯總

根據(jù)2.1～2.4節(jié)所選取等效轉(zhuǎn)換系數(shù)及表2設(shè)備參數(shù)，按照式1計算方法，將3種CO2清除設(shè)備在月球表面及火星表面單次艙外活動等效質(zhì)量進行了計算與匯總，等效系統(tǒng)質(zhì)量越低，則認為該待選技術(shù)更具有經(jīng)濟優(yōu)勢，發(fā)射成本越低。如表7及表8所示。

表7 月球表面3種設(shè)備的等效質(zhì)量

表8 火星表面3種設(shè)備的等效質(zhì)量

由表7與表8可知，對于單次月面艙外活動，金屬氧化物等效質(zhì)量數(shù)值遠高于其他兩種技術(shù)途徑，其再生器功率及再生過程中對熱控系統(tǒng)造成過高熱負荷是主要原因，金屬氧化物CO2清除設(shè)備主要應用于國際空間站航天員的出艙活動，再生器布置于空間站內(nèi)，航天員每次執(zhí)行艙外活動任務后，將金屬氧化物罐從艙外服背包內(nèi)取出放入再生器內(nèi)進行加熱等再生流程，這一過程中電源及熱控系統(tǒng)功能由位于近地軌道的國際空間站提供，其相關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)低于月表及火星表面，等效質(zhì)量和也隨之較低；而快速循環(huán)胺系統(tǒng)再生依靠外部真空環(huán)境現(xiàn)場即時完成，不需借助額外再生裝置，過程中僅消耗部分電能，其等效質(zhì)量和隨部署位置變化相對較小；LiOH罐作為非再生式設(shè)備，每次出艙活動需更換消耗品，且LiOH與CO2反應會釋放部分反應熱，因此單次出艙活動等效和高于快速循環(huán)胺。因此在不同任務場景下，熱控系統(tǒng)功率可能成為敏感系數(shù)，在待選技術(shù)評估中應盡量避免熱功率及熱控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系數(shù)過高的技術(shù)途徑。

3 多任務模式ESM分析

3.1 月球表面艙外活動ESM分析

由表7可知，航天員在月球表面分別使用LiOH罐、金屬氧化物及快速循環(huán)胺作為CO2清除方法，完成1次艙外活動的等效質(zhì)量和為32.87 kg、278.72 kg及16.52 kg，MetOx作為一種可再生式清除方法，在沒有消耗品的情況下等效質(zhì)量明顯高于其他方法初步分析原因是設(shè)備及再生設(shè)備的質(zhì)量與體積較大，在僅完成1次出艙活動的任務規(guī)模評估中無法體現(xiàn)再生式方法的優(yōu)勢，將分別計算5、25及125次艙外活動中3種方法的等效質(zhì)量和。計算結(jié)果見表9。

表9 月球表面3種設(shè)備不同任務規(guī)模艙外活動等效質(zhì)量

如圖1所示，金屬氧化物在所有任務規(guī)模下，等效質(zhì)量和都遠遠高于其他2種清除方法，在數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，造成該結(jié)果的主要原因是金屬氧化物再生時功率高達1 kW，且大部分功耗通過電阻絲轉(zhuǎn)化為熱量用于再生金屬氧化物罐體，對航天器熱控系統(tǒng)造成大量熱負荷，最終大幅提高航天器電源及熱控系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模，進而增加了功率等效質(zhì)量及散熱等效質(zhì)量。但對于近地軌道空間站，由于其較大的電源及熱控系統(tǒng)容量，以及相對較低的等效系數(shù)，金屬氧化物方法可能具有一定優(yōu)勢。

圖1 月球表面3種設(shè)備不同任務規(guī)模艙外活動等效質(zhì)量趨勢圖

3.2 火星表面艙外活動等效系統(tǒng)質(zhì)量分析

與月球表面艙外活動分析方法相同，根據(jù)表8可知，航天員完成1次艙外活動的等效質(zhì)量和為22.57 kg、332.17 kg及11.52 kg。由于火星表面部署電源系統(tǒng)代價更高，因此對于需要高功率代價完成再生的金屬氧化物在火星表面完成1次艙外活動的等效質(zhì)量比月球表面更高。表10及圖2總結(jié)了5、25及125次火星表面艙外活動中3種方法的等效質(zhì)量和。

表10 火星表面3種設(shè)備不同任務規(guī)模艙外活動等效質(zhì)量

圖2 火球表面3種設(shè)備不同任務規(guī)模艙外活動等效質(zhì)量趨勢圖

與月球表面艙外活動等效質(zhì)量和趨勢類似，金屬氧化物等效質(zhì)量依然遠高于其他兩種清除方法。作為一種不可再生的CO2清除方法，由于功率及熱控系統(tǒng)功率相對較低，LiOH罐的等效質(zhì)量依然具備一定優(yōu)勢；快速循環(huán)胺方法由于其可再生性及利用真空環(huán)境完成再生的優(yōu)勢，使其質(zhì)量、體積、功率等指標均占有優(yōu)勢，在兩種艙外活動模式下等效質(zhì)量和最小，因此其潛在經(jīng)濟性最佳。

作為等效系統(tǒng)質(zhì)量評估體系下優(yōu)勢明顯的固態(tài)胺技術(shù)得到了美國航空航天局的持續(xù)支持，相繼研發(fā)了應用于多種使用場景下，基于固態(tài)胺材料的CO2吸附裝置，如“獵戶座”飛船的CO2與水蒸氣清除胺搖擺床(CO2and moisture removal amine swing-bed，CAMRAS)，該裝置2013年搭載國際空間站完成了空間測試，以取代不可再生的LiOH罐[17]；針對未來火星載人探測任務研發(fā)了溫度搖擺吸附系統(tǒng)(Temperature Swing Adsorption，TSA)，其技術(shù)原理與快速循環(huán)胺相似，由于火星表面CO2濃度較高，壓力解吸效率低，故其解吸方式為加熱解吸[18]；而快速循環(huán)胺技術(shù)本身已應用于美國下一代才外航天服(X-EMU)，以取代目前的金屬氧化物技術(shù)。

4 結(jié)論

通過月球及火星表面艙外活動CO2清除方法等效系統(tǒng)質(zhì)量對比與評估，得出以下結(jié)論：

(1)在某些任務場景下，部分再生式環(huán)控技術(shù)在全周期使用中，其等效質(zhì)量可能超過非再生式技術(shù)，造成該結(jié)論的主要原因在于再生設(shè)備的再生過程功率及散熱功率過高，大幅提高了功率等效質(zhì)量及散熱功率等效質(zhì)量，進而提升了載人深空探測器的電源與熱控分系統(tǒng)部署規(guī)模。

(2)快速循環(huán)胺作為一種可再生式CO2清除方法，由于其依靠外部真空環(huán)境實現(xiàn)再生，因此極大降低了消耗品質(zhì)量、體積以及相應再生功率與散熱功率，是一種具備潛在經(jīng)濟性的再生式環(huán)控生保技術(shù)。

(3)等效系統(tǒng)質(zhì)量分析方法本身優(yōu)勢在于將環(huán)控生保技術(shù)各接口關(guān)系通過等效系數(shù)轉(zhuǎn)化完成了量化評估，數(shù)值結(jié)果較精確使最終評估結(jié)論更直觀；線性計算方法使多種待選技術(shù)在多周期、不同任務場景下的評估過程更加標準、簡潔；通過設(shè)備體積、功率、散熱等多個維度等效轉(zhuǎn)化，能夠較充分計算設(shè)備在運行周期內(nèi)質(zhì)量“代價”，即設(shè)備本身、相關(guān)接口系統(tǒng)及消耗品的發(fā)射成本，從而評估設(shè)備的潛在經(jīng)濟性。

本文在調(diào)研3種艙外航天服CO2清除技術(shù)硬件及等效系統(tǒng)質(zhì)量方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合月球與火星表面載人探測任務，利用等效系統(tǒng)質(zhì)量計算對比了3種方法的相關(guān)等效參數(shù)，評估了不同任務模式下技術(shù)適應性與潛在經(jīng)濟性，為我國載人航天總體方案論證方法提供新思路。