艙外航天服CO2 清除技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

楊 樂， 吳 琪， 田 林， 徐小平， 李勁東

（1. 中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計部， 北京 100094；2.中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

CO是人體代謝產(chǎn)物，通過呼吸不斷排出體外。 航天員在艙外航天服密閉環(huán)境中等負(fù)荷下，呼吸熵為0.8 時，CO排出率一般為0.65 L／min（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）或1.29 g／min，隨著時間積累，CO的濃度逐漸升高，過高的CO濃度會對人體產(chǎn)生毒性。 一般封閉空間內(nèi)空氣中CO濃度約為0.04%，適宜人類呼吸；濃度達(dá)到0.1%時，人體普遍有不適感覺；濃度達(dá)到3%時，肺呼吸量正常，但呼吸深度增加；濃度至8%～10%時，人體呼吸明顯困難，意識陷入不清，以致呼吸停止；濃度達(dá)30%時可致人死亡。

在艙外活動（Extra Vehicular Activity，EVA）期間，為確保航天員安全、健康、高效完成任務(wù)，必須使用便攜式生命保障系統(tǒng)（Portable Life Support System，PLSS，也稱艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)）對人體新陳代謝產(chǎn)生的CO進(jìn)行連續(xù)清除，從而將CO濃度控制在對人體無害的范圍內(nèi)。 PLSS 一般為背包結(jié)構(gòu)，集成了包括供氣調(diào)壓、通風(fēng)凈化、溫濕度控制等分系統(tǒng)，對CO清除設(shè)備的體積、質(zhì)量、能耗、散熱、結(jié)構(gòu)等方面提出了眾多苛刻要求。 地面環(huán)境中有許多化學(xué)／物理方法可以清除大氣中的CO，但綜合考慮質(zhì)量、體積與清理效率等指標(biāo)要求，能夠直接用于艙外航天服的清除技術(shù)非常有限。

從首次載人航天飛行開始，LiOH 清除技術(shù)就得到了應(yīng)用。 LiOH 能夠吸收CO，并將其轉(zhuǎn)化為固態(tài)LiCO，由于技術(shù)成熟、設(shè)備簡單，被用于絕大部分已有的艙外航天服環(huán)控生保系統(tǒng)。 但LiOH 不可再生，對于長期任務(wù)多次出艙活動，需要攜帶大量一次性LiOH 罐，占用了寶貴的發(fā)射資源。 LiOH 為強(qiáng)堿性粉末，如果揮發(fā)到空氣中，會對航天員皮膚黏膜造成強(qiáng)烈刺激，直接威脅航天員健康。

金屬氧化物技術(shù)（Metal Oxide，MetOx）是一種主要應(yīng)用于艙外航天服的可再生式CO清除技術(shù)，2000 年開始應(yīng)用于國際空間站艙外航天服。 金屬氧化物罐可以同時去除服內(nèi)CO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。

快速循環(huán)胺技術(shù)（Rapid Cycle Amine，RCA）是美國針對星座計劃先進(jìn)環(huán)控生保系統(tǒng)開展的一種可再生式CO清除技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展至RCA3.0版本，可實現(xiàn)CO與水蒸氣同步清除。 吸附劑利用真空環(huán)境現(xiàn)場再生，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NASA 公布的新一代xEMU 航天服就采用了該技術(shù)。

溫度 搖 擺 吸 附 （ Temperature Swing Adsorption，TSA）是NASA 針對火星環(huán)境設(shè)計的一款可再生式CO清除系統(tǒng)，利用高溫對吸附劑進(jìn)行即時再生，原理與RCA 系統(tǒng)較為接近。

本文對以上4 種應(yīng)用于艙外航天服的CO清除技術(shù)進(jìn)行綜述，分別介紹設(shè)備基本工作原理、技術(shù)特點、應(yīng)用情況等；對其能耗、再生性、CO吸收率等指標(biāo)進(jìn)行了比對；基于月球與火星載人航天任務(wù)特點，分析了符合任務(wù)需求的CO清除技術(shù)途徑，為未來實施載人深空探測提供參考。

2 基于LiOH 的CO2 清除技術(shù)

2.1 基本原理

采用非再生化學(xué)吸附劑，主要以氫氧化物為主，常用的有無水LiOH 和堿石灰（Ca（OH）和NaOH 的混合物）。 Ca（OH）比較便宜，方便量產(chǎn)，但由于鈣原子質(zhì)量較大，單位質(zhì)量Ca（OH）吸收的CO量較?。ú怀^130 L／kg）；鋰的相對原子質(zhì)量較小，對CO的吸附量能達(dá)到350 ～400 L／kg。 故實際飛行任務(wù)大多選擇LiOH 作為CO清除工質(zhì)，反應(yīng)式如式（1）、（2）所示：

總反應(yīng)方程如式（3）所示：

無水LiOH 首先吸收氣流中的水汽，生成LiOH 的水合物L(fēng)iOH·HO；然后LiOH·HO 吸收氣流中的CO，生成LiCO。 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，每吸收1 kg CO釋放2031.9 kJ 熱量。

2.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

LiOH 吸收罐采用徑向流通結(jié)構(gòu)，適合小流速的人體呼吸代謝產(chǎn)物反應(yīng)。 LiOH 是強(qiáng)堿性化學(xué)品，反應(yīng)過程中生成熱，能夠在短時間使生成的水分完全氣化，一旦罐體破損，腐蝕性粉末在通風(fēng)系統(tǒng)中漂浮，威脅航天員健康。 中國飛天艙外航天服采用高壓工藝將LiOH 壓制成顆粒狀，在保證較高吸收效率的同時提高了LiOH 顆粒的力學(xué)強(qiáng)度，并采用彈簧機(jī)構(gòu)壓緊LiOH 藥層，提高其抗振性能。

LiOH 水化與吸收CO反應(yīng)主要在反應(yīng)帶中進(jìn)行（圖1），反應(yīng)伴隨出艙活動持續(xù)進(jìn)行，LiOH也隨之逐漸消耗。 由于彈簧的壓緊作用，反應(yīng)帶由罐體入口向出口移動，LiOH 反應(yīng)帶消耗殆盡，反應(yīng)停止，出口端CO濃度上升，反應(yīng)罐失效。

圖1 LiOH 吸收罐結(jié)構(gòu)示意圖［10］Fig.1 Structure of LiOH absorption tank［10］

理論上1 kg 無水LiOH 能夠吸附0.85 kg CO，但實際上LiOH 的吸附性能不可能被完全利用，主要有以下原因：①LiOH 孔隙度不足，CO與其接觸面積有限；②反應(yīng)區(qū)內(nèi)溫度及濕度并非最佳反應(yīng)條件，限制反應(yīng)進(jìn)行；③隨著反應(yīng)的進(jìn)行，顆粒表面被生成物覆蓋，阻礙了CO的吸收。

考慮到LiOH 利用率、容器與粘合劑質(zhì)量，實際上1 kg LiOH 只能吸附0.48 kg CO。

2.3 技術(shù)特點

LiOH 清除CO技術(shù)發(fā)展至今已非常成熟，對于一般短期出艙任務(wù)，其設(shè)備操作簡單、功能可靠。 但由于吸附劑不可再生且功能單一，已不再適合未來深空探測任務(wù)。 此外，LiOH 吸附劑本身為強(qiáng)腐蝕化學(xué)品，系統(tǒng)一旦損壞泄露，吸附劑直接進(jìn)入艙外服通風(fēng)環(huán)路，將對航天員皮膚與黏膜產(chǎn)生強(qiáng)烈刺激與腐蝕作用。

2.4 應(yīng)用情況

利用不可再生式的LiOH 進(jìn)行CO清除是載人航天器與艙外服中較常用的方法。 從20 世紀(jì)60 年代末的阿波羅系列登月服至今，美國航天飛機(jī)上使用的EMU 航天服及俄羅斯Orlan 系列航天服（圖2）、中國飛天艙外航天服都采用LiOH 清除CO。

圖2 俄羅斯Orlan?M 艙外服LiOH 反應(yīng)罐Fig.2 LiOH reaction tank in Russian Orlan?M spacesuit

阿波羅登月服A7L－5、A7L－6 型（前期型號）PLSS 背包中 LiOH 質(zhì)量為1.2 kg， 體積為0.006 5 m，出艙活動可維持最高4 h。 后期阿波羅14 ～17 任務(wù)使用經(jīng)過改進(jìn)的A7LB，攜帶1.42 kg LiOH，出艙活動時間延長至7 h（氧源壓力也由7.6 MPa 提高至10.3 MPa）；國際空間站EMU 艙外航天服中LiOH 罐集成于污染物控制罐（包含活性炭）中，7 h 出艙活動期間約能吸收0.671 kg CO。 LiOH 作為不可再生式吸附劑，雖然需要在每次完成EVA 后對其進(jìn)行補(bǔ)充，但由于航天飛機(jī)及早期空間活動在軌停留時間較短（7～14 d）及EVA 次數(shù)較低，對其進(jìn)行補(bǔ)充而帶來的發(fā)射質(zhì)量成本尚能接受。 但隨著國際空間站的建立，長期、多次EVA 日益頻繁，每次任務(wù)需攜帶大量LiOH 罐，造成發(fā)射成本上升，因此需要一種可再生式CO清除技術(shù)。

3 基于金屬氧化物的CO2 清除技術(shù)

3.1 基本原理

一般采用堿性金屬氧化物（氧化銀）作為吸附劑，可以吸收酸性的CO氣體，并在高溫下發(fā)生逆反應(yīng)，從而實現(xiàn)解吸。 在該反應(yīng)中CO不會與金屬氧化物直接反應(yīng)，只有當(dāng)足夠的HO 與氧化物反應(yīng)生成OH時，才會發(fā)生反應(yīng)。 最終CO與氧化銀在低溫條件下反應(yīng)生成碳酸銀（固體粉末），航天員在EVA 過程結(jié)束，返回空間站后，可使用專用設(shè)備對吸附劑進(jìn)行再生重復(fù)利用。主要反應(yīng)如式（4）～（9）所示：

總反應(yīng)如式（10）所示：

整個反應(yīng)階段并不消耗HO，HO 只是作為催化劑提供OH。 在再生反應(yīng)中，通過加熱至204 ℃，使AgCO直接分解為AgO 與CO。

3.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

裝置由金屬氧化物吸附罐和再生器兩部分組成。

3.2.1 金屬氧化物吸附罐

金屬氧化物吸附罐外觀如圖3 所示，航天員出艙活動時會攜帶2 個罐體，一個用于吸附航天員在氣閘艙內(nèi)吸氧排氮過程中產(chǎn)生的CO與濕氣，另一個用于EVA 期間的氣體吸附，該裝置安裝在航天服的污染物控制罐中。

圖3 金屬氧化物吸附罐Fig.3 Metal oxide adsorption tank Metox

金屬氧化物吸附罐由不銹鋼外殼、金屬氧化物板組件、0.11 kg 活性炭床、150 目顆粒過濾器和狀態(tài)指示器組成。 整體尺寸長為34.3 cm，高為24.9 cm，厚為8.6 cm，最大裝配質(zhì)量為15.5 kg。

反應(yīng)過程如下：含CO及水蒸氣的氣流由罐體右側(cè)進(jìn)入（圖4），首先經(jīng)過活性炭反應(yīng)床，去除由人體代謝反應(yīng)所產(chǎn)生的微量污染物；氣流隨后通過金屬氧化物反應(yīng)床，去除CO與濕氣；最后，氣體在離罐前通過150 目絲網(wǎng)， 去除固體顆粒。

圖4 吸附反應(yīng)過程示意圖［10］Fig.4 Schematic diagram of adsorption reaction process［10］

在8 h EVA 及吸氧排氮期間，該設(shè)備能夠清除0.67 kg CO，與LiOH 反應(yīng)罐清除水平基本持平。

3.2.2 再生器

再生器外觀如圖5 所示，圖6 顯示了該設(shè)備在空間站中的排列結(jié)構(gòu)，出于要同時對2 個罐體進(jìn)行再生反應(yīng)及備份考慮，國際空間站氣閘艙內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)（Temperature and Humidity Control，THC）艙架上布置了2 臺再生器。

圖5 地面測試狀態(tài)下再生器Fig.5 Diagram of regenerator under ground test

圖6 2 個安裝在國際空間站THC 艙架上的再生器Fig.6 Two regenerators mounted on the ISS rack

再生器組件結(jié)構(gòu)如圖7 所示。 它由控制器、風(fēng)機(jī)、閥門、換熱器、加熱器、烘箱、溫度傳感器和2 個過濾器組成。 整體尺寸長為0.45 m，高為0.48 m，寬為0.76 m。 單個再生器質(zhì)量（不含罐體）為47.6 kg。

圖7 再生器結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the regenerator

航天員返回氣閘艙后，將金屬氧化物吸附罐從背包內(nèi)取下，放入再生器（圖8），開始再生反應(yīng)。再生反應(yīng)分為2 步：①首先通入加熱空氣（與吸附反應(yīng)氣體流動方向相反）到罐體內(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CO與其他微量氣體緩慢釋放，并由空間站環(huán)控生保系統(tǒng)吸收，此過程維持約為10 h；②加熱過程完成后，利用冷卻氣體對罐體表面進(jìn)行約4 h 降溫，冷卻的目的主要是防止罐體內(nèi)金屬氧化物在空間站內(nèi)自主對站內(nèi)空氣中CO及水蒸氣進(jìn)行吸附。 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。

圖8 EVA 后航天員將罐體取下放入再生器的操作過程Fig.8 Tank removed and put into the regenerator by astronauts after EVA

3.3 技術(shù)特點

相比LiOH 反應(yīng)罐，MetOx 系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

1）可重復(fù)利用；

2）可同時去除水蒸氣與CO。

盡管此系統(tǒng)已成功使用數(shù)年，但存在3 個主要缺點：

1）質(zhì)量過大。 MetOx 系統(tǒng)質(zhì)量（15.5 kg）相較LiOH 系統(tǒng)（3.2 kg）更重；此外再生器質(zhì)量為47.6 kg，一次在空間站布置2 臺，總重近為100 kg。

2）工作時間有限。 一旦吸附劑飽和，艙外航天服內(nèi)CO濃度會迅速上升至致命水平，因此與LiOH 吸附技術(shù)類似，EVA 時間受限于所攜帶吸附劑數(shù)量；

3）回收代價較大。 航天員需返回空間站使用專用設(shè)備（再生器）對金屬氧化物吸附罐內(nèi)的吸附劑進(jìn)行回收利用，回收操作周期長約為14 h，且耗能巨大。

3.4 應(yīng)用情況

MetOx 系統(tǒng)于2000 年7 月發(fā)射運送至國際空間站，自2001 年至今國際空間站中航天員使用EMU 進(jìn)行出艙活動時，都使用該設(shè)備進(jìn)行CO清除。

4 快速循環(huán)胺技術(shù)

4.1 基本原理

快速循環(huán)胺技術(shù)以固態(tài)胺作為吸附劑，其材料是引入了胺基的樹脂，屬弱堿性陰離子交換樹脂，能與水反應(yīng)生成水化胺，然后再與CO反應(yīng)生成碳酸氫鹽，它與CO的總反應(yīng)如式（11）所示：

RCA 利用2 個固態(tài)胺吸附反應(yīng)床同時去除CO與水蒸氣，2 個反應(yīng)床交替進(jìn)行吸附與解吸附。 當(dāng)固態(tài)胺吸附飽和時，將其暴露向真空，破壞碳酸氫鹽的化學(xué)鍵，釋放出CO，從而完成再生。

4.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

RCA 系統(tǒng)主要包括4 部分：化學(xué)吸附劑、雙床吸附罐、閥門總成及控制器。 該系統(tǒng)使用2 個交替反應(yīng)床來吸附CO，一個反應(yīng)床在通風(fēng)環(huán)路中吸附CO與水蒸氣，另一個用于真空環(huán)境下再生。 當(dāng)一個反應(yīng)床飽和時，將其離線并開始解吸附，并將另一個反應(yīng)床重新聯(lián)機(jī)進(jìn)行吸附。

具體操作如圖9 所示。 RCA 系統(tǒng)在工作時，A 床接入環(huán)路通風(fēng)系統(tǒng)，吸附空氣中CO與水蒸氣，與此同時B 床暴露于真空環(huán)境中，進(jìn)行脫附；隨著A 床中吸附量逐漸飽和，吸附能力逐漸下降，安裝于氣體管路出口的CO感應(yīng)器檢測到CO含量持續(xù)上升，判斷A 床吸附能力已飽和，設(shè)備進(jìn)入中間狀態(tài)，旁通閥開啟，管路內(nèi)空氣不經(jīng)吸附直接由入口排入出口，此時設(shè)備暫時失去吸附能力，A 床與B 床直接連接，開始平衡氣壓；待兩床間氣壓平衡，旁通閥關(guān)閉，B 床接入通風(fēng)環(huán)路，開始吸附，A 床暴露于真空開始解吸附，吸附劑內(nèi)CO與水蒸氣直接進(jìn)入真空環(huán)境。

圖9 RCA 設(shè)備吸附與解吸附過程［12］Fig.9 Adsorption and desorption process of RCA［12］

4.3 技術(shù)特點

RCA 技術(shù)相較其他CO清除方法具有如下優(yōu)勢：

1）RCA 系統(tǒng)較目前國際空間站EMU 使用的金屬氧化物CO去除系統(tǒng)能明顯降低質(zhì)量，單個設(shè)備質(zhì)量由之前15.5 kg 降至 3.84 kg（RCA1.0），體積也大為縮小（圖10）。

圖10 MetOx 與RCA1.0 系統(tǒng)尺寸對比［13］Fig.10 Size comparison between Metox and RCA1.0［13］

2）吸附劑可即時再生，無需在空間站安裝大型高能耗再生設(shè)備，極大降低了發(fā)射成本與空間站能耗。

3）使用時間無限制，相較現(xiàn)有EVA 7～8 h 限制時間，提升了艙外航天服續(xù)航時間，為今后出艙任務(wù)規(guī)劃、出艙前吸氧排氮時間安排等提供了充足的時間保障。

盡管RCA 系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，但它仍然存在3 個需要解決的問題：

1）為了降低胺的揮發(fā)性，減少再生時向空間損失的胺，故選擇分子量較大的吸附劑，致使RCA 的CO吸收能力偏低；

2）RCA 系統(tǒng)可能會在通風(fēng)循環(huán)中產(chǎn)生少量氨的氣味，使航天員感到不適；

3）RCA 設(shè)備的再生裝置必須集成于便攜式生保背包中（圖11），增加了通風(fēng)環(huán)路的復(fù)雜性，降低便攜生保系統(tǒng)的可靠性。

圖11 RCA2.0 集成于PLSS2.0 系統(tǒng)中Fig.11 RCA2.0 integrated into PLSS2.0 system

4.4 應(yīng)用情況

1995 年NASA 提出利用再生式吸附與脫附循環(huán)概念收集CO與水蒸氣，但由于當(dāng)時LiOH吸收劑技術(shù)非常成熟，且NASA 正持續(xù)推進(jìn)MetOx 再生技術(shù)，同時EMU 管道通風(fēng)技術(shù)尚未徹底成熟，很難在管路內(nèi)集成新設(shè)備，所以該技術(shù)當(dāng)時并未得到大力支持。

2005 年美國啟動星座計劃，2007 年開始研發(fā)新一代EMU 及PLSS，明確選擇RCA 作為CO與HO 清除技術(shù)途徑。 2011 年美國漢勝公司（Hamilton Sundstrand）完成原型機(jī)設(shè)計。 截至2017 年，RCA 設(shè)備經(jīng)歷了3 代發(fā)展，從地面樣機(jī)RCA1.0、地面原理樣機(jī)RCA2.0 直到地面測試樣機(jī)RCA3.0（圖12），并分別作為先進(jìn)PLSS1.0、PLSS2.0 及PLSS3.0 主要分系統(tǒng)進(jìn)行了地面測試（包括振動、 吸附性能、 長壽命、 真空測試等），完成了設(shè)備與PLSS 集成設(shè)計及相關(guān)部件的優(yōu)化。 測試結(jié)果滿足NASA 對下一代艙外航天服指標(biāo)要求（表1）。 2019 年10 月，NASA 公布了采用了RCA 技術(shù)清除CO的xEMU 登月航天服將用于2024 年重返月球任務(wù)。

圖12 RCA 樣機(jī)Fig.12 RCA prototype

表1 RCA 系列產(chǎn)品性能比對［15－18］Table 1 Performance comparison of RCA 1.0～3.0［15－18］

5 溫度搖擺吸附系統(tǒng)

5.1 基本原理

溫度搖擺吸附系統(tǒng)（Temperature Swing Ad?sorption，TSA）與RCA 技術(shù)類似，利用2 個（或3個）吸附劑床層對CO與水蒸氣進(jìn)行吸附，并利用改變溫度的方式實現(xiàn)脫附，即在低溫條件下（5 ℃）實現(xiàn)吸附，在較高溫條件下（22 ℃）實現(xiàn)脫附。 此外，在吸附床上部安裝有一個冷凝器，用于水蒸氣清除。

5.2 結(jié)構(gòu)組成與工作方式

雙床系統(tǒng)（圖13、14）由2 個吸附床、2 個離心泵、閥門系統(tǒng)及1 個冷凝器組成。 系統(tǒng)直接與液冷服水循環(huán)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)2 個床層的溫度調(diào)節(jié)，具體工作方式如下：①液冷服內(nèi)工質(zhì)（水）在完成對人體降溫后，其溫度20.3 ℃升高至22.2 ℃，水流量約為109 kg／h，經(jīng)離心泵驅(qū)動進(jìn)入脫附反應(yīng)床＃2，用于提升床層溫度，以驅(qū)使其釋放CO；②來自反應(yīng)床＃2 約9.3 kg／h 冷卻水與之前用于冷卻吸附床反應(yīng)床＃1 的大流量冷卻水（109 kg／h）混合進(jìn)入水生華器，并降溫至5 ℃，對吸附床反應(yīng)床＃1 進(jìn)行降溫，同時自身溫度由5 ℃提升至5.6 ℃；③冷卻水再次分流，少部分冷卻水（9.3 kg／h）進(jìn)入液冷服，大部分冷卻水（109 kg／h）進(jìn)入水升華器進(jìn)行降溫。

圖13 TSA 系統(tǒng)工作原理圖Fig.13 Working principle of TSA system

圖14 雙床溫度搖擺系統(tǒng)Fig.14 Double bed TSA

5.3 技術(shù)特點

三床系統(tǒng)（圖15）相較兩床系統(tǒng)多1 個反應(yīng)床，主要用于兩床交替過渡暫時無法工作時進(jìn)行吸附。 TSA 技術(shù)可同時去除通風(fēng)環(huán)路內(nèi)的CO與HO，且可實現(xiàn)吸附劑現(xiàn)場再生，體積與質(zhì)量較小。 但缺點是其對溫度較敏感，一旦液冷系統(tǒng)發(fā)生故障，吸附效率將大幅下降。

圖15 三床溫度搖擺系統(tǒng)Fig.15 Three bed TSA

5.4 應(yīng)用情況

美國TDA 研究中心與NASA 約翰遜宇航中心于2011 年完成TSA 裝置的設(shè)計，分別對三床與雙床系統(tǒng)進(jìn)行了一系列地面測試，實現(xiàn)了最高0.08 kg／h 的CO清除率。

6 指標(biāo)比對

表2 比較了4 種適用于艙外服CO去除技術(shù)的性能特點，可以看到：①LiOH 清除系統(tǒng)的運行質(zhì)量最輕（TSA 目前產(chǎn)品成熟度較低，無法直接比對），并且最簡單和最可靠，但是它不可再生，每次EVA 前均需要安裝新的LiOH 罐，隨著EVA次數(shù)的增加，消耗品的質(zhì)量也相應(yīng)增大，這對于長期多次出艙任務(wù)來說，顯著提高了發(fā)射成本；②金屬氧化物清除系統(tǒng)可以再生，在艙外服上只需要很低的能耗，然而此系統(tǒng)需要在艙內(nèi)配置2 套高能耗、大質(zhì)量的再生設(shè)備，且金屬氧化物罐體本身質(zhì)量較大；③快速循環(huán)胺系統(tǒng)可即時再生，不需要額外的再生設(shè)備，每次EVA 全過程（包括再生）能耗僅為金屬氧化物系統(tǒng)的1.1%，且已應(yīng)用于獵戶座艙外艙外服，前景較好；④溫度搖擺系統(tǒng)技術(shù)與快速循環(huán)胺系統(tǒng)原理較接近，但技術(shù)尚不成熟。

表2 4 種CO2 清除裝置指標(biāo)比對Table 2 Index comparison of four CO2 removal devices

7 CO2 清除技術(shù)未來應(yīng)用分析

7.1 載人登月任務(wù)

月球氣體非常稀薄，表面大氣壓力在10～10Pa之間。 月夜期間寧靜的大氣密度只有大約 2 × 10分子／cm， 而月晝則降到了10分子／cm，比地球小14 個數(shù)量級。

月球表面是一個灰體源，表面溫度變化根據(jù)緯度和月球晝夜周期的時間來決定，溫度在－180～150 ℃之間。 月球表面溫度由所吸收的太陽輻射和來自于其內(nèi)部的熱量所決定，在月球赤道上滿月時吸收太陽輻射產(chǎn)生的月球溫度為117 ℃，新月前則降到了大約－163 ℃，同時隨著緯度的增高而降低。

阿波羅計劃中，成功實現(xiàn)了6 次登月任務(wù)（Apollo－13 任務(wù)除外），共有12 名航天員到達(dá)月面，累計出艙15 次，單次出艙平均時間為5.3 h、累計出艙時間80 h，單次最長月面行走距離約為35.24 km（Apollo－17 任務(wù)中航天員駕駛月球車）、累計月面行走距離約為96 km。 考慮到中國首次載人登月面臨的火箭運載能力限制，登月艙可能為非密封設(shè)計，以減輕質(zhì)量，這意味著航天員需在軌道艙或空間站內(nèi)完成吸氧排氮后直接穿著艙外航天服進(jìn)入登月艙，完成軌道艙與著陸器在軌分離－著陸器下降著陸－航天員出艙活動－著陸器上升－軌道艙與著陸器對接全過程，總耗時超過10 h 以上，這也對艙外服CO清除技術(shù)提出了更高的要求。

現(xiàn)有CO清除技術(shù)中，LiOH 罐工作時間有限；金屬氧化物雖然能夠?qū)崿F(xiàn)再生，但再生設(shè)備質(zhì)量巨大無法安裝于著陸器中，且再生反應(yīng)時間過長；考慮到月面真空度較高，RCA 系統(tǒng)可利用真空環(huán)境實現(xiàn)現(xiàn)場再生，且質(zhì)量較低，可連續(xù)工作時間長，初步分析RCA 系統(tǒng)較適合載人登月任務(wù)。

7.2 火星探測

近地航天器距太陽平均距離為1 AU，火星則為1.52 AU，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，海盜一號（著陸緯度22°N）在1 個火星年中測量溫度范圍為－98 ～－3 ℃，海盜二號（著陸緯度48°N） 為－123 ～－8 ℃。 火星大氣極為稀薄，底層大氣壓力只有地球海平面的0.7%，平均約為640 Pa。 火星大氣成分主要為CO，約占95%以上，其余還有2.7%的氮氣等。

火星與地球最近距離約5500 萬公里，遠(yuǎn)大于地月距離38 萬公里，對載荷質(zhì)量約束更加苛刻，LiOH 與金屬氧化物清除設(shè)備質(zhì)量過大；其次由于火星底層大氣二氧化碳分壓較大，需要依賴真空環(huán)境再生的快速循環(huán)胺也不再適用該環(huán)境。 優(yōu)先使用溫度搖擺吸附系統(tǒng)，通過改變溫度的方式可以實現(xiàn)CO的收集與排放。

8 小結(jié)

本文調(diào)研了4 種用于艙外航天服的CO清除技術(shù)，分析了其發(fā)展趨勢，并結(jié)合未來載人航天任務(wù)特點進(jìn)行了分析，總結(jié)如下：

1）功能性拓展。 從單一CO清除逐步發(fā)展為CO與水蒸氣同步清除，后期甚至可清除其他氣態(tài)污染物，極大提高了設(shè)備集成性，降低了載荷質(zhì)量與體積。

2）可再生性提升。 從最初不可再生的LiOH，到可再生卻質(zhì)量偏大的MetOx，再到輕便的RCA、TSA，工作循環(huán)次數(shù)從1 提升至100＋，提升了載人航天任務(wù)物質(zhì)閉合度，大幅降低了空間物資補(bǔ)充成本。

3）獨立性增強(qiáng)。 LiOH 與CO反應(yīng)生熱，熱量需借助熱控系統(tǒng)的水升華器排出；MetOx 吸附床飽和后需返回空間站，借助大型再生設(shè)備完成吸附床再生；RCA 較為獨立，吸附床可通過空間真空環(huán)境及時再生，降低了與其他分系統(tǒng)的耦合關(guān)系。

4）任務(wù)適應(yīng)性提高。 RCA 與TSA 技術(shù)原理類似，都使用固態(tài)胺作為吸附劑，但分別采用變壓與變溫實現(xiàn)吸附與脫附效果，在近地軌道空間站及月球表面的真空環(huán)境下使用RCA，能夠最大限度利用設(shè)備內(nèi)外壓力差，實現(xiàn)CO快速脫附，在具有一定大氣密度和較高CO分壓的火星表面優(yōu)先使用TSA 系統(tǒng)實現(xiàn)CO的收集與排放。

從一次性使用的LiOH，到可再生卻質(zhì)量偏大的MetOx，再到輕便且可即時再生的RCA、TSA，從單一的CO處理功能到水蒸氣與CO同步處理，多種指標(biāo)不斷提升的同時集成化設(shè)計水平也在提高。 艙外航天服CO清除能力是航天員進(jìn)行艙外活動的主要約束條件之一，面向未來長期、系統(tǒng)的載人深空探測任務(wù)需要持續(xù)研究并開展試驗驗證。