国外空间站环控生保分系统研究现状和发展趋势分析

侯倩（航天恒星科技有限公司）

环境控制与生命保障分系统（ECLSS，简称为环控生保分系统）是载人航天器所独有和必需的一个最重要分系统。环控生保分系统应对人类在空间特殊环境的生存需求，通过大气控制、温度控制、供应和再循环、水再循环、食物供应、废物清除、火灾等应急措施的解决，为载人航天器上航天员的正常生活、工作、身体健康和生命安全提供关键性保障。该分系统研究涵盖物理、化学、材料、生物、机电等多个技术领域，它从最初的非再生式储存系统，到物化再生式生保系统，目前已逐渐向生态、循环的受控生保系统发展。

纵观美俄空间站环控生保技术的发展历程，其研发路线为：基础研究-原理样机-工程样机-地面验证-飞行试验验证-装站工作，也就是说新技术实现在轨工程应用前都有一个在轨飞行试验的过程。

1 环控生保系统的发展现状

环控生保系统的研究阶段

国外环控生保分系统经历了3个发展阶段。

第一代生保系统为非再生式储存式生保系统，即食物、氧气、水从地面上随飞行器带入太空，这种一次性消耗的模式不能满足载人航天长时间、远距离、多人次驻足太空的需要。

第二个阶段为物化再生式生保系统。美国、俄罗斯从20世纪50年代就开始了相关研究，其主要特点是在空间载人航天器上实现消耗量最大的氧气和水的再生循环利用，而食物完全由地面补给，航天员生活产生的粪便及废弃物随运输飞船或航天飞机一同返回地面后进行消毒处理。

第三阶段是闭合受控生态生保系统（CLESS）。物化再生式生保系统解决了航天员在太空生存所需的空气、水的基本问题，但系统中食物、氮气等物质仍需地面运输，成本高，效率低，需占用空间站载重量和存储资源。研究生态、可循环的闭合受控生态生保系统已成为美、俄等航天技术发达国家的研究重点。它利用绿色植物和微生物等生物组分来生产食物、处理废物，同时再生空气和水，在有限的密闭空间内建立一个生态系统，实现其中的物质循环和能量循环，满足人类在宇宙空间长时间飞行或外星球建立基地长期生活的需要。目前，基于微生物的受控生保系统已成为各国的研究热点。

2 “国际空间站”环控生保情况介绍

俄罗斯和平号空间站和正在服役的“国际空间站”均采用物化再生式生保系统。“国际空间站”中的生保系统支持将尿液转化为饮用水，并能将CO2中50%的O还原为O2。下面着重介绍“国际空间站”的环控生保系统。

针对大气控制、供应和再循环问题，俄罗斯的电解（Elektron）氧生成器通过将水分解为氢气和氧气（电解）来生成氧气。必要时将会点燃固体燃料氧生成器或氧烛来产生更多的氧气。压力控制组件（泵和阀门系统）将以正确的百分比混合氮气和氧气，监控空气压力，并在必要时为空间站减压以防止压力过高，或在紧急情况下灭火。CO2清除组件（一系列特殊材料制成的层）将吸收CO2并排放到外太空。另外，备用化学CO2消除罐可以通过使CO2与氢氧化锂反应而将其清除。微量污染控制系统将过滤舱内空气，以清除因泄漏、溢出与放气而排出的微量气味和挥发性化学物质，还将使用作为备用设施的有害杂质过滤器。空间站和加热系统将控制整个空间站内的湿度和空气流通。最后，主要成分分析仪将会不断检测舱内气体的数量和类型，并控制大气供应和再循环系统。

除空气之外，水是“国际空间站”最重要的物质。空间站上严格节约用水，没有长时间奢侈的淋浴。实际上，大多数航天员都通过海绵擦洗进行洗浴。水回收和管理子系统会从各种来源收集、再循环和分配水，包括：水池、尿（来自空间站上的航天员员和实验室中的动物）、航天服污水、加热和冷却系统、舱内空气（航天员和实验室中的动物呼出的湿气）、航天飞机和燃料电池。水回收和管理子系统包括各种冷凝器、过滤器和水净化器。水将用于饮用和冷却电气系统。水回收和管理子系统不是百分之百有效，而且水在通过Elektron氧生成器、气闸和CO2清除系统时会流失一部分，因此需要定期从地球上补充水；不过该系统大大减少需要从地球上运来的水量。

“国际空间站”必须保持清洁，因为漂浮的灰尘和碎片可能会造成危险。清洁、饮食、工作和个人卫生都会产生废物。进行普通的全面清洁时，航天员会使用各种抹布（湿的、干的、织物、具有清洁功能的和用于消毒的）、清洁剂和湿/干真空吸尘器清洁各个表面、过滤器及自身。垃圾将整理成袋并放入进步号货运飞船中，然后送回地球进行处理。来自卫生间的固体废物经过压缩、干燥后放入袋中，也带回地球处理（焚烧）。从固体废物回收的水经过处理和净化后饮用。

在应急措施上，“国际空间站”设计了火灾探测和灭火子系统，其中包括：每个舱中的区域烟尘探测器、每个电子设备支架上的烟尘探测器、每个舱中的警报器和警报灯、无毒便携式灭火器[基于CO2（来自美国）或氮化合物（来自俄罗斯）的泡沫或液体灭火器]、个人呼吸器（每个乘员都有面具和氧气瓶）。灭火后，大气控制系统会过滤空气以消除微粒和有毒物质。

3 国外对闭合受控生态生保系统的研究情况

俄罗斯对闭合受控生态生保系统研究最初的切入点是研究两环节系统中水的净化和空气再生问题。因藻类有净化空气的作用，于1965年进行了首次“人、藻类”密闭系统试验。之后，又逐步加入高等植物、微生物，到1972年俄罗斯生物物理研究所建造了容积为315m3的供3人试验的地基模拟系统，其中水和气体实现了完全循环，部分食物实现了系统内再生。为了提高系统闭环性，针对植物不可食部分，俄罗斯进行了多个解决方案和技术研究，包括化学方法、生物方法、燃烧处理和2003年提出的类土壤基质处理法。类土壤基质处理法因可将生物处理中的有害物质有效净化而备受青睐。

火星农场概念图

欧洲航天局（ESA）也进行了大量的闭合受控生态生保系统研究，其研究思路是在部分闭合的物化再生式生保技术基础上，逐步将空气、水、食物和废物回路闭合起来。研制利用微生物分解废物的生物反射器，为植物提供CO2、氮化合物和矿物质。真菌培养、小动物培养和微藻培养可单独进行，最后在高等植物栽培舱内进行高等植物栽培试验和人与动植物整合试验。

美国航空航天局（NASA）大规模闭合受控生态生保系统研究始于20世纪70年代后期，曾进行了以高等植物为重点，结合藻类、微生物、小动物，进行物化再生式生保技术的物质闭合循环试验。其发展思路是，首先在地面建立实用的生保实验室，积累连续的试验数据，再逐步扩大到空间多人的生保试验系统，并利用生物卫星、航天飞机、空间站进行了空间生保技术试验。美国于21世纪初开始实施“先进生保计划”，其目的是为未来长期空间飞行提供生命保障，利用该系统在空间飞行期间所有生保物资都可进行循环和再利用。美国约翰逊航天中心设计和建设了该计划的核心部件—行星生物再生式生保系统试验综合装置，它具有密封的内部环境，可以保障4人乘员组进行长达1年多的实验。它由生物和物化系统整合而成，可以进行全部所需的大气再生、水循环、生物量生产、食品加工、固体废物处理、微量污染物控制和热控等。同时，通过空间站搭载实验的方式，开展了大量空间生态生命科学试验。

4 国外在物化生保系统和受控生保系统研究中的验证情况

俄罗斯环控生保技术在轨验证情况

（1）冷凝水处理技术

俄罗斯在“礼炮”系列空间站上开始进行冷凝水处理系统部分回收和净化冷凝废水的在轨飞行试验，到礼炮-4空间站运行时，冷凝废水净化系统已成为标准的设备。具体试验情况如下：l975年冷凝水处理系统在礼炮-4上工作65天，1977-1981年在礼炮-6上工作570天，l982-l986年在礼炮-7上工作743天。

该系统经改进后直接在和平号空间站上应用。从1986年3月l6日-1999年8月28日共回收冷凝再生水14t，空间站将近50%的水来自冷凝废水的再生。

（2）电解制氧技术

俄罗斯研制的流动碱性电解制氧系统从1987年作为实验件开始在和平号空间站开始进行在轨飞行试验。经验证后，从1989年开始作为装站设备为航天员主份供氧。2000年，该系统经改进后装备在“国际空间站”俄罗斯星辰号服务舱内，为其建造立下了汗马功劳。

（3）CO2去除技术

俄罗斯对真空解吸固态胺CO2去除技术进行了较为深入的研究，固态胺吸附技术首先在和平号空间站进行了在轨飞行试验，并作为主份的CO2去除装置工作。2000年，该系统装备在“国际空间站”俄罗斯舱段应用。

（4）尿处理技术

俄罗斯早期采用膜渗透燕发技术方案，具有空间站长期飞行试验的实践经验。该系统自1990年1月安装在和平号空间站开始进行飞行试验，截止到l994年2月，共从尿（含预处理剂）中回收水3550kg。其回收的水主要用于电解制氧。

为解决和平号空间站中使用的尿收集处理系统的高能耗缺点，“国际空间站”俄罗斯舱段开发了新的多级旋转蒸馏器技术。由于该技术尚未完成在轨飞行验证，因此，目前该系统还未在“国际空间站”上实际运行。

（5）微量有害气体去除技术

微量有害气体去除技术在空间站进行了充分的飞行验证。礼炮-7的微量有害气体去除系统验证1个独立的活性炭配上催化剂净化罐和5个KO2配上活性炭净化罐的技术。

和平号空间站的微量有害气体净化系统采用了再生与非再生相结合的方法控制座舱大气中的微量有害气体，利用催化氧化的方法消除CO和H2，用活性炭去除各类挥发性有机物(VOC)，其中吸附大分子量各类挥发性有机物的活性炭和吸收酸性、碱性无机气体的浸渍炭由于用量最少且难再生，对其不进行再生处理。而对吸附小分子量各类挥发性有机物的活性炭用熟真空的方法进行再生处理，反复利用。经飞行试验表明，该技术对于长期控制舱内的微量有害气体水平是有效的。

“国际空间站”俄罗斯舱段沿用了和平号微量有害气体净化系统的设计和配置，并于2003年3月24日增加了专门用于处理CH4的高温催化氧化装置。

美国环控生保技术在轨验证情况

（1）冷凝水处理技术

美国的冷凝水处理系统采用催化氧化的方案。该系统于2008年随航天飞机运到“国际空间站”美国实验舱，开展在轨飞行试验；完成所有的在轨试验后，于2010年转入节点-3舱，正式装站应用。

（2）电解制氧技术

美国的电解制氧系统于2006年7月由航天飞机带到“国际空间站”美国实验舱，开始进行在轨飞行试验，针对在轨试验的问题，进行了改进，最终在2010年1月转入到节点-3舱，正式装站应用。

（3）CO2去除技术

美国在“天空实验室”的生命保障系统中对分子筛CO2去除技术进行了飞行验证，并获得了良好的CO2净化效果。2001年2月，英国的四床分子筛CO2去除装置在“国际空间站”装站应用。

（4）尿处理技术

美国空间站尿处理技术采用蒸气压缩蒸馏（VCD）的技术方案，该技术的研究开发经历了几十年的历程，在实现“国际空间站”应用前，首先对核心的旋转鼓（DA）在航天飞机上进行了飞行验证；2008年，整个系统随航天飞机发射进入美国实验舱，进行在轨飞行验证；完成所有的试验后，与2010年转入3号节点舱正式应用。

“国际空间站”主要的动植物培养实验装置

（5）微量有害气体去除技术

“天空实验室”对微量有害气体的再生吸咐净化进行了飞行验证，具体内容是将活性炭置于分子筛床内，载人飞行期间活性炭可与分子筛一起进行再生。在此基础上，国际空间站进行了技术升级，采用高温催化氧化与吸附净化技术相结合的方法，净化舱内有害气体。该装置在2001年装备在美国舱段应用。

受控生态生保系统关键功能部件空间飞行验证实验

受控生态生保系统主要通过高等植物和微藻为乘员生产食物、氧气和水，并去除乘员产生的CO2等气体；通过饲养动物为乘员提供动物蛋白；通过微生物的分解作用，将系统内的废物转化为可再用的物质，从而实现系统内物质的完全闭合循环。因此，该系统主要有植物/藻类培养装置（子系统）、动物培养装置（子系统）、微生物废水/废物处理装置等组成。

目前，美、俄等国利用和平号空间站、航天飞机以及“国际空间站”开展了受控生态生保系统动植物培养装置（或子系统）的空间飞行验证实验。空间飞行实验主要目的是考察生物（包括动物、植物、藻类和微生物等）在空间的适应能力，以及动物饲养、植物/藻类培养、微生物处理废物等装置在空间运行的可靠性、稳定性和安全性，为将来长期飞行任务中的空间站、月球/火星基地上建立受控生态生保系统奠定基础。

在和平号空间站上，俄罗斯研制成SVET空间温室，成功进行了小萝卜、大白菜和小麦等多种蔬菜/粮食作物的栽培试验，其中已经对小麦进行了连续三代从种子到种子的栽培。美国和俄罗斯的装置已经安装在“国际空间站”上，进行了小麦、甘蓝和豌豆等几种作物的栽培试验研究，并获得了作物完整的生长周期循环。

在“国际空间站”上，美、俄、欧、日等航天大国和组织为各自的舱段研制成各种类型的动植物培养装置。一方面可利用这些装置进行动植物试验研究，为开展生命科学研究提供良好的试验平台；另一方面，通过这些研究为未来空间站建成受控生态生保系统奠定理论和技术基础。

5 国外环控生保系统的发展趋势

美国航空航天局于2010年10月发布了《空间技术发展路线图草案—人类健康生活支持和居住系统（HLHS）》。草案提出了近地轨道以外的航天任务中需要面临的五大需求，包括高可靠、自供给、后勤最小化需求，为乘员提供执行任务及突发情况时的保护以应对空间特殊环境的需求，应对乘员生理、心理健康问题，对航天器火情、再生系统等安全监测和应急需求；对空间辐射及其他健康危险要素需制定防护和减缓措施。

该路线图将人类健康生活支持和居住系统分为包括环控生保分系统在内的5个分系统，按照从地面验证到空间验证的发展思路。其中，环控生保系统解决航天器空气再生、水再生和管理、废物管理、食物生产的问题。到2030年要建立一个超过95%的氧气由植物释放，超过98%的水由生态系统再生，超过95%的资源可回收，具备食物自产能力的绿色生态的受控生保系统。

美国航空航天局提出未来深空探测要求生保系统发展趋势有三点：①采用自主监测的高可靠性的、易维护的流程和集成系统；②增加自给自足，启用高度可靠的手段恢复生命支持物质，如氧气、水和食物；③最小化的物流供应，以减少整体备件质量。

因此，环控生保系统需要解决4个问题：大规模氧气再生和存储、水循环和管理、固体废物最小化和可循环利用、自主补给和清洁卫生的闭环居住环境。围绕这4个问题，美国航空航天局在草案中提出了解决办法，其下属的艾姆斯研究中心、肯尼迪航天中心、约翰逊航天中心等研究机构开展了相应研究。

在氧气再生问题上，航空航天局研究通过提高排气通道中动态机电机械设备以及组件（包括阀门、压缩机等）的可靠性，避免吸附剂、热交换器涂料随时间推移的关键性能损失，以提高系统可靠性和氧气再生率。提高氧气再生设备的控制能力，研究氧气高压液化技术实现氧气高密度存储，满足未来覆盖行星基地表面的需要。艾姆斯研究中心2012年研究出一种固态吸附技术实现CO2的分离和压缩，其研究的变温吸附压缩机未来可替代现在空间站生保系统中的机械压缩机，能为飞船运输节省大约900kg/年的载重量。

气相催化氨去除系统

废物氧化/焚化系统

在水循环的解决方案上，由于废水物理、化学和微生物的复杂及多变性，与氧气再生类似，美国航空航天局提出研究提高动态机电设备（包括真空管、抽水机、气体/液体分离器）和静态材料（吸附剂、催化剂、膜）的可靠性及稳定性，保护设备免受双向生理和化学结垢、气态污染物（例如氨）释放的影响，并开发从更多的潜在废水源的水再生技术。2012年美国航空航天局艾姆斯生命科学部宣布研究出气相催化氨去除（VPCAR）系统，这是一种单步的水回收系统，3年内无需消耗品或维护，比目前“国际空间站”使用的最先进的水回收系统先进很多。

在固体废物管理上，美国航空航天局考虑通过水再生、空气再生等其他子系统对资源进行检索和重用，通过耗材、航天器材料的预先选择，原料制造有价值的产品比如防辐射材料、燃料的原料等。该局设计的可生物降解材料能显著提高资源恢复并减少残留。艾姆斯中心开发的废物氧化/焚化系统在约翰逊航天中心经过高级生命支持（ALS）系统第三阶段长达91天的集成系统测试，焚烧炉中的所有痕量污染气体成分明显低于航天器的最大允许浓度（SMAC）值，这是首次在闭环系统测试中采用的废物处理技术。艾姆斯研究中心还研究采用碳纳米管捕获微量污染物，并将它们转换成有用的产品（如氮氧化物转化成N2和O2），具有卓越的痕量污染物控制能力。

在以往的居住系统中，衣物和消耗品都是从地面运输的，不满足可靠性、质量、体积和自主性的要求。为了应对深空飞行模式，必须建立闭合系统或实现部分循环。通过基因工程提高植物收获指数、蛋白质、维生素含量，创造高效、量大的作物。美国科学家克里斯•布朗使用纳米技术和生物技术开发了可编程植物。航空航天局正在研究解决用于粮食生产的照明技术，包括发光二级管或太阳光的捕获技术等，并在约翰逊航天中心构建了太空农场模型。如果在太空中建立一个“温室”，光源需要尽可能高效，以减少能源需求。在居住系统的清洁问题上，尿液预处理和卫生清洁剂等必须符合水回收技术，未来将研究碎屑收集设备、表面清洁系统、基于包装材料的储存技术、抗菌防腐恢复控制、火灾后处理等先进技术。

美国航空航天局还提出深空探测的环控生保技术可以用于地球环境的改善和保护上，可应用的领域包括：空气污染控制技术、CO2去除和封存技术、废水处理至饮用水标准、先进的环保检测技术、替代能源的生产（如生物燃料）、减少废物和副产品发电、电源效率最大化、先进的食品生产技术。

除美国航空航天局外，俄罗斯研制的环控生保分系统的闭合性也很高 ,但目前其内部生产的食物大多是植物性的，不能满足全营养的要求，还需要每天从系统外为每人提供30g的蛋白质食物。因此，今后的任务是在系统中饲养动物以提供动物蛋白质。如果能够把动物蛋白的生产过程和尿的处理过程结合起来，可能是比较理想的。目前，俄罗斯专家提出在系统内加一个小咸水湖来养鱼，同时将水中一部分盐提取出来，这些措施都可以大大提高系统的闭合性。

6 我国环控生保系统研究现状和差距分析

我国从1968年就开始了曙光号飞船环控生保系统的预先研究、总体研究和关键设备的研究，以及系统地面试验、飞行试验验证。1992年我国正式启动载人航天工程，环控生保技术进入工程研制阶段。经过“神舟”载人飞行任务的考核，我国已突破了座舱大气压力控制、大气净化、大气温湿度控制、大气通风的关键技术，并就火灾应急、压力应急、着陆应急状态下的关键问题进行了攻关。

面向未来载人深空探测需求，国内相关机构也在积极研究受控生保系统技术。2012年12月，我国首次受控生态生保地面集成试验取得成功。30天的试验由2名飞行员在密闭试验舱中，通过舱内种植36m2的食用蔬菜及微生物，达成O2、CO2、水等物质的动态平衡。

但是，与美、俄等国相比，我国环控生保技术仍存在较大差距。未来，按照载人航天发展路线图，规划我国环控生保系统发展，在空间站上实现物化再生式生保系统的工程应用，应依托空间站优势，研究受控生保系统关键技术，并进行试验验证，对提升我国空间话语权，加速载人航天工程应用，实现火星探测乃至行星基地建设具有重要意义。