一种深空探测航天员应急生命保障系统

2016-02-20贾阳陈百超张旺军彭松陶灼北京空间飞行器总体设计部

国际太空 2016年11期

贾阳陈百超张旺军彭松陶灼（北京空间飞行器总体设计部）

一种深空探测航天员应急生命保障系统

An Emergency Life Support System for Astronaut in Deep Space Exploration

贾阳陈百超张旺军彭松陶灼（北京空间飞行器总体设计部）

在载人月球探测任务中，航天员的安全性至关重要。为了确保航天员在应急情况下能够迅速返回基地，专家提出了一种深空探测应急生命保障系统。常规状态下，其跟随载人月球车或航天员运动，当航天员出现意外后，可搭载其通过飞行的移动形式快速返回基地。该系统方案采用一种基于过氧化氢（H2O2）分解的生命保障装置，过氧化氢既作为发动机推进剂，又服务于航天员的应急生命保障。该装置可以提高载人月面航天活动的生命保障能力，又通过复用最大程度地节省资源。

1 引言

在执行远距离探测任务时，航天员如受到外界损伤或自身保障设备（如航天服、月球车等）出现异常时，无法及时返回基地（空间站或月球基地）进行处理和救治，将导致航天员生命安全受到威胁，甚至一个小的异常也可能导致航天员生命丧失。

美国国防高级研究计划局（DARPA）资助研发了一种形似机械狗的四足机器人，可以携带40kg的装备，自主跟随战场士兵行进，为士兵运送弹药、食物和其他物品，降低战场上士兵的负荷。其原理是，由汽油机驱动的液压系统能够带动其有关节的四肢运动，陀螺仪和其他传感器帮助机载计算机规划每一步的运动。

参考上述思路，为服务登月任务中的航天员设计了一种能够跟随航天员移动的应急生保系统（简称伴随器）。在常规状态下，其跟随载人月球车或航天员运动，当航天员出现意外后，可搭载伴随器，通过飞行的移动形式快速返回基地。

采用一种基于过氧化氢分解的航天员应急生命保障装置方案，使过氧化氢在作为发动机推进剂的同时，还可以服务于航天员的应急生命保障。

2 过氧化氢发动机

过氧化氢推进剂性质

过氧化氢是一种高密度的液态氧化剂，汽化潜热1.55×106J/kg，具有分解放热的独特性质，含量高的过氧化氢具有显著的过冷现象，便于贮存。

二战时期，德国将过氧化氢作为单元推进剂应用于V－1火箭起飞助推器上，也用来驱动V－2火箭发动机的涡轮泵。二战后，世界各国使用性能更高的肼系列单元推进剂发动机代替过氧化氢单组元催化分解发动机；到了20世纪70年代后期，已基本看不到这种推进剂的应用了。

由于环保和降低成本的需求，以及过氧化氢提纯技术、催化分解技术的发展，以过氧化氢作为推进剂的发动机再次得到研究，如美国General Kinetics公司研制的100N过氧化氢单组元发动机。

单组元催化分解发动机

在国内外运载火箭动力系统、飞船、空间站及其他航天器上应用的单组元催化分解发动机，基本上都采用有毒推进剂推进系统，这些推进剂的生产、储存、运输和使用都比较复杂。采用无毒推进系统将从根本上解决毒性问题，成为推进系统研究的重要发展方向。

过氧化氢单组元催化分解发动机的突出优点表现为无毒、无污染、可储存、密度比冲高等，从而改善了操作条件，降低了研制成本，并能改善空间系统的性能，降低维护成本。在比冲要求不高的情况，从经济性考虑，可以使用过氧化氢单组元发动机。

理论上，如果燃料停留时间足够长，分解效率高于95%（不考虑热散失），则相应的分解温度约为700℃。90%以上的高浓度过氧化氢具有足够的稳定性，容易储存与处理。

双组元发动机

使用过氧化氢作为氧化剂的发动机中，最常用的是过氧化氢/煤油发动机。过氧化氢流经银网催化剂床之后，分解生成高温水蒸气和氧气，90%浓度的过氧化氢绝热分解温度高于600℃。这些分解产物与雾化的煤油混合、燃烧，产生足够高的燃烧压力。

推力室材料选用与过氧化氢相容的不锈钢材料。发动机试车过程中，燃烧效率达97%，喷管温度最高达到990℃，但是仍低于材料最高耐用温度1150℃。试验结果表明，发动机密度比冲优势明显，对于容积受限的飞行器来说，这种发动机比经济的自燃发动机有更优良的性能，特别是在空间站、载人登月等航天任务中。

3 航天员伴随器

伴随器采用火箭发动机，由于航天员运动范围不大，其推进冲量要求不高，对发动机的比冲要求不高，但受到体积的限制，对密度比冲的要求较高。

在月面工作时，还要提供向上的升力。由于月面低重力，克服重力做功消耗的燃料较少，使得该系统可以服务航天员的月面活动保障。

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伴随器由底盘子系统、驾驶子系统、月面及飞行驱动子系统、测控子系统、电源子系统、视觉探测系统组成。

驾驶子系统包含航天员防护罩，以防止火箭发动机工作时羽流、月尘对航天员的侵害。月球车有2套驱动系统，在地面行走时，采用蓄电池电力驱动，在飞行时，采用过氧化氢/煤油喷气发动机为月球车提供飞行动力。

底盘中包含了悬架、车轮、车轮驱动机构、转向机构、液体推进剂贮箱和推力器（发动机）等。

伴随器组成

可折叠底盘布局

伴随器底盘的整体布局有以下特点：

1）底盘分为两部分，中间用销连接，两侧车轮相对旋转，即可将底盘中间拱起，呈倒V字形，该状态可以为航天员提供良好的乘坐便利性和耐力学冲击的乘坐环境。

2）该车的车轮可分别相对悬架旋转，悬架采用可升降悬架，使得该车在运输过程中可以折叠，以减小运输包络。

运输状态

系统的燃料贮箱配有温度控制加热器，但装置本身不提供长期储存状态下的温度控制能源，而是由空间站或着陆器提供系统启动前的温度调节能源。系统执行任务的过程均属于短期过程，主要利用被动热控措施以及热容保持温度在规定的范围内，必要时辅助短期主动热控制手段。

4 生命保证装置方案

该生命保障系统除了能够实现航天员的快速返回之外，还可以实现水、氧气的应急提供，主要通过生命保证装置实现。

该装置在需要时，借用推进系统高压气瓶压力，通过氦气增压方式挤压贮箱中的过氧化氢溶液，溶液进入气体发生器与催化剂充分接触，分解产生高温气体（水蒸气、氧气），经冷凝后分离成需要的液态水和氧气。

曾经广泛使用的催化剂是高锰酸钾（KMnO4）、氧化锰（MnO）等化合物，目前更多使用过渡金属盐或氧化物，主要是基于过渡金属锰、钴、铅等的金属盐和氧化物，载体材料选择陶瓷或无机物。考虑装置的使用条件，选用200目镀银镍网，并涂敷添加剂。

该装置主要由进液管道、阀门、流量调节器、气体发生器（含催化床）、螺旋冷凝器、气液分离器、氧箱和水箱等组成。

过氧化氢溶液通过进液管道流入装置，截止阀控制系统是否工作，流量调节器根据系统的压力及液位控制溶液的流量，直至关闭系统。溶液流入到气体发生器（A/B互为备份）中，遇到催化剂分解为高温气体，包括水蒸气和氧气。高温气体通过螺旋冷凝气后，水蒸气凝结，经气液分离器后，氧箱、水箱提供氧气和水到航天服接口，供航天员应急使用。设备的外包络尺寸为273mm×200mm×245mm，其中氧箱体积1.66L，水箱体积0.27L，设备质量5kg。