载人航天器CO2清除技术分析与任务模式设计

杨 乐，李志杰，田 林，徐小平，李劲东

（1.中国空间技术研究院总体设计部，北京 100094；2.中国空间技术研究院遥感卫星总体设计部，北京 100094）

0 引言

CO2是人体新陈代谢产物，排出量随运动加剧而增大，常压条件下，成年人休息时每分钟呼出约0.2 L CO2，剧烈运动时每分钟产生的CO2超过4.0 L，每人每天约排出1 kg CO2。如果不加以控制，CO2会在密闭环境中迅速累积。暴露于2%质量分数的CO2环境下数小时后，人体会出现头痛和呼吸困难的症状；在3%质量分数的CO2中暴露1 h后，人休息时会感觉出汗和呼吸困难；暴露于4%～5%质量分数的CO2几分钟内即可出现头晕、嗜睡与呼吸困难等症状。更高的CO2浓度会导致人类昏迷、肌肉抽搐，最终死亡。在真空环境下，由于空气对流显著减少，在CO2源（如鼻子和嘴巴）周围可能会形成局部的CO2富集区。计算流体动力学分析显示，如果没有足够的通风，10 h内，在睡觉的乘员的嘴巴和下巴周围的CO2分压会上升到1.2 kPa以上[1]。

美国阿波罗乘员舱规定CO2分压不大于0.5 kPa为最佳水平，最大允许1 kPa，应急情况下为2 kPa；美国NASA-STD-3000规定，国际空间站正常运行时，CO2分压不高于0.4 kPa，90 d任务运行标准为1.01 kPa，28 d应急标准为1.2 kPa。俄罗斯空间站舱段要求为：飞行1个月内，CO2分压不高于1.33 kPa，30～180 d，CO2分压不超过1.04 kPa，180 d以上不大于0.79 kPa[2]。

为确保航天员安全、健康、高效地完成任务，载人航天器中使用环境控制与生命保障系统（Environ⁃mental Control and Life Support System，ECLSS）对CO2进行连续清除。航天器CO2清除技术主要分为非再生式与物理化学再生式两类。非再生式技术主要利用消耗性材料氢氧化锂（LiOH）或氢氧化钾（KOH）和超氧化钾（KO2）混合物与CO2的化学反应，将气态CO2转化为固态生成物，其中KO2还能在反应中释放O2。非再生式技术主要用于短期载人航天任务，在中长期任务中作为备份或应急状态下使用。

在中长期载人航天任务中，消耗性非再生式技术存在消耗品质量消耗过快导致再补给成本上升的问题。目前可再生式CO2清除技术主要包括国际空间站的分子筛和即将应用于猎户座载人飞船的固态胺系统。再生式CO2清除技术不仅能够将座舱内CO2分压降至很低水平，还能大幅提高航天器内物质循环利用率并降低地面再补给成本。对于再生式或非再生式CO2清除技术方案的选择，主要基于任务持续时间、乘员人数及相对应的消耗品、设备质量、功率可靠性等。

本文对几种应用于载人航天器的CO2清除技术进行调研与分析，分别介绍设备基本工作原理、技术特点和应用情况等；并对不同方法的能耗、再生性、CO2清除率等参数进行比对分析，总结技术发展趋势；最终基于未来载人航天任务特点，结合上述分析，提供符合任务需求的CO2清除技术途径，为未来载人深空探测任务的实施提供参考。

1 非再生式技术

1.1 基本原理

该方法采用非再生化学反应剂，以氢氧化物和超氧化物为主，常用的有无水LiOH、KOH和KO2混合物；其中LiOH的反应式如式（1）（2）所示：

总反应方程如式（3）所示：

从式（3）可以看出，无水LiOH首先吸收气流中的水气，生成LiOH的水合物LiOH·H2O；LiOH·H2O再吸收气流中的CO2生成LiCO3。该反应为放热反应，每吸收1 kg CO2释放2031.9 kJ热量[3]。

KO2是一级氧化剂，是碳化钙型粉末状晶体，有吸湿性、顺磁性，其与CO2的反应式如下：

KO2在吸收CO2的同时会释放O2，能够弥补人体代谢所消耗的O2，其强碱性能够辅助消除舱内的酸性气体污染物，在前苏联东方号、上升号等载人航天器得到了广泛应用。但KO2遇易燃物、有机物、还原剂等会引起燃烧甚至爆炸，在座舱内遇水或水蒸气会释放大量热量，给飞船热控系统带来热负荷的同时容易导致局部反应床温度过高而引起反应物烧结或结块堵塞，对反应速率有一定影响，因此已逐渐被取代[4]。

1.2 结构组成与工作方式

LiOH吸收罐为径向流通结构，由几组并联设计的LiOH罐（滤筒）组成。气流起初只通过一个滤筒，当一个滤筒用完后，舱内CO2分压上升，转换阀门，气流转向另一个平行滤筒，同时航天员手动更换滤筒。阿波罗飞船上的LiOH罐[5]如图1所示。发射任务所携带的LiOH罐数量取决于航天器内乘员人数和任务持续时间。

图1 阿波罗飞船上的LiOH罐实物图Fig.1 Lithium hydroxide canister from the Apollo spacecraft

LiOH水合及与CO2的化合反应主要在反应带中进行，如图2所示[5]。LiOH随反应进行逐渐消耗，当LiOH消耗殆尽时，反应停止，出口端CO2质量浓度上升，反应罐失效。

图2 LiOH吸收罐结构示意图Fig.2 Structure of LiOH absorption tank

理论上1 kg无水LiOH能够吸附0.85 kg CO2，但实际上LiOH的吸附性能不可能被完全利用，主要原因：

（1）LiOH孔隙度不足，CO2与其接触面积有限；

（2）反应区内温度及湿度并非最佳反应条件，限制了反应的进行；

（3）随着反应的进行，颗粒表面被生成物覆盖，阻碍了CO2的吸收。

考虑到LiOH的利用率、容器及夹具质量与药品黏合剂质量，实际上1 kg LiOH罐只能吸收0.48～0.65 kg CO2。

1.3 技术特点与应用情况

用LiOH清除CO2的技术已非常成熟，对于一般短期载人航天任务，其设备操作简单，功能可靠，但由于反应剂不可再生，且功能单一，不适合中长期、多人载人航天任务；其次，LiOH与CO2反应释放大量热量，给航天器热控系统带来额外热负荷；此外，LiOH为强腐蚀化学品，系统一旦损坏泄露，LiOH粉末直接进入航天器通风环路，将对乘员皮肤与黏膜产生强烈刺激与腐蚀作用。

美国宇航局早期的水星（1958-1963年）、双子座（1961-1966年）和阿波罗（1961-1972年）任务均使用LiOH罐清除CO2。LiOH罐简单、轻便、可靠、有效，是早期用于生命支持的CO2清除策略的主要组成部分。前苏联上升号、礼炮号利用KO2完成了CO2清除，从联盟号开始逐渐用LiOH罐替代KO2。

随着国际空间站的建立，以及未来载人深空探测任务的逐渐实施，各国宇航局对CO2清除策略的需求从强调简单、高可靠性逐渐转变为要求清除效率高、具有可再生等。因此，这一期间发展了多种可再生清除技术。

2 固态胺技术

2.1 基本原理

固态胺技术是一种基于胺的真空再生吸附技术。固态胺能够吸附气体中的CO2、水蒸气与部分微量气体。将液胺涂在塑料珠（SA9T）上，固化后形成固态胺吸附剂。涂有吸附剂的塑料珠包裹于泡沫铝中，并交错镇充在反应床中。两个反应床交替进行吸附与解吸附，当一个反应床吸附饱和时，将其暴露真空，破坏碳酸氢盐的化学键，释放出CO2与H2O从而完成再生，设备如图3所示。

图3 固态胺设备实物图Fig.3 Solid amine equipment

固态胺设备[6]中的主要反应如下：

2.2 结构组成与工作方式

固态胺设备内采用阀芯式短管阀门使气流从舱室通过吸附床变成清洁空气后返回舱室，同时将吸附饱和的解吸床与设备隔离，并直接转换至真空通道。该阀门周期性切换位置，以改变反应床的功能，并在运行过程中平衡反应床之间的压力，这有助于最大限度地减少漏气。CO2和H2O的吸附可以同时发生，而且在一定程度上是独立的。吸附反应为放热反应，而解吸反应需要热量驱动，床层的交错设计与泡沫铝材料能够将吸附反应产生的热量通过导热传递给相邻的解吸床，增加解吸反应速率,如图4所示[7]。

图4 固态胺设备清除CO2原理图Fig.4 Schematic diagram of solid amine equipment

2.3 技术特点与应用情况

与不可再生技术相比，固态胺技术优势显著：

（1）由于吸附剂可通过改变气压方式再生，因此大幅降低了地面补给成本。

（2）由于集成了CO2、水蒸气及微量废气同步清除功能，可以取代热控分系统中的冷凝换热器的湿度控制功能，因此省去了传统的冷凝换热器，同时提高了新型换热器的温度并改善了材料的表面导热性能，从而简化了热控系统设计，提高了换热效率。

（3）胺基吸附剂基于变气压吸附过程，相比其他采用高温来增强再生动力学的可再生系统需要更少的功率，且在太空中较容易获取真空环境。

固态胺技术同样存在一些缺陷，如反应床在真空中解吸CO2和H2O时，会将部分座舱空气直接排出；其次，固态胺系统长时间工作后可能会出现泄漏。

美国汉密尔顿标准公司从20世纪80年代起开发基于胺的真空再生吸附系统作为不可再生式CO2清除系统的替代品。系统最初使用HSC+作为吸附剂材料，被称为再生CO2去除系统（Regenerable Carbon Dioxide Removal System，RCRS），90年代早期在航天飞机上进行了飞行验证。该公司后期使用SA9T作为吸附剂材料，将项目称为CO2与水蒸气清除胺摇摆床[8]（CO2and Moisture Removal Amine Swing-bed，CAMRAS），CAMRAS大幅提升了CO2的吸附能力，2013年搭载国际空间站完成了飞行验证。该公司计划在猎户座多用途载人飞行器（MPCV）上安装3台独立的CAMRAS（2用1备），以完成4～6名乘员的CO2代谢量的清除，彻底取代LiOH罐。

在轨测试阶段的CAMRAS设备上安装了空气干燥轮及气孔，以防止真空解吸时水蒸气与座舱空气大量损失，为期10个月的测试中通过以上两种装置收集了115 kg水与7.66 kg空气，回收率分别达到了79%及51%[8]。

3 四床分子筛

3.1 基本原理

四床分子筛（Four Bed Molecular Sieves，4BMS）利用5A沸石作为吸附剂清除航天器内的CO2。沸石能够在高温环境中解吸再生。由于沸石对水蒸气较为敏感，因此空气进入吸附床之前，先用硅胶床去除水分。四床分子筛中的两个床为硅胶干燥床，两个床为沸石吸附床。

3.2 结构组成与工作方式

四床分子筛（图5）工作流程如下：

图5 四床分子筛结构示意图[10]Fig.5 Structure diagram of 4-bed molecular sieve

（1）含CO2的湿空气首先进入硅胶干燥床；

（2）清除了水蒸气后的干燥空气通过鼓风机导入5A沸石吸附床以清除CO2（由于低温条件下吸附效果最好，所以干燥空气必须通过预冷器降温，以抵消之前吸附的反应热量）；

（3）干燥且不含CO2的空气被导向一个硅胶解吸干燥床，在增加湿度的同时完成硅胶床解吸再生后，返回座舱。

当沸石吸附床解吸时，为减少空气损耗，利用双级泵将吸附床上的空气抽走，返回座舱，由于5A沸石吸附剂解吸时需要大量的热量，故利用集成在吸附床内的加热器提高沸石的温度，吸附的CO2或直接排向舱外，或经过压缩，进入CO2减排系统[9]。

3.3 技术特点与应用

安装于国际空间站的四床分子筛设备[10]如图6所示。该设备又称为CO2清除装置（Carbon Dioxide Removal Assembly，CDRA），已连续运行19年，技术成熟，可靠性高，但在运行期间也发生了一些问题：

图6 测试阶段的四床分子筛设备Fig.6 4-bed molecular sieve equipment in test stage

（1）硅胶床与沸石吸附剂密封性不佳，长时间运行产生的粉尘污染了阀门并造成加热器短路。

（2）由于沸石对水敏感，水分持续渗透会造成沸石吸附剂性能加速衰减。后期可能将沸石替换为疏水性吸附剂，降低水蒸气对吸附剂的影响。

（3）沸石再生解吸必须加热至121℃，解吸平均能耗达到714 W[11]。

四床分子筛技术继承自美国天空实验室的双床分子筛，是首个应用于空间环境的可再生CO2清除系统，该设备运行了4 000多小时，验证了分子筛技术的可靠性。国际空间站的四床分子筛改进了天空实验室的双床设计，增加了两个可再生干燥床，降低了空气的湿度，提高了CO2的吸附效率。

2001年，2台CDRA设备搭载STS-98发射升空，1个安装在国际空间站的美国命运实验室模块中，另1个安装在Node 3中。国际空间站的CDRA设备是俄罗斯CO2清除系统的补充，当空间站超过3名乘员时，该设备能够提供长期清除能力，并将美国舱段CO2分压保持在0.7 kPa以下[12]。

4 技术途径总结与对比

表1比较了3种应用于载人航天器的现役CO2清除技术[13-16]，分析如下：

表1 3种CO2清除装置参数比对Tab.1 Parameters comparison of three CO2removal devices

（1）LiOH清除系统的单机质量、体积与功耗最低，并且简单可靠，但由于不可再生，每清除2 kg CO2（相当于2名航天员一天的代谢量）必须消耗3.17 kg吸收剂（LiOH/塑料珠+罐体），随着任务时间增加，吸收剂的消耗数量线性增长，再补给成本较大，且反应释放的热量成为系统的热负荷。

（2）固态胺清除系统功能强大，能够同时吸附空气中的CO2、水蒸气与部分微量废气，且体积、质量、功耗相对较小，但清除能力偏小。猎户座飞船的CAMRAS系统未安装CO2减排系统，解吸时直接向舱外排放，对O2/N2储罐系统造成一定负担。

（3）目前应用于国际空间站的四床分子筛已在轨运行19年，其功耗、体积、质量较大，只能应用于大型航天器。相较于CAMRAS系统，分子筛具备完整的CO2减排系统，可以利用Sabatier反应器将CO2还原为甲烷（CH4）和水，提高了空间站物质的循环利用率，降低了再补给成本。

5 基于载荷质量的任务模式分析

CO2清除设备是载人航天器环控生保系统的重要组成部分。选择CO2清除技术方案时必须详细调研技术本身的特性，结合任务周期、乘员人数等因素进行综合分析。本节主要讨论3种技术方案执行不同空间任务期间载荷质量的增量。

5.1 近地空间站任务

以中国空间站为例，空间站1个驻留期为180 d，空间站上共3名航天员，以每人每天排出1 kg CO2估算，1个周期内须清除约540 kg CO2，按照表1中的设备质量数据，在不考虑备用设备的情况下，计算过程及结果如下：

LiOH设备的基础质量为17.24 kg，其中LiOH反应剂及罐体质量为3.17 kg（LiOH耗尽后须更换的总质量），1个罐体能够清除座舱中约2 kg CO2气体，若清除540 kg CO2，则需要855.9 kg LiOH的再补给质量；LiOH设备运行时要用风机将座舱内的空气吹入反应罐，风机功率为22.5 W，则1个周期能耗为97.2 kW·h；固态胺与分子筛设备为再生式，故不考虑再补给质量，只计算周期内能耗水平。采用不同方案时的参数如表2所列。

表2 空间站采用不同清除方案时的参数对比Tab.2 Comparison of parameters of different cleaning schemes in space station

分析如下：

（1）若采用LiOH清除技术，理论上须携带至少873 kg相关载荷，而固态胺和分子筛由于吸附剂可再生，无须额外携带消耗品，载荷质量仅为设备本身质量（未考虑吸附剂老化替换、漏气影响）。理想条件下LiOH罐分别在第2～3天和第36天与固态胺及分子筛达到质量平衡，如图7所示。

图7 空间站采用不同清除方案时的载荷质量变化趋势Fig.7 Load mass variation trend of space station with different cleaning schemes

（2）相比固态胺，分子筛需要高温脱附，能耗较大，而固态胺能够取代冷凝换热器及污染物控制盒功能，因此固态胺技术优势较为明显。

5.2 载人登月任务

载人登月任务往返约需17天，3名航天员，以每人每天排出1 kg CO2计算，往返任务须清除约51 kg CO2（分子筛质量相对于小型载人航天器过大，故暂不作为备选技术。）

表3 载人登月任务参数对比Tab.3 Comparison of parameters of manned lunar landing mission

在理想条件下，使用LiOH方案须不断更换反应剂，因此再补给消耗品质量增长较快，但能耗相对较低。与近地空间站任务类似，LiOH罐与再补给消耗品质量在第2～3 d后超过固态胺设备质量。作为短期载人航天任务，衡量技术方案的优劣不能仅对比载荷本身，还应讨论载荷与其他，如热控、乘员分系统的耦合关系，以此作为最佳技术方案。

6 结论

本文调研了3种应于载人航天器的CO2清除技术，分析了它们的结构与性能特点，并结合近地轨道空间站与登月任务进行了基于载荷质量的计算，得出以下结论：

（1）功能性拓展

载人航天器CO2清除技术逐渐从单一CO2清除逐步发展为CO2、水蒸气及微量气体同步清除，有效提升了设备集成度，降低了载荷质量与体积。

（2）独立性增强

LiOH与CO2反应生热，热量须借助热控系统的水升华器排出；固态胺设备则取代了热控系统中的冷凝换热器，实现了温湿度控制解耦（将原本耦合控制的两种或多种体系分开，形成单独控制，从而提高了控制效果）。

（3）再生效率提升

LiOH作为不可再生式设备，由于补给质量随任务时间延长而不断增大，很难应用于中长期载人航天任务；分子筛技术虽然实现了可再生的目的，但由于技术原理限制，再生功耗、设备质量与体积较大，使用时有较多限制，一般用于空间站等大型航天器；固态胺技术在实现再生的同时大幅降低了设备体积、功耗及质量，提升再生效率的同时也拓展了使用场景。

从一次性使用的LiOH，到可再生但是质量及功耗偏大的四床分子筛，再到轻便且多功能的固态胺系统；从单一的CO2处理功能到水蒸气与CO2同步处理，多种参数不断提升的同时集成化设计水平也在提高。载人航天器CO2清除是环控生保的重要环节，面向未来长期、系统的载人深空探测任务，必须持续研究并开展试验验证。