舱外航天服CO2 清除技术发展现状

杨 乐， 吴 琪， 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）

1 引言

CO是人体代谢产物，通过呼吸不断排出体外。 航天员在舱外航天服密闭环境中等负荷下，呼吸熵为0.8 时，CO排出率一般为0.65 L／min（标准状态）或1.29 g／min，随着时间积累，CO的浓度逐渐升高，过高的CO浓度会对人体产生毒性。 一般封闭空间内空气中CO浓度约为0.04%，适宜人类呼吸；浓度达到0.1%时，人体普遍有不适感觉；浓度达到3%时，肺呼吸量正常，但呼吸深度增加；浓度至8%～10%时，人体呼吸明显困难，意识陷入不清，以致呼吸停止；浓度达30%时可致人死亡。

在舱外活动（Extra Vehicular Activity，EVA）期间，为确保航天员安全、健康、高效完成任务，必须使用便携式生命保障系统（Portable Life Support System，PLSS，也称舱外航天服环控生保系统）对人体新陈代谢产生的CO进行连续清除，从而将CO浓度控制在对人体无害的范围内。 PLSS 一般为背包结构，集成了包括供气调压、通风净化、温湿度控制等分系统，对CO清除设备的体积、质量、能耗、散热、结构等方面提出了众多苛刻要求。 地面环境中有许多化学／物理方法可以清除大气中的CO，但综合考虑质量、体积与清理效率等指标要求，能够直接用于舱外航天服的清除技术非常有限。

从首次载人航天飞行开始，LiOH 清除技术就得到了应用。 LiOH 能够吸收CO，并将其转化为固态LiCO，由于技术成熟、设备简单，被用于绝大部分已有的舱外航天服环控生保系统。 但LiOH 不可再生，对于长期任务多次出舱活动，需要携带大量一次性LiOH 罐，占用了宝贵的发射资源。 LiOH 为强碱性粉末，如果挥发到空气中，会对航天员皮肤黏膜造成强烈刺激，直接威胁航天员健康。

金属氧化物技术（Metal Oxide，MetOx）是一种主要应用于舱外航天服的可再生式CO清除技术，2000 年开始应用于国际空间站舱外航天服。 金属氧化物罐可以同时去除服内CO与水蒸气，但无论是罐体本身还是空间站内的回收装置质量都比较大，而且回收过程耗能巨大。

快速循环胺技术（Rapid Cycle Amine，RCA）是美国针对星座计划先进环控生保系统开展的一种可再生式CO清除技术，目前已经发展至RCA3.0版本，可实现CO与水蒸气同步清除。 吸附剂利用真空环境现场再生，能耗较低且质量较小，目前已通过一系列地面验证试验，2019 年NASA 公布的新一代xEMU 航天服就采用了该技术。

温度 摇 摆 吸 附 （ Temperature Swing Adsorption，TSA）是NASA 针对火星环境设计的一款可再生式CO清除系统，利用高温对吸附剂进行即时再生，原理与RCA 系统较为接近。

本文对以上4 种应用于舱外航天服的CO清除技术进行综述，分别介绍设备基本工作原理、技术特点、应用情况等；对其能耗、再生性、CO吸收率等指标进行了比对；基于月球与火星载人航天任务特点，分析了符合任务需求的CO清除技术途径，为未来实施载人深空探测提供参考。

2 基于LiOH 的CO2 清除技术

2.1 基本原理

采用非再生化学吸附剂，主要以氢氧化物为主，常用的有无水LiOH 和碱石灰（Ca（OH）和NaOH 的混合物）。 Ca（OH）比较便宜，方便量产，但由于钙原子质量较大，单位质量Ca（OH）吸收的CO量较小（不超过130 L／kg）；锂的相对原子质量较小，对CO的吸附量能达到350 ～400 L／kg。 故实际飞行任务大多选择LiOH 作为CO清除工质，反应式如式（1）、（2）所示：

总反应方程如式（3）所示：

无水LiOH 首先吸收气流中的水汽，生成LiOH 的水合物LiOH·HO；然后LiOH·HO 吸收气流中的CO，生成LiCO。 该反应为放热反应，每吸收1 kg CO释放2031.9 kJ 热量。

2.2 结构组成与工作方式

LiOH 吸收罐采用径向流通结构，适合小流速的人体呼吸代谢产物反应。 LiOH 是强碱性化学品，反应过程中生成热，能够在短时间使生成的水分完全气化，一旦罐体破损，腐蚀性粉末在通风系统中漂浮，威胁航天员健康。 中国飞天舱外航天服采用高压工艺将LiOH 压制成颗粒状，在保证较高吸收效率的同时提高了LiOH 颗粒的力学强度，并采用弹簧机构压紧LiOH 药层，提高其抗振性能。

LiOH 水化与吸收CO反应主要在反应带中进行（图1），反应伴随出舱活动持续进行，LiOH也随之逐渐消耗。 由于弹簧的压紧作用，反应带由罐体入口向出口移动，LiOH 反应带消耗殆尽，反应停止，出口端CO浓度上升，反应罐失效。

图1 LiOH 吸收罐结构示意图［10］Fig.1 Structure of LiOH absorption tank［10］

理论上1 kg 无水LiOH 能够吸附0.85 kg CO，但实际上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，限制反应进行；③随着反应的进行，颗粒表面被生成物覆盖，阻碍了CO的吸收。

考虑到LiOH 利用率、容器与粘合剂质量，实际上1 kg LiOH 只能吸附0.48 kg CO。

2.3 技术特点

LiOH 清除CO技术发展至今已非常成熟，对于一般短期出舱任务，其设备操作简单、功能可靠。 但由于吸附剂不可再生且功能单一，已不再适合未来深空探测任务。 此外，LiOH 吸附剂本身为强腐蚀化学品，系统一旦损坏泄露，吸附剂直接进入舱外服通风环路，将对航天员皮肤与黏膜产生强烈刺激与腐蚀作用。

2.4 应用情况

利用不可再生式的LiOH 进行CO清除是载人航天器与舱外服中较常用的方法。 从20 世纪60 年代末的阿波罗系列登月服至今，美国航天飞机上使用的EMU 航天服及俄罗斯Orlan 系列航天服（图2）、中国飞天舱外航天服都采用LiOH 清除CO。

图2 俄罗斯Orlan⁃M 舱外服LiOH 反应罐Fig.2 LiOH reaction tank in Russian Orlan⁃M spacesuit

阿波罗登月服A7L－5、A7L－6 型（前期型号）PLSS 背包中 LiOH 质量为1.2 kg， 体积为0.006 5 m，出舱活动可维持最高4 h。 后期阿波罗14 ～17 任务使用经过改进的A7LB，携带1.42 kg LiOH，出舱活动时间延长至7 h（氧源压力也由7.6 MPa 提高至10.3 MPa）；国际空间站EMU 舱外航天服中LiOH 罐集成于污染物控制罐（包含活性炭）中，7 h 出舱活动期间约能吸收0.671 kg CO。 LiOH 作为不可再生式吸附剂，虽然需要在每次完成EVA 后对其进行补充，但由于航天飞机及早期空间活动在轨停留时间较短（7～14 d）及EVA 次数较低，对其进行补充而带来的发射质量成本尚能接受。 但随着国际空间站的建立，长期、多次EVA 日益频繁，每次任务需携带大量LiOH 罐，造成发射成本上升，因此需要一种可再生式CO清除技术。

3 基于金属氧化物的CO2 清除技术

3.1 基本原理

一般采用碱性金属氧化物（氧化银）作为吸附剂，可以吸收酸性的CO气体，并在高温下发生逆反应，从而实现解吸。 在该反应中CO不会与金属氧化物直接反应，只有当足够的HO 与氧化物反应生成OH时，才会发生反应。 最终CO与氧化银在低温条件下反应生成碳酸银（固体粉末），航天员在EVA 过程结束，返回空间站后，可使用专用设备对吸附剂进行再生重复利用。主要反应如式（4）～（9）所示：

总反应如式（10）所示：

整个反应阶段并不消耗HO，HO 只是作为催化剂提供OH。 在再生反应中，通过加热至204 ℃，使AgCO直接分解为AgO 与CO。

3.2 结构组成与工作方式

装置由金属氧化物吸附罐和再生器两部分组成。

3.2.1 金属氧化物吸附罐

金属氧化物吸附罐外观如图3 所示，航天员出舱活动时会携带2 个罐体，一个用于吸附航天员在气闸舱内吸氧排氮过程中产生的CO与湿气，另一个用于EVA 期间的气体吸附，该装置安装在航天服的污染物控制罐中。

图3 金属氧化物吸附罐Fig.3 Metal oxide adsorption tank Metox

金属氧化物吸附罐由不锈钢外壳、金属氧化物板组件、0.11 kg 活性炭床、150 目颗粒过滤器和状态指示器组成。 整体尺寸长为34.3 cm，高为24.9 cm，厚为8.6 cm，最大装配质量为15.5 kg。

反应过程如下：含CO及水蒸气的气流由罐体右侧进入（图4），首先经过活性炭反应床，去除由人体代谢反应所产生的微量污染物；气流随后通过金属氧化物反应床，去除CO与湿气；最后，气体在离罐前通过150 目丝网， 去除固体颗粒。

图4 吸附反应过程示意图［10］Fig.4 Schematic diagram of adsorption reaction process［10］

在8 h EVA 及吸氧排氮期间，该设备能够清除0.67 kg CO，与LiOH 反应罐清除水平基本持平。

3.2.2 再生器

再生器外观如图5 所示，图6 显示了该设备在空间站中的排列结构，出于要同时对2 个罐体进行再生反应及备份考虑，国际空间站气闸舱内温湿度控制系统（Temperature and Humidity Control，THC）舱架上布置了2 台再生器。

图5 地面测试状态下再生器Fig.5 Diagram of regenerator under ground test

图6 2 个安装在国际空间站THC 舱架上的再生器Fig.6 Two regenerators mounted on the ISS rack

再生器组件结构如图7 所示。 它由控制器、风机、阀门、换热器、加热器、烘箱、温度传感器和2 个过滤器组成。 整体尺寸长为0.45 m，高为0.48 m，宽为0.76 m。 单个再生器质量（不含罐体）为47.6 kg。

图7 再生器结构Fig.7 Structure of the regenerator

航天员返回气闸舱后，将金属氧化物吸附罐从背包内取下，放入再生器（图8），开始再生反应。再生反应分为2 步：①首先通入加热空气（与吸附反应气体流动方向相反）到罐体内，将整个罐体加热至204 ℃或略高，高温会降低金属氧化物吸附剂的吸附量，使CO与其他微量气体缓慢释放，并由空间站环控生保系统吸收，此过程维持约为10 h；②加热过程完成后，利用冷却气体对罐体表面进行约4 h 降温，冷却的目的主要是防止罐体内金属氧化物在空间站内自主对站内空气中CO及水蒸气进行吸附。 再生器最大瞬时功率约为1.5 kW，单次再生过程约耗费10 kW·h电能。

图8 EVA 后航天员将罐体取下放入再生器的操作过程Fig.8 Tank removed and put into the regenerator by astronauts after EVA

3.3 技术特点

相比LiOH 反应罐，MetOx 系统的优点如下：

1）可重复利用；

2）可同时去除水蒸气与CO。

尽管此系统已成功使用数年，但存在3 个主要缺点：

1）质量过大。 MetOx 系统质量（15.5 kg）相较LiOH 系统（3.2 kg）更重；此外再生器质量为47.6 kg，一次在空间站布置2 台，总重近为100 kg。

2）工作时间有限。 一旦吸附剂饱和，舱外航天服内CO浓度会迅速上升至致命水平，因此与LiOH 吸附技术类似，EVA 时间受限于所携带吸附剂数量；

3）回收代价较大。 航天员需返回空间站使用专用设备（再生器）对金属氧化物吸附罐内的吸附剂进行回收利用，回收操作周期长约为14 h，且耗能巨大。

3.4 应用情况

MetOx 系统于2000 年7 月发射运送至国际空间站，自2001 年至今国际空间站中航天员使用EMU 进行出舱活动时，都使用该设备进行CO清除。

4 快速循环胺技术

4.1 基本原理

快速循环胺技术以固态胺作为吸附剂，其材料是引入了胺基的树脂，属弱碱性阴离子交换树脂，能与水反应生成水化胺，然后再与CO反应生成碳酸氢盐，它与CO的总反应如式（11）所示：

RCA 利用2 个固态胺吸附反应床同时去除CO与水蒸气，2 个反应床交替进行吸附与解吸附。 当固态胺吸附饱和时，将其暴露向真空，破坏碳酸氢盐的化学键，释放出CO，从而完成再生。

4.2 结构组成与工作方式

RCA 系统主要包括4 部分：化学吸附剂、双床吸附罐、阀门总成及控制器。 该系统使用2 个交替反应床来吸附CO，一个反应床在通风环路中吸附CO与水蒸气，另一个用于真空环境下再生。 当一个反应床饱和时，将其离线并开始解吸附，并将另一个反应床重新联机进行吸附。

具体操作如图9 所示。 RCA 系统在工作时，A 床接入环路通风系统，吸附空气中CO与水蒸气，与此同时B 床暴露于真空环境中，进行脱附；随着A 床中吸附量逐渐饱和，吸附能力逐渐下降，安装于气体管路出口的CO感应器检测到CO含量持续上升，判断A 床吸附能力已饱和，设备进入中间状态，旁通阀开启，管路内空气不经吸附直接由入口排入出口，此时设备暂时失去吸附能力，A 床与B 床直接连接，开始平衡气压；待两床间气压平衡，旁通阀关闭，B 床接入通风环路，开始吸附，A 床暴露于真空开始解吸附，吸附剂内CO与水蒸气直接进入真空环境。

图9 RCA 设备吸附与解吸附过程［12］Fig.9 Adsorption and desorption process of RCA［12］

4.3 技术特点

RCA 技术相较其他CO清除方法具有如下优势：

1）RCA 系统较目前国际空间站EMU 使用的金属氧化物CO去除系统能明显降低质量，单个设备质量由之前15.5 kg 降至 3.84 kg（RCA1.0），体积也大为缩小（图10）。

图10 MetOx 与RCA1.0 系统尺寸对比［13］Fig.10 Size comparison between Metox and RCA1.0［13］

2）吸附剂可即时再生，无需在空间站安装大型高能耗再生设备，极大降低了发射成本与空间站能耗。

3）使用时间无限制，相较现有EVA 7～8 h 限制时间，提升了舱外航天服续航时间，为今后出舱任务规划、出舱前吸氧排氮时间安排等提供了充足的时间保障。

尽管RCA 系统具有诸多优点，但它仍然存在3 个需要解决的问题：

1）为了降低胺的挥发性，减少再生时向空间损失的胺，故选择分子量较大的吸附剂，致使RCA 的CO吸收能力偏低；

2）RCA 系统可能会在通风循环中产生少量氨的气味，使航天员感到不适；

3）RCA 设备的再生装置必须集成于便携式生保背包中（图11），增加了通风环路的复杂性，降低便携生保系统的可靠性。

图11 RCA2.0 集成于PLSS2.0 系统中Fig.11 RCA2.0 integrated into PLSS2.0 system

4.4 应用情况

1995 年NASA 提出利用再生式吸附与脱附循环概念收集CO与水蒸气，但由于当时LiOH吸收剂技术非常成熟，且NASA 正持续推进MetOx 再生技术，同时EMU 管道通风技术尚未彻底成熟，很难在管路内集成新设备，所以该技术当时并未得到大力支持。

2005 年美国启动星座计划，2007 年开始研发新一代EMU 及PLSS，明确选择RCA 作为CO与HO 清除技术途径。 2011 年美国汉胜公司（Hamilton Sundstrand）完成原型机设计。 截至2017 年，RCA 设备经历了3 代发展，从地面样机RCA1.0、地面原理样机RCA2.0 直到地面测试样机RCA3.0（图12），并分别作为先进PLSS1.0、PLSS2.0 及PLSS3.0 主要分系统进行了地面测试（包括振动、 吸附性能、 长寿命、 真空测试等），完成了设备与PLSS 集成设计及相关部件的优化。 测试结果满足NASA 对下一代舱外航天服指标要求（表1）。 2019 年10 月，NASA 公布了采用了RCA 技术清除CO的xEMU 登月航天服将用于2024 年重返月球任务。

图12 RCA 样机Fig.12 RCA prototype

表1 RCA 系列产品性能比对［15－18］Table 1 Performance comparison of RCA 1.0～3.0［15－18］

5 温度摇摆吸附系统

5.1 基本原理

温度摇摆吸附系统（Temperature Swing Ad⁃sorption，TSA）与RCA 技术类似，利用2 个（或3个）吸附剂床层对CO与水蒸气进行吸附，并利用改变温度的方式实现脱附，即在低温条件下（5 ℃）实现吸附，在较高温条件下（22 ℃）实现脱附。 此外，在吸附床上部安装有一个冷凝器，用于水蒸气清除。

5.2 结构组成与工作方式

双床系统（图13、14）由2 个吸附床、2 个离心泵、阀门系统及1 个冷凝器组成。 系统直接与液冷服水循环系统连接，实现2 个床层的温度调节，具体工作方式如下：①液冷服内工质（水）在完成对人体降温后，其温度20.3 ℃升高至22.2 ℃，水流量约为109 kg／h，经离心泵驱动进入脱附反应床＃2，用于提升床层温度，以驱使其释放CO；②来自反应床＃2 约9.3 kg／h 冷却水与之前用于冷却吸附床反应床＃1 的大流量冷却水（109 kg／h）混合进入水生华器，并降温至5 ℃，对吸附床反应床＃1 进行降温，同时自身温度由5 ℃提升至5.6 ℃；③冷却水再次分流，少部分冷却水（9.3 kg／h）进入液冷服，大部分冷却水（109 kg／h）进入水升华器进行降温。

图13 TSA 系统工作原理图Fig.13 Working principle of TSA system

图14 双床温度摇摆系统Fig.14 Double bed TSA

5.3 技术特点

三床系统（图15）相较两床系统多1 个反应床，主要用于两床交替过渡暂时无法工作时进行吸附。 TSA 技术可同时去除通风环路内的CO与HO，且可实现吸附剂现场再生，体积与质量较小。 但缺点是其对温度较敏感，一旦液冷系统发生故障，吸附效率将大幅下降。

图15 三床温度摇摆系统Fig.15 Three bed TSA

5.4 应用情况

美国TDA 研究中心与NASA 约翰逊宇航中心于2011 年完成TSA 装置的设计，分别对三床与双床系统进行了一系列地面测试，实现了最高0.08 kg／h 的CO清除率。

6 指标比对

表2 比较了4 种适用于舱外服CO去除技术的性能特点，可以看到：①LiOH 清除系统的运行质量最轻（TSA 目前产品成熟度较低，无法直接比对），并且最简单和最可靠，但是它不可再生，每次EVA 前均需要安装新的LiOH 罐，随着EVA次数的增加，消耗品的质量也相应增大，这对于长期多次出舱任务来说，显著提高了发射成本；②金属氧化物清除系统可以再生，在舱外服上只需要很低的能耗，然而此系统需要在舱内配置2 套高能耗、大质量的再生设备，且金属氧化物罐体本身质量较大；③快速循环胺系统可即时再生，不需要额外的再生设备，每次EVA 全过程（包括再生）能耗仅为金属氧化物系统的1.1%，且已应用于猎户座舱外舱外服，前景较好；④温度摇摆系统技术与快速循环胺系统原理较接近，但技术尚不成熟。

表2 4 种CO2 清除装置指标比对Table 2 Index comparison of four CO2 removal devices

7 CO2 清除技术未来应用分析

7.1 载人登月任务

月球气体非常稀薄，表面大气压力在10～10Pa之间。 月夜期间宁静的大气密度只有大约 2 × 10分子／cm， 而月昼则降到了10分子／cm，比地球小14 个数量级。

月球表面是一个灰体源，表面温度变化根据纬度和月球昼夜周期的时间来决定，温度在－180～150 ℃之间。 月球表面温度由所吸收的太阳辐射和来自于其内部的热量所决定，在月球赤道上满月时吸收太阳辐射产生的月球温度为117 ℃，新月前则降到了大约－163 ℃，同时随着纬度的增高而降低。

阿波罗计划中，成功实现了6 次登月任务（Apollo－13 任务除外），共有12 名航天员到达月面，累计出舱15 次，单次出舱平均时间为5.3 h、累计出舱时间80 h，单次最长月面行走距离约为35.24 km（Apollo－17 任务中航天员驾驶月球车）、累计月面行走距离约为96 km。 考虑到中国首次载人登月面临的火箭运载能力限制，登月舱可能为非密封设计，以减轻质量，这意味着航天员需在轨道舱或空间站内完成吸氧排氮后直接穿着舱外航天服进入登月舱，完成轨道舱与着陆器在轨分离－着陆器下降着陆－航天员出舱活动－着陆器上升－轨道舱与着陆器对接全过程，总耗时超过10 h 以上，这也对舱外服CO清除技术提出了更高的要求。

现有CO清除技术中，LiOH 罐工作时间有限；金属氧化物虽然能够实现再生，但再生设备质量巨大无法安装于着陆器中，且再生反应时间过长；考虑到月面真空度较高，RCA 系统可利用真空环境实现现场再生，且质量较低，可连续工作时间长，初步分析RCA 系统较适合载人登月任务。

7.2 火星探测

近地航天器距太阳平均距离为1 AU，火星则为1.52 AU，根据实测数据，海盗一号（着陆纬度22°N）在1 个火星年中测量温度范围为－98 ～－3 ℃，海盗二号（着陆纬度48°N） 为－123 ～－8 ℃。 火星大气极为稀薄，底层大气压力只有地球海平面的0.7%，平均约为640 Pa。 火星大气成分主要为CO，约占95%以上，其余还有2.7%的氮气等。

火星与地球最近距离约5500 万公里，远大于地月距离38 万公里，对载荷质量约束更加苛刻，LiOH 与金属氧化物清除设备质量过大；其次由于火星底层大气二氧化碳分压较大，需要依赖真空环境再生的快速循环胺也不再适用该环境。 优先使用温度摇摆吸附系统，通过改变温度的方式可以实现CO的收集与排放。

8 小结

本文调研了4 种用于舱外航天服的CO清除技术，分析了其发展趋势，并结合未来载人航天任务特点进行了分析，总结如下：

1）功能性拓展。 从单一CO清除逐步发展为CO与水蒸气同步清除，后期甚至可清除其他气态污染物，极大提高了设备集成性，降低了载荷质量与体积。

2）可再生性提升。 从最初不可再生的LiOH，到可再生却质量偏大的MetOx，再到轻便的RCA、TSA，工作循环次数从1 提升至100＋，提升了载人航天任务物质闭合度，大幅降低了空间物资补充成本。

3）独立性增强。 LiOH 与CO反应生热，热量需借助热控系统的水升华器排出；MetOx 吸附床饱和后需返回空间站，借助大型再生设备完成吸附床再生；RCA 较为独立，吸附床可通过空间真空环境及时再生，降低了与其他分系统的耦合关系。

4）任务适应性提高。 RCA 与TSA 技术原理类似，都使用固态胺作为吸附剂，但分别采用变压与变温实现吸附与脱附效果，在近地轨道空间站及月球表面的真空环境下使用RCA，能够最大限度利用设备内外压力差，实现CO快速脱附，在具有一定大气密度和较高CO分压的火星表面优先使用TSA 系统实现CO的收集与排放。

从一次性使用的LiOH，到可再生却质量偏大的MetOx，再到轻便且可即时再生的RCA、TSA，从单一的CO处理功能到水蒸气与CO同步处理，多种指标不断提升的同时集成化设计水平也在提高。 舱外航天服CO清除能力是航天员进行舱外活动的主要约束条件之一，面向未来长期、系统的载人深空探测任务需要持续研究并开展试验验证。