地球之外,航天员用水从何而来?
发布时间:2022-05-12
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中国航天科工集团有限公司二院206所科研楼男厕所的小便池前摆着三个尿液收集桶,上面贴着一纸说明——“科学实验 请大家配合”,虽然桶里添加了防腐剂,但挥发出的气味依然时有飘出,不禁让人掩鼻屏住呼吸。

5月10日,天舟四号货运飞船顺利起航,二院206研制的钙去除组件、尿过滤器组件、润滑水袋组件等产品随船上行,这些产品是空间站环控生保尿处理子系统的消耗品,用来保障神舟十四号航天员乘组为期半年的在轨生活。

天和核心舱升空后,被誉为技术最难、系统最复杂的尿处理系统在轨表现良好,截至神舟十三号航天员乘组在轨任务圆满完成,共计处理尿液1700升,产生蒸馏水1400余升,为航天员在轨生活提供了必备再生水。

水在来去之间

空间站是人类在地球外建立起的一方小天地,通过飞船建立的运输连接十分有限,在天上生活的每样物资都要像蚂蚁搬家似的,一件件、一趟趟运上天,人类在地外营造出与地球相似的生态环境,极尽所能把每一滴水留下。

航天员在轨时长小于1个月时,水等物资的需求量相对较少,可以完全由地面提供。中国航天进入空间站时代,将开展至少十年的在轨运行,建立物化再生生命保障系统实现氧气、水和其他物质的循环再生,能极大减少长期空间活动所需的地面补给。

空间站的水从哪来?货运飞船定期上行水囊,为航天员提供太空生存的“原始物资”。

如何用水?据测算,航天员每人每天需要饮用2.5升水,此外,空间站内氧气也需要通过电解水来供应,以满足航天员的氧气消耗量。

如何实现水循环?航天员通过身体代谢将水以尿液、汗液、水蒸气形式排出体外,这其中尿液占据绝大部分。

人体代谢出的水分,在空间站内通过水处理和尿处理子系统进行净化处理,实现空间站内水资源的循环利用。目前,空间站内水的回收率优于95%,水利用率优于83%,大大降低了货运飞船上行水的补给量。

“尿处理系统峰值功率为300瓦,比大部分家用电热水壶的功率还低。”206所空间机电研究室崔主任介绍。

迎接未来的十年

尿处理子系统10~12个小时即可处理完3天收集的尿液,这样的成绩来之不易。在关键技术攻关时,团队开展了专项攻关工作,解决尿处理技术难题,尿液中钙结晶沉淀问题就是难题之一。

在失重环境下,人体的钙流失加重,尿液中的钙超过溶解度就会析出结晶,堵塞换热器、阀门、过滤器等产品,这对以蒸馏浓缩为原理的系统是致命的。

为了抑制尿处理系统中的钙结晶,团队集智攻关,多方请教。最终,他们从锅炉水软化中得到灵感,在上海复旦大学和天津南开大学材料专家们的指导下,选择了两种去除钙的材料,又经过各项指标对比后择优选用。如今,空间站的尿处理系统能够从6升尿液中提取出5升蒸馏水,浓缩的尿残液依旧不会形成钙结晶沉淀。

“搞科研不可能一帆风顺。”崔主任说,再生式环控生保是206所在空间工程领域开辟的一条新路,十年来,团队逢山开路、遇水搭桥,攻克了一个又一个关键技术。不断有年轻人加入队伍,使得团队始终保持着朝气蓬勃的氛围,最终完成了这项 “长跑”。

尿处理系统研制贯彻了航天系统工程思维,在研制过程中不强求系统单项指标与单机产品的性能,而是优化各单机、组件与系统的匹配性,使系统最优化,发挥最大效能。

尿处理子系统需要在轨运行10年以上,因此在研制之初就按照产品的寿命与可靠性指标,划分了在轨可更换单元(简称ORU),用于航天员在轨维修更换。需要更换的消耗品由货运飞船定期补给,崔主任介绍:“就像汽车维护保养一样,按行驶公里数更换机油、滤芯、蓄电池、轮胎等。”

后续发射的问天实验舱也将配备尿处理子系统,空间站组合体将进入“双肾”时代。崔主任说:“十年磨一剑,项目成功时。之前遇到的挫折、经历的痛苦、所有的付出都是值得的。



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