等效系统质量法在舱外服CO2清除评估中的应用

杨乐 田林 李志杰 徐小平 李劲东

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

CO2是人体呼吸代谢产物，在封闭狭小的舱外航天服中，若不加以清除或控制，航天服内CO2浓度将显著升高，过高浓度的CO2将对人体产生不同程度的影响。为确保航天员顺利完成出舱任务，必须使用舱外航天服环控生保系统对CO2进行连续清除，将CO2浓度控制在对人体无害的范围内。舱外航天服环控生保系统一般为背包结构，集成了包括供气调压、通风净化、温湿度控制等众多分系统[1]，复杂的集成环境与应用场景对CO2清除设备的体积、质量、能耗、散热、结构等属性提出了众多苛刻要求。利用物理/化学方法清除CO2是载人航天环控生保技术的普遍做法，但针对不同任务类型，需要在众多CO2清除方法中评估并选择满足任务需求的技术途径。

等效系统质量(Equivalent System Mass，ESM)分析是一种生命保障系统评估方法，在针对多任务类型的生保系统方案评估中，该方法能够将待评估技术方案中的各项参数如体积、功率、能耗、热控功率及乘员维护时间利用相应转换系数统一折算为质量参数，并基于该参数进行对比与评估[2]。

对于地球轨道应用航天器而言，星载电子设备成本约占项目总预算50%以上，而载人航天器由于加入了生命保障系统模块，相应降低了电子设备成本占比，且由于运载火箭的发射成本在载人航天项目预算中占比相对较大，而发射成本直接取决于航天器质量，因此美国国家航空航天局(NASA)将等效系统质量分析手段作为一个系统概念，并不定期发布并更新生命支持系统基线与假设值文档(Life Support Baseline Values and Assumptions Document，BVAD)，从等效系统质量分析与建模的角度提供近地轨道空间站、月球(轨道舱、前哨基地、着陆舱)及火星(轨道舱、着陆舱)生命保障系统的设备参考值，以及分系统、单机的质量等效系数与计算方法，以方便技术人员对载人航天器生命保障系统的各项技术进行评估，尤其是在美国国家航空航天局“先进生命保障”项目(Advanced Life Support，ALS)的最佳技术途径评估中发挥着不可取代的作用。但由于等效系统质量分析方法本身的限制，在技术评估与对比中，无法体现技术研发成本、安全性及可靠性等方面指标[3]。文献[4-5]利用等效系统质量方法，基于月球表面舱外活动任务，比较了几种舱外航天服热控技术，包括水升华器、水膜蒸发器、电致变色散热器及相变材料。文献[6]利用等效系统质量方法，比较了地球携带食物补给和受控生态生保系统植物部件就地生产两种补给模式的优劣。

本文在对LiOH罐、金属氧化物及快速循环胺3种舱外航天服CO2清除系统概述的基础上，对其各项指标进行了系统等效质量分析，结合月球表面及火星表面舱外活动任务模式，计算了多周期下等效质量并分析了影响最终数值的敏感量，并根据评估结果选择了不同任务模式下最佳CO2清除设备，同时对等效系统质量分析方法的使用进行了总结，旨在为我国载人航天任务环控生保系统提供一种针对多个待选技术的有效参考评估方法。

1 CO2代谢及清除需求分析

1.1 CO2清除需求分析

CO2是人体呼吸代谢量最多的气体，正常轨道飞行时，除体育锻炼及应急故障处理等工况，航天员处于正常轨道飞行且清醒状态时，活动等级介于静息和轻度活动范围，此时代谢水平介于1.3～2.1 kcal/min之间，每天约排出1 kgCO2。而出舱活动平均代谢水平则为3.3～4.4 kcal/min，较正常轨道飞行增加约2倍，而与代谢率增长同时，耗氧量与CO2排出率也呈相应比例升高。将美俄载人航天飞行出舱活动平均代谢数据与地面代谢数据相比，出舱活动平均代谢水平相当于重度体力劳动(3.9～4.49 kcal/min)，而出舱活动的代谢峰值则可达极重代谢负荷，其中美国航天员为8.3 kcal/min，俄罗斯航天员为9.9～13 kcal/min，俄罗斯航天员代谢负荷较高的主要原因是其舱外航天服以硬式或半硬式为主，内部充气压力高达40 kPa，而美国舱外服以软式为主，内部充压约29 kPa左右，因此俄罗斯航天员着服操作时需克服服装压力做功更多，代谢水平也相应更高。出舱活动能量代谢较高主要与出舱任务本身特点有关，其主要影响因素包括肌肉活动增多、心理应激与舱外航天服内环境温度较高等。

为明确CO2清除设备代谢需求，需要结合人体代谢率及耗氧量数据对出舱活动状态下人体CO2代谢量进行估算，人体O2消耗量和CO2排出率是进行航天服生命保障系统调压供氧、气体净化和确定航天服通风量参数需用的关键生理学能量代谢参数。人体O2消耗量与人体新陈代谢率有关(见表1)，在人体代谢产热率为120 W时，O2消耗量为0.34 L/min；代谢率为523 W时，O2消耗量上升至1.49 L/min，按照苏联/俄罗斯1965—1991年航天员出舱活动资料，当人体平均代谢率为300 W时，O2消耗量为0.9 L/min[7]。

表1 人体代谢率与耗氧量

已知某一代谢水平情况下的人体O2消耗量时，可依据该代谢水平时的呼吸熵参考值估算CO2排出率，反之，已知CO2排出率，亦可反推O2消耗量。

已知舱外活动平均代谢水平为3.3～4.4 kcal/min，约为正常轨道代谢水平3倍，峰值代谢水平更高，为正常轨道代谢水平4～5倍，由此可知其CO2排出率也相应比例增加，平均排出率达到126.88 g/h，峰值排出率为211 g/h。按照一次出舱活动8 h计，清除总量约为1.02 kgCO2，因此相应CO2清除设备的清除速率及8 h清除总量应不小于上述指标。

1.2 CO2清除技术概述

基于LiOH化学吸收原理的CO2清除技术在人类首次载人航天任务中就得到了应用。LiOH能够与空气中的水结合生成LiOH·H2O，并与CO2反应生成Li2CO3，并释放大量热量，最终以化学反应的方式将气态CO2固化，经过多年发展，其应用已非常成熟，被用于绝大部分已有的舱外航天服及航天器环控生保系统；但LiOH是一次性消耗品，耗尽后需重现填装，对于长期任务多次EVA，需要携带大量一次性LiOH罐，占用大量上行资源，因此各国相继开发可再生式CO2清除技术[8]。

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CO2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清除服内CO2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且耗时较长[9]。

快速循环胺技术(Rapid Cycle Amine，RCA)是美国针对“星座计划”先进环控生保系统发展的一种可再生式CO2清除技术，目前已经发展至第三代产品，可实现CO2、水蒸气同步清除。吸附剂利用真空环境即时再生，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10月美国国家航空航天局公布的新一代舱外航天服(X-EMU)就采用了这一技术[10]。

针对出舱活动对舱外服内CO2清除的功能需求，对3种CO2清除方法进行了调研并对指标进行了汇总，见表2[11-16]。近年来全球航天活动持续深入，人类探索的目标逐渐向地外行星延伸，随着我国空间站建立以及载人月球探测任务的逐步实施，载人月球探测开发以及载人火星探测均是未来载人探测的主要发展方向。

表2 3种CO2清除装置指标比对

2 系统质量等效计算方法

作为一种评估方法，等效系统质量是指将待评估有效载荷的不同的性能特征和规格转换为统一的、可量化的质量度量，即将体积(V)、功率(P)、热控系统功率(C)及乘员时间(T)等指标统一转换为质量单位，并计算载荷工作周期内消耗品质量及体积损耗，从而获得该载荷的等效质量，等效质量最小则意味该载荷在工作周期内的潜在经济性最优。

SESM=MS+VSrv+(MC+VCrv+Prp+

Crc+Trt)×N

(1)

式中：SESM为等效质量和；MS与VS分别为待选设备的质量与体积，每次使用时不会消耗；MC和VC是每次进行出舱活动时所需消耗品的质量与体积；P是设备功率；C是热控系统功率；T是每次出舱期间对该设备的操作与维护时间；N是任务期间所执行的8 h出舱活动次数；rv、rp、rt、rc表示转换系数，rv单位为kg/m3，rc单位为h/kg，rp和rt单位为kg/kW，作用是将设备体积、功率等非质量参数转换为等效质量，再添加到最终等效质量中。(本文中使用的转换参数来源于NASA于2018年发布生命支持系统基线与假设值文档中的载人航天器生保系统，虽然该文档中未体现出舱活动相关设备硬件转换参数，但舱外航天服与航天器2种生保系统的底层计算模式类似，因此本文使用此相关转换系数)。

将分别从CO2清除设备的体积、功率、热控系统功率及乘员时间等4个角度，结合月球及火星表面出舱任务的相关转换系数，计算2种任务模式下，3种CO2清除设备的等效质量。

2.1 体积等效

体积转换系数主要考虑了地球与应用场景的距离及是否充压两方面因素，航行距离越远，所耗费推进剂质量越多，因此转换系数越高。载人飞船轨道舱与返回舱均为充压结构，而货运飞船部分舱段为非充压结构，充压结构由于密封性要求结构强度更高，结构更复杂，因此推进剂消耗更多，转换系数也越高。舱外航天服内为密闭充压环境，且在运输过程中全程处于充压舱内，因此按照充压体积计算，分别取133.1 kg/m3及215.5 kg/m3，见表3[2]。

表3 两种任务模式下体积转换系数

2.2 设备功率等效

等效功率转换系数取决于设备的电力系统类型，包括发电系统、电力存储、系统部署位置等，发电效率越低，系统质量越大，系统部署位置越远，其等效功率转换系数越高。由于应用于中长期载人航天任务的核能发电及储电技术尚不成熟，许多参数为理论推算值，太阳能光伏(无储能)由于系统简单，可靠性高，应用较广泛，因此选取太阳能光伏(无储电)转换系数，见表4[2]。

表4 两种任务模式下设备功率转换系数

2.3 热控系统功率等效

热控系统功率是指设备运行期间由于设备散热对热控系统所造成的热负荷，转换系数取决于热控系统构型，其数值大小与热控系统部署位置、结构质量及传热效率相关。

LiOH罐工作时会产生反应热，其反应如下

2LiOH+CO2=Li2CO3+H2O

(2)

按照8 h舱外活动期间需清除1.02 kg CO2计算，释放2072.54 kJ热量，热控系统功率为71.96 W。

金属氧化物设备运行时不产生热量，但其再生反应时，需利用加热空气通入罐体内，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CO2与其他微量气体缓慢释放，此过程维持约10 h，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。按照平均加热功率1 kW，97%热效率计算，热控系统功率为970 W。2种任务模式的热控措施均为轻质流体回路+辐冷器，见表5[2]。

表5 2种任务模式下热控系统功率转换系数

2.4 乘员时间等效

乘员时间是指航天员对生保系统的维护、修理时间等，由于该指标难以调研，故按照0.5 kg·人-1h-1代入后续计算。月面出舱位置选择月面行走，火星表面出舱选择较近的火星着陆器，分别为15.66 kg·人-1h-1及0.94 kg·人-1h-1代入后续计算，见表6[2]。

表6 2种任务模式下设备乘员时间转换系数

2.5 等效系统质量计算汇总

根据2.1～2.4节所选取等效转换系数及表2设备参数，按照式1计算方法，将3种CO2清除设备在月球表面及火星表面单次舱外活动等效质量进行了计算与汇总，等效系统质量越低，则认为该待选技术更具有经济优势，发射成本越低。如表7及表8所示。

表7 月球表面3种设备的等效质量

表8 火星表面3种设备的等效质量

由表7与表8可知，对于单次月面舱外活动，金属氧化物等效质量数值远高于其他两种技术途径，其再生器功率及再生过程中对热控系统造成过高热负荷是主要原因，金属氧化物CO2清除设备主要应用于国际空间站航天员的出舱活动，再生器布置于空间站内，航天员每次执行舱外活动任务后，将金属氧化物罐从舱外服背包内取出放入再生器内进行加热等再生流程，这一过程中电源及热控系统功能由位于近地轨道的国际空间站提供，其相关转换系数低于月表及火星表面，等效质量和也随之较低；而快速循环胺系统再生依靠外部真空环境现场即时完成，不需借助额外再生装置，过程中仅消耗部分电能，其等效质量和随部署位置变化相对较小；LiOH罐作为非再生式设备，每次出舱活动需更换消耗品，且LiOH与CO2反应会释放部分反应热，因此单次出舱活动等效和高于快速循环胺。因此在不同任务场景下，热控系统功率可能成为敏感系数，在待选技术评估中应尽量避免热功率及热控系统转换系数过高的技术途径。

3 多任务模式ESM分析

3.1 月球表面舱外活动ESM分析

由表7可知，航天员在月球表面分别使用LiOH罐、金属氧化物及快速循环胺作为CO2清除方法，完成1次舱外活动的等效质量和为32.87 kg、278.72 kg及16.52 kg，MetOx作为一种可再生式清除方法，在没有消耗品的情况下等效质量明显高于其他方法初步分析原因是设备及再生设备的质量与体积较大，在仅完成1次出舱活动的任务规模评估中无法体现再生式方法的优势，将分别计算5、25及125次舱外活动中3种方法的等效质量和。计算结果见表9。

表9 月球表面3种设备不同任务规模舱外活动等效质量

如图1所示，金属氧化物在所有任务规模下，等效质量和都远远高于其他2种清除方法，在数据分析中发现，造成该结果的主要原因是金属氧化物再生时功率高达1 kW，且大部分功耗通过电阻丝转化为热量用于再生金属氧化物罐体，对航天器热控系统造成大量热负荷，最终大幅提高航天器电源及热控系统设计规模，进而增加了功率等效质量及散热等效质量。但对于近地轨道空间站，由于其较大的电源及热控系统容量，以及相对较低的等效系数，金属氧化物方法可能具有一定优势。

图1 月球表面3种设备不同任务规模舱外活动等效质量趋势图

3.2 火星表面舱外活动等效系统质量分析

与月球表面舱外活动分析方法相同，根据表8可知，航天员完成1次舱外活动的等效质量和为22.57 kg、332.17 kg及11.52 kg。由于火星表面部署电源系统代价更高，因此对于需要高功率代价完成再生的金属氧化物在火星表面完成1次舱外活动的等效质量比月球表面更高。表10及图2总结了5、25及125次火星表面舱外活动中3种方法的等效质量和。

表10 火星表面3种设备不同任务规模舱外活动等效质量

图2 火球表面3种设备不同任务规模舱外活动等效质量趋势图

与月球表面舱外活动等效质量和趋势类似，金属氧化物等效质量依然远高于其他两种清除方法。作为一种不可再生的CO2清除方法，由于功率及热控系统功率相对较低，LiOH罐的等效质量依然具备一定优势；快速循环胺方法由于其可再生性及利用真空环境完成再生的优势，使其质量、体积、功率等指标均占有优势，在两种舱外活动模式下等效质量和最小，因此其潜在经济性最佳。

作为等效系统质量评估体系下优势明显的固态胺技术得到了美国航空航天局的持续支持，相继研发了应用于多种使用场景下，基于固态胺材料的CO2吸附装置，如“猎户座”飞船的CO2与水蒸气清除胺摇摆床(CO2and moisture removal amine swing-bed，CAMRAS)，该装置2013年搭载国际空间站完成了空间测试，以取代不可再生的LiOH罐[17]；针对未来火星载人探测任务研发了温度摇摆吸附系统(Temperature Swing Adsorption，TSA)，其技术原理与快速循环胺相似，由于火星表面CO2浓度较高，压力解吸效率低，故其解吸方式为加热解吸[18]；而快速循环胺技术本身已应用于美国下一代才外航天服(X-EMU)，以取代目前的金属氧化物技术。

4 结论

通过月球及火星表面舱外活动CO2清除方法等效系统质量对比与评估，得出以下结论：

(1)在某些任务场景下，部分再生式环控技术在全周期使用中，其等效质量可能超过非再生式技术，造成该结论的主要原因在于再生设备的再生过程功率及散热功率过高，大幅提高了功率等效质量及散热功率等效质量，进而提升了载人深空探测器的电源与热控分系统部署规模。

(2)快速循环胺作为一种可再生式CO2清除方法，由于其依靠外部真空环境实现再生，因此极大降低了消耗品质量、体积以及相应再生功率与散热功率，是一种具备潜在经济性的再生式环控生保技术。

(3)等效系统质量分析方法本身优势在于将环控生保技术各接口关系通过等效系数转化完成了量化评估，数值结果较精确使最终评估结论更直观；线性计算方法使多种待选技术在多周期、不同任务场景下的评估过程更加标准、简洁；通过设备体积、功率、散热等多个维度等效转化，能够较充分计算设备在运行周期内质量“代价”，即设备本身、相关接口系统及消耗品的发射成本，从而评估设备的潜在经济性。

本文在调研3种舱外航天服CO2清除技术硬件及等效系统质量方法的基础上，结合月球与火星表面载人探测任务，利用等效系统质量计算对比了3种方法的相关等效参数，评估了不同任务模式下技术适应性与潜在经济性，为我国载人航天总体方案论证方法提供新思路。