美国新一代舱外航天服便携式生命保障系统的研究进展

杨朝舒, 吴志强, 臧华兵, 刘力涛, 胡清华, 杨松林

(中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室, 北京 100094)

1 引言

舱外活动是载人航天的关键技术之一,而舱外航天服(Extravehicular Mobility Unit, EMU)技术是舱外活动的核心技术[1]。

EMU 包含两大部分,分别是便携式生命保障系统(Portable Life Support System, PLSS)和压力服装系统。其中,PLSS 承担着在舱外活动中供氧调压、通风净化、CO2去除、温湿度控制等多重功能,高度集成,其性能和可靠性具有重要意义[2]。

目前,NASA 在航天飞机(Shuttle)和国际空间站(ISS)所使用的Shuttle/ISS EMU 自研发至今已超过40 年,虽然在工作中积累了丰富的经验,但是在使用寿命、在轨维修性、环境适应性等方面已不足以支撑未来深空探测等复杂的任务需求。因此,NASA 于21 世纪初展开了新一代舱外服(Exploration Extravehicular Mobility Unit, xEMU)的研发计划[3]。计划的重要内容之一就是开发新一代的便携式生保系统,并将其命名为xPLSS,以全面适应未来复杂多样的任务需求,并在整体设计理念及关键单机技术上均体现出了长足的发展[4-6]。

随着中国载人航天工程正式迈入空间站时代,未来的舱外活动将更加频繁。充分研究、梳理美国xPLSS 的研制进展,有望为中国新一代舱外航天服便携式生命保障系统的研制提供参考。

2 xPLSS 的功能与架构

xPLSS 的主要功能及工作原理如下:在舱外活动中通过气瓶为航天员提供氧气,并控制服装压力。气体在风机的作用下实现循环,并在循环中去除CO2和微量污染物;通过热控回路对航天服的温度进行控制,热控回路内的水温通过膜蒸发器调节;对服装压力、氧气浓度等重要物理参数进行监控等。

xPLSS 的水气回路的结构简图以及整个装置的三维模型如图1 所示[6]。其主要结构与上一代PLSS 的水气回路一致,包括:主供氧回路、备用供氧回路、通风回路、热控回路、辅助热控回路以及真空入口支路。其中,主、备供氧回路,通风回路为气体回路,工质为氧气;热控及辅助热控回路为液体回路,工质为纯水。真空入口支路用于固态胺反应器的循环解吸,也可为系统内压力传感器提供参考压力。各回路的主要功能及其与Shuttle/ISS EMU所使用的上一代PLSS 对比如表1 所示。

表1 xPLSS 与Shuttle/ISS EMU 的便携式生保系统(上一代PLSS)的水气回路的功能对比Table 1 A functional comparison of water/gas loops between xPLSS and the PLSS of Shuttle/ISS EMU (the previous PLSS)

图1 xPLSS 的水气回路结构简图和三维模型[6]Fig.1 Water/gas loop diagram and 3D model of xPLSS[6]

3 xPLSS 的设计指标

xPLSS 的主要设计指标与上一代PLSS 的对比如表2 所示,从中可见,xPLSS 在出舱频率和次数、预呼吸时间要求、使用寿命等方面均提出了更高的要求[7-8]。

表2 xPLSS 的设计指标Table 2 Design Requirements for xPLSS

3.1 更高的出舱频率和出舱时长

根据阿波罗任务经验以及未来月面科考需求,xPLSS 的设计指标中,要求代谢率为1200 BTU/hr(1 BTU/hr 约为0.29 W)的条件下,单次出舱的最高时间不小于8 h,对现有PLSS 的热控功能模块、CO2去除功能模块的持续工作能力提出了更高的要求[6]。

此外,自星座计划[9]以来,任务周期内的出舱次数达到100 次[7,10]。而这一指标对系统的可靠性提出了更高要求、对消耗品的用量提出了更严格的约束。

3.2 更强的环境适应性要求

美国第一代EMU 始于阿波罗计划,主要应用于登陆月球后的出舱活动;第二代EMU 主要用于近地轨道的舱外活动。xEMU 则需要工作在近地轨道、近月轨道月面甚至火星表面等不同环境,对xPLSS 的环境适应性提出了更高的要求:在重力环境方面,xEMU 既要适应地面测试阶段的地球重力环境、也要适应在轨阶段的微重力环境,还要适应月球、火星表面上的部分重力环境[11];在环境压力方面,既要适应真空绝压环境,也要适应火星大气环境;在防护性方面,既要考虑对太空微流星的防护,又要考虑对月尘的防护[12]。

3.3 更短的预呼吸时间要求

EMU 的服装压力远低于大气压力,航天员在舱外活动中,可能会出现减压病,这就需要航天员在出舱前经过严格的预呼吸。在空间站时代,如不提前一天进行适应性训练,航天员预呼吸过程需长达4 h[13]。这对未来任务中,更为频繁的出舱活动带来的不便。因此,在xEMU 的设计指标中,要求减少现有的预呼吸时间至0.5 h。

3.4 更长的在轨使用寿命

现有的Shuttle/ISS EMU 非常依赖航天飞机或货运飞船的周期性补给,在轨使用寿命通常为2 年,结束后需返回地面完成基地级维修。然而,在未来深空探测任务中,从地面补给消耗品的难度势必加大。因此,在xPLSS 的设计指标中,提高了对零件在轨维修性的要求,并要求xPLSS 的水和氧气可实现在轨加注,从而最大程度的降低消耗品补给需求,并最终将EMU 的在轨使用寿命从2 年逐步提高至8 年。

4 设计理念的发展

4.1 可扩展性的设计理念

通过前文的指标分析,xPLSS 需适应近地轨道、月面、火星等多种重力及大气环境,而前两代EMU 的研发只针对某个单一的任务背景,这种设计理念无法满足未来多样化的任务需求。

因此,NASA 对于xEMU 的研发计划,更倾向于首先开发一套综合性能指标优良、可完成多种空间探测任务的新型舱外服,即首先针对深空探测任务开发一套标准版xEMU 的研制计划,标准版xEMU 还具有良好的可拓展性,以便根据后续具体的任务特点,衍生出不同的xEMU 版本[4]。

在NASA 确立了标准版xEMU 的基线之后,首先针对2025 年前后的空间站出舱演示任务,制定 了xEMU Lite 的 开 发 计 划。xEMU Lite 的xPLSS 的通风系统仍沿用4.3 psi 的服装压力。针对未来的探月任务,将在标准版xEMU 的基础上开发登月版xEMU(xEMU-L),着重改善各管路接口的月尘防护能力;针对未来的火星探索计划,将对标准版xEMU 进行大幅升级,开发用于火星登陆版本,针对火星大气环境和重力环境,进一步降低xPLSS 的重量、提高其续航能力和机动性[3]。

4.2 分布式、冗余化的设计理念

在上一代PLSS 中,3 个核心旋转部件:泵、风机、动态水气分离器高度集成,通过同一个直流电机驱动,这样的设计可以有效降低系统重量和功耗,但也限制了各旋转部件的设计思路,降低了系统的可靠性, 并在使用中引发了一系列问题[14-15]。因此,xPLSS 摒弃了原有的集成化方案,转而借鉴俄国PLSS 的设计思路,采用独立的双风机和双泵结构[15]。这样的设计带来了如下好处:首先,采用独立的风机和泵,实现了系统水、气回路的物理隔离,避免了水侵入气路的风险;其次,将泵由集成方案中的离心泵替换为旋转齿轮泵,降低了对热控回路的供水压力的要求[16];再次,风机和泵由单独的电机驱动,并可根据工况调整转速;最后,备份的风机和泵可以进一步提高系统的可靠性。

这种分布式、冗余化的设计理念同样体现在xPLSS 的控制和监测系统之中。在空间站EMU中,Shuttle/ISS EMU 控制功能全部集成在航天员胸前的测控面板中。而xPLSS 更多地体现了局部控制的理念。系统中的主、备用调压阀、热控阀、固态胺反应器、膜蒸发器、风扇、泵等设备的步进电机上均集成了独立的控制器。这些控制器一方面与主控单元共享数据,另一方面可以完成对各自单机的局部控制,提升了系统的响应速度及可靠性。此外,在供电系统中,xPLSS 采用了3 组独立电源,而非上一代PLSS 的单电源架构,提高了系统的可靠性。

需要注意的是,分布式、冗余化的设计理念在提高可靠性的同时,必然增加系统的重量代价:ISS/Shuttle EMU 的重量是127.1 kg,而xEMU 重量预计为183.6 kg[3],超过了设计约束。这一问题引起了设计方的关注,也会促使设计理念和系统架构的调整。

4.3 模块化和可更换性的设计理念

xPLSS 在设计中注重系统简化,并借助关键单机技术的发展,去除了一些不必要的功能单元。为了提高xPLSS 的在轨维修性,降低对地面基地级维修的依赖,xPLSS 在设计过程中大量引入了模块化设计的思想,实现了各模块的在轨可更换[17]。主要的单机和功能模块均被封装成在轨可更换单元(Orbit Replaceable Unit, ORU),具有标准的供电和管路接口。xPLSS 采用了类似于印制电路板的流道板,将原来单机之间的管路连接大量更改为单机和流道板之间的平面对接,在节省管路的同时,提高了单机更换效率。在这种模块化可更换性设计理念的指导下,xPLSS 内几乎所有的单机均可以在不拆除其余部件的前提下完成在轨更换[15]。

5 主要功能和核心单机技术的发展

5.1 主要功能的发展

5.1.1 应急生保机制的改进

当主生保系统中的供氧、CO2去除、温湿度控制等模块失效时,EMU 需通过应急生保系统实现上述功能。Shuttle/ISS EMU 的应急生保模式主要应对从飞行器出舱后应急返回座舱的情况,时间约为30 min。应急生保功能主要通过备用供氧模块中的高压氧源的吹扫来完成[18]。

xEMU 的任务需求不仅要应对从飞行器出舱后的应急返回,还要面对登月任务中,当月球车出现故障时应急返回着陆器座舱的情况。后者需要提供的应急时间可长达1.25 h。因此,在xPLSS中应急生保功能通过备用供氧模块和辅助热控回路共同完成。在时长较小、代谢率较低和环境温度较低的情况下,可仅采用高压气流吹扫方式;当需要提供的应急时间较长、xPLSS 会开启辅助热控回路与高压气流共同完成应急生保功能,从而降低应急气流,延长应急生保时间[19]。

5.1.2 压力制度的改变

PLSS 主要的压力参数包括主、备氧瓶压力和服装压力。两代PLSS 压力名称上的对比如表3所示。

表3 两代EMU 主要气体压力参数的对比Table 3 Comparison of the pressure parameters between the current and next generation EMU

在PLSS 中,备用气瓶压力远高于主氧瓶,从而采用较小容积填充更多的气体,但过高的气瓶压力带来一定风险,且无法实现气瓶的在轨加注。xPLSS 将主、备用气源压力一致调整为3000 psi,实现了主、备气瓶在轨加注,不必再将备用氧瓶作为消耗品上行。此外,xPLSS 采用了4.1 ～8.4 psi且连续可调的服装压力,航天员出舱活动开始后,先采用较高的服装压力,再逐渐向低压过渡,一旦在舱外活动中出现减压病症状,再将服装压力调高进行应对[19]。

然而,xPLSS 采用的高服装压力会对压力服系统的气密性带来挑战;高服装压力还降低会对航天员舱外活动中关节的灵活性,并造成额外的身体负担[4]。

5.2 关键单机技术的发展

5.2.1 膜蒸发技术的发展

在前两代EMU 中,热控回路以水升华器作为核心换热元件。虽然水升华器的换热效率已经满足现在大部分的任务需求,但仍存在着抗污染能力有限、无法工作在火星大气环境等问题。

为适应新的任务需求,NASA 自20 世纪90年代就开启了航天服膜蒸发(Spacesuit Water Membrane Evaporator, SWME) 技术的研发[20]。SWME 利用了疏水多孔薄膜中水蒸发的相变过程带走热量,使其能够在火星等存在大气的环境下工作[21]。目前,NASA 完成了基于中空纤维膜材料的SWME 研发和实验[22-24],开发了专用于SWME 的调压阀[25],并完成了SWME 在xPLSS中的集成设计[26]。此外,NASA 于2020 年在ISS上搭载一套基于SWME 的小型热控回路(简称:SERFE),通过长达2 年的在轨实验,验证了SERFE 稳定的换热性能和抗污染能力[27-29]。

膜蒸发技术的应用,在一定程度上简化了生保系统水、气回路的结构。首先,由于蒸发器工作时仅需消耗少量的水,可以将其直接嵌入至热控回路之中,不必采用单独的支路为其供水;其次,冷却水流经蒸发器时,通过蒸发作用,可自动排出内部的气泡[30],从而取消了系统中的气泡分离器和动态水气分离器,优化了系统配置。

5.2.2 快循环固态胺技术的发展

在早期的载人航天任务中,NASA 采用了非再生的氢氧化锂技术用于EMU 通风回路内的CO2去除,重量代价较大。虽然NASA 在1990 年代采用了再生式的金属氧化物(MetOx)型CO2去除装置,但在轨解吸需要高温通风,能耗很高[7]。

固态胺材料是美国汉密尔顿标准公司开发的一种CO2吸附剂,并可通过真空或加热的方式解吸。基于固态胺材料的CO2去除装置具有体积小、质量轻、能耗低等优点[31],为了打破单个CO2吸附材料对出舱时间的限制,NASA 开启了快循环固态胺(Rapid Cycle Amine, RCA) 技术研究[32-33]。该技术采用2 套固态胺反应床循环工作的技术路线,实现舱外活动中固态胺的同步吸附和解吸,并提高了热效率。目前,NASA 已完成了三代RCA 的研发[34-36],优化了反应床切换的模式和切换阀结构[37],并完成了RCA 在xPLSS 通风回路中的集成和测试[38-40]。RCA 技术的应用,极大地提高了xPLSS 的使用寿命,减少了系统对消耗品的依赖。

6 结语

本文分析和总结了美国新一代便携式生命保障系统的研制历程和结构特点,从中可以得到对中国相关研究的启示:

1)系统的设计指标和理念要适应未来深空探测等复杂的任务需求。

2)保持稳定的基础研究和持续的技术攻关是提升系统综合性能的根本。

3)要重视历次出舱活动中丰富的使用经验,为新一代生保系统的设计提供重要借鉴。

4)发挥项目的平台作用,促进工业界和学术界的交流,在交流中迸发创新活力。

5)要辩证地看待xPLSS 部分设计理念的发展。对于冗余备份、可拓展性设计导致的系统重量增加、高服装压力带来的气密性风险和灵活度下降等问题还需综合考量、充分论证。