载人航天器及其环境控制与生命保障系统

自从1961年4月12日前苏联航天员加加林乘坐“东方”号载人飞船进入太空以来,载人航天(manned spaceflight)已经42年有余了。其间,载人航天器(manned spacecraft)有了重大发展,而载人航天器乘员舱(crew module)的环境控制与生命保障系统(environment control and life support system;ECLSS)也与时俱进,有了很大改进。一、载人航天器能在地球大气层以外的宇宙空间运行的各类飞行器称为航天器(spacecraft)。航天器又可分为无人航天器(如各种人造卫星及太空探测器等)和载人航天器两种。从目前发展情况来看,载人航天器只有三种类型,即载人飞船(manned spaceship)、航天飞机(space shuttle)和太空站(space station)。1.载人飞船载人飞船是一种可供一次性使用的往返飞行于地球与太空之间的载人航天器。前苏联以及现在的俄罗斯先后研发了东方号、上升号、联盟号,以及联盟号逐步改型的联盟T号、联盟TM号和最近才投入使用的联盟TMA号飞船。其中东方号飞船是使人类迈出地球门槛的第一个运载工具,开创了载人航天的新纪元。2003年2月1日哥伦比亚号航天飞机返回时失事后,美国的航天飞机已全部停飞,致使联盟TMA号飞船成了当前从地球到国际太空站(international space station;ISS)之间的唯一交通工具。美国曾使用过的飞船有水星号、双子星座号和阿波罗号。其中阿波罗飞船6次登月成功,12名航天员登上了月球,实现了人类九天揽月的千年宿愿。我国研制的神舟号载人飞船已经成功地进行过4次试验飞行,今年神舟5号飞船将正式进行载人飞行。届时,我国就会成为世界第三个拥有独立发射载人航天器的国家了。2.航天飞机航天飞机是一种垂直发射、像飞机那样水平着陆的可供重复使用的载人航天器。美国先后制造了哥伦比亚号(返回时解体)、阿特兰蒂斯号、挑战者号(升空时爆炸焚毁)、发现号和奋进号5架航天飞机;前苏联研制了暴风雪号航天飞机,只进行过两次试验飞行,后来因为前苏联解体等原因而放弃使用。航天飞机虽然技术先进,载荷量大,但是维修经费昂贵,其综合效能不比载人飞船优越多少。3.太空站太空站又称航天站、空间站或轨道站(orbital station)。它是一种仅在地球轨道上运行不能作为返回地球使用的载人航天器。前苏联以及后来的俄罗斯曾经研制和使用过了礼炮号太空站以及和平号太空站,其中和平号太空站从1986年2月发射升空,到2001年3月坠落于太平洋,总共在地球轨道上运行了15年多,为空间科学的发展和长期载人航天活动立下了赫赫战绩。美国也曾利用阿波罗计划剩余物资研制了天空实验室(Skylab),1973年5月发射升空,1979年7月坠落于印度洋,在地球轨道上运行了6年多,进行了大量的科学实验,取得了辉煌的成果。目前正在建设的并且已经逐步投入使用的是国际太空站,主要参加者为美国、俄罗斯、德国、法国、日本、加拿大和意大利等17个国家。我国空间科学专家根据863计划的要求,正在试图建造我国自己的有人照料的太空站(space station tended),即航天员可以定期地到太空站上生活和工作,以适应我国发展载人航天和开发太空资源的需要。二、环境控制与生命保障系统(ECLSS)为了保证航天员的生命安全,载人航天系统必须拥有一套独立完整的救生设施,而无人航天器就无需考虑这个问题。因为载人航天是一项复杂而又艰险的活动,在整个飞行过程中,包括发射、上升、轨道运行,以及返回着陆过程中,都有可能发生紧急情况。万一载人航天器无法恢复到安全工作状态,则必须根据不同的飞行阶段,采用相应的应急救生设备和措施,使航天员得以逃生、逃避和营救。例如,为了解决发射台和低空救生问题,美国水星号和阿波罗号飞船、原苏联的和现在的俄罗斯联盟号飞船都采用了逃逸塔方式救生,我国的神舟号飞船也是采用这种救生方式;美国的双子星座号和前苏联的东方号飞船则采用了弹射座椅救生方式。但是,在正常情况下,航天员的安全、生活和工作,主要依靠载人航天器本身的设施来维持。载人航天器与无人航天器的最大区别在于前者必须创造适合于人类生活和工作的密闭舱室,采取各种确保航天员安全和健康的防护措施。其中,载人航天器的环境控制与生命保障系统(以下简称环控生保系统)是保障航天员在太空环境里生存、生活和工作的基础措施。1.环控生保系统的构成和主要功能环控生保系统是载人航天器的一个关键组成部分。随着载人航天技术的不断发展,环控生保系统也日臻完善,它的主要构成是供气调压分系统、气体净化和污染控制分系统、气体循环和温湿度控制分系统、水供给和管理分系统、食品供给与管理分系统、废物收集与处理分系统,以及航天服分系统。下图是水星号飞船的环控生保系统示意图。水星号飞船环控生保系统示意图1.悬浮材料过滤器 2.压力调节器 3.减压阀 4.风机 5.氧气罐 6.有害气体吸收器 7.二氧化碳吸收器 8.过滤器 9.热交换器 10.水蒸气出口 11.水分离器 12.冷却器环控生保系统的功能可以概括为以下8个方面：(1)环境控制功能：控制乘员舱内部的大气压力和气体成分;控制舱内的温度、湿度和空气流动速度;补充舱内泄漏的气体和监测大气。(2)循环和净化功能：利用高压氧储存器(pressure vessel)或超氧化物(如超氧化钾)等对乘员舱供氧;填充稀释性惰性气体(如氮气);消除(吸收或还原)因人体代谢等排放出的二氧化碳;检测和净化大气中各种污染物。(3)水处理功能：饮用水和其他生活用水的储存和供应;水的质量保障和监测;废水的回收、净化或处理。(4)废物处理功能：航天员大小便的收集和处理;生活垃圾的处理。(5)饮食供应功能：食品的储藏和供应;食品和饮料的调配和加工;进餐方式和餐具供给;饮用水的调配、加温或冷却。(6)卫生保健功能：提供衣物、用具和睡眠用品;乘员舱的清洁卫生设备与医学监督装置;运动与娱乐设施。(7)安全与消防功能：各种安全救护、报警和防火设备与措施。(8)舱内外活动保障功能：根据航天任务要求,要提供以下的装备和设施,主要有舱内与舱外活动航天服(space suit);过渡舱(air lock);便携式生保系统(portable life support system;PLSS);舱外活动机动装置(maneuvering movable unit;MMU)等。2.环控生保系统的分类载人航天器在太空的飞行时间有长有短,环控生保系统的工作模式也有所不同,主要从补给品的提供情况来看,可以划分为非再生式、半再生式和再生式三种系统,下面分别加以说明：(1)非再生式系统：这种环控生保系统又可以称为开放式或补给式系统。这是载人航天以来最为通用的方式,即属于消耗性的原材料全靠载人航天器自身携带,或者由其他航天器运送补给。乘员的代谢产物和生活垃圾不回收再生,而是抛出舱外或封存带回地面。该系统结构简单,适用于短期载人航天使用。现在无论是载人飞船还是航天飞机,由于飞行时间短,都是采用这种非再生式环控生保系统。(2)半再生式系统：该系统又可以称为部分再生式或物理化学再生式系统。这种环控生保系统能将乘员产生的二氧化碳和废水全部或部分回收处理,生成氧气和纯净水,提供给乘员循环使用,而地面只需补给食品以及部分氧气和饮用水。该系统结构比较复杂,属于第二代环控生保系统,适用于中长期太空飞行(几十天到一年左右)使用,现在太空站上装备的就是这种半再生式的环控生保系统。(3)再生式系统：又称为密闭生态生保系统或可控生态生保系统。顾名思义,在该系统里,除了人以外,还有动植物生存,犹如一个小自然界。在这个系统里,生物和非生物以闭路形式进行质量交换,不断地为乘员提供氧气、水分和食物,除了阳光以外,基本上无需系统外补给,维持人和动物的生存,建立一种稳定的动态平衡生态环境。这是一种最为复杂的第三代环控生保系统,适用于长期载人太空飞行,例如往返于火星的探险漫游。美国和俄罗斯等国家都在开展各种试验研究,许多关键技术还没获得突破。美国进行的多次生物圈试验,其目的就是要建成这种再生式系统,为火星飞行和飞向其他行星做好准备。几十年来,载人航天已经有了很大发展,参与载人航天的国家已有30多个,进入太空飞行的人数已经达到413名。我国的神舟5号飞船正在整装待发,我们坚信,中华儿女遨游太空的宿愿一定能够实现。     

从"神一"到"神十二"揭秘中国载人航天"神箭"

乘坐神舟十二号载人飞船入驻空间站天和核心舱,中国航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波的太空之旅牵动人心.如今,中国载人航天已圆满完成第一步、第二步的既定任务,正向着建造空间站、建成国家太空实验室的第三步目标前进.     

蓄势待发的神舟号载人飞船

我国定于2003年第4季度发射第1艘载人飞船——神舟5号,它将在全球产生巨大影响,使我国成为世界第3个发射自主研制开发载人航天器的国家。一、 我国载人航天为什么要从飞船起步载人航天是当今高技术中最具挑战性的领域,体现了一个国家的综合国力和整体科技水平。随着我国国民经济和科学技术的不断发展,1992年1月,党中央批准研制载人飞船工程。自此,我国的载人航天工程正式启动。1999年11月20日我国成功发射了自行研制的第1艘飞船神舟1号,成为世界上第3个发射宇宙飞船的国家。此后,又分别把神舟2、3、4号送上九重天。那么,至今,人类已研制出宇宙飞船、航天飞机和太空站3种航天器,我国为什么要从载人飞船起步呢？在1992年开始研制载人飞船之前,我国“863”高技术航天领域的专家们曾为这个问题进行了几年的研究,对从研制飞船起步和越过载人飞船直接发展航天飞机的多种技术方案进行了充分的论证、比较和分析,甚至激烈的争论过。最后,根据我国的国情和国力,决定从飞船起步,并起了一个有中国特色而且非常动听的名字——神舟号。同时,考虑到我国在运载火箭和返回式卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验,以及有可能借鉴国外研制载人飞船的经验,所以,我国飞船的起点非常高,一开始就瞄准了当代最先进的第3代飞船——3舱式载人飞船。二、 先进的神舟号载人飞船神舟号飞船由轨道舱(也叫工作舱)、返回舱(又称座舱)、推进舱(或叫服务舱、设备舱、仪器舱)和1个过渡段组成。轨道舱位于返回舱前面,这是为了增加航天员的活动空间。它里面装有多种试验设备和实验仪器,可进行对地观测。其两侧装有可收放的大型太阳能电池翼、太阳敏感器和各种天线以及各种对接机构。返回舱位于飞船中部,是载人飞船发射和返回过程中航天员乘坐的舱段,也是飞船的控制中心,因而必不可少。它不仅和其他舱段一样要承受起飞、上升和轨道运行段的各种应力和飞行环境,而且还要经受返回时再入大气层阶段的减速过载和气动加热。舱内设置了可供3名航天员斜躺的座椅,座椅前下方设有仪表盘和控制手柄、光学瞄准镜,还装有照明灯和通信设备等必需的设备。其为密闭结构,前端有舱门,供航天员进出轨道舱使用。推进舱紧接在返回舱后面,通常安装推进系统、电源、气瓶和水箱等设备,起保障和服务作用,即为飞船提供动力,进行姿态控制、变轨和制动,并为航天员提供氧气和水。推进舱的两侧还装有20多平方米的主太阳能电池翼。过渡段在飞船顶部,用于与其他航天器对接或空间探测。飞船顶部还有1个高8米的逃逸救生塔,它装有10台发动机。在发射飞船的火箭起飞前900秒到起飞后160秒期间(0～110千米),如发生故障,它能拽着返回舱和轨道舱与火箭分离,并落到安全地带,使船上的航天员转危为安。神舟号飞船返回时,返回舱落到地面,推进舱被抛弃,而轨道舱则留轨工作半年。这是我国飞船与众不同之处。国外的做法是：航天员返回后,飞船的轨道舱就废弃在轨道上了。我国的神舟号飞船却具有“留轨利用”的功能。留在轨道上的轨道舱由太阳能电池翼继续供电,舱内的仪器设备能在无人值守的情况下,像卫星一样自主地工作半年左右,因此能充分发挥飞船的“余热”。三、 载人航天的7大系统进行载人航天仅有载人飞船是远远不够的。载人飞船的发射、运行和返回,离不开运载火箭、航天员选拔与训练、载人航天发射场、航天测控网和返回着陆场等系统的支持与保障。所以,我国载人飞船工程是由载人飞船系统、运载火箭系统、航天员系统、应用系统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统7个系统组成。运载火箭的可靠性是影响航天员安全最主要的因素。载人航天用的运载火箭除了要有足够大的推力外,还必须保证高可靠性。发射我国神舟号飞船的长征-2F火箭能把飞船送入200～450千米高的轨道。其上增加了故障检测系统和逃逸救生系统。火箭飞行的可靠性达97%,航天员的安全性达99.7%。航天员系统具有较大的特殊性,这是一个以航天员为中心的医学和工程相结合的复杂系统,涉及到航天生命科学和航天医学工程等许多重要领域。航天员系统一般包括航天员的选拔与训练、航天员的医学监督与保障、航天环境医学、航天工效学、航天员个人装备、航天员的营养与食品、航天员选训中心等。应用系统的主要任务是利用载人飞船的空间实验支持能力,开展对地观测、环境监测,进行材料科学、生命科学、空间天文学和流体科学等实验。载人飞船的发射场在选址时,除应具有发射其他航天器的条件之外,还必须更多考虑人的安全问题,如雷电天气较少,有较好的空中和地面电磁环境;火箭的发射方向上近百千米范围内最好没有高山密林和较集中的居民点等。当航天员乘坐飞船在太空飞行时,还需要强大的地面支持,靠测控通信系统保持天地之间的经常性联系。我国的载人航天测控网包括北京航天指挥控制中心、西安卫星测控中心、陆地测控站、海上测控船以及连接它们的通信网,其技术达到了世界先进水平。西安测控中心、各地的测控台站和测控船在北京航天指挥控制中心的指挥调度下,可保证神舟号在上升段的测控通信覆盖率达到100%,并能完成在轨运行和返回阶段的重点弧段的测控通信。载人飞行必需建设可供返回用的着陆场。由于飞船使用降落伞回收,所以着陆场的要求不像机场那样高。其主要任务是完成飞船着陆前后的测量通信、飞船着陆后的搜索回收、营救航天员和对舱内的有效载荷进行处置。着陆场要有足够大的面积以适应较大落点偏差的情况。我国根据国情和飞船运行轨道特点,在内蒙古草原上建造了主着陆场,并备有酒泉副着陆场,还设立了若干陆上应急救生区和海上应急救生区,以防备出现各种特殊情况,保证飞船安全着陆和顺利回收。四、 4艘飞船步步高至今,中国已成功发射了4艘神舟号试验飞船。神舟1号首次采用了“三垂”新模式,即在厂房完成对飞船、火箭联合体进行的垂直总装和测试,然后将其整体垂直运至发射场,最后进行垂直测试与发射。中国在原有的航天测控网基础上新建的符合国际标准体制的陆海基航天测控网,也在这次发射试验中首次投入使用。与神舟1号试验飞船相比,神舟2号飞船的系统结构有了新的扩展,技术性能有了新的提高,飞船技术状态与载人飞船基本一致。神舟2号首次在飞船上进行了空间天文和空间物理及微重力环境下的空间生命科学和空间材料等领域的实验。神舟3号的飞船技术状态与载人状态完全一致,提高了载人航天的安全性和可靠性。飞船上装有能模拟人体代谢和人生理信号等的“模拟人”,它能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数,这也是我国一个创新。神舟3号还增加了逃逸与应急救生功能。在飞船的待发和上升段,一旦出现危及航天员生命的情况,可以由地面或飞船发出指令,把装载航天员的舱体与火箭分离开来,让航天员得以逃生。神舟4号飞行试验是无人状态下考核最全面的一次。在充分继承前3艘无人飞船成熟技术的基础上,这艘飞船增加了人工控制和在轨自主应急返回等多项功能。科技人员共设计了8种救生模式,以确保飞船发射后的不同阶段若出现意外都能保证航天员安全返回地面。神舟4号飞船搭载了两个穿航天服的“模拟人”,旨在对船内环境控制与生命保障系统进行更全面考核,以便对获得的大量数据进行分析,进一步验证船内载人的安全性、可靠性,为中国今后真正实施载人飞行奠定基础。以“模拟人”这种无生命载荷取代动物,在飞船内模拟、检验飞船载人状态,这是中国科学家在世界上的首创。在飞行中,载人航天应用系统、航天员系统、飞船环境控制与生命保障分系统全面参加了试验,先后在太空进行了对地观测、材料科学、生命科学试验及空间天文和空间环境探测等研究项目;预备航天员在发射前也进入飞船进行了实际体验。飞船在轨飞行期间,船上各种仪器设备性能稳定,工作正常,取得了大量宝贵的飞行试验数据和科学资料。我国已经成功发射的4艘“神舟”飞船,基本上都是在相对较为寒冷的季节发射升空的。这种情况不是巧合,主要原因如下：航天发射是一项庞大的系统工程,飞船上天后,要由航天测控网对飞船实施测控管理和回收。这个测控网由多个国内测控站、国外测控站和我国的4艘远望号远洋航天测量船组成。在对飞船实施测控的过程中,远望1、2、3和4号远洋航天测量船同时分布在太平洋、印度洋和大西洋的指定海域,除了远望1号外,其他3艘测量船的任务海域都在纬度相对较高的南半球。那里的海况在南半球的春夏季节要好一些,秋冬季节则极为恶劣,尤其是在冬季,不要说在海上执行航天测控任务,就是正常航行都难保安全。为此,“神舟”飞船的发射要尽量避免安排在南半球的冬季。五、 新船更上一层楼中国已经基本建成高安全、高可靠载人航天研制试验体系,神舟5号飞船各项准备工作进展顺利,飞船已完成总装总测阶段,搭载的科研设备都通过验收,现正整装待发。中国的载人航天梦想即将实现。据悉,神舟5号拟在白天发射。以往神舟号飞船的发射时间一般在凌晨和子夜,其最重要的原因是便于飞船发射升空时,地面的光学跟踪测量仪易于捕捉到目标。而神舟5号将在白天发射主要是考虑到白天温度将有利于发射人员工作,也易于在意外情况发生时,充分保障航天员的人身安全。神舟5号与神舟4号基本相似,所不同的是神舟5号的头部是圆柱体,而神舟4号的头部是半球体;神舟5号舱内比较空,为的是尽可能给航天员留出空间,神舟4号里面则装满了实验仪器和物品。实现载人飞行,确保航天员安全是关键。针对航天员的安全问题,神舟5号总设计师戚发轫院士说,中国有信心保证航天员的安全。他说：“我们在设计飞船时有一个原则,就是飞船的每一个系统要做到‘一次故障,正常飞行;二次故障,安全返回’。换句话说,当一个系统第一次出现故障时,要做到飞船能正常运行,出现第二次故障时,能保证航天员安全返回。”神舟5号飞船认真汲取前4艘飞船的研制经验,在诸多关键技术方面又进了一步,安全性、可靠性万无一失。比如,轨道舱和返回舱连接处需要多个螺栓来加固,但当两个舱在太空分离时,螺栓需要立即“松绑”,也就是“连要连得可靠,断要断得干脆”。这就是舱段之间的连锁技术。通过前几次上天测试,这项技术将在神舟5号得到升华。此外,像飞船如何进行空中姿态调整,穿过稠密大气层时如何不被烧蚀,如何利用空气作用安全着陆等技术环节,在总结以往经验的基础上都一一得到完善。六、 中国载人航天的“三步走”战略中国载人航天将实施“三步走”的发展战略。中国在成功发射4艘无人试验飞船的基础上,即将实现载人飞船的历史性突破,然而这只是第一步。第二步是除继续用载人飞船进行对地观测和空间试验外,重点要完成出舱活动、太空交会对接试验和发射长期自主飞行、长期有人照料的空间实验室,尽早建成中国完整配套的空间工程大系统,解决中国一定规模的空间应用问题。第三步是建造更大的长期有人照料的太空站。因此,未来几年中国将突破以飞船交会对接、空间实验室、卫星组网和月球探测等为代表的一批航天关键技术。这批关键技术的突破,不仅为实现载人航天,还将为中国今后进行深空探测、和平利用外层空间做准备。     

神五降落时舷窗玻璃碎裂

中国＂神舟十号＂飞船返回舱2013年6月26日上午安全降落在内蒙古大草原的主着陆区。中国神舟系列飞船的历次返回都很顺利,以至于让外界感觉航天器返回地面实在是＂没难度＂,但实际上,载人航天器返回是最危险的阶段,已有22名外国航天员献出了宝贵的生命,其中11人就是在返回着陆过程中牺牲的。载人航天器的安全返回要＂过五关斩六将＂,哪一个环节处理不好,都可能发生致命问题。正如一名中国航天专家所说,＂返回阶段没有突出亮点正是最大的亮点,     

最著名的五次太空行走

太空行走又被称为出舱活动。狭义的太空行走指的是宇航员离开载人航天器乘员舱,只身进入太空的出舱活动。广义而言,航天员在月球和行星     

向空间站月球及更远深空进发

2020年5月,长征五号B运载火箭首飞成功,标志着空间站阶段飞行任务首战告捷.今年,我国将首先发射空间站核心舱,随后发射天舟二号货运飞船和神舟十二号载人飞船,计划搭载3名航天员执行中国空间站的初期搭建相关任务. 1992年,中国载人航天工程正式启动. 一代代航天人自力更生、接续奋斗,用不到30年的时间跨越了发达国家半个世纪的发展历程.     

王亚平:"女儿让我去太空给她摘星星"

金秋十月,中国人再征寰宇. 2021年10月16日,神舟十二号飞行乘组完成空间站阶段首次载人飞行任务整一个月后,神舟十三号飞行乘组的三名航天员翟志刚、王亚平、叶光富搭乘载人飞船奔赴中国空间站. 中国载人航天工程航天员系统总设计师黄伟芬在接受记者采访时提到,此次任务是空间站关键技术验证阶段收官之战,神舟十三号航天员乘组的工作量是巨大的,挑战也是巨大的.面对首次挑战长达6个月的太空之旅,三名航天员告诉记者:"我们信心满满!"     

载人航天器及其环境控制与生命保障系统

自从 1 96 1年 4月 1 2日前苏联航天员加加林乘坐“东方”号载人飞船进入太空以来 ,载人航天 (mannedspaceflight)已经 4 2年有余了。其间 ,载人航天器 (mannedspacecraft)有了重大发展 ,而载人航天器乘员舱 (crewmodule)的环境控制与生命保障系统 (environ mentcontrolandlifesupportsystem ;ECLSS)也与时俱进 ,有了很大改进。　　一、载人航天器能在地球大气层以外的宇宙空间运行的各类飞行器称为航天器 (spacecraft)。航天器又可分为无人航天器 (如各种人造卫星及太空探测器等 )和载人航天器两种。从目前发展情况来看 ,载人航天器只有…     

中国航天器大规模亮相珠海航展

中国载人航天三期工程的主要任务，即在太空建立短期自主飞行、长期有人照料的大型空间站。为此，要经历三个阶段：发射空间站核心舱、发射若干实验舱与核心舱对接、开展在轨服务技术试验及在轨组装技术试验。     

“神五”圆梦翻开中国载人航天崭新一页

这一刻,中华民族已经等待了千百年. 这一刻,距神舟五号载人飞船(简称“神舟五号”)发射已21小时23分,距中国第一艘试验飞船发射3年零329天,距中国载人航天工程立项11年25天—— 2003年10月16日6时23分,经过60余万公里的太空跋涉,神舟五号于内蒙古中部草原成功着陆,中国首飞航天员杨利伟自主出舱. 从此,中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家,中国载人航天工程取得历史性突破.