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天和核心艙環(huán)控生保系統(tǒng)在軌穩(wěn)定運(yùn)行一周年——再生生保系統(tǒng):保障航天員長(zhǎng)期駐留空間站

發(fā)布時(shí)間:2022-05-20 13:47:00來(lái)源: 解放軍報(bào)

  北京時(shí)間2022年5月10日,伴隨著一聲“點(diǎn)火”,天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船搭乘長(zhǎng)征七號(hào)遙五運(yùn)載火箭飛向中國(guó)空間站,拉開(kāi)了又一次中國(guó)載人航天飛行任務(wù)的序幕。

  從神舟五號(hào)21小時(shí)的太空之旅,到神舟十三號(hào)航天員長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的太空駐留,僅靠一次性地面補(bǔ)給已不能滿足任務(wù)需要。為航天員提供環(huán)境控制、生命保障和應(yīng)急保障等功能的空間站環(huán)控生保技術(shù),成為實(shí)現(xiàn)空間站在軌長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵。

  對(duì)于保障航天員在軌生命安全的環(huán)控生保科研人員來(lái)說(shuō),安全是他們研制和運(yùn)營(yíng)產(chǎn)品的底線。在天和核心艙發(fā)射成功一周年之際,中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室舉行了一場(chǎng)別開(kāi)生面的座談會(huì)。那些曾經(jīng)參與空間站任務(wù)再生式環(huán)控生保關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的科研人員,一起回顧當(dāng)初的奮斗時(shí)光,展望中國(guó)載人航天的美好未來(lái)。

  “好比用沖刺的速度跑完一場(chǎng)馬拉松”

  和熟悉的同事們?cè)俅蚊鎸?duì)面坐在一起,中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心環(huán)控生保室二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平感慨頗深。過(guò)去那些一起奮斗的時(shí)刻,滿滿當(dāng)當(dāng)充斥著他的記憶。忙碌,將時(shí)間無(wú)限拉長(zhǎng)?;貞浧甬a(chǎn)品研發(fā)的那段日子,張勇平覺(jué)得“那時(shí)候的每一天都在全力奔跑”。

  從論證設(shè)計(jì)到完成初樣產(chǎn)品設(shè)計(jì),他們只用了3年。3年,環(huán)控生??蒲袌F(tuán)隊(duì)以過(guò)硬的攻關(guān)能力,創(chuàng)造了環(huán)控生保技術(shù)發(fā)展的“中國(guó)速度”。

  用環(huán)控生保室主任卞強(qiáng)的話說(shuō),“我們團(tuán)隊(duì)的工作狀態(tài),好比用沖刺的速度跑完一場(chǎng)馬拉松”。

  2020年初,新冠肺炎疫情來(lái)勢(shì)洶洶。環(huán)控生??蒲袌F(tuán)隊(duì)接到通知,要在短期內(nèi)完成產(chǎn)品正樣交付任務(wù)。

  那年春節(jié),許多人都是在辦公室里度過(guò)的。他們和家人急急忙忙吃頓年夜飯,又火速投入到工作中。

  這是一場(chǎng)接力賽。

  水處理子系統(tǒng)總裝集成負(fù)責(zé)人熊濤加入團(tuán)隊(duì)后,經(jīng)過(guò)兩年歷練挑起大梁,擔(dān)任負(fù)責(zé)人。微量有害氣體去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人周國(guó)棟是個(gè)90后,25歲就成為最年輕的子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人。二氧化碳去除子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人張勇平在正樣產(chǎn)品交付任務(wù)中連續(xù)工作了一個(gè)月。完成主體工作后,他因身體原因不得不暫停工作。隨后,剛?cè)肼殯](méi)多久的白攀峰,在總體負(fù)責(zé)人楊潤(rùn)澤的幫帶下,及時(shí)頂上空缺,完成后續(xù)任務(wù)。

  研究員李英斌記得,在空間站任務(wù)啟動(dòng)時(shí),他們5個(gè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人集中到一起,封閉辦公十多天,沒(méi)日沒(méi)夜研究討論,終于按節(jié)點(diǎn)拿出了一套總體方案。

  如今,看著航天員在中國(guó)空間站里自由呼吸、舒適生活,他們的心里滿是成就感和自豪感?;貞浧鹉嵌纹D難的日子,曾經(jīng)的技術(shù)負(fù)責(zé)人尹永利說(shuō):“那時(shí)我們只有一個(gè)信念,就是讓航天員在天上安全舒適地工作和生活。我們做到了!”

  讓資源在太空“生生不息”

  2020年5月5日,長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射成功,拉開(kāi)了中國(guó)空間站在軌建造階段飛行任務(wù)的序幕。

  再生式環(huán)控生保是空間站關(guān)鍵技術(shù)之一。2005年,在國(guó)家863計(jì)劃支持下,環(huán)控生保室已經(jīng)開(kāi)展了基礎(chǔ)研究等工作。2008年,再生式環(huán)控生保通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)立項(xiàng)論證評(píng)審。

  這十幾年來(lái),環(huán)控生??蒲袌F(tuán)隊(duì)?wèi){借著一股不服輸?shù)膭蓬^兒,艱難起步、論證研制,攻克了大容量電解等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),為空間站建造打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

  在以往的載人飛行任務(wù)中,環(huán)控生保使用的是非再生技術(shù),也就是航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶。隨著空間站任務(wù)一步步推進(jìn),航天員在太空駐留的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),僅依靠地面攜帶已無(wú)法滿足要求,環(huán)控生保技術(shù)必須要從非再生走向再生。

  再生式環(huán)控生保系統(tǒng),顧名思義,就是實(shí)現(xiàn)水等消耗性資源的循環(huán)利用,保障航天員在軌長(zhǎng)期駐留。這個(gè)系統(tǒng)可以收集航天員揮發(fā)的水分、排放的尿液,還有呼出的二氧化碳,然后把這些收集到的水汽、水和二氧化碳還原成航天員可在軌利用的氧氣和水。

  再生式環(huán)控生保系統(tǒng)包括電解制氧、飲水收集與處理、尿處理、二氧化碳以及微量有害氣體去除等子系統(tǒng)。其中,水氣分離是不少子系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中都要面對(duì)的共同難題。

  “微重力條件下,水氣處于混合狀態(tài)。”電解制氧團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人解釋說(shuō),要在太空中進(jìn)行電解制氧,將水電解成氧氣和氫氣后,還需要通過(guò)膜分離技術(shù)將氣體與液體分離。

  合適的膜材料并不好找。電解制氧團(tuán)隊(duì)一次次調(diào)研試驗(yàn),可研制出的膜材料重量和壽命仍不符合指標(biāo)要求。后來(lái),他們通過(guò)請(qǐng)教行業(yè)內(nèi)資深專家,研究前沿論文,創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了新型膜結(jié)構(gòu)。研制過(guò)程中,他們一次次碰壁,又一次次突破難關(guān)。最終,研制出的膜材料,壽命比最初提升了10倍,重量也下降到了最初的1/4。

  如今,在中國(guó)空間站天和核心艙內(nèi),由電解水產(chǎn)生的氧氣,解決了航天員呼吸問(wèn)題,大大降低了物資補(bǔ)給成本。這只是再生生保技術(shù)在空間站的運(yùn)用之一。

  “一年來(lái),我們研制的尿處理和冷凝水收集裝置成功轉(zhuǎn)化了2600多公斤的水,為兩艘貨運(yùn)飛船節(jié)省了將近一半的上行重量。”子系統(tǒng)負(fù)責(zé)人丁平自豪地說(shuō),“整個(gè)再生生保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了氧氣資源100%再生,水資源80%再生。有了完整的再生系統(tǒng),發(fā)射重量大大減少,每年能節(jié)約上行物資6噸左右?!?/p>

  天上運(yùn)行每一秒,地面牽動(dòng)無(wú)數(shù)心

  4月29日,天和核心艙已在軌運(yùn)行滿一年。這意味著,環(huán)控生保系統(tǒng)也運(yùn)行了一周年。

  一年,365天,8760小時(shí),525600分鐘……屏幕上,代表著環(huán)控生保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的數(shù)字不斷跳動(dòng)著。每分每秒,都牽動(dòng)著環(huán)控生??蒲腥藛T的心。

  “國(guó)際空間站20年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,環(huán)控生保系統(tǒng)在軌故障率達(dá)到平均每年22起左右?!北鍙?qiáng)介紹說(shuō),中國(guó)空間站環(huán)控生保系統(tǒng)也面臨著同樣的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。為了保證航天員安全,團(tuán)隊(duì)工作人員在各階段全方位排查故障,還進(jìn)行了高強(qiáng)度、多批次試驗(yàn),確保產(chǎn)品不帶任何隱患上天。

  動(dòng)態(tài)水氣分離器是尿處理子系統(tǒng)的核心部件。在進(jìn)行正樣產(chǎn)品交付前,設(shè)計(jì)師鄧明君像往常一樣進(jìn)行產(chǎn)品性能測(cè)試。電機(jī)通電運(yùn)轉(zhuǎn)后,面板顯示一切正常。鄧明君并沒(méi)因此就放松警惕。突然,他發(fā)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行噪聲似乎有點(diǎn)異常。

  鄧明君將耳朵湊近電機(jī)仔細(xì)傾聽(tīng)。經(jīng)歷了近千次試驗(yàn),他對(duì)電機(jī)發(fā)出的噪聲再熟悉不過(guò)。以往的電機(jī)噪聲平穩(wěn)而細(xì)膩,而這次的噪聲似乎有一絲“瑕疵”。他將手輕輕放在電機(jī)上,隱約感覺(jué)到了異常振動(dòng)。

  沒(méi)有猶豫,鄧明君果斷停止試驗(yàn)。上報(bào)項(xiàng)目組領(lǐng)導(dǎo)決策后,他們將電機(jī)送回廠家進(jìn)行拆解,成功排除了故障。

  返修、再測(cè)試、再驗(yàn)收。環(huán)控生保室的研究人員已經(jīng)習(xí)慣了排除一個(gè)個(gè)故障、解決一個(gè)個(gè)難題。

  神舟十二號(hào)航天員湯洪波曾在環(huán)控生保室參與了一年研制工作。湯洪波說(shuō):“環(huán)控生保人是我們飛天時(shí)的生命守護(hù)者。在飛行的90多天時(shí)間里,操作最多、關(guān)注最多、維護(hù)最多的就是環(huán)控生保產(chǎn)品,通話最多的也是和環(huán)控生保專家們探討產(chǎn)品和技術(shù),有他們?cè)?,我們才可以安心飛行、放心工作和生活?!?/p>

  雖然再生系統(tǒng)在空間站順利運(yùn)行,但這個(gè)團(tuán)隊(duì)的任務(wù)遠(yuǎn)沒(méi)結(jié)束。天上運(yùn)行一天,地面就需要保障一天。

  “從受領(lǐng)任務(wù)那天起,大家就揪著一顆心,或許要到再生系統(tǒng)進(jìn)入空間站穩(wěn)定運(yùn)行15年后,這顆懸著的心才能稍稍放下?!睆堄缕缴钣懈杏|地說(shuō)。

  如今,環(huán)控生保室不僅在再生式環(huán)控生保技術(shù)上取得突破,也在同步開(kāi)展受控生態(tài)環(huán)控生保技術(shù)的積累和研究,并成功實(shí)施了“綠航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)。

  “未來(lái)航天員駐留月球、飛向火星,我們的產(chǎn)品一定能為航天員提供更好的保障,太空家園一定會(huì)充滿生機(jī)活力?!闭劦轿磥?lái)的環(huán)控生保,大家充滿期待,也充滿了信心。(孫偉 占康 本報(bào)記者 安普忠 王凌碩)

(責(zé)編: 李雨潼)

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