管春磊（中国航天员科研训练中心）

1 引言

载人航天装备研制过程中，以航天器环境控制与生命保障装备为典型代表的技术是空间站和深空载人航天器最为核心的技术之一，其装备的发展速度和成熟度必将牵制总体工程研制的发展速度，也直接关系到执行飞行任务航天员的生命安全。近些年，随着世界航天大国纷纷将目光瞄准近地轨道以远的月球和深空，以美国为代表的国家持续推动与之相关的“环境控制与生命保障技术”（ECLSS，简称“环控生保技术”），并进行“国际空间站”（ISS）在轨验证和地面测试。2019 年美国“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划发布后，更加促进了地月空间和火星载人探索任务的“环控生保”创新技术研发，技术差距识别和发展路径不断升级细化。

2 总体发展规划

按照2021 年美国国家航空航天局（NASA）发布的规划，ISS 仍然是“探索级”（地月和火星级）技术验证选择的主要测试平台，并将辅之以地面测试和地面模拟，从而确定技术可靠性和有待改进的领域。早期的重返月球“阿尔忒弥斯”任务将主要使用非再生式“环控生保系统”，因为最初的月球表面停留持续时间很短，仅为7 天。“深空门户”（DSG）地月空间站建造期间和之后，开始最初的短期表面探测任务。更远期持续的月球和火星表面任务是间歇有人驻留的（需要考虑“环控生保系统”在休眠期的稳定性），单独一次持续的月球表面任务规划为30 天，配有适应部分重力的部分再生式“环控生保系统”。最初的火星任务持续时间规划也是30 天，往返火星路途的飞行任务和长期火星表面驻留任务将需要更高闭合度的“环控生保系统”，从而节省发射质量并显著降低对水和大气等物资的消耗。

2019 年，NASA 发布了2016——2024 年 在ISS上开展的探索级“环控生保技术”在轨验证路线图。2021 年发布的“环境控制和生命保障系统-乘员健康和绩效（ECLSS-CHP）探索居住系统所需能力路线图”则勾勒出了近地轨道、地月空间、月球表面、火星往返和火星表面探索的技术演进概况。

目前，NASA 已将探索级技术开发的领导权授予了“环控生保系统能力领导小组”（SCLT），权限已扩大到对乘员健康和绩效（CHP）的指导。“环控生保系统”与乘员健康和绩效相结合，使人与系统交互分析和技术之间的协同更为紧密。SCLT 小组将探索级技术分为生命保障、环境监测、后勤、火灾安全四大能力领域。本文将围绕这四大能力领域，对其最新进展进行概述。

探索开发可持续的人类居住系统路线图（2021年版）

3 生命保障能力领域

生命保障能力领域包括大气管理、水管理、废物管理三项能力。大气管理包括二氧化碳去除、二氧化碳还原、制氧、颗粒物去除和微量污染物控制等技术。NASA 及其合作伙伴在二氧化碳去除方面处于不同的开发阶段，包括使用热胺、二氧化碳沉积、液态胺、离子液体和金属有机骨架去除二氧化碳。目前开发的技术包括改进目前ISS 上使用的Sabatier 二氧化碳还原装置，开发更有效的Bosch 还原技术，也正在开发一种无需当前还原和制氧设备的基于电化学的新型技术。制氧技术目前正在致力于提高当前系统的可靠性，还开发一种静态蒸汽供给电解替代性技术。颗粒物去除技术目前的开发集中在涡旋过滤器技术，正在进行设计和地面测试。目前正在升级当前使用的微量污染物控制吸附剂，并进行一种新型催化氧化剂设计，已经进行了一年多的寿命试验。

水管理侧重于废水（冷凝水和尿液）处理、尿液残液处理和消毒/微生物控制。目前正在投资升级现用尿处理器，此外也在升级水处理器催化反应器密封件，2020 年已经向ISS 运送了升级组件。作为下一代生物水处理器，得克萨斯理工大学用“膜曝气生物膜反应器”（MABR）完成了3 年期休眠和碳氢化合物负载研究。2021 年春天，NASA 向ISS 发射了残液处理器组件，进行技术演示。消毒/微生物控制技术方面，目前继续测试一种主动银电解装置，还在研究使用受控释放的银浸渍泡沫的被动银配给。

废物管理在废物收集、储存、处理和/或丢弃方面，通过新型紧凑型马桶来实现，技术目标是装置的安装质量<70kg，体积<0.34m。新的太空厕所——“通用废物管理系统（UWMS）”于2020 年底发射，并于2021 年中期启动。废物再生的目标是获得再生粪便中80%以上的可用水分，南佛罗里达大学正在开发一种“厌氧膜反应器”（AnMBR），用于处理粪便和食物垃圾。

4 环境监测能力领域

环境监测能力领域包括提供持续实时数据所需的技术，以便监测居住舱环境的即时健康状况。环境监测项目包括：微生物、大气、噪声、水和微粒监测。

生命保障系统在轨测试设备

微生物监测能力方面，2017 年公布了使用MinION DNA 测序仪，并完成了微生物群的太空DNA 测序（非培养式测序），2019 年验证新型设备，并提高MinION 易用性，2020 年开始Innovaprep ISS 智能采样浓缩器测试。大气监测能力方面，升级版主成分分析仪“多平台大气监测仪”通过了关键设计评审和安全评审，微量气体监测仪“航天器大气监测仪”完成系统设计评审和试验舱测试，2019 年送往ISS。正在进行目标气体监测仪“下一代燃烧产物监测仪——异常气体分析仪”和“甲醛气体光学监测仪”研制和测试。噪声监测能力主要是“下一代声环境监测仪Svantek 120”于2018 年开始在轨测试。水监测能力则正在设计制造小型总有机碳分析仪“miniTOCA”，目标在2023 年交付飞行件。微粒监测能力方面，2020 年11 月空气微粒监测器（APM）开始在ISS 运行，已被部署到ISS 美国实验室舱、节点1、节点2 和节点3 舱段的7 个不同位置，并在那里持续运行，提供经常性的微粒计数数据，显示与不同在轨活动相关的微粒浓度日变化和峰值。2021 年12 月启动的ISS 气溶胶监测器技术演示中，将有3 个独立的微型气溶胶监测器，有不同大小入口可供选择，可以测量直径≤2.5μm、≤4μm 和≤10μm 的微粒质量浓度，该技术为未来登月任务舱内月尘微粒污染的常规化、精细化监测，提供了技术选项和基础。

5 后勤能力领域

对于探索任务来说，后勤能力领域需要具备的是物资跟踪、位置分配、衣物处理、包装和垃圾处理能力，目前开展了智能化、自主式后勤管理技术测试，以及多用途免抛弃包装材料和垃圾压实和处理系统技术研发。

物资跟踪技术方面，2017 年开始，在ISS 上开展射频识别技术支持的自主后勤管理（REALM-1/2/3）系列实验。REALM-1 中，6个射频识别阅读器连接在ISS 的3 个舱段的4 个电线上，不间断监测标记物品，并有效地提供了数百件遗失物品的大致位置，识别错误装入返回货物中的物品，以及库存数据库错误。2019 年开始的REALM-2 实验，将RFID 阅读器和4 个天线安装在“太空蜜蜂”（Astrobee）自由飞行站务机器人上，由于高效移动性，将后勤识别覆盖范围扩展到非仪器区域。2021 年进行的REALM-3 实验，通过机器学习，提高系统的复杂事件处理的能力。

ISS 正在开展“自主后勤管控”系统技术的研发，基于机器人自主判断、分配和移动舱内货物。2020年开始通过人形机器人-2（Robonaut-2）和“太空蜜蜂”开展ISS 在轨测试。

服装约占乘员补给的25%，减少补给量是探索任务的重点。ISS 正在开发先进的耐穿服装和衣物翻新/卫生等技术，以及与一次性衣物的权衡比较，确定盈亏平衡点。ISS 还在开发低水洗衣方法，其中包括正在开发的原位过氧化氢发生器，使用回收水产生的过氧化氢在轨道上湿润家用消毒湿巾，从而减少发射质量。

人形机器人-2 正在测试自主移动舱内货物转运袋

为了避免包装浪费，ISS 目前正致力于多用途无抛弃包装技术研发，研制的“多用途货包”，可重新配置为“降噪毯”，降低跑步机噪声，不需要工具可拆卸。垃圾处理则于2019 年开始进行“垃圾压实和处理系统”（TCPS）研发，内华达山脉和柯林斯公司两套系统都实现了NASA 的目标，压缩生成的“垃圾砖”水活性小于0.6，水再生率大于90%。ISS 目前正在使用两家公司的技术，以开发第二代系统。

6 火灾安全能力领域

截至目前，在轨火灾事件已发生13 次。除2 次外，其余都是有限持续时间的过热或电短路事件。最严重的航天器火灾事件是由电解制氧设备引发的明火，需要乘组积极干预才能扑灭。该类型事件表明，火灾安全是探索航天器需要重点关注的一个领域。火灾安全领域被划分为4 个能力，分别为：材料易燃性、火灾探测、灭火和火灾后清理。

“航天器火灾”（Saffire）系列实验是航天器火灾安全的主要差距弥补工作之一。在诺格公司的“天鹅座”（Cygnus）飞船装满垃圾并离开ISS 之后，通过在飞行途中进行相对大规模的火灾安全实验，从而弥补该领域的技术差距。航天器火灾-I、II 和III 实验于2016——2017 年进行，第一次使用大规模取样来研究材料易燃性和火势增长情况。航天器火灾-IV、V 和VI 实验扩大了“航天器火灾”的初始能力，并在高氧浓度和低大气压力下进行测试。航天器火灾-IV 和V 实验已经分别于2020 年5 月和2021 年1 月完成。航天器火灾-IV 和V 实验的几个重要观测结果是：①固体上的火焰可以在静止低重力环境下存在很长时间，特别是在升高氧气浓度的情况下；②即使火焰不在物体材料上传播，物体表面上的薄层结构也可以传播火焰；③如果材料被充分预热，火焰可以在易燃材料之间跳跃。本系列实验的目标之一是获得火灾对航天器影响的数据，这些数据正被用于验证未来航天器火灾情景建模方法。

NASA 计划开展更多的“航天器火灾”实验，以量化更复杂的火灾安全场景，如：探测笔记本电脑中锂离子电池的热失控造成的火灾并进行灭火，以及随后的大气净化。这将是对一种危险的航天器火灾安全反应的端到端测试，期间还将使用计划用于探索任务的最新火灾安全技术。

7 经验和启示

（1）持续细化整体战略规划，推动关键能力技术的成熟化发展

近几年，美国在NASA 总体发展战略的指导下，对探索“环控生保系统”四大能力领域覆盖技术进行了调整和进一步细化。技术研制和测试重点分阶段进行，2018 年和2019 年，更多的重点放在了深空门户空间站上使用的技术，2020 年和2021 年则着眼于长期月面驻留和火星往返飞行。通过激励企业创新和开展国际合作，不断提高以下技术的成熟度：一是使用能够进行智能化自主监测和控制管理，并易于乘组维护的高可靠性处理程序和综合系统；二是通过生命保障必需品再生和生产（如：氧气、水等），提高自给自足能力；同时实现废物的资源化利用，减少存储的体积及其对环境的影响；三是将后勤补给最小化，以减少备件、维护设备和其他需要占用存储空间的物品总质量。

（2）ISS 和后续低地球轨道平台的长期测试，对于验证探索级技术至关重要

在ISS 验证的生命保障技术计划分为两大类：一是ISS 现有“最先进”系统硬件的升级；二是设计并制造结合不同技术的新设备。ISS 同时具备微重力、真实的人类复杂废物流、真实的航天器密闭大气环境，这些特征目前在其他地方模拟不了。另一个优势是ISS 能够把所有“环控生保子系统”集成在一起，了解其在相关环境下正常和非正常运行期间的相互作用特点。当前NASA 正在ISS 建立一个集成的探索级ECLSS 测试床，其中每个子系统向相关的下游系统提供必要的产物，与实现火星往返飞行任务所需的功能相匹配。ISS 平台能够提供技术测试支持的探索任务是最多的，包括：“猎户座”“深空门户”“持续性载人月球表面任务”和“火星往返飞行”。

（3）地面测试是在轨测试的前期积累和有益补充，能够实现对新技术的最大化利用

寿命、可靠性和鲁棒性测试是通过地面测试来完成的，在地面测试中，可以同时进行多个装置单元的测试，并且可以在不危及乘组或航天器的情况下开展超出设计极限（如：减压、高温或降级模式）的测试。可以看到，上述4 大能力领域新技术和系统研制，大部分当前都在地面进行测试，目前NASA 正在使用的地基测试系统在功能上模仿ISS 测试床，子系统的关键部分与在轨构造非常匹配，下一步还打算建立部组件级测试能力，从而实现对易磨损组件（如：泵、阀门、风机等）的直接可靠性测试。

（4）鼓励商业公司不断研制低成本、交货期短、可靠性强的新型环控生保技术

NASA 正在通过“小企业创新研究”（SBIR）项目，推动商业公司更深入地参与空间站和探索任务“环控生保技术”研制。其中包括：“霍尼韦尔”（Honeywell）开发的可以替代现有二氧化碳去除系统的离子液体吸附剂系统；吉纳公司（Giner）基于“水管理膜”（WAMM）的电解制氧系统；精密燃烧公司（PCI）效能更高的紧凑型Sabatier 二氧化碳还原反应器；典范公司（Paragon）基于离子膜水处理技术的尿液处理器。由于这些技术具有大量的工业应用，因此它们几乎是现成的组件，这保证了部件的可用性、较短的周期和较低的成本，由于能够得到长期工业应用，所以在可靠性、灵活性、再生性和效能方面胜过以前的技术，也意味着其改进能够得到长期支持。

验证平台及其对弥补各个目的地探索能力差距的支持

8 结束语

从NASA 的经验可以看到，需要根据任务应用场景确定“环控生保”的物质供应需求，从而确定配备的技术能力。此外，近地轨道、月球、火星目的地虽然不同，但又存在一定的相似性，“环控生保系统”应统筹规划通用性以及模块单元更换等方式，节约成本。

总之，载人航天的关键是突破以人为本的技术，为了实现航天员在近地轨道以远的目的地长期驻留，安全、健康、高效地完成维修建造、科学考察任务，必然需要装备体系技术预研规划具备很强的系统性、科学性、指导性，在装备正式投入型号研制之前，能够借助在轨空间站平台和地面测试，鼓励拥有相关新型技术的商业公司加入，深入研究技术发展脉络、辨别发展重点、指导项目布局、促进相关领域协作，避免发展断层或重复建设，从而更好地推动关键技术的创新、突破，以及与其他技术之间的交叉、融合，实现长期可持续和成本节约的发展目标。