航天新征程｜打造太空家園

　　11月30日，神舟十五號(hào)航天員順利入駐中國(guó)空間站，與神舟十四號(hào)航天員“會(huì)師”太空。6名航天員同時(shí)在軌，創(chuàng)造了中國(guó)空間站訪客新紀(jì)錄，同時(shí)也對(duì)空間站的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)提出了更高的要求。本周，《面對(duì)面》專訪中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任卞強(qiáng)。

　　航天員的“保護(hù)傘”

　　距離中國(guó)空間站約400公里的中國(guó)航天員中心，與空間站組合體1:1大小的地面伴飛艙里，環(huán)控生保團(tuán)隊(duì)開始了一天的工作。模擬6名航天員的在軌活動(dòng)，團(tuán)隊(duì)需要對(duì)艙內(nèi)的氧氣、二氧化碳等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　記者：為什么伴飛艙你們也要密切關(guān)注它們的數(shù)據(jù)變化？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：因?yàn)樘焐系倪@套系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)了之后，我們不知道它會(huì)發(fā)生什么樣的問題，在地面這套模擬系統(tǒng)的時(shí)候，我們會(huì)比天上提前一到兩天，程序要提前一到兩天。

　　記者：什么叫提前一到兩天？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：如果說明天要干的事情，我今天就給它干了。比如說像乘員輪換6個(gè)人的系統(tǒng)，馬上要進(jìn)6個(gè)人了，我會(huì)在提前一到兩天的時(shí)候，把地面的代謝模擬系統(tǒng)調(diào)成6個(gè)人的狀態(tài)，我要看看我這個(gè)環(huán)境控制能力，在什么時(shí)間會(huì)達(dá)到最高點(diǎn)，在什么時(shí)間平衡濃度會(huì)有可能超限，會(huì)啟動(dòng)非再生功能。

　　神舟十五號(hào)飛行任務(wù)是中國(guó)空間站建造階段的最后一棒，也是空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的第一棒。6名航天員同時(shí)在軌5天，驗(yàn)證空間站系統(tǒng)航天員在軌輪換保障能力。

　　記者：能保障他們幾天，最大值？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：十天。

　　記者：這十天再往上還有可能嗎？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：有可能。工程上給我們提的要求最大是十天，其實(shí)從目前這個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)來看，長(zhǎng)期六個(gè)人也是有可能的。

　　記者：你說的長(zhǎng)期是多久？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：十五年。我們不光在核心艙有，在問天艙還有一套再生生保系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)是備份關(guān)系，核心艙壞了用問天艙的，如果兩套全壞，我還有一套非再生系統(tǒng)去保底。有這三套系統(tǒng)在天上，我們可以短時(shí)保證六個(gè)人十天，如果工程上有需要，六個(gè)人長(zhǎng)期在軌，我們也可以通過工作模式去設(shè)計(jì)。

　　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)在軌故障率高，平均每年22起。卞強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)也面臨著同樣的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。要攻克難關(guān)，更要杜絕隱患。為了保證安全，團(tuán)隊(duì)工作人員不僅要在各階段全方位排查故障，還要經(jīng)過高強(qiáng)度、多批次試驗(yàn)，讓隱患暴露出來，讓產(chǎn)品不帶任何隱患上天。

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：某一次任務(wù)發(fā)射之前，有一個(gè)產(chǎn)品到我們手里面，我們一個(gè)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行過程中就是有一個(gè)微小的噪聲。其實(shí)所有的指標(biāo)都是正常的，它的噪聲水平也是正常的，但是從聽覺上我們感覺，這里面有一個(gè)不和諧的聲音。我們就果斷地把這個(gè)產(chǎn)品叫停了，最后拆解發(fā)現(xiàn)果真是在軸承上有一個(gè)細(xì)微的裂紋。

　　記者：如果沒發(fā)現(xiàn)會(huì)怎樣？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：沒發(fā)現(xiàn)帶上天，帶上天之后系統(tǒng)運(yùn)行就會(huì)有安全性問題。本來我規(guī)劃運(yùn)行兩年或者是三年，我沒有帶相應(yīng)的備件的話在一年半它壞了，它的故障就有可能導(dǎo)致某一個(gè)系統(tǒng)的失效，可能這個(gè)任務(wù)就得提前結(jié)束，為了保證航天員安全，咱們可能就會(huì)提前返回。

　　在攻克15項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和11個(gè)技術(shù)難點(diǎn)后，2020年3月底，再生式環(huán)控生保系統(tǒng)終于完成正樣飛天產(chǎn)品交付，實(shí)現(xiàn)了由“補(bǔ)給式”向“再生式”的重大跨越。

　　打造再生式環(huán)控生保系統(tǒng)

　　在以往的短期載人飛行任務(wù)中，航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶，即消耗式的非再生技術(shù)，但如果在軌時(shí)長(zhǎng)超過3個(gè)月，僅靠地面補(bǔ)給代價(jià)過于沉重。空間站任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，再生式環(huán)控生保被列為空間站重大關(guān)鍵技術(shù)之一，即運(yùn)用物理化學(xué)的方法，對(duì)航天員產(chǎn)生的二氧化碳、水汽和尿等廢棄物進(jìn)行回收利用，實(shí)現(xiàn)空間站大氣、水等物資的循環(huán)再生。

　　記者：再生生保就是把呼出的二氧化碳再變成氧氣，把廢水變成可以利用的純凈水，這個(gè)理論上你們認(rèn)識(shí)到把它實(shí)現(xiàn)，難不難？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：最底層的機(jī)理大家都知道，但是真真正正地要去實(shí)現(xiàn)，把這個(gè)化學(xué)方程式在天上去實(shí)現(xiàn)，它必須走完從理論到技術(shù)，從技術(shù)到工程的過程，其實(shí)就是把一個(gè)小型的化工廠搬到了天上。

　　記者：核心艙應(yīng)當(dāng)說是寸土寸金，那一定是給你們有限的空間？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：整個(gè)工程研制之初，它已經(jīng)把地方給你分配好了，這個(gè)大概是1.5個(gè)立方，就這么大。

　　記者：就這么點(diǎn)地，要帶一個(gè)化工廠上去，怎么弄？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：通過高效的地面集成，系統(tǒng)集成技術(shù)。我們自己做了一套系統(tǒng)，就是翻轉(zhuǎn)式維修的一套系統(tǒng)，這套系統(tǒng)不僅正面可以裝設(shè)備，反面也可以裝設(shè)備。

　　記者：如果想再升級(jí)怎么辦呢？總不能說是在家拆了裝修重來？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：其實(shí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初的時(shí)候，我們就預(yù)留了一些可供升級(jí)的接口，包括安裝位置、供電接口、信息傳送接口，后續(xù)如果系統(tǒng)還有一些局部上升級(jí)的話，我們會(huì)通過備件更換的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)。

　　設(shè)計(jì)初期，再生式環(huán)控生保系統(tǒng)包括五個(gè)子系統(tǒng)：電解制氧子系統(tǒng)、二氧化碳去除子系統(tǒng)、微量有害氣體去除子系統(tǒng)、尿處理子系統(tǒng)和水處理子系統(tǒng)。雖然原理簡(jiǎn)單，但如何從技術(shù)到工程突破是一項(xiàng)世界性難題。其中，尿處理系統(tǒng)是讓卞強(qiáng)費(fèi)神多的。

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：尿液當(dāng)中雜質(zhì)很多，要想提取水，就必須對(duì)它進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理后的尿液是一種強(qiáng)酸強(qiáng)氧化性的東西，和它接觸的東西都必須耐酸，還要旋轉(zhuǎn)耐磨，這個(gè)難度比較大，尿處理系統(tǒng)里面用了一個(gè)軸承，就這一個(gè)軸承我們整整干了五六年。

　　記者：如果說這個(gè)問題不解決，那它帶來的影響又是什么？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：這個(gè)產(chǎn)品壽命就會(huì)非常短，有的甚至于幾百個(gè)小時(shí)它就壞了，如果說十幾天、二十天、幾十天就換一個(gè)東西的話，你回收回來水的代價(jià)還不如你更換這個(gè)產(chǎn)品的代價(jià)，那就得不償失了。

　　太空中的這套裝置沒有現(xiàn)成產(chǎn)品，國(guó)際上也沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，團(tuán)隊(duì)必須根據(jù)自身產(chǎn)品特點(diǎn)自主研發(fā)。由于經(jīng)不起技術(shù)上的反復(fù)，他們采取了多方案并行的方式，從中選擇成功率較大的方案繼續(xù)推進(jìn)，直到產(chǎn)品滿足使用壽命要求。

　　空間站尿箱的設(shè)計(jì)容量為22升，尿液在衛(wèi)生區(qū)經(jīng)過預(yù)處理后，由航天員搬運(yùn)轉(zhuǎn)移至尿處理系統(tǒng)。

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任卞強(qiáng)：我們有一套系統(tǒng)，尿收滿了之后會(huì)自動(dòng)提醒航天員這地方尿箱滿了，可以處理了。

　　記者：22升尿液收集起來了在尿箱里面，它能產(chǎn)生多少飲用水？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：這個(gè)效率應(yīng)該是在83%左右。18公斤，22升的尿液進(jìn)入這個(gè)水箱之后，它要進(jìn)水處理系統(tǒng)，水處理系統(tǒng)之后，最終的成品水都是裝在這個(gè)里面，尿的再生水和汗液的再生水是混著的。大概是一箱尿再生水和一箱汗再生水，混成一個(gè)軟水箱，搬到飲水機(jī)那塊供航天員日常生活使用，不光是喝。

　　記者：22升要處理完了，要處理成可食用的純凈水要花多久？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：尿處理系統(tǒng)對(duì)這個(gè)22升的尿液進(jìn)行處理的話，大概需要12個(gè)小時(shí)左右，這只是中水，再用不到12個(gè)小時(shí)的時(shí)間，就會(huì)把它處理成純凈水。

　　讓太空家園更宜居

　　除了保障系統(tǒng)的功能性，環(huán)控生保團(tuán)隊(duì)也會(huì)充分考慮航天員在軌生活的便利和舒適性。

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：我們盡量去讓航天員有一種家的感覺，設(shè)計(jì)的時(shí)候我們會(huì)盡量去參考我們家里面衛(wèi)生間使用的方式。

　　記者：我們?cè)诘厍蛏鲜怯兄亓Φ模闩懦鰜硎峭?，但是在天上它?huì)飛，你怎么把它給逮起來?

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：我們做了一套引流系統(tǒng)，大風(fēng)量地去吸。

　　2021年6月17日，神舟十二號(hào)飛船發(fā)射升空，與2021年4月29日發(fā)射入軌的天和核心艙成功對(duì)接。航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波成為進(jìn)駐中國(guó)空間站的第一批太空訪客。3個(gè)月的“太空出差”，他們首次在軌驗(yàn)證再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的全部功能。

　　當(dāng)航天員把地球的生活搬上了太空，環(huán)控生保團(tuán)隊(duì)也把航天員的太空生活搬進(jìn)了空間站地面伴飛艙。同時(shí)，在航天員支持中心監(jiān)控大廳，環(huán)控生保團(tuán)隊(duì)也對(duì)神舟十二號(hào)飛行乘組及空間站組合體實(shí)施24小時(shí)不間斷跟蹤測(cè)控，并根據(jù)下行參數(shù)對(duì)系統(tǒng)作故障判斷和健康管理。

　　記者：你們作為生保系統(tǒng)的科研人員的話，最關(guān)注天上的哪一塊？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：其實(shí)我們更關(guān)注的是大小便處理這一塊。

　　記者：為什么？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：因?yàn)橹灰@個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，留給我們的處理時(shí)間非常短。舉一個(gè)例子，如果電解制氧處理系統(tǒng)故障，整個(gè)空間站里面有一定的氧氣，它可以供航天員維持一段時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可能會(huì)達(dá)到一天兩天或者兩天三天都有可能。但是大小便系統(tǒng)出現(xiàn)故障之后，留給我們的處理時(shí)間非常短。

　　記者：為什么這么說？

　　中國(guó)航天員中心環(huán)控生保室主任 卞強(qiáng)：人有三急。

　　記者：有堵的時(shí)候沒有？

　　航天員 湯洪波：沒有完全堵上，但是就是那個(gè)管路內(nèi)的壓力會(huì)特別大，那個(gè)液體它就不容易在整個(gè)系統(tǒng)里面循環(huán)起來，大概20升左右的尿液要處理十七八個(gè)小時(shí)，二十個(gè)小時(shí)左右，要處理很長(zhǎng)時(shí)間，地面監(jiān)測(cè)就發(fā)現(xiàn)這個(gè)處理時(shí)間超時(shí)了。

　　中國(guó)空間站成為宜居的“太空家園”，這背后，是當(dāng)年那支平均年齡不到35歲的科研團(tuán)隊(duì)，他們用10年的時(shí)間將他們的產(chǎn)品送上天。

　　如今，6名航天員在軌輪換進(jìn)一步驗(yàn)證了環(huán)控生保系統(tǒng)的保障能力，這群在航天員身后默默托舉他們飛天的人，用前后數(shù)十年的艱辛付出和24小時(shí)不間斷的日夜守護(hù)為他們一路保駕護(hù)航。然而，卞強(qiáng)和他的團(tuán)隊(duì)目標(biāo)不止于此。

　　在攻克再生式環(huán)控生保技術(shù)時(shí)，團(tuán)隊(duì)也同步開展受控生態(tài)環(huán)控生保技術(shù)的積累和研究，即生物再生式技術(shù)，通過植物光合作用和微生物分解作用，實(shí)現(xiàn)氧氣、水和食物的循環(huán)利用，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)，為未來人類長(zhǎng)期太空飛行，駐留月球、飛向火星的預(yù)先研究打開了新局面。