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emc易倍:中国航天员乘组完成在轨交接谈谈在航天飞机中如何净化空气

添加时间:2024-04-30 20:58:24

  在浩瀚无垠的宇宙中,中国空间站如同一颗璀璨的明珠,而守护它的航天员们,刚刚完成了一场举世瞩目的“宇宙交接”。4月28日,神舟十七号、神舟十八号航天员乘组举行交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。这是空间站建成以来第四次航天员在轨交接轮换。

emc易倍:中国航天员乘组完成在轨交接谈谈在航天飞机中如何净化空气(图1)

  在太空中空气的清洁对于航天员的生命健康举足轻重。一般来说,飞行器舱内空间较小、密闭性极好。航天员以及舱内的非金属材料和仪器设备又随时都在挥发各种有害性气体,国外航天项目曾从座舱中检测出300多种污染物,其中20多种被列入重点清除对象,涉及多类化合物。那么,要如何去除这些污染物保障航天员的呼吸健康呢?

  我们知道,在地球上空气的组成比例大概是N2占78%、O2占21%、其余稀有气体以及CO2气体、水蒸气等总和约占1%空气净化。而维持人类生存的主要气体是O2,在早期人类空间站项目研究上,对空间站内部气体采用纯氧设计,但由于纯氧对人体健康有害,科学家们随后采用与地球环境相似的空气比例来设计空间站的空气组成,并一直保留至今。

emc易倍:中国航天员乘组完成在轨交接谈谈在航天飞机中如何净化空气(图2)

  与地球环境不同的是,空间站中没有稀有气体以及CO2等气体,理论来讲更为纯净。由于人体从空气中吸入的气体进出人体前后N2比例基本不变,而氧气会转化为CO2被人体呼出,所以空间站内部需要补充O2以及处理呼出的CO2气体。

  1.货运飞船运输:它只能携带少量O2,无法一次性满足宇航员在轨期间的生活所需,由于运输成本昂贵等原因,其主要为空间站内出现紧急情况时提供不时之需;

  2.电化学制备O2(电解水):在空间站中氧气最主要的来源途径是电解水制备氧气。

emc易倍:中国航天员乘组完成在轨交接谈谈在航天飞机中如何净化空气(图3)

  在空间站中,有一套装置叫做氧气生成系统,它产生O2的化学原理我们其实并不陌生,我们在中学化学就学习过电解水制备氧气的实验,宇宙空间站中也是通过电解水制备O2,其具体原理如下:因为纯水的导电性并不出色,向纯水中添加稳定电解质会增强电荷的传导能力使之降低电阻,电解质的选择通常为强碱,如KOH或者NaOH。在电极两端阴极发生还原反应,阳极发生氧化反应,具体反应方程式为:

  电解过程中,水无法直接变为O2和H2,而是水分子先在阴极发生O-H键断裂,生成一个OH-和一个H+,而H+和另一个水分子产生的H+结合,从而形成H2。而OH-会往阳极迁移,在阳极上断键,生成O离子和H离子,其中一个H离子和未分解的OH-结合,形成水,剩下的O离子则结合产生O2,随后阳极会释放出未成形的电子,从而维持体系的电荷平衡。制备的氧气可以用于宇航员生活,而氢气可以用于CO2的还原,把CO2转换为水和甲烷,水可以回收利用,甲烷可直接排出空间站。

emc易倍:中国航天员乘组完成在轨交接谈谈在航天飞机中如何净化空气(图4)

  座舱通风与净化:通过座舱风扇使舱内空气流通,并使用装有LiOH的净化罐排除二氧化碳,以保持舱内空气质量。此外,飞船座舱通风也是保障座舱大气降温、除湿、气体净化和保持舱内一定风场的重要手段。

  空气净化设备:在太空中,由于无法开窗引入新鲜空气,必须依靠自身的循环净化系统。航天器生命支持系统中的舱内空气净化主要分为三个方面:二氧化碳、痕量污染物、悬浮颗粒物的吸收或分离去除。例如,对二氧化碳的吸收可以使用氢氧化锂、某些金属氧化物、碳酸盐以及分子筛、离子交换树脂等。

  我国自主研制的空气净化设备综合了化学吸附、物理吸附、催化氧化等多种净化手段,能够在航天员进入飞行机舱前15天开启以提前净化空气。这些设备能强力去除几十种有害气体,确保舱内空气质量,使航天员呼吸顺畅。此外,为了应对航天员呼吸产生的二氧化碳等问题,采用了非再生式二氧化碳净化方案,利用无水氢氧化锂(LiOH)作为座舱二氧化碳的净化剂,通过流阻小、反应效率较高的径向流通模式进行净化。在实际应用中,净化罐的数量会根据飞行任务的人天数进行配置,并且为了提高净化装置的可靠性,采用了双风机方案,一旦主风机出现故障,即能自动切换到副风机工作状态。

  我国自主研制的空气净化设备在天宫一号上的应用展现了良好的效果,不仅能够有效净化舱内空气,保证航天员的健康和舒适,还体现了我国在空间环境控制技术方面的进步和自主创新能力。

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