航天员生存的奥秘：载人航天器的环境控制与生命保障系统

航天器环境控制与生命保障系统是什么

环境控制与生命保障系统是飞船上十分重要又相当复杂的系统,是直接关系到航天员身体健康和生命安全的系统,也是关系到航天任务能否圆满完成重要系统。它不仅与飞船系统及其各分系统有复杂的技术接口界面,还与航天员系统有着更加密切的联系。在飞船正式执行载人飞行前,环境控制与生命保障系统必须在不同的系统层次上进行严格的试验验证,充分证明系统合格后，才能实行载人飞行。

上个世界50年代，美苏开展太空竞赛，都想实现首次载人航天飞行，而这是一个非常复杂的难题，载人航天系统必须能够保障宇航员的安全和健康，而这必须要达到以下的几点要求：

1. 确保返回舱和轨道舱内具有合适的大气总压和氧分压；

2. 提供航天员代谢所需的氧气；

3. 排除航天员代谢产生的CO2，,控制其他微量有害气体的浓度在要求的范围内；

4. 控制返回舱和轨道舱内气体的温度、湿度,为航天员提供合适的温湿度环境和舱内通风条件；

5. 为航天员提供饮水，实施供水、冷凝水管理和食品管理；

6. 收集和处理航天员生理代谢产生的废物和舱内其他废弃物；

7. 具有烟火探测能力，并备有相应的灭火措施；

8. 飞船发生压力应急时，实施压力应急转换，保障着航天服的航天员生命安全。

除此之外，还必须拥有一套独立完整的救生设施,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。

1958年的时候，一位叫做马克西姆-法盖特的美国工程师提出了逃逸塔的理念，就是在整流罩顶端加一根长棍，上面倾斜地装着几台大推力固体火箭发动机。一旦火箭有事，就立刻点燃这些发动机，然后炸开飞船与火箭之间的连接部分，把飞船带到高空，依次抛掉整流罩、飞船推进舱，最后按照正常程序打开降落伞回收。从而拒绝了救生设施的难题。

而在1957－1961期间年美苏都进行了自动飞行器的发射，目的是对地球及近地空间、月球和深空进行研究和探索。20世纪60年代初期，在苏联试验设计局总设计师科罗廖夫的主持下，苏联专家们刻苦攻关，解决了一系列难题，研发出了世界第一艘载人飞船“东方”。

在“东方”飞船飞行期间，主要研究了超重、失重，以及长期在狭小密闭空间驻留对航天员身体所产生的影响，而最重要的就是打造了全球第一套完善的航天器环境控制与生命保障系统。

而上世纪60年代，阿波罗号之所以能够从月球返回，就是因为飞船自身的环境控制与生命保障系统让宇航员得以生存。

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。

航天器环境控制与生命保障系统为何限制了人类探索的距离

目前，因为航天器的环境控制与生命保障系统具有时间较短的缺陷，目前，人类也只能做到半再生系统，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。

而这也就限制了人类探索宇宙的距离比如前往火星。

因为火星距离地球的距离太远了，地球到火星的最近距离约为5500万公里，最远距离则超过4亿公里。两者之间的近距离接触大约每15年出现一次。1988年火星和地球的距离曾经达到约5880万公里，而在2018年两者之间的距离将达到5760万公里。

从地球到火星，美国的维京1号,用了304天飞抵火星,并成功登陆，从目前的航天器到火星的时间来看，大致需要6-10月左右。而且因为有航天员，一个正常体形的乘员每天需要消耗总重约5公斤的氧气、水和食物，才可以完成标准太空飞行任务一天所需工作；与此同时，他也将排泄出多种代谢终产物。大致消耗拆分如下：0.84公斤氧气、0.62食物和3.52水；并经过身体处理转化成0.11公斤固体排泄物、3.87公斤液体排泄物和1.00公斤二氧化碳。

以阿波罗号为例，“阿波罗”号飞船由指挥舱、服务舱和登月舱3个部分组成.指挥舱为圆锥形,高3.2米,重约6吨.服务舱为圆筒形,高6.7米,直径4米,重约25吨.登月舱由下降级和上升级组成,地面起飞时重14.7吨,宽 4.3米,最大高度约7米。所以总重量是45.7吨。而阿波罗号从发射到返回用时为8天。

所以你想想如果要构建维持航天员一年多生存的环境控制与生命保障系统，那么整个规模会有多庞大，那你可以想象一下整个飞船的体积会有多庞大。

那么你就需要比土星五号还更大推力的运载火箭才能把飞船送上火星轨道。但目前的技术来说，还并不成熟，而且所需要的资金也会更为庞大，1966年，美国国家航空航天局的年度政府拨款高达45亿美元，约为当时美国国内生产总值（GDP）的0.5%。同年，国防部的政府拨款为635亿美元，而阿波罗计划总共耗资约240亿美元。

而且最重要的是，即使是资金到位，拥有如此大推力的火箭，又回到了最初的问题，目前的半再生系统也很难维持从去到回这么长久的时间。

目前科学家还在探索再生的环境控制与生命保障系统,为探索更远的星球作准备，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。

当人类掌握了再生的环境控制与生命保障系统，才有可能向更远的星空探索。