前言：載人航天技術(shù)是指有人（航天員）參與的，對(duì)太空（包括對(duì)地球以外的天體）進(jìn)行探索以及利用太空的特有環(huán)境進(jìn)行科學(xué)研究、資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的綜合性工程技術(shù)。在整個(gè)載人航天系統(tǒng)中，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)無(wú)非是最能代表載人航天特征的一個(gè)部分，同時(shí)也是對(duì)技術(shù)和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是維護(hù)航天員在太空中的生命保障問(wèn)題，保證他們順利地完成任務(wù)。碳、氫和氧是維持人類生存的重要三種元素，在太空艙中如何處理好水、氧氣、氫氣以及二氧化碳的比例以及相互之間的關(guān)系，是環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本專題主要介紹在載人航天技術(shù)領(lǐng)域的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)中對(duì)二氧化碳濃度的研究。前言：載人航天技術(shù)是指有人（航天員）參與的，對(duì)太空（包括對(duì)地球以外的天體）進(jìn)行探索以及利用太空的特有環(huán)境進(jìn)行科學(xué)研究、資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的綜合性工程技術(shù)。在整個(gè)載人航天系統(tǒng)中，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)無(wú)非是最能代表載人航天特征的一個(gè)部分，同時(shí)也是對(duì)技術(shù)和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是維護(hù)航天員在太空中的生命保障問(wèn)題，保證他們順利地完成任務(wù)。碳、氫和氧是維持人類生存的重要三種元素，在太空艙中如何處理好水、氧氣、氫氣以及二氧化碳的比例以及相互之間的關(guān)系，是環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本專題主要介紹在載人航天技術(shù)領(lǐng)域的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)中對(duì)二氧化碳濃度的研究。

在地球的大氣層中二氧化碳（CO₂）的含量約0.03%，它主要來(lái)自于有機(jī)物的燃燒、動(dòng)植物的呼吸以及環(huán)境中各種物質(zhì)間濃度的平衡，具體循環(huán)過(guò)車如圖1所示。隨著人類對(duì)煤炭、石油、天然氣等礦物質(zhì)燃料使用的逐漸加深，CO₂等溫室氣體在大氣中的含量逐年升高。隨著CO₂濃度進(jìn)一步的升高，氣體濃度微小的變化都會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇、全球氣候變暖等一系列的環(huán)境問(wèn)題；同時(shí)，CO₂濃度的變化還會(huì)對(duì)人類的身體造成很嚴(yán)重的影響。由于在生物的長(zhǎng)期演變過(guò)程中，人類已經(jīng)適應(yīng)目前的大氣環(huán)境，所以無(wú)論是自然環(huán)境還是人造環(huán)境，對(duì)CO₂濃度的控制成為科研人員的主要研究?jī)?nèi)容。本專題主要從如何控制好密閉空間內(nèi)CO₂濃度的角度出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹不同的CO₂濃度對(duì)人類身體造成的影響、載人航天領(lǐng)域中CO₂濃度的控制方法以及CO₂主要的吸附方式。

在人類正常的活動(dòng)中，身體的活動(dòng)和新陳代謝都會(huì)產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w，其中一個(gè)正常人每小時(shí)大約能夠呼出21L二氧化碳。而如果人處在一個(gè)密閉的空間內(nèi)，如果沒(méi)有二氧化碳的吸收裝置，空間內(nèi)的二氧化碳濃度會(huì)迅速升高，較高的二氧化碳濃度會(huì)威脅人的生存安全。在潛艇的密閉艙室內(nèi)，如果不消除CO₂，在5h之內(nèi)，全體艇員呼出的CO₂濃度就會(huì)積累至1%；當(dāng)15h后，CO₂的濃度便能升高至3%。在載人航天任務(wù)中，空間站座艙大氣的壓力制度通常為：總壓(91 ± 10)kPa，CO₂分壓不大于1kPa。當(dāng)密閉空間大氣中的CO₂濃度積累到一定程度后，氣體濃度的變化會(huì)威脅工作人員的健康乃至生命安全。CO₂濃度對(duì)人類造成的實(shí)際影響如圖2所示。

圖2 不同CO₂濃度對(duì)人身體的影響

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，在CO₂濃度為1%的條件下，工作人員的一般健康狀況、血、尿鈣、磷含量及尿液的pH均無(wú)明顯改變，心電圖正常，工作能力無(wú)影響；在CO₂濃度為1~2%濃度的條件下幾十天，工作人員能力和基礎(chǔ)生理指標(biāo)無(wú)明顯變化，慢性呼吸性的酸堿度和電解質(zhì)平衡出現(xiàn)明顯的適應(yīng)性改變，離開(kāi)這個(gè)環(huán)境若干天也未完全恢復(fù)；在CO₂濃度為3%的條件下十幾個(gè)小時(shí)，工作能力、智力活動(dòng)能力顯著下降；若CO₂濃度升高到3~6%的條件下，會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心、畏寒、運(yùn)動(dòng)功能出現(xiàn)某些障礙。二氧化碳濃度達(dá)到8%或更高濃度時(shí)，人會(huì)出現(xiàn)窒息死亡。

近幾十年隨著我國(guó)載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間站、登月計(jì)劃以及火星的探索計(jì)劃已經(jīng)不再是夢(mèng)想。載人航天技術(shù)是指有人（航天員）參與的，對(duì)太空（包括對(duì)地球以外的天體）進(jìn)行探索以及利用太空的特有環(huán)境進(jìn)行科學(xué)研究、資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的綜合性工程技術(shù)。在整個(gè)載人航天系統(tǒng)中，環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)無(wú)非是最能代表載人航天特征的一個(gè)部分，同時(shí)也是對(duì)技術(shù)和可靠性要求最高的部分。它的主要目的就是維護(hù)航天員在太空中的生命保障問(wèn)題，保證他們順利地完成任務(wù)。該系統(tǒng)主要的目的是通過(guò)不同物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化，來(lái)維護(hù)工作人員生存環(huán)境的穩(wěn)定，空間站的環(huán)控生保系統(tǒng)具體工作流程如圖3所示。

圖3空間站生命保障系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程

為了維護(hù)空間站內(nèi)工作人員的生命健康，CO₂濃度的控制至關(guān)重要。當(dāng)人處于密閉空間時(shí)，空間內(nèi)的CO₂濃度會(huì)不斷升高。這就需要太空艙內(nèi)的CO₂收集系統(tǒng)來(lái)保證太空艙內(nèi)CO₂濃度保持在規(guī)定水平。CO₂的收集系統(tǒng)是載人航天生命保障系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，它主要分為CO₂的吸附過(guò)程以及CO₂還原過(guò)程，CO₂的收集系統(tǒng)的具體工作流程如圖4所示。

圖4 CO₂的收集系統(tǒng)工作流程示意圖

CO₂的吸附過(guò)程的主要作用是吸附CO₂，避免艙內(nèi)高濃度CO₂對(duì)航天員身體健康造成危害；CO₂的還原過(guò)程的主要作用是將吸附的CO₂經(jīng)處理后送入CO₂還原系統(tǒng)，通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生H₂O。由于在太空環(huán)境中，水和氧氣是維護(hù)生命條件最重要的元素，再將得到的H₂O通過(guò)電解的方式生成氧氣，從而實(shí)現(xiàn)大氣再生系統(tǒng)的閉合。

目前，航天器內(nèi)二氧化碳濃度的控制技術(shù)可以分為不可再生式、物理化學(xué)再生式和受控生態(tài)再生式三個(gè)類型?，F(xiàn)有的CO₂吸附方式主要包括固態(tài)胺吸附、電化學(xué)吸附、金屬氫氧化物吸附、分子篩吸附以及膜吸附等。在短期載人航天飛行中，一般采用非再生式二氧化碳凈化技術(shù)，它的特點(diǎn)是：能夠在將體積質(zhì)量和成本造價(jià)都控制得較低的情況下，提供較高的工作性能和可靠性，主要使用金屬氫氧化物吸附作為二氧化碳的吸附方式。在中長(zhǎng)期載人航天飛行中，上述消耗性的非再生式二氧化碳凈化技術(shù)便面臨著質(zhì)量增加過(guò)快和再補(bǔ)給困難等問(wèn)題，依靠地面定期運(yùn)送CO₂凈化材料的做法是不經(jīng)濟(jì)甚至不現(xiàn)實(shí)的。以上補(bǔ)給的難題推動(dòng)了再生式二氧化碳凈化技術(shù)的發(fā)展。在目前的吸附方式中，分子篩吸附的性能和安全性已經(jīng)過(guò)了諸如天空實(shí)驗(yàn)室，尤其是和平號(hào)數(shù)十余年的應(yīng)用檢驗(yàn)，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?。在更長(zhǎng)時(shí)間和更遠(yuǎn)距離（比如更大型的空間站，月球基地甚至未來(lái)的火星基地等）的航天飛行中，由于物資的再補(bǔ)給難度進(jìn)一步升高，需要考慮再生的物資除氧氣和水外，又增加了食品補(bǔ)給等因素，同時(shí)對(duì)技術(shù)的可靠性和效率的要求也更加嚴(yán)格。所以受控生態(tài)生保系統(tǒng)主要指在非再生和再生式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了生物技術(shù)，利用植物的光合作用凈化二氧化碳，并提供食物給航天員或動(dòng)物，從而將各種再生循環(huán)整合到一起。圖5為我國(guó)2012-2022太空計(jì)劃發(fā)展藍(lán)圖，我國(guó)的太空計(jì)劃逐漸從短期飛行向太空中長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)展。

圖5 中國(guó)2012-2022太空計(jì)劃發(fā)展藍(lán)圖

深圳市太空科技南方研究院在2014年由深圳市人民政府與中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心戰(zhàn)略合作協(xié)議創(chuàng)辦。研究院立足中國(guó)載人航天事業(yè)發(fā)展需求，圍繞太空生態(tài)與環(huán)境技術(shù)、重力環(huán)境效應(yīng)與健康維護(hù)技術(shù)、航天營(yíng)養(yǎng)與食品工程技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，開(kāi)展應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和航天技術(shù)民用開(kāi)發(fā)，積極推進(jìn)航天技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，探索“天為地用”和“地為天用”的合作科研模式，實(shí)現(xiàn)航天科技和民用技術(shù)融合發(fā)展。2016年6月17日，研究院組織開(kāi)展了“綠航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)（試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示），這也是首次由我國(guó)主導(dǎo)、多國(guó)參與的“人與環(huán)境”大型試驗(yàn)，在試驗(yàn)規(guī)模、參試人數(shù)、持續(xù)時(shí)間和技術(shù)要求等方面均處于國(guó)際同類試驗(yàn)先進(jìn)水平，吸引了16個(gè)國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)，協(xié)作開(kāi)展21個(gè)參試項(xiàng)目。未來(lái)研究院將繼續(xù)本著“支撐載人航天，服務(wù)社會(huì)民生”的發(fā)展定位，開(kāi)展地外星球生存技術(shù)預(yù)研，布局國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，搭建軍民融合科研創(chuàng)新和技術(shù)轉(zhuǎn)化雙向平臺(tái)，促進(jìn)科技創(chuàng)新和軍民融合的深入發(fā)展。

圖6 180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)