俞 進(jìn)

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

載人航天器密封艙構(gòu)成一個(gè)特殊的密閉環(huán)境。為保證航天員的在軌生命安全和正常工作生活，艙內(nèi)的環(huán)境控制，特別是艙內(nèi)有害氣體控制尤為重要。密封艙內(nèi)使用了大量非金屬材料，安裝了許多產(chǎn)品設(shè)備，在艙內(nèi)密閉環(huán)境中，材料脫氣、設(shè)備泄漏等都有可能產(chǎn)生有害氣體，對(duì)航天員的身體健康產(chǎn)生不良影響[1]，其中一氧化碳是一種可對(duì)航天員的生命安全造成很大威脅的有害氣體：它無色、無臭、無刺激性，幾乎不溶于水，被人體吸入后會(huì)造成心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)缺氧，輕者使人頭痛、惡心，重者導(dǎo)致昏迷、驚厥甚至死亡，因此，必須引起高度重視。

一氧化碳是航天器密封艙內(nèi)空氣質(zhì)量控制中需要重點(diǎn)關(guān)注的污染物之一。本文分析了載人航天器密封艙內(nèi)一氧化碳的產(chǎn)生來源，結(jié)合國(guó)外航天器研制經(jīng)驗(yàn)提出了一氧化碳的控制濃度要求，研究了非金屬材料控制使用、火工品泄漏控制、凈化通風(fēng)等控制措施及檢測(cè)手段，并通過地面模擬試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 一氧化碳來源

1.1 非金屬材料常溫脫氣或燃燒產(chǎn)物

載人航天器密封艙內(nèi)使用了大量的非金屬材料，分別用于裝飾、密封、隔熱和絕緣等方面。這些非金屬材料在常溫（18～20 ℃）條件下會(huì)緩慢地發(fā)生氧化降解反應(yīng)，釋放出二氧化碳，以及一氧化碳、烴等有毒成分，從而對(duì)航天員生命造成一定威脅。美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”的艙內(nèi)大氣污染物達(dá)到81種，“阿波羅”飛船內(nèi)達(dá)到300多種；中國(guó)的“神舟”飛船內(nèi)也測(cè)到26種。而幾乎所有的常見非金屬材料常溫脫氣的產(chǎn)物中都有一氧化碳，特別是橡膠、樹脂、聚乙烯等脫氣量更大。

如果環(huán)境溫度增高，氧化降解反應(yīng)將加速，則非金屬材料特別是聚合材料會(huì)發(fā)生熱分解產(chǎn)生煙霧和蒸氣，其中包含更多的有害氣體[2]。例如，在航天器返回再入過程中，返回艙與大氣層空氣摩擦，導(dǎo)致在經(jīng)過預(yù)冷處理后，艙內(nèi)空氣溫度仍將高于在軌期間3 ℃左右，達(dá)到24 ℃。此時(shí)，非金屬材料將釋放更多的有害氣體。

另外，一般地，材料生產(chǎn)出來后在前1～2個(gè)月內(nèi)脫氣最為迅速，然后緩慢釋放，經(jīng)過4～6個(gè)月后逐漸趨于平緩。因此新出廠的材料馬上在密封艙內(nèi)使用，將會(huì)脫出較多的有害氣體。如果因?yàn)樵O(shè)備過熱等特殊原因?qū)е路墙饘俨牧习l(fā)生熱分解，則燃燒產(chǎn)物中更會(huì)有大量有害氣體?！鞍⒉_4A號(hào)”飛船在發(fā)射前20天進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)期間，由于飛船控制系統(tǒng)一條電纜短路產(chǎn)生電火花，引燃艙內(nèi)的可燃材料，加之艙內(nèi)的純氧環(huán)境加速了火焰擴(kuò)散，產(chǎn)生大量的一氧化碳和其他有毒物質(zhì)，最終導(dǎo)致3名航天員中毒身亡[3]。

1.2 人體代謝產(chǎn)物

人體的代謝產(chǎn)物通過呼出的氣體、大小便和皮膚排出體外，其中呼氣、排便等廢物中也會(huì)產(chǎn)生一氧化碳。根據(jù)人體代謝測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，人體代謝產(chǎn)生一氧化碳的量為16.2～33 mg/d。在高溫、高濕、高負(fù)荷等條件下，代謝產(chǎn)物中一氧化碳的量可能也會(huì)增加。

空間任務(wù)中，人體產(chǎn)生的大小便等廢物會(huì)通過專門的廢物收集設(shè)備及時(shí)進(jìn)行收集處理，正常情況下不會(huì)有大量的有害氣體排進(jìn)艙內(nèi)。另外，艙內(nèi)溫濕度環(huán)境控制在適宜航天員生活的范圍內(nèi)，飛行程序合理設(shè)計(jì)也不會(huì)使航天員出現(xiàn)高負(fù)荷的情況。因此，人體代謝不是艙內(nèi)一氧化碳產(chǎn)生的主要來源。

1.3 火工品泄漏

載人航天器設(shè)備工作時(shí)可能產(chǎn)生一氧化碳，如密封控制不好將有可能泄漏進(jìn)密封艙內(nèi)，引起一氧化碳濃度的增加。經(jīng)分析，這類情況主要發(fā)生在密封艙內(nèi)火工品工作時(shí)，即在載人航天器返回過程中產(chǎn)生。

返回過程是指從載人航天器在軌飛行期間返回艙段與其他艙段分離時(shí)開始，至返回艙段落地，航天員安全出艙期間的過程。期間主要經(jīng)過返回艙段與推進(jìn)艙段分離，進(jìn)入稠密大氣層，進(jìn)入黑障區(qū)，拉出減速傘和主傘以及著陸等階段，經(jīng)歷制動(dòng)、分離、再入、彈蓋、減速傘解鎖、拋防熱大底、反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、著陸切主傘及著陸等事件。而上述事件中，艙段分離、彈蓋、拋防熱大底、反推發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火和著陸等事件中，設(shè)備火工品的工作將會(huì)引起艙內(nèi)有害氣體產(chǎn)生量的增加，涉及通氣閥、非電傳爆裝置、拋底火工鎖、大底天線蓋鎖和反推發(fā)動(dòng)機(jī)等火工品。

火工品內(nèi)部裝有火藥，利用裝藥燃燒或爆炸產(chǎn)生的能量通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成分離等功能?；鸸て饭ぷ鲿r(shí)火藥燃燒會(huì)產(chǎn)生大量燃?xì)?，而燃?xì)庵泻幸谎趸?、硫化氫等有害氣體。雖然火工品內(nèi)部都采取了嚴(yán)格的密封控制措施，但理論上仍可能有少量一氧化碳等有害氣體泄漏進(jìn)艙內(nèi)。

2 一氧化碳濃度指標(biāo)

一氧化碳會(huì)給航天員的生命安全帶來威脅，因此須對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)的一氧化碳濃度指標(biāo)提出控制要求。

蘇聯(lián)/俄羅斯在《航天器艙內(nèi)有害氣體微量污染物最高容許濃度及清除方法》及聯(lián)邦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ГOCTP 50804－1995《載人航天器中航天員的居住環(huán)境醫(yī)學(xué)：工程要求》[4]中對(duì)一氧化碳濃度提出了控制要求。其中，《清除方法》適用于駐留期5～10 d，聯(lián)邦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)適用于駐留期15～360 d。

NASA約翰遜航天中心于1993年/1999年2次公布了對(duì)艙內(nèi)主要污染物的控制要求，并形成了JSC 20584《航天器艙內(nèi)空氣污染物最高容許濃度》[5]標(biāo)準(zhǔn)，適用于駐留期1～180 d。

歐洲航天局作為國(guó)際空間站研制的主要合作伙伴，于1997年制定ECSS-Q-70-29A《航天器艙內(nèi)微量污染物最高容許濃度》標(biāo)準(zhǔn)[6]，提出了針對(duì)駐留期10 d的控制要求。

各國(guó)對(duì)航天器內(nèi)一氧化碳最高容許濃度的具體要求參見表1。

表1 各國(guó)航天器標(biāo)準(zhǔn)中一氧化碳最高容許濃度Table 1 The highest acceptable CO density in different standards

3 一氧化碳控制

3.1 非金屬材料控制

從非金屬材料的選用抓起，禁止/限制一氧化碳釋放量大的材料裝器使用。

3.1.1 制定非金屬材料選用要求

1）材料性能應(yīng)與其地面及在軌環(huán)境相適應(yīng)，并保持性能穩(wěn)定[7]；

2）材料使用過程中應(yīng)無污染組分脫出，無刺激性和特殊氣味氣體產(chǎn)生；

3）材料應(yīng)不存在相互作用形成易燃、易爆、有毒的二次危險(xiǎn)化合物[7]；

4）禁用材料不得使用，限用材料滿足限用條件后才能使用。

3.1.2 開展非金屬材料脫出有害氣體篩選試驗(yàn)

制定非金屬材料脫出有害氣體篩選試驗(yàn)要求，規(guī)定密封艙內(nèi)的材料應(yīng)進(jìn)行有害氣體試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)合格的材料方可裝器使用；對(duì)于檢測(cè)不合格的材料，需選擇其他合格材料進(jìn)行替換。

試驗(yàn)條件為[8]：溫度50 ℃、普通空氣（氧含量21%）、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，材料樣品放置72 h，測(cè)量脫出氣體的種類和含量。篩選試驗(yàn)的合格標(biāo)準(zhǔn)為：脫出一氧化碳含量不大于25 μg/g；脫出總有機(jī)物含量不大于100 μg/g；氣味指標(biāo)不高于1.5級(jí)，即有氣味但不強(qiáng)烈。

3.1.3 開展非金屬材料燃燒產(chǎn)物篩選試驗(yàn)

使用非金屬材料時(shí)應(yīng)對(duì)其燃燒產(chǎn)物中的一氧化碳、氟化氫、氯化氫、氮氧化物、二氧化硫、氰化氫等6種成分進(jìn)行測(cè)定，6種燃燒產(chǎn)物指標(biāo)均合格才可裝器使用。

3.2 火工品泄漏控制

航天器返回過程中觸發(fā)的返回艙內(nèi)火工品包含通氣閥、非電傳爆裝置、大底天線蓋鎖、拋底火工鎖和反推發(fā)動(dòng)機(jī)等。

首先需對(duì)不同火工品的一氧化碳泄漏量指標(biāo)提出要求，一般應(yīng)比整個(gè)航天器一氧化碳泄漏量指標(biāo)嚴(yán)1～2個(gè)量級(jí)。

然后進(jìn)行相關(guān)火工品的安全性設(shè)計(jì)，提高其密封性能?；鸸ぱb置的密封性能包括：產(chǎn)品自身的密封，產(chǎn)品與返回艙體的安裝密封?；鸸ぱb置與返回艙體的安裝密封靠2道O形密封圈保證。產(chǎn)品自身的密封通過以下途徑解決[8]：

1）選用密封型電起爆器，其極針與本體之間采用玻璃燒結(jié)工藝，具有良好的密封性能；

2）起爆器與殼體之間的端面密封面采用“V型封嚴(yán)槽+金屬密封圈”形式，同時(shí)在螺紋連接處涂適量硅橡膠；

3）在殼體與點(diǎn)火殼螺紋末端增加徑向O形圈，避免火工裝置發(fā)火時(shí)軸向沖擊對(duì)端面密封的影響，提高密封可靠性；

4）在火工裝置完成分離功能后，通過縱向槽將藥室中的高壓燃?xì)庋杆傩狗诺脚撏?，提高火工裝置點(diǎn)火后的密封可靠性。

通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行批抽檢和綜合點(diǎn)火試驗(yàn)來檢測(cè)其密封性能滿足情況。批抽檢試驗(yàn)可通過對(duì)火工品內(nèi)的燃燒腔艙體加壓測(cè)量計(jì)算其漏率的方法，檢驗(yàn)裝置如圖1所示。綜合點(diǎn)火試驗(yàn)則是利用模擬艙，將火工品裝好并按照工作時(shí)序依次點(diǎn)燃，然后對(duì)模擬艙內(nèi)空氣中的一氧化碳濃度進(jìn)行測(cè)量。批抽檢和綜合點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明各單項(xiàng)火工品的一氧化碳泄漏量均滿足指標(biāo)要求，才能可靠保證返回艙一氧化碳含量滿足醫(yī)學(xué)要求[9]。

圖1 火工品檢驗(yàn)裝置Fig.1 The test device for the pyrotechnics

3.3 凈化通風(fēng)控制

載人航天器需結(jié)合艙內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)配置凈化裝置，包括氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器、凈化風(fēng)機(jī)等專用設(shè)備。凈化器采取物理吸附、催化氧化和化學(xué)反應(yīng)吸收、過濾等方法，能夠消除二氧化碳、一氧化碳、甲醛等有害氣體；凈化風(fēng)機(jī)抽取艙內(nèi)含有二氧化碳、一氧化碳等成分的空氣，經(jīng)氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器等凈化后回送到艙內(nèi)。其中一氧化碳采用催化氧化方法進(jìn)行消除[10]。

航天器艙內(nèi)凈化設(shè)備的配置數(shù)量應(yīng)滿足在軌飛行任務(wù)及返回期間的艙內(nèi)凈化需求。為保證凈化風(fēng)機(jī)正常工作，還應(yīng)采取主備份冷冗余等控制措施。

在航天員穿著艙內(nèi)壓力服期間，還可采取在服裝供氣通風(fēng)回路中設(shè)置一氧化碳濾除裝置，專門對(duì)一氧化碳進(jìn)行吸附凈化濾除，從而保證壓力服供氣的一氧化碳濃度能夠滿足醫(yī)學(xué)要求。

在飛船著陸后，為保證艙內(nèi)外通風(fēng)，應(yīng)設(shè)置著陸通風(fēng)裝置，在通風(fēng)閥開啟后，開啟通風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)外空氣的置換，濾除一氧化碳。

氣體凈化還應(yīng)考慮故障情況下的凈化需要。如果飛船著陸后返回艙由于通風(fēng)閥門被阻無法打開，或者在上升段出現(xiàn)海上應(yīng)急著陸，海浪較大，返回艙通風(fēng)閥不能正常開啟，無法進(jìn)行艙內(nèi)外氣體交換，則航天員可利用返回艙內(nèi)配置的氧瓶氣源，通過手動(dòng)操作開啟供氧閥實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)供氧，同時(shí)利用艙內(nèi)配置的氣體凈化裝置保證（等待）救援期間的艙內(nèi)有害氣體濃度滿足醫(yī)學(xué)要求。

4 一氧化碳檢測(cè)

目前常用的氣體檢測(cè)方法主要有接觸式和非接觸式2種。常用的接觸式檢測(cè)方法有氣相色譜法、半導(dǎo)體法、電化學(xué)法等[11-12]。氣相色譜法是一種物理化學(xué)式方法，用色譜柱分離混合化合物后，可以根據(jù)不同氣體吸附能力的不同，分析多種氣體的種類和數(shù)量。該方法常用在定量分析上，具有靈敏度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)混合氣體的分離能力優(yōu)于其他方法。半導(dǎo)體一氧化碳傳感器是利用半導(dǎo)體元件（如氧化錫等金屬氧化物）中添加Pt、Pd等元素與一氧化碳?xì)怏w接觸后發(fā)生還原反應(yīng)，放出的熱量使元件溫度升高從而電阻發(fā)生變化的特性，將一氧化碳的成分和濃度轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。該方法其具有較高的靈敏度，且價(jià)格便宜。電化學(xué)一氧化碳傳感器是利用被測(cè)氣體的電化學(xué)活性，在高活性催化劑作用下將其氧化或還原，從而分辨氣體成分，檢測(cè)成分濃度。目前，在載人航天領(lǐng)域，氣相色譜法應(yīng)用得最為廣泛。

非接觸式檢測(cè)法是基于氣體對(duì)光的選擇性吸收原理對(duì)氣體成分進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)所利用光源不同，非接觸式檢測(cè)法又可分為紅外吸收法、激光檢測(cè)法和紫外檢測(cè)法。紅外吸收法是利用不同氣體有特定的紅外光譜，通過其在特定波長(zhǎng)紅外光強(qiáng)處吸收峰值的強(qiáng)度變化來判定氣體成分的濃度。該方法具有性能穩(wěn)定、測(cè)量范圍廣、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)快速、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可同時(shí)檢測(cè)多種氣體成分，有良好的選擇性，特別適合于對(duì)多組分混合氣體中某一待分析組分的測(cè)量，是目前具有良好應(yīng)用前景的氣體測(cè)試方法。而紫外檢測(cè)法適用范圍較小，只應(yīng)用于檢測(cè)汞蒸氣等少數(shù)氣體。激光檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)時(shí)需配合可調(diào)的半導(dǎo)體激光器技術(shù)，成本較高，操作較復(fù)雜[13]。

一氧化碳分子光譜是振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，具有強(qiáng)弱2個(gè)吸收帶[13]。采用紅外光譜吸收技術(shù)測(cè)量一氧化碳已成為國(guó)內(nèi)外眾多研究小組的目標(biāo)。目前我國(guó)已利用空心光纖紅外吸收光譜法研制出載人航天器專用的有害氣體檢測(cè)裝置，具有重量輕、功耗低、靈敏度高、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)檢測(cè)出一氧化碳等多種氣體成分。經(jīng)過地面封閉模擬艙實(shí)驗(yàn)，設(shè)備對(duì)一氧化碳濃度的檢測(cè)誤差在6%以內(nèi)[14]，滿足密封艙一氧化碳檢測(cè)要求，其測(cè)量原理見圖2[14]。

圖2 有害氣體檢測(cè)設(shè)備測(cè)量原理Fig.2 Principle of detecting toxic gases

5 一氧化碳試驗(yàn)

5.1 封艙采樣

在載人航天器研制過程中，應(yīng)在地面開展密封艙的封艙有害氣體檢測(cè)試驗(yàn)，用以檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)艙內(nèi)總的有害氣體濃度情況，對(duì)控制措施的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)應(yīng)在艙內(nèi)設(shè)備加電情況下進(jìn)行，凈化裝置不必開啟。具體方法為：將密封艙封閉一段時(shí)間后，不開艙狀態(tài)采集艙內(nèi)的氣體，進(jìn)行有害氣體的濃度檢測(cè)。

檢測(cè)的結(jié)果應(yīng)滿足允許的有害氣體濃度控制指標(biāo)。

5.2 有人參與模擬飛行試驗(yàn)

在載人航天器研制過程中，還應(yīng)開展有人參與的密封艙模擬飛行器任務(wù)的綜合試驗(yàn)，對(duì)一氧化碳等有害氣體的控制能力進(jìn)行綜合考核。具體方法為：利用容積、布局、環(huán)境等與真實(shí)飛行艙段相近的地面模擬密封艙，模擬飛行工況，地面人員按照工作程序開展模擬飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)氣體凈化裝置等凈化設(shè)備正常工作，試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)采集艙內(nèi)的氣體，進(jìn)行有害氣體的濃度檢測(cè)。

檢測(cè)的結(jié)果應(yīng)滿足允許的有害氣體濃度控制指標(biāo)。

6 安全控制效果分析

通過分析確定了載人航天器密封艙內(nèi)的一氧化碳來源主要為非金屬材料常溫脫氣和火工品泄漏。為此載人航天器制定了非金屬材料選用要求，開展了火工品安全性設(shè)計(jì)，進(jìn)行了材料的篩選試驗(yàn)、火工品綜合點(diǎn)火試驗(yàn)及封艙試驗(yàn)等工作。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，艙內(nèi)使用的結(jié)構(gòu)板、泡沫塑料、緊固膠等產(chǎn)生較多的一氧化碳。通過對(duì)材料牌號(hào)選擇和用量方面的控制，能夠?qū)⑴搩?nèi)本底的一氧化碳含量控制在允許指標(biāo)內(nèi)。經(jīng)封艙試驗(yàn)檢測(cè)，艙內(nèi)一氧化碳的本底釋放量較小，能夠控制在1 mg/m3左右；隨著封艙時(shí)間的增加，一氧化碳釋放有所增加，釋放速率滿足控制指標(biāo)，說明非金屬材料釋放量通過材料篩選得到了有效控制。綜合點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果表明，火工品的一氧化碳泄漏量得到有效控制，返回艙內(nèi)氣體一氧化碳含量滿足醫(yī)學(xué)要求。氣體凈化裝置、微量有害氣體凈化器等專項(xiàng)凈化試驗(yàn)表明一氧化碳濾除效果明顯。最后通過有人參與的密封艙模擬飛行器任務(wù)的綜合試驗(yàn)，對(duì)一氧化碳等有害氣體的控制能力進(jìn)行了綜合考核，驗(yàn)證了載人航天器密封艙內(nèi)的一氧化碳控制效果滿足航天員生存要求。

“神舟”系列飛船和“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器在軌飛行結(jié)果表明，載人航天器密封艙內(nèi)一氧化碳的控制結(jié)果滿足醫(yī)學(xué)指標(biāo)要求，有效保證了航天員的在軌健康和安全。

7 結(jié)束語

本文通過對(duì)載人航天器一氧化碳來源的分析，結(jié)合國(guó)外航天器研制經(jīng)驗(yàn)提出了一氧化碳濃度控制指標(biāo)，研究了非金屬材料控制使用、火工品泄漏控制、凈化通風(fēng)等控制措施，制定了非金屬材料篩選試驗(yàn)、火工品綜合點(diǎn)火試驗(yàn)、封艙采樣等試驗(yàn)驗(yàn)證方法。飛行試驗(yàn)結(jié)果表明，載人航天器返回過程中的一氧化碳濃度滿足指標(biāo)要求，各項(xiàng)控制措施有效。本方法還可對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)其他種類有害氣體的控制提供參考。