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航天员尿液自产自销?天宫空间站“尿处理子系统”化腐朽为神奇

 巅峰高地 2021-11-20

“再生生保”是载人航天领域经常听到的一个高频词,其全称是“再生式生命保障系统”,它能在载人航天器密封舱内为航天员创造一个适于人生存的基本环境,并提供必需的生活支持保障。

近地轨道载人天地往返载具多为非再生生保,图为神舟十三号飞船。

载人航天领域除了“再生生保”,还有“非再生生保”,简而言之就是消耗性的生命保障系统,航天员在轨所需的各类物资完全依靠地面补给,通常应用于近地轨道的载人天地往返运输工具,比如载人龙飞船、联盟系列飞船、神舟载人飞船等。

永久性载人空间站的一个标志就是连续不间断的长期载人驻留能力,如果单纯依赖地面补给航天员的各类消耗物资,运营成本将极为高昂。因此“再生生保”也是天宫空间站必须攻克的一项核心技术。

舱外航天服a头盔摄像机对天宫空间站成像

近日,载人航天工程公开了一段神舟十三号航天员在天和核心舱设置“再生水处理系统水箱”的视频,画面中翟志刚先打开核心舱大柱段C区第三象限舱内盖板,并取出储水水箱,需要指出的是大柱段C区正是环境控制与生命保障系统的安装位置,翟志刚取出水箱后交给了叶光富。

翟志刚取出再生水系统水箱

叶光富对照说明书设置再生水处理系统水箱

叶光富进入核心舱后端通道(或者天舟三号)

话说再生水处理系统究竟是什么?我们不难从字面上加以理解,关键词“再生水”通常指的是水质介于污水与自来水之间的一种水,也就是说污水经过再生水处理系统转化后可以得到“再生水”。

天和核心舱唯一与“再生水”相关的装置只有一个,那就是“尿处理子系统”,这是一个堪称是化腐朽为神奇的高能装置,它可以将航天员每天产生的尿液转化为“尿蒸馏水(相当于再生水水质)”。

尿处理子系统实物样机

具体转化过程如下:

1.尿液由尿液储箱出发抵达钙去除组件,进行钙去除;

2.进入临时储箱;

临时储箱与旋转蒸馏装置

3.经蠕动泵注入“旋转蒸馏装置”,形成水蒸气;

4.水蒸气再经蠕动泵注入水箱。

蠕动泵相当于尿处理子系统的心脏,它根据尿路、残液路、水路等不同的管路进行工质输送。

蠕动泵

旋转蒸馏装置是通过低压蒸馏的方式将尿液蒸发形成水蒸气,烧开水都知道在常温常压下需要100摄氏度才能蒸发,通过营造低压环境(约10千帕)就可以在更低的温度(约50摄氏度)实现蒸发,这种方式也更节能。

尿处理子系统在轨表现十分优异,神舟十二号乘组进驻期间共处理600余升尿液,生产了500余升尿蒸馏水,最大产水速率可达2.5升/时,转化效率高达83%

神舟十二号乘组组装核心舱卫生间

放眼世界具备研制尿处理装置能力,并在轨工程应用的国家有且只有两个,一个是我们,另一个就是大洋彼岸。

以国际空间站为例,俄罗斯舱段产生的尿液还需要由宇航员搬运至NASA舱段进行尿处理,而后者的尿处理能力也是经过多年迭代才逐步实现,由此可见其研发难度。

国际空间站俄制舱段不具备尿液转化处理能力(曙光号多功能货舱所有权属NASA)

十年前承担尿处理子系统研发项目的航天科工二院206所原本只是地面装备研发单位,空间产品研制经验几乎为零。而当时空间站工程正式启动,工程总体面临一系列的技术空白,为加快工程进度,针对部分装备采取招标方式遴选有实力的研发单位。

就是在这样的背景下206所立志要在空间产品领域一展拳脚,他们第一时间迅速成立专门的环控生保工程组,组成了高学历、高职称、高素质、多学科的科研队伍,专业覆盖流体传动与控制、机械电子、材料加工工程、工程热物理等多个学科。凭借着突出的核心技术研发能力和齐全的地面设备专业,最终以竞标第一名的高分成功拿下空间站环控生保系统尿处理子系统研制任务。载人航天工程总体对此有一句点评:产品与要求完全吻合!

尿处理子系统核心功能指标居于世界领先水平

话说经过尿处理系统转化的再生水具体用途是什么?

再生水并不是最终产品,它还需要经过“水处理子系统”转化为“纯净水”,其水质超出《生活饮用水卫生标准》与《航天员饮用水卫生标准》。

在轨生产的纯净水一部分用于电解制氧,另外一部分用于航天员饮用,也可以作为卫生用水。

神舟十三号乘组在核心舱用水

是的,你没有听错,可以喝。但是呢,航天员喝水之前不论水源来自于天舟飞船上行携带,亦或者在轨产水,他们都会定期进行微生物检测,确保用水安全。

水样微生物检测

除了收集尿液转化产水,还有冷凝水收集装置收集舱内空气中的水,这部分水源也会进入水处理子系统进而产水。加上二氧化碳还原产水,整个空间站水资源的闭合度超过90%。

尿处理与水处理是空间站再生式生命保障系统的组成部分,系统还包括另外三个方面:电解制氧、二氧化碳去除、微量有害气体去除。

天舟货运飞船

环控生保团队曾经算过一笔账,如果单纯依赖消耗式的非再生生保,三名航天员在轨生活一年的物资上行运输需求就会多出6.4吨,这就相当于每年要多发射一艘天舟货运飞船。

站在天宫空间站尿处理子系统的新起点上,该项目抓总单位又有了新目标,那就是“深空探测任务”的尿处理应用需求!

又有了新目标

载人月球探测:下次直接点名吧,未来一段时期用得着“尿处理”的深空任务舍我其谁呢……

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