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科普|航天飞船中是怎么净化空气的?

 zhb学习阅览室 2022-02-25

在地球上,雾霾天气严重影响着人们的生活、工作和身体健康,如果大气污染发生在太空中该怎么办呢?

干净的空气对航天员的身体健康、太空生活以及航天任务来说是十分必要的。航天飞船中,飞船座舱大气污染主要来自航天员和舱内非金属材料、仪器设备的挥发物。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。

尽管绝大多数污染物浓度非常低,有害物质的量也很少,但长期生活在这样的环境中对航天员的身体健康是不利的。那么,如何去除这些污染物呢?

通常,去除微量有害气体或有害物质的方法有三种:吸附、催化和过滤。并且,根据污染物的种类、性质及控制要求的不同,还可以采取不同的净化措施。

吸附

航天飞船上净化空气使用得最多的办法是炭吸附,以高效活性炭为吸附剂吸收舱内臭气和碳氢化合物类微量有害气体。

一般,高效活性炭和少量常温催化剂组合设置于二氧化碳净化罐内,形成组合式的净化装置,在清除二氧化碳的同时清除微量有害物质。另外,在废物收集系统中的除臭罐也利用了高效活性炭,消除排便时产生的臭气,并杀灭细菌。

催化

二氧化碳是飞船座舱的大气中含量最大的有害气体,主要来源于航天员的呼吸代谢。要知道,一个人平均一天吸入氧气约576升,产生二氧化碳约490升。如果对此置之不理,舱内二氧化碳浓度将迅速上升并严重危及航天员的健康和安全。

通常,舱内二氧化碳分压不得大于1千帕,达到2千帕则应报警。二氧化碳是人类呼吸代谢的必然产物,怎样净化才能去除呢?

以神舟飞船为例,由于其飞行周期不长,采用非再生式二氧化碳净化方案。这种方案利用无水氢氧化锂作为座舱二氧化碳的净化剂,通过化学变化来去除二氧化碳。同时,净化罐采用流阻小、反应效率较高的径向流通模式。

神舟七号在轨飞行示意图

首先,通过专用风机将座舱大气引入净化罐,无水氢氧化锂会吸收气流中的水汽,生成氢氧化锂的水化物。然后,氢氧化锂与二氧化碳反应生成碳酸锂和水,并放出热量。最后,净化后的空气重新流回座舱。

飞船座舱二氧化碳净化组件及座舱风机

净化罐的数量按飞行任务的人数和天数配置,使用中由航天员进行切换。净化风机是净化装置正常工作的关键,为提高可靠性,采用双风机方案,一旦主风机出现故障,即能自动切换到副风机工作状态。而对其他诸如一氧化碳、甲烷、乙炔等低沸点化合物和氢气的去除,则是利用催化燃烧。

过滤

过滤也是消除座舱大气中微尘和气溶胶等有害物质的有效手段。除了在净化通风管路和净化罐中加设过滤材料外,在舱室中还专门装备了特殊设计的过滤装置。由超细玻璃纤维或合成纤维构成的紧密过滤纸、无纺布等,均具有良好的过滤能力。

过滤材料

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