@ 2015.08.14 , 20:30
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解析《火星人》中的技术:水

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Andy Weir的小说《火星人》打动了远远超过传统科幻人口的读者群体。我认为该书的广泛流行部分根植于这样一个事实:Weir从来不会从跳脱超前当下的人类状况太远。这对于通常把科幻类型打发为过于奇幻的读者来说,包括笔者在内,他的故事情节更为平易近人。

使得该故事接地气的是贯穿全书所引用的技术,没有Zenon外星激光枪或者反物质牙刷之类,事实上,Weir想象中火星前哨里的很多系统今天就在国际空间站上使用着。Weir有时把这些系统的能力外推到未来,但始终不变地忠于其科学核心。

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水是太空中价值极高的日用品,国际空间站包含了旨在尽可能利用每一滴水的无数系统。

这是一个短篇系列中的第一篇,将会检视《火星人》中所引用的这些现实生活太空系统,意图并不是比较实际组件和Weir版本间的任何区别,因为这有啥意义呢?虽然Weir目的是(也大体实现了)技术准确性,但他如果选择的话,他也有创作资格写花生酱动力的死光,所以吹毛求疵并没有什么卵用。相反,这里的目的仅仅是给书中引用的、宇航员们天天依赖的生命维持系统提供更多见解。

今天,我们讨论载人太空任务中水的使用和循环。

节约、再利用、再循环——国际空间站上的水

对你们中还没看过书的人我不想泄露任何剧透,但我觉得可以说水在《火星人》的情节里扮演了重要角色。从主角利用手头有限的水中,演化出了无数事件。更不用提他为了制造出更多加仑的生命之水所冒的极端风险。

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在现实生活中,水始终是国际空间站上的一个重要考量,生活在轨道上的宇航员们需要这货。不幸的是,水也很重,因此,发射水进太空也很贵。站上六个活人的水需求会给本就永远超额预定的补给任务带来沉重负担。即使货物清单上确实有一批水,它也可能永远送不到空间站上……最近猎鹰9号火箭坠毁就是明证(杯具的是,过去一年中已经摔了三艘补给船)。这种情况给最大化利用(和重用)国际空间站上有限供水造成了巨大的激励。

此外,对于任何冒险去地球轨道以外的载人任务,补给选项就更少了。去火星的船员们唯一的供给可能,就是他们能背得走的那些。在任何情况下,今天国际空间站正在吸取的节水和高效用水经验教训对于我们有一天过上Weir文学创作中的生活(当然,除了整个“搁浅火星”的桥段)的雄心都是至关重要的。

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在国际空间站的美国和俄国部分都有若干水系统。今天我会专注于作为国际空间站美国段首要水源的两个系统,尿处理总成(Urine Processor Assembly,UPA)和水处理总成(Water Processor Assembly,WPA)。国际空间站的6人机组每年需要约15,000磅的饮用水。UPA和WPA协同工作满足这个需求的一大部分。整个美国水再生系统通常达到75%的回收率。

昨天的咖啡就是今天的咖啡

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UPA做的事情精确就是你懂的那样。它收进存储的尿液,把它处理到能再次安全饮用。你可能想计算宇航员们用尿液供水的饮用水喷泉喝水的心理阴影面积……不管一进一出中间的魔法有多神奇。然而,我问起远征34/35船员Thomas Marshburn时,他说对他来说从来毫无问题,他也确认说处理过的水无色无味。

尿和冲马桶水存放在污水储存箱总成(Wastewater Storage Tank Assembly,WSTA)。该味道好极了的鸡尾酒用三氧化铬和硫酸组合进行预处理。这些化学品控制微生物生长。

液体从WSTA泵入UPA,UPA处理的核心围绕着蒸馏总成(Distillation Assembly,DA)——字面意义上地围绕着。整个DA每分钟旋转约200转以补偿失重。在DA内部压力被降低到每平方英寸1磅以下,真空蒸馏把液体分离为水蒸气和含有大多数不想要成分的卤水。

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宇航员Jeff Williams在国际空间站上向尿处理总成中安装蒸馏总成。

蒸馏完成后,水蒸气冷凝回液体,并测试验证符合纯度标准,测试是一个评估水导电率的自动化过程。失败的批次会发送会DA再蒸馏一次。尽管通过的水技术上来说可以让宇航员饮用,他们只会在紧急情况下这么做。来自UPA的水正常情况下泵入WPA进行进一步处理。

一个分离器从气体中移除以在DA中产生真空,这个回收水然后被加入蒸馏水中,气体则被泵回机舱空气。

卤水存放在水箱里送回地球并加入肯德基豪华午餐。玩笑啦。卤水箱排空到对接的进步号货运飞船上的次要水箱,船员们大约每两周执行一次这项任务。进步号从国际空间站离开后会有意在重入时焚毁,把卤水和其他垃圾全部火化。

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当这个系统不正常工作时……

WPA中的处理则牵涉更多。首先,来自UPA的成品水和其他污水混合,还有国际空间站的温湿度控制系统从机舱空气中抽出的冷凝水。一个叫做液体分离装置(Mostly Liquid Separator,MLS)的设备从水中移除气体,排除的气体过滤以后返回到机舱大气中。

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下一阶段中,水经过微粒过滤器移除任何固体物质。然后水流经一组串联多重过滤床,这些过滤器移除水里的可溶性污染物。微粒过滤器和多重过滤床必须经过飞行控制评估,并在饱和时由船员替换。

然后,水被加热到200~275华氏度。为了减少防水密封件的疲劳,总是尽可能使用低端的温度。系统里的压力阻止水在高端温度下沸腾,热水通过催化反应器,这个过程氧化水里残留的有机杂质,氧化产生的任何气体由气/液分离器移除,移出的气体还是返回到机舱空气。

WPA处理的最终阶段发生在离子交换床,该设备移除氧化过程的可溶性产物并加入碘。碘用于在水存储期间减少微生物生长。净化过的水最终抵达国际空间站的饮用水总管,用水龙头满足船员的用水需求。

水流中的阻碍

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难怪会坏掉……

宇航员们从2000年开始就住在国际空间站上了,但UPA和WPA组件直到2008年才开动。在此间隔期,饮用水必须运上去,尿液被丢弃。这种情况由航天飞机上发电用的燃料电池显著缓解,每当有一班航天飞机停靠在国际空间站,作为燃料电池运作副产品的水被转移到空间站的供水中。在2009年前国际空间站的驻站船员很少超过4名,经常只有2、3名,也缓解了这一状况。

最初UPA的性能有很多不足之处,水质也不够纯洁,一系列故障促使第一台UPA单元在六个月内就被替换。WPA的记录也差不多,我向飞行控制员Tom Horn问起UPA和WPA的运作历史,Horn在任务控制中心担当环境与热运作系统(Environmental and Thermal Operating Systems,ETHOS)控制台,负责国际空间站的供水系统和其它事项。

“WPA经历了密封泄露、泵坏掉、管道堵塞、传感器故障……整个范围的故障都出过,自从上天后WPA几乎所有部分都被替换过至少一次。再生系统整体上深受频繁维护需求和故障困扰。我们已经走过了很长的路,但能在为期两年的火星之旅中信赖这样的系统能‘直接管用’之前,还有更长的路要走。”

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作为ETHOS飞行控制员,Tom Horn密切监视国际空间站上的供水系统(以及若干其他系统)。

UPA被设计为能够从预处理过的尿液中回收至少85%的水。早期产量经常能达到这个值,至今期望值已经被降低到70%。标准降低并不是由于系统中的任何缺陷,而是因为宇航员们尿液中意想不到的高浓度钙质。这是长期暴露于微重力下骨质流失的后果。

这一切都提醒我们,对于人体和我们用于维持生命的机器,太空是一个粗暴无情的地方。然而,随着每一个机械故障和意外生物反应都有一个教训……使我们更好地准备不断推进更进一步的教训。如果我们坚持不懈,当《火星人》的前哨故事变成现实而非科幻时,这些供水系统将会成为主角。

本文译自 Tested,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 6+1

  1. 胡安
    @2 years ago
    2899178

    克拉克的太空漫游里描述过一种以水作为燃料的引擎
    = =结果中国人的钱学森号还被木卫二上的生物摧毁了

  2. cleverdog
    @2 years ago
    2899180

    wow……

  3. 撸啊撸
    @2 years ago
    2899292

    @胡安: 然而后来中国人航天旅游制霸

  4. 胡安
    @2 years ago
    2899414

    @撸啊撸:
    20世纪能想到这些真心太牛….

  5. ForzaSchumi
    @2 years ago
    2899663

    霍华德制造…不太靠谱的制造人…

  6. 装模作样芝麻
    @2 years ago
    2902428

    灾害等级龙 天然水

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