@ 2015.09.02 , 17:30
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解析《火星人》中的技术:空气

今天让我们来调查使国际空间站舒适宜居的空气处理组件。

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这是检视国际空间站(ISS)上各实际系统的一个系列中的第二篇。Andy Weir的小说(以及即将上映的雷德利·斯科特同名电影)《火星人》中的虚构装备就是受其启发而创作的。我们在第一篇中已经审视了节约和回收水的很多方法。这次我们将调查使得国际空间站对于人类舒适宜居的空气处理组件。

基础

在进入国际空间站空气系统的太多细节前,一个总体布局的简要概述也许是必要的。与供水系统一样,国际空间站上许多美国制造的空气管理组件都有外国对应物。为了简单起见,本文将只关注美国方装备。

国际空间站的居住区域通常是圆柱形的加压节点舱。三个节点舱段(分别叫做:团结、和谐和宁静号)作为所有节点舱的十字路口。无论你选择从哪个方向走出节点,很快就会在一些节点舱中遇到死胡同。

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在地球上我们奢侈地有无数自然过程来创造本地和全球范围的气流。这有助于确保同一团空气永远不会在任何地方停留太久 。然而在国际空间站的人造生态系统中,这种气流不会自然发生。节点舱间通风系统(Intermodule Ventilation system,IMV)通过风扇迫使气流在节点舱间流动来进行补偿。没有它,空气就会停滞在这些死角里。实际上,所有的地方都会是死角。

因为不是每个节点舱都有管理空气成分的生命维持系统,节点舱间的气流极端重要。事实上,大多数美国管理的生命维持系统位于宁静号节点舱。IMV混合并移动大气,以确保每个节点舱里空气质量均匀——或者接近均匀。

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虽然国际空间站外部尺寸有一个足球场大小,只有圆柱形节点舱集合有宇航员居住。节点舱之间有适当的气流是至关重要的。

组成IMV的强力风扇们是国际空间站生活中不得不忍受的嘈杂的一大贡献者。环境与热运作系统(Environmental and Thermal Operating Systems,ETHOS)飞控官Tom Horn向我解释道,具体的风扇噪音水平被严密监视着,经常能提供线索定位IMV系统中的故障点所在。

“气流通路中有任何阻碍时,风扇就需要更加努力克服,通常导致变响。因此我们每几个星期就测量常规音量水平。有时候他们测回来就会说:‘啊哈!这个节点舱上跳了10分贝,你那里大概有个风扇脏了。”

Horn解释污染系统的“脏”可能是头发、死皮、灰尘,甚至丢弃的垃圾(太空垃圾…谁想得到呢?)。它们全都在零重力下漂浮在机舱里,就可能被吸入风管。事实上,通风过滤器是宇航员找丢失物品的第一个地方。

保持凉爽

把这么多产热的人、机器和电子设备塞进一个相对较小的体积, 国际空间站如果没有健壮的空调系统,很快就会变热。NASA称之为普通机舱空气总成(Common Cabin Air Assembly,CCAA)。CCAA允许国际空间站内部在21~24摄氏度气温和40-45%湿度之间徘徊。宇航员们甚至可以配置每个节点舱的气温来微调自己的舒适水平。

CCAA基本上是一个热交换器。风扇从机舱抽取热空气并传送给一组管道,这些管道中的水是冰冷的4摄氏度,使空气降温。冷却过程还迫使空气中的水蒸气凝结回液体状态。上一篇文章告诉我们,这些水被收集并传输到水处理总成,在那里再次成为乘员的饮用水……为什么要说再次。

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这个简单图表说明国际空间站上的空气和水回收系统如何协同工作来最多地压榨出每种资源。被丢弃的很少。

国际空间站空气供应中最大的湿度来源是航天员和宇航员。每一滴汗珠和呼气添加到空气中的水汽最终将被回收。

国际空间站空气供应中最大的湿度来源是航天员和宇航员。每一滴汗珠和呼气添加到空气中的水汽最终将被回收。我惊讶地获悉湿度的第二大来源是整个太空船贮藏的储水袋集合。即使袋子被认为是密封的,屏障仍是不完美的。每个容器都泄漏出痕量的水, 当所有这些微小泄漏加到一起,总量就不能忽视了。

虽然船员的舒适性和再生水收益都是因素之一,在国际空间站内部控制湿度的首要驱动因素是确保不在CCAA以外的任何地方发生凝结。如果允许任何节点舱里的空气达到露点,水就会凝聚在各种敏感机械、电子设备、和纺织品上。这将引发微生物生长以及非预期硬件运作条件的风险。太空中的轨道环境对于设备本来就已经极端苛刻了,再增加雨林元素使事情变得更糟并没有什么意义。

适当的混合物

国际空间站内部气压维持在熟悉的760毫米汞柱。构成空气的气体混合物也很像地球。Horn和他的ETHOS队友们努力保持空气氧气含量为20-24%,其余则是氮……嗯,其余中的大部分。显然,存在有其它气体,甲烷(屁)、二氧化碳和氢气是其中较显著的。即使它们的含量不到百分之一的零头,这些气体也必须密切监测和管理。

大气新生系统由三个子系统组成,ETHOS飞行控制员们用它们严格控制国际空间站内部的空气组成。它们包括的主要成分分析仪(Major Constituent Analyzer,MCA)、痕量污染物控制组件(Trace Contaminant Control Subassembly,TCCS)和二氧化碳清除总成(Carbon Dioxide Removal Assembly ,CDRA)。

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宇航员Dan Burbank在主要成分分析仪的质谱仪部分上工作,该工具用于识别国际空间站大气中存在的气体。

MCA本质上是一个从国际空间站每个节点舱抽取样品的空气分析系统。它使用质谱仪检测氮、氧、甲烷、二氧化碳和氢气,同时也指示每种气体的分压。

从技术上讲,《火星人》中虚构的气体分析系统的这种能力并不遥远。

《火星人》的读者也许还记得,Weir的火星居住舱里安装了与MCA相似的系统。这个虚构的气体分析系统还可以自动向空气释放储存的气体,以纠正任何短缺。从技术上讲,这种能力并不遥远。MCA其实有能力在需要时自动加氧。只不过飞行控制员们一直选择手动管理国际空间站的氧含量。这使我想起了航天飞机的指令长们,他们例行公事地关着自动驾驶把他们的板砖滑回地面,就因为“为什么不呢?”

TCCS用来从空气中抽走不想要的东西。 首先,风扇把空气吹过活性炭床。这会移除氨和高分子量污染物。 接下来,低分子量气体(氢、甲烷、一氧化碳)在称为高温催化氧化器(High Temperature Catalytic Oxidizer ,HTCO)的子组件里被驱逐。HTCO通过各种手段加热空气来氧化不受欢迎的各种气体。TCCS最后的子组件是氢氧化锂床,它包含颗粒氢氧化锂,从空气中抽走酸性氧化产物。

喘气的宇航员们在我们大多数人都熟悉的过程中从空气中抽走氧气,排出二氧化碳。在地球上,植物树木在光合作用期间执行该循环的互补部分。国际空间站上确实有植物,但远远不足以降低二氧化碳含量。所以植物在氧—二氧化碳循环中的作用必须人工进行。

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宇航员scott Kelly和terry Virts在更换空间站两个二氧化碳清除总成之一的故障风扇。

去除二氧化碳的工作就落在了恰如其名的二氧化碳清除总成(CDRA)上。进入CRDA的富含二氧化碳空气首先通过硅胶干燥剂床被干燥,然后被强制通过叫做沸石的多孔状铝硅酸盐晶体床。从沸石床出来的空气已不含二氧化碳,被泵回机舱。

每个CRDA(共有两个)包含两个沸石床。在一个过滤空气时,另一个被暴露在太空的真空中,这会从沸石中清除捕获的二氧化碳并清空它以供将来使用。逸出的二氧化碳有时被捕获用在另一个系统中,后面我会进一步解释。

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宇航员和我们的朋友Chris Hadfield在调查胺络物秋千床,这是国际空间站上作为备份使用的实验性二氧化碳清除装置。

国际空间站上还有另一个美国管理的二氧化碳清除装置胺络物秋千床,这是为未来的猎户座太空船研发的紧凑型二氧化碳涤气器。2013到2014年间一台原型机被运到国际空间站进行测试。该设备工作妥当,预计将在猎户座上实施。这台测试单元留在了国际空间站上作为CDRA的备份。

除了移除二氧化碳,补充空气中氧供应也很必要,氧气发生器总成(Oxygen Generator Assembly ,OGA)执行着这一重要任务。OGA通过电解水产生氧气。 把电流通过水(和宇航员们喝的饮用水一样的水),就分裂出其组成部分:氢和氧。氧气泵回机舱, 氢可以向外排泄掉,不过也经常用于额外的再生过程。

闭合循环

萨巴提反应器(飞控们就把它叫做“萨巴提”)是在国际空间站的另一个饮用水来源,它采用OGA输出的氢以及CDRA收集的二氧化碳产生水和甲烷,水被添加到饮用水供水系统,而甲烷则排出船外。萨巴提是国际空间站上所有资源都被充分发挥其能力,以减少补给负担的最好的例子。

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国际空间站上的萨巴提反应器和Doug Wheelock,它结合两种不需要的气体(氢和二氧化碳)为乘员生产水。

进一步冒险

国际空间站上的空气再生系统为驻站人类提供几乎无限的可呼吸空气的来源。然而,在我们为类似Weir的火星探险任务做好准备之前,还将面临各种挑战。最大的障碍将是二氧化碳管理。

国际空间站上的空气再生系统为驻站人类提供几乎无限的可呼吸空气的来源。对火星探险来说,最大的障碍将是二氧化碳管理。

虽然国际空间站的空气中只含有约0.4%的二氧化碳,这已是地球平均水平的大约十倍。一些宇航员不受高浓度影响,其他人则显示出可能会损害他们日常表现的急性副作用(头痛、一般性情绪暴躁)。也许对Scott Kelly一年期太空任务的分析将有助于我们更好地了解呼吸高浓度二氧化碳水平的空气的长期影响。

Horn指出了减少国际空间站和/或未来航天器上二氧化碳含量的选项。

“对于较长期的载具,像两三年的火星任务,你可能想把二氧化碳降低到比现在的国际空间站更低。要不,你就要筛选乘员,以确保他们能耐受二氧化碳。当然,这个硬件成本并非免费。如果你想把二氧化碳洗涤到更低,就需要一个更强大、更重、更耗能的二氧化碳清除系统。在乘员能干活和载具里装得下之间,你必须取得平衡。”

你认为最终上火星的会是哪个?是超重型二氧化碳清除器,还是超强人类二氧化碳忍耐者?

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. 研表究明
    @2 years ago
    2919653

    选重型二氧化碳清除器的点oo 超强人类二氧化碳忍耐者点xx

    [7] XX [16] 回复 [0]
  2. Metion
    @2 years ago
    2919654

    看不懂标题,看不完内容系列

  3. shitizen
    @2 years ago
    2919659

    这文章比小说原文难懂多了

  4. 称呼太长
    @2 years ago
    2919662

    小编到底多喜欢这部电影,这是我第三次看到煎蛋翻译相关报道和文章了。

  5. 放开那个畜生
    @2 years ago
    2919673

    所以说,北京等城市也需要喽?

  6. 野马
    @2 years ago
    2919698

    金坷垃分解性人类。

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