航天新征程｜打造太空家園

11月30日，神舟十五號航天員順利入駐中國空間站，與神舟十四號航天員“會師”太空。6名航天員同時在軌，創造了中國空間站訪客新紀錄，同時也對空間站的環境控制與生命保障系統提出了更高的要求。本周，《面對面》專訪中國航天員中心環控生保室主任卞強。

航天員的“保護傘”

距離中國空間站約400公里的中國航天員中心，與空間站組合體1:1大小的地面伴飛艙里，環控生保團隊開始了一天的工作。模擬6名航天員的在軌活動，團隊需要對艙內的氧氣、二氧化碳等參數進行實時監測。

記者：為什么伴飛艙你們也要密切關注它們的數據變化？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：因為天上的這套系統運行時間長了之后，我們不知道它會發生什么樣的問題，在地面這套模擬系統的時候，我們會比天上提前一到兩天，程序要提前一到兩天。

記者：什么叫提前一到兩天？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：如果說明天要干的事情，我今天就給它干了。比如說像乘員輪換6個人的系統，馬上要進6個人了，我會在提前一到兩天的時候，把地面的代謝模擬系統調成6個人的狀態，我要看看我這個環境控制能力，在什么時間會達到最高點，在什么時間平衡濃度會有可能超限，會啟動非再生功能。

神舟十五號飛行任務是中國空間站建造階段的最后一棒，也是空間站應用與發展階段的第一棒。6名航天員同時在軌5天，驗證空間站系統航天員在軌輪換保障能力。

記者：能保障他們幾天，最大值？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：十天。

記者：這十天再往上還有可能嗎？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：有可能。工程上給我們提的要求最大是十天，其實從目前這個系統狀態來看，長期六個人也是有可能的。

記者：你說的長期是多久？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：十五年。我們不光在核心艙有，在問天艙還有一套再生生保系統，這兩套系統是備份關系，核心艙壞了用問天艙的，如果兩套全壞，我還有一套非再生系統去保底。有這三套系統在天上，我們可以短時保證六個人十天，如果工程上有需要，六個人長期在軌，我們也可以通過工作模式去設計。

國際空間站20年的運行經驗表明，環控生保系統在軌故障率高，平均每年22起。卞強和他的團隊也面臨著同樣的風險和挑戰。要攻克難關，更要杜絕隱患。為了保證安全，團隊工作人員不僅要在各階段全方位排查故障，還要經過高強度、多批次試驗，讓隱患暴露出來，讓產品不帶任何隱患上天。

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：某一次任務發射之前，有一個產品到我們手里面，我們一個設計師發現在運行過程中就是有一個微小的噪聲。其實所有的指標都是正常的，它的噪聲水平也是正常的，但是從聽覺上我們感覺，這里面有一個不和諧的聲音。我們就果斷地把這個產品叫停了，最后拆解發現果真是在軸承上有一個細微的裂紋。

記者：如果沒發現會怎樣？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：沒發現帶上天，帶上天之后系統運行就會有安全性問題。本來我規劃運行兩年或者是三年，我沒有帶相應的備件的話在一年半它壞了，它的故障就有可能導致某一個系統的失效，可能這個任務就得提前結束，為了保證航天員安全，咱們可能就會提前返回。

在攻克15項關鍵技術和11個技術難點后，2020年3月底，再生式環控生保系統終于完成正樣飛天產品交付，實現了由“補給式”向“再生式”的重大跨越。

打造再生式環控生保系統

在以往的短期載人飛行任務中，航天員在太空生存所需的氧氣和水都從地面攜帶，即消耗式的非再生技術，但如果在軌時長超過3個月，僅靠地面補給代價過于沉重。空間站任務啟動時，再生式環控生保被列為空間站重大關鍵技術之一，即運用物理化學的方法，對航天員產生的二氧化碳、水汽和尿等廢棄物進行回收利用，實現空間站大氣、水等物資的循環再生。

記者：再生生保就是把呼出的二氧化碳再變成氧氣，把廢水變成可以利用的純凈水，這個理論上你們認識到把它實現，難不難？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：最底層的機理大家都知道，但是真真正正地要去實現，把這個化學方程式在天上去實現，它必須走完從理論到技術，從技術到工程的過程，其實就是把一個小型的化工廠搬到了天上。

記者：核心艙應當說是寸土寸金，那一定是給你們有限的空間？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：整個工程研制之初，它已經把地方給你分配好了，這個大概是1.5個立方，就這么大。

記者：就這么點地，要帶一個化工廠上去，怎么弄？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：通過高效的地面集成，系統集成技術。我們自己做了一套系統，就是翻轉式維修的一套系統，這套系統不僅正面可以裝設備，反面也可以裝設備。

記者：如果想再升級怎么辦呢？總不能說是在家拆了裝修重來？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：其實系統在設計之初的時候，我們就預留了一些可供升級的接口，包括安裝位置、供電接口、信息傳送接口，后續如果系統還有一些局部上升級的話，我們會通過備件更換的方式實現系統升級。

設計初期，再生式環控生保系統包括五個子系統：電解制氧子系統、二氧化碳去除子系統、微量有害氣體去除子系統、尿處理子系統和水處理子系統。雖然原理簡單，但如何從技術到工程突破是一項世界性難題。其中，尿處理系統是讓卞強費神多的。

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：尿液當中雜質很多，要想提取水，就必須對它進行預處理。預處理后的尿液是一種強酸強氧化性的東西，和它接觸的東西都必須耐酸，還要旋轉耐磨，這個難度比較大，尿處理系統里面用了一個軸承，就這一個軸承我們整整干了五六年。

記者：如果說這個問題不解決，那它帶來的影響又是什么？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：這個產品壽命就會非常短，有的甚至于幾百個小時它就壞了，如果說十幾天、二十天、幾十天就換一個東西的話，你回收回來水的代價還不如你更換這個產品的代價，那就得不償失了。

太空中的這套裝置沒有現成產品，國際上也沒有經驗可以借鑒，團隊必須根據自身產品特點自主研發。由于經不起技術上的反復，他們采取了多方案并行的方式，從中選擇成功率較大的方案繼續推進，直到產品滿足使用壽命要求。

空間站尿箱的設計容量為22升，尿液在衛生區經過預處理后，由航天員搬運轉移至尿處理系統。

中國航天員中心環控生保室主任卞強：我們有一套系統，尿收滿了之后會自動提醒航天員這地方尿箱滿了，可以處理了。

記者：22升尿液收集起來了在尿箱里面，它能產生多少飲用水？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：這個效率應該是在83%左右。18公斤，22升的尿液進入這個水箱之后，它要進水處理系統，水處理系統之后，最終的成品水都是裝在這個里面，尿的再生水和汗液的再生水是混著的。大概是一箱尿再生水和一箱汗再生水，混成一個軟水箱，搬到飲水機那塊供航天員日常生活使用，不光是喝。

記者：22升要處理完了，要處理成可食用的純凈水要花多久？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：尿處理系統對這個22升的尿液進行處理的話，大概需要12個小時左右，這只是中水，再用不到12個小時的時間，就會把它處理成純凈水。

讓太空家園更宜居

除了保障系統的功能性，環控生保團隊也會充分考慮航天員在軌生活的便利和舒適性。

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：我們盡量去讓航天員有一種家的感覺，設計的時候我們會盡量去參考我們家里面衛生間使用的方式。

記者：我們在地球上是有重力的，你排出來是往下，但是在天上它會飛，你怎么把它給逮起來?

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：我們做了一套引流系統，大風量地去吸。

2021年6月17日，神舟十二號飛船發射升空，與2021年4月29日發射入軌的天和核心艙成功對接。航天員聶海勝、劉伯明、湯洪波成為進駐中國空間站的第一批太空訪客。3個月的“太空出差”，他們首次在軌驗證再生式環控生保系統的全部功能。

當航天員把地球的生活搬上了太空，環控生保團隊也把航天員的太空生活搬進了空間站地面伴飛艙。同時，在航天員支持中心監控大廳，環控生保團隊也對神舟十二號飛行乘組及空間站組合體實施24小時不間斷跟蹤測控，并根據下行參數對系統作故障判斷和健康管理。

記者：你們作為生保系統的科研人員的話，最關注天上的哪一塊？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：其實我們更關注的是大小便處理這一塊。

記者：為什么？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：因為只要這個系統出現故障，留給我們的處理時間非常短。舉一個例子，如果電解制氧處理系統故障，整個空間站里面有一定的氧氣，它可以供航天員維持一段時間，這個時間可能會達到一天兩天或者兩天三天都有可能。但是大小便系統出現故障之后，留給我們的處理時間非常短。

記者：為什么這么說？

中國航天員中心環控生保室主任 卞強：人有三急。

記者：有堵的時候沒有？

航天員 湯洪波：沒有完全堵上，但是就是那個管路內的壓力會特別大，那個液體它就不容易在整個系統里面循環起來，大概20升左右的尿液要處理十七八個小時，二十個小時左右，要處理很長時間，地面監測就發現這個處理時間超時了。

中國空間站成為宜居的“太空家園”，這背后，是當年那支平均年齡不到35歲的科研團隊，他們用10年的時間將他們的產品送上天。

如今，6名航天員在軌輪換進一步驗證了環控生保系統的保障能力，這群在航天員身后默默托舉他們飛天的人，用前后數十年的艱辛付出和24小時不間斷的日夜守護為他們一路保駕護航。然而，卞強和他的團隊目標不止于此。

在攻克再生式環控生保技術時，團隊也同步開展受控生態環控生保技術的積累和研究，即生物再生式技術，通過植物光合作用和微生物分解作用，實現氧氣、水和食物的循環利用，并成功實施了“綠航星際”4人180天受控生態生保系統集成試驗，為未來人類長期太空飛行，駐留月球、飛向火星的預先研究打開了新局面。