航天新征程｜打造太空家园

11月30日，神舟十五号航天员顺利入驻中国空间站，与神舟十四号航天员“会师”太空。6名航天员同时在轨，创造了中国空间站访客新纪录，同时也对空间站的环境控制与生命保障系统提出了更高的要求。本周，《面对面》专访中国航天员中心环控生保室主任卞强。

(资料图)

航天员的“保护伞”

距离中国空间站约400公里的中国航天员中心，与空间站组合体1:1大小的地面伴飞舱里，环控生保团队开始了一天的工作。模拟6名航天员的在轨活动，团队需要对舱内的氧气、二氧化碳等参数进行实时监测。

记者：为什么伴飞舱你们也要密切关注它们的数据变化？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：因为天上的这套系统运行时间长了之后，我们不知道它会发生什么样的问题，在地面这套模拟系统的时候，我们会比天上提前一到两天，程序要提前一到两天。

记者：什么叫提前一到两天？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：如果说明天要干的事情，我今天就给它干了。比如说像乘员轮换6个人的系统，马上要进6个人了，我会在提前一到两天的时候，把地面的代谢模拟系统调成6个人的状态，我要看看我这个环境控制能力，在什么时间会达到最高点，在什么时间平衡浓度会有可能超限，会启动非再生功能。

神舟十五号飞行任务是中国空间站建造阶段的最后一棒，也是空间站应用与发展阶段的第一棒。6名航天员同时在轨5天，验证空间站系统航天员在轨轮换保障能力。

记者：能保障他们几天，最大值？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：十天。

记者：这十天再往上还有可能吗？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：有可能。工程上给我们提的要求最大是十天，其实从目前这个系统状态来看，长期六个人也是有可能的。

记者：你说的长期是多久？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：十五年。我们不光在核心舱有，在问天舱还有一套再生生保系统，这两套系统是备份关系，核心舱坏了用问天舱的，如果两套全坏，我还有一套非再生系统去保底。有这三套系统在天上，我们可以短时保证六个人十天，如果工程上有需要，六个人长期在轨，我们也可以通过工作模式去设计。

国际空间站20年的运行经验表明，环控生保系统在轨故障率高，平均每年22起。卞强和他的团队也面临着同样的风险和挑战。要攻克难关，更要杜绝隐患。为了保证安全，团队工作人员不仅要在各阶段全方位排查故障，还要经过高强度、多批次试验，让隐患暴露出来，让产品不带任何隐患上天。

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：某一次任务发射之前，有一个产品到我们手里面，我们一个设计师发现在运行过程中就是有一个微小的噪声。其实所有的指标都是正常的，它的噪声水平也是正常的，但是从听觉上我们感觉，这里面有一个不和谐的声音。我们就果断地把这个产品叫停了，最后拆解发现果真是在轴承上有一个细微的裂纹。

记者：如果没发现会怎样？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：没发现带上天，带上天之后系统运行就会有安全性问题。本来我规划运行两年或者是三年，我没有带相应的备件的话在一年半它坏了，它的故障就有可能导致某一个系统的失效，可能这个任务就得提前结束，为了保证航天员安全，咱们可能就会提前返回。

在攻克15项关键技术和11个技术难点后，2020年3月底，再生式环控生保系统终于完成正样飞天产品交付，实现了由“补给式”向“再生式”的重大跨越。

打造再生式环控生保系统

在以往的短期载人飞行任务中，航天员在太空生存所需的氧气和水都从地面携带，即消耗式的非再生技术，但如果在轨时长超过3个月，仅靠地面补给代价过于沉重。空间站任务启动时，再生式环控生保被列为空间站重大关键技术之一，即运用物理化学的方法，对航天员产生的二氧化碳、水汽和尿等废弃物进行回收利用，实现空间站大气、水等物资的循环再生。

记者：再生生保就是把呼出的二氧化碳再变成氧气，把废水变成可以利用的纯净水，这个理论上你们认识到把它实现，难不难？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：最底层的机理大家都知道，但是真真正正地要去实现，把这个化学方程式在天上去实现，它必须走完从理论到技术，从技术到工程的过程，其实就是把一个小型的化工厂搬到了天上。

记者：核心舱应当说是寸土寸金，那一定是给你们有限的空间？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：整个工程研制之初，它已经把地方给你分配好了，这个大概是1.5个立方，就这么大。

记者：就这么点地，要带一个化工厂上去，怎么弄？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：通过高效的地面集成，系统集成技术。我们自己做了一套系统，就是翻转式维修的一套系统，这套系统不仅正面可以装设备，反面也可以装设备。

记者：如果想再升级怎么办呢？总不能说是在家拆了装修重来？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：其实系统在设计之初的时候，我们就预留了一些可供升级的接口，包括安装位置、供电接口、信息传送接口，后续如果系统还有一些局部上升级的话，我们会通过备件更换的方式实现系统升级。

设计初期，再生式环控生保系统包括五个子系统：电解制氧子系统、二氧化碳去除子系统、微量有害气体去除子系统、尿处理子系统和水处理子系统。虽然原理简单，但如何从技术到工程突破是一项世界性难题。其中，尿处理系统是让卞强费神多的。

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：尿液当中杂质很多，要想提取水，就必须对它进行预处理。预处理后的尿液是一种强酸强氧化性的东西，和它接触的东西都必须耐酸，还要旋转耐磨，这个难度比较大，尿处理系统里面用了一个轴承，就这一个轴承我们整整干了五六年。

记者：如果说这个问题不解决，那它带来的影响又是什么？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：这个产品寿命就会非常短，有的甚至于几百个小时它就坏了，如果说十几天、二十天、几十天就换一个东西的话，你回收回来水的代价还不如你更换这个产品的代价，那就得不偿失了。

太空中的这套装置没有现成产品，国际上也没有经验可以借鉴，团队必须根据自身产品特点自主研发。由于经不起技术上的反复，他们采取了多方案并行的方式，从中选择成功率较大的方案继续推进，直到产品满足使用寿命要求。

空间站尿箱的设计容量为22升，尿液在卫生区经过预处理后，由航天员搬运转移至尿处理系统。

中国航天员中心环控生保室主任卞强：我们有一套系统，尿收满了之后会自动提醒航天员这地方尿箱满了，可以处理了。

记者：22升尿液收集起来了在尿箱里面，它能产生多少饮用水？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：这个效率应该是在83%左右。18公斤，22升的尿液进入这个水箱之后，它要进水处理系统，水处理系统之后，最终的成品水都是装在这个里面，尿的再生水和汗液的再生水是混着的。大概是一箱尿再生水和一箱汗再生水，混成一个软水箱，搬到饮水机那块供航天员日常生活使用，不光是喝。

记者：22升要处理完了，要处理成可食用的纯净水要花多久？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：尿处理系统对这个22升的尿液进行处理的话，大概需要12个小时左右，这只是中水，再用不到12个小时的时间，就会把它处理成纯净水。

让太空家园更宜居

除了保障系统的功能性，环控生保团队也会充分考虑航天员在轨生活的便利和舒适性。

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：我们尽量去让航天员有一种家的感觉，设计的时候我们会尽量去参考我们家里面卫生间使用的方式。

记者：我们在地球上是有重力的，你排出来是往下，但是在天上它会飞，你怎么把它给逮起来?

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：我们做了一套引流系统，大风量地去吸。

2021年6月17日，神舟十二号飞船发射升空，与2021年4月29日发射入轨的天和核心舱成功对接。航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波成为进驻中国空间站的第一批太空访客。3个月的“太空出差”，他们首次在轨验证再生式环控生保系统的全部功能。

当航天员把地球的生活搬上了太空，环控生保团队也把航天员的太空生活搬进了空间站地面伴飞舱。同时，在航天员支持中心监控大厅，环控生保团队也对神舟十二号飞行乘组及空间站组合体实施24小时不间断跟踪测控，并根据下行参数对系统作故障判断和健康管理。

记者：你们作为生保系统的科研人员的话，最关注天上的哪一块？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：其实我们更关注的是大小便处理这一块。

记者：为什么？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：因为只要这个系统出现故障，留给我们的处理时间非常短。举一个例子，如果电解制氧处理系统故障，整个空间站里面有一定的氧气，它可以供航天员维持一段时间，这个时间可能会达到一天两天或者两天三天都有可能。但是大小便系统出现故障之后，留给我们的处理时间非常短。

记者：为什么这么说？

中国航天员中心环控生保室主任 卞强：人有三急。

记者：有堵的时候没有？

航天员 汤洪波：没有完全堵上，但是就是那个管路内的压力会特别大，那个液体它就不容易在整个系统里面循环起来，大概20升左右的尿液要处理十七八个小时，二十个小时左右，要处理很长时间，地面监测就发现这个处理时间超时了。

中国空间站成为宜居的“太空家园”，这背后，是当年那支平均年龄不到35岁的科研团队，他们用10年的时间将他们的产品送上天。

如今，6名航天员在轨轮换进一步验证了环控生保系统的保障能力，这群在航天员身后默默托举他们飞天的人，用前后数十年的艰辛付出和24小时不间断的日夜守护为他们一路保驾护航。然而，卞强和他的团队目标不止于此。

在攻克再生式环控生保技术时，团队也同步开展受控生态环控生保技术的积累和研究，即生物再生式技术，通过植物光合作用和微生物分解作用，实现氧气、水和食物的循环利用，并成功实施了“绿航星际”4人180天受控生态生保系统集成试验，为未来人类长期太空飞行，驻留月球、飞向火星的预先研究打开了新局面。