天宫空间站尿处理系统运行:水资源100%再生,每小时产水2.5升

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天宫空间站相较于天宫一号、天宫二号两座空间实验室最大的不同之处就是具备了航天员长期在轨驻留能力,拥有多个对接口,可以同时接纳多艘飞船是具备这一能力的先决条件,而影响更为深远的保障要素则是“再生式生命保障系统”的工程应用。

天宫二号空间实验室

空间实验室任务阶段虽然也有诸如动态水气分离、电解制氧以及冷凝水收集储存等再生式生命保障技术的验证,但本质仍然是消耗性保障,就是依赖飞船上行运输补给各类物资。

天宫空间站规模达到了近百吨级,体量是空间实验室阶段的5倍,航天员乘组驻站时间也由一个月升级为全年轮换连续驻留,如果还是依赖消耗性保障手段,那么空间站运营成本将是更大的天文数字。

天和核心舱内三名航天员享用午餐

因此天宫空间站配置了再生式生命保障系统,实现了绝大部分站内资源的循环利用,该系统总计有五大子系统,分别承担电解制氧、冷凝水收集与处理、尿处理、二氧化碳去除,以及微量有害气体去除五大职能。

天舟二号货运飞船

每天饮水1500毫升至2000毫升是维持人体正常身体指征的基本需求,而1公斤水由地面到空间站的上行运输成本是25万人民币左右,1名航天员如果单靠货运飞船补给水资源,一天就可以喝掉50万人民币……显然这不是可持续发展的办法。

天宫空间站实现了站内水资源的100%再生,主要依托冷凝水收集、尿处理、水处理三个子系统。天宫空间站不同于国际空间站再生生命保障系统的递进式装站策略,而是五大子系统一步到位。

航天员呼出的气体可由冷凝水系统收集

近日,天和核心舱尿处理子系统顺利完成了首次尿液回收,截至本月2日,已经处理66L尿液,产生的蒸馏水各项指标均满足使用要求,尿处理子系统具备从6升尿液中提取5升蒸馏水的能力。

右下方是核心舱小柱段的卫生区

蒸馏水的水质相当于“中水”,指污水经适当处理后,达到一定的水质指标,满足某种使用要求,可以进行有益使用的水。

尿处理子系统采用蒸汽压缩蒸馏技术,将经过预处理后的尿液进行旋转蒸馏,然后将收集到的水蒸气冷凝后形成蒸馏水,蒸馏水再进入水处理子系统进行深度净化处理。

尿处理子系统旋转蒸馏

经过水处理子系统净化的水不仅可以达到饮用水标准,甚至超出了生活饮用水卫生标准与航天员饮用水卫生标准要求,可以用于航天员的清洁与制氧需求。

水循环系统

冷凝水经过收集后也将进入水处理子系统,最终循环应用目标与尿液循环应有目标相同。

载人空间站再生式生命保障系统中尿处理系统的研制难度举世公认,在国际空间站中也是最晚应用的子系统,为什么这么难呢?

国际空间站俄罗斯舱段没有尿处理系统

以天宫空间站尿处理子系统为例,由于它工作于微重力环境,同时处理的还是经过添加预处理剂的尿液,具有强酸性、强腐蚀性、易结晶沉淀特性,对机电运动部件长期稳定运行提出了苛刻的工程应用要求。

尿处理系统最大产水速率2.5L/h

而天宫空间站服役年限目标是十五年,甚至二十年以上,为此科研团队提出了一系列新材料、新技术、新工艺的摸索与试验验证,先后突破包括气液两相流输送与分离、无润滑旋转动密封、尿液钙结晶与沉淀、蒸馏废气处理在内的十余项关键技术,确保了产品的高可靠性与长寿命的装备性能。

来源:巅峰高地讲堂

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