潜艇和空间站里面,都是如何确保人类正常呼吸的?

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潜艇在水下,载入空间站在太空中。虽然所处的位置不同,但是共同特点都是完全密封,因此里面的成员只能呼吸密封空间内部的空气;而且自然呼吸的有效成分都是氧气。潜艇在水下,每下降10米就增加一个大气压,比如下降到100米的深水,外界的已经有11个大气压;而下降到300米的深水,外界甚至有31个大气压。虽然水中也有一定的氧气,海洋生物可以利用水中的氧气呼吸。但是人类的呼吸系统却不可能进化到直接利用水来过滤出氧气。由于完全密封,外界水的高压,也基本无法传递到潜艇的内部。因此潜艇内部正常情况下,仍然和在海面一样,只保持一个大气压的水平。而载入航天器,包括空间站在几乎无大气的太空运行,外界的大气压近乎为零。载入舱室内部也需要常年保持一个标准大气压的正常压力。

一个标准大气压的情况,在潜艇和载人航天器内部几乎相同。而里面供人呼吸的空气成分比例,也尽量的和正常的海平面大气成分相似,也就是氧气含量保持在大约21%,氮气保持在大约78%,剩下的不到1%是水蒸气、二氧化碳和其他惰性气体。不论是在潜艇内部还是在载人航天器内部,有3类成分属于危险和有毒有害气体,需要尽量的消除,一点都不保留。这就是一氧化碳、氢气和其他有毒气体,比如硫化氢。一氧化碳可以让人中毒昏迷;氢气容易引发爆炸;而硫化氢等异味很大而且有毒。都要通过特殊装置消除。人类呼吸或者身体消化过程,就会自然产生氢气和硫化氢,因此必须持续消除。除了有毒有害气体,其他的氮气、二氧化碳和少量水蒸气,反倒是问题不大。如果潜艇或者载人舱内部的空气长时间不更换或者再生。

那么随着人类的自然呼吸,氧气的含量会越来越低;而二氧化碳的比例会越来越高。氮气的比例反倒可以长期不变。正常空气中的氧气含量是21%,如果低于17%或者18%,人类就开始有呼吸不畅的感觉;如果低于14%那么就会感觉强烈。逐步开始窒息,继而出现思维迟钝或者昏迷现象;氧气含量再下降则有生命危险。实际上也可以给潜艇或者载人舱里面充上更高比例的氧气,甚至在航天早期,测试过给载人舱充纯氧。结果发现效果并不好。除了让内部的人员容易出现“醉氧”嗜睡状态外,还极其容易引发火灾,因为在高氧环境下,铁都能烧起来。于是后来给潜艇和航天器内部都充上和大气底层差不多的氧气比例,稍微高点没问题,但是氧含量降低到21%以下就必须开始预警,并采取增氧措施了。其实人类每次呼吸,也不是把吸入的全部氧气都变成二氧化碳再呼出来。人类每次吸入的氧气,只利用了20%左右,剩下的80%的氧气可以再次吸进去。对潜艇来说,有多种方式可以增氧。最简单常用的,就是上升到海面,直接为全艇更换新鲜空气。不过这样容易暴露。而太空中的航天器无法对外换气。

如果不直接对外换气,最多的日常措施,是释放提前准备好的氧气瓶中的高压氧气。不过这样会增加内部的气体总量,导致气压增大。而且氧含量也不好控制。因此如果释放氧气瓶的氧气,也必须缓慢释放。或者携带的直接是压缩空气而不是压缩纯氧。释放氧气或者压缩空气,虽然可以增加内部氧含量。但是却无法除去长期呼吸产生的大量二氧化碳和其他有异味甚至有毒性的气体。这样会造成潜艇内部和空间站内部的异味越来越大。为此必须同时配备大气循环再生和有毒有害气体清除装置。这类设备日常耗电比较大,只适合核潜艇和大型空间站。对常规潜艇或者短程载人飞船,则一般应用得较少。而且这类装置的工作效率也不适合短时间出现大量的、突然性氧气消耗。因此在人多的核潜艇和换班期间人数翻倍的空间站,这种循环再生装置必须和氧气罐释放加压装置同时工作,才可以确保内部的空气质量。

来源:瀚海狼山

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