空间站再生生保系统：把 “生态循环” 搬进浩瀚太空

　　生生不息、循环往复，这是地球对生命最温柔的馈赠。而空间站再生生保系统，正是将这套宝贵的“生态循环”搬进了浩瀚太空。中国空间站配置的物化再生式环控生保系统（RLSS）通过物质回收利用，大幅降低了地面携带消耗品的上行补给压力，是目前空间站等长期在轨任务中唯一可行的环控生保技术途径，更是实现载人航天从短期向长期跨越的关键技术。

　　再生生保整体概况

　　再生生保系统构成

　　我国再生生保系统主要由电解制氧系统、CO2去除系统、微量有害气体去除系统、尿处理系统、水处理系统、CO2还原系统等组成，对航天员在轨活动产生的废水、废气进行回收再生利用。

　　空间站天和核心舱、问天实验舱中各配置非再生与再生生保系统：再生生保系统承担供氧、大气净化、水净化与回收的主份功能，实现人与环境间物质交换及回收的核心作用；非再生生保系统则承担基础平台功能及应急状态下的生命保障功能。

　　再生生保系统功能构成和原理流程

　　再生生保各系统具备适应2～6人不同驻留规模的能力，在此基础上，通过调控尿处理、水处理、电解制氧及CO2还原系统的工作参数并匹配物质流，实现空间站水、气等生保物资的流转与回收。

　　根据理论设计，3名航天员在轨驻留期间，每日电解耗水、饮用耗水及卫生用水合计约11kg；通过再生生保系统回收空气冷凝水与尿液，理论上每日再生水量占总需水量的比例（即水资源闭合度）可达约80%。CO2还原系统启动后，水资源闭合度可进一步提升至90%以上，显著减少长期在轨任务的生保资源地面补给需求。

　　空气再生

　　空间站的氧分压控制、CO2分压控制及微量有害气体浓度控制功能，分别由电解制氧系统、CO2去除系统及微量有害气体去除系统3个再生生保系统实现。

　　电解制氧系统作为主份设备，将水处理系统提供的再生水电解生成氧气（O2），实现氧分压控制功能；当系统处于维护状态时，通过启用高压氧瓶提供辅助供氧。

　　CO2去除系统为主份设备，通过可再生式变压吸附的方式吸附舱内空气中的CO2，实现舱内CO2分压控制功能。在CO2去除系统维护期间，启用消耗式CO2净化器辅助控制舱内CO2分压。

　　舱内微量有害气体来源广泛，主要包括人体代谢释放、舱内材料释气、食品及个人卫生用品释气、大小便处理过程释放，以及火灾等特殊场景产生的气体。空间站微量有害气体去除系统主要去除正常工况下释放到舱内大气中的微量有害气体；针对大小便收集、垃圾封装及火灾等过程产生的微量有害气体，已配备专用净化器进行净化处理。

　　水再生

　　空间站尿液回收处理、冷凝水及尿蒸馏水等深度净化处理和CO2加氢还原回收水等功能分别通过尿处理系统、水处理系统、CO2还原系统等的再生生保功能实现。在物质流转上，通过中转水箱方式实现水资源的流转和水统一管理。

　　尿处理系统对大小便收集装置收集并稳定化处理后的尿液进行低压蒸馏，生成尿液蒸馏水，实现尿液中水的回收。

　　CO2还原系统利用CO2去除系统富集的CO2和电解制氧系统将水电解生成的H2等尾气，催化反应生成水。

　　CO2还原系统在轨组装及运行验证

　　座舱大气中的冷凝水通过温湿度控制系统以冷凝除湿的方式实现收集。冷凝水、尿蒸馏水与CO2还原生成水等中水，通过水处理系统进行深度净化处理，添加银离子后统一储存，满足饮用水和电解制氧用水要求。

　　水处理系统在轨运行及模拟维修验证

　　在轨验证及应用扩展情况

　　空间站第一套再生生保系统（除CO2还原系统外）随天和核心舱2021年4月29日发射入轨，此后开展两次无人阶段在轨测试，确认了经历上行力学环境后的系统状态和性能情况。神舟十二号载人飞船发射前，再生生保系统完成了载人环境建立，随后在有人驻留期间持续运行，整体运行状态稳定，实现了环境控制和生命保障功能。

　　第二套再生生保系统（除CO2还原系统外）随问天实验舱2022年7月24日发射入轨，并随后完成了在轨测试，此后作为天和核心舱再生生保系统的备份，定期启动巡检以确认系统状态。通过对再生生保系统保障神舟十二号和神舟十三号任务期间的在轨各项指标定量评估分析，各项参数满足保障后续任务的能力，除CO2还原外的5个再生生保系统完成了在轨关键技术验证的各项目标。

　　CO2还原系统随天舟四号货运飞船2022年5月10日发射入轨，并于6月下旬由神舟十四号航天员乘组在轨安装于天和核心舱再生生保机柜内。状态设置后完成在轨测试，随后启动运行，利用CO2去除系统富集的舱内CO2和电解制氧系统电解水产生的H2反应回收水，实现再生生保功能的在轨扩展，进一步提高了水气物质闭合程度。

　　再生生保系统运行状态

　　2021年6月17日航天员搭乘神舟十二号飞船进入中国空间站天和核心舱至今，空间站再生生保系统累计已保障10个乘组驻留近1700天，环境控制和生命保障能力满足设计指标要求。

　　中国空间站天和核心舱

　　电解制氧系统通过自适应调整产氧档位与实际耗氧量匹配，控制舱内氧分压满足控制要求。

　　CO2去除系统通过净化能力与CO2代谢量匹配，控制舱内CO2分压控制要求。

　　微量去除系统通过吸附剂和催化剂的高效率，实现人员代谢与设备产出的各类有害气体浓度控制要求。

　　尿处理系统和水处理系统的处理能力适应航天员尿液收集、冷凝水产出的节律，实现水资源回收，实现生保物资的循环利用。

　　CO2还原系统通过气体储存、流量调节等方式，实现还原反应所需来自CO2去除系统的CO2、电解制氧系统的H2的匹配。

　　尿液处理能力、CO2去除能力、电解产氧量、冷凝水处理能力等符合人机接口匹配要求，各系统处理能力均可适应航天员静息和高负荷运动的代谢量峰谷波动。

　　后续展望

　　进一步拓宽

　　物化再生系统的资源回收途径

　　通过提升再生生保系统对于水、气等物质的再生效率、拓展水再生途径，提高空间站运营效益。

　　例如：利用膜蒸馏技术，对尿处理系统用于排放待销毁的残液中水进行深度回收，预计可将尿液中水的回收率提升至90%以上，并可用于对大便和生活垃圾中水的回收；通过采用CO2还原的新技术路线方案，可以进一步提升在轨氧元素、碳元素的物质回收效率。

　　通过提高资源再生效率，实现空间站在轨水资源自给自足（再生水占总用水比例达到100%）的目标，进一步缩减地面上行补给需求。

　　进一步提升

　　物化再生系统的性能指标

　　根据对再生生保系统在轨运行参数监测、状态检查和下行样品的分析，由于长期处于微重力条件等天地差异下，系统的在轨运行存在着一些难以在地面得到全面验证的工况，特别是微重力条件对液体中固体颗粒物分布、气液两相流形态等影响较大。

　　例如：尿液中沉淀颗粒物的粒径尺寸和分布形态差异、润滑工质中气泡分布及迁移的不利影响、动态水气分离装置中微小液滴逃逸特性的积累效应等。

　　此外，系统长期在轨条件下微生物滋生控制、传感器和反应器抗污染中毒、液路产品的电化学腐蚀抑制、粉尘迁移防控等方面都需要持续关注。

　　针对上述在轨实际运行工况，在现有措施的基础上，需要持续关注再生生保系统运行状态，并视情开展关键部组件结构和材料的性能升级，更大限度提升系统可靠性和寿命。

　　例如：吸附反应器选用新型的高特异性吸附剂材料；腐蚀工况下运行的水气分离装置选用更高相容性的运动副材料；优化固液或气固两相流条件下过滤装置的颗粒物容纳能力；应用微结构反应器技术和电化学技术升级物质转化装置和能量回收装置，实现进一步提升再生效率、降低占用重量和体积的目标。

　　开展生物再生生保技术在轨验证

　　生物再生生保系统作为新一代环控生保系统，其利用植物的光合作用和微生物的分解作用，可在航天器内实现CO2吸收、氧气供应、废水净化和固废处理。因此，有必要适时开展在轨生物再生生保技术关键部组件验证及系统集成验证。

　　例如：开展高等植物和藻类的培养技术验证、废水和固废的生物化处理回收技术验证等项目，可以进一步验证生物再生生保系统在轨物质转化效率、食物生产能力，并验证其与物化再生式环控生保系统的兼容及过渡特性。

　　再生生保技术是中长期载人飞行的关键技术，是实现中国空间站长期有人运行的必备条件，利用再生生保系统，可以实现在轨物质的高闭合程度循环利用。空间站再生生保系统保障了神舟十二号至神舟二十一号任务，系统运行稳定，物质循环与能量流动正常，物质消耗与循环节律匹配合理，大幅降低了地面补给负担。