地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题,获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本,亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展,发现不同技术之间差异大,在航天应用过程中,需充分考虑地外环境限制因素,以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给,还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展,有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展,将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环,降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求,也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路,以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。     

太空行走100问(十六)

88．因为太空行走技术的发展取决于载人航天的发展,未来载人航天将如何发展？ 太空行走是载人航天的一项重要技术,太空行走是随载人航天技术的发展而发展,因此要了解太空行走系统未来的发展方向,首先要了解载人航天的发展方向。     

世界上最昂贵的服装

我国载人航天实行“三步走”的发展战略。神舟六号载人航天飞行是在神舟五号飞船实现了我国载人航天技术的历史性突破,解决了载人航天的基本技术的基础上的一次承上启下的重要飞行任务,神舟六号载人航天飞行任务的圆满成功,标志着我国载人航天工程一期工程目标的胜利实现,也为实现第二步战略目标奠定了基础。第二步是除继续用载人飞船进行对地观测和空间实验外,重点要完成出舱活动、空间交会对接试验和发展长期自主飞行、有人照料的空间实验室。那么提到出舱活动,必然会涉及到舱外航天服,舱外航天服与神舟五号和六号航天员使用的舱内航天服有什么不同呢?     

“国际空间站”的总体设计

1“国际空间站”概况 “国际空间站”是有史以来规模最大的国际载人航天合作计划,集中了世界主要航天大国各种先进设备和技术力量,其复杂性和技术先进性是以往任何载人航天器无法比拟的.目前“国际空间站”美国舱段基本组装完成,俄罗斯舱段将于2013年完成建设,已实现6人驻站目标,体积是和平号空间站的3～4倍,相当于一个足球场大小.围绕“国际空间站”的建设,到2012年1月底,美、俄共完成了67次载人航天飞行,航天员累计完成了135次出舱活动.     

天地一体化的完整体系

中国载人航天工程虽然起步晚,但起点高,从总体上体现中国特色和技术进步,在较短的时间内,以较少的投入,高标准、高质量、高效益地走出了一条具有中国特色的载人航天工程发展道路.     

载人航天连续报道21世纪载人航天活动展望(1)

载人航天是人类在20世纪具有历史意义的重大成就之一。但是这一时期的载人航天活动基本上还处于初级阶段,因为除了美国进行了几次“阿波罗”载人登月飞行以外,其他载人航天活动主要是在近地空间。21世纪人类将深入到太阳系,对太阳系的其它行星和天体进行探测、开发和利用,使空间造福于人类。载人航天活动也将从初级阶段进入成熟阶段。21世纪的载人航天活动将会多种多样、丰富多彩,但其中5项内容最有意义,这就是用无人探测器对太阳系的其它行星和天体进行先驱探测,为以后的载人探测奠定基础;完成国际空间站的在轨组装,然后正式使用;对月球、…     

增材制造技术在载人航天工程中的应用与展望

近年来,增材制造技术在载人航天工程中的应用迅速发展。对熔融沉积成型技术、激光选区熔化技术、线材电弧增材制造技术、热喷涂增材技术、月壤增材制造技术等用于载人航天工程的增材制造技术及这些技术的应用领域进行了总结。对增材制造技术在在轨制造飞行器替换件、制造大型桁架等难以在地面制造或发射的部件、制造飞行器复杂部件等应用领域进行了总结。提出未来载人航天工程技术的增材制造中应发展适合载人航天工程的材料体系,应研究微重力环境下的增材制造技术,同时未来还应发展相关工艺。     

载人航天闪金光永载史册的"神舟"系列飞船

载人航天是当今高技术中最具挑战性的领域,能体现一个国家的综合国力和整体科技水平.早在20世纪70年代初,中国就开始了载人航天的研究,并曾做出过一个名叫"曙光"2舱式飞船的全尺寸飞船模型.但由于历史的原因,所以中止了.随着我国国民经济和科学技术的不断发展,1992年9月21日,党中央批准实施载人航天工程.     

中国太空家园奠基

随着天宫一号和神舟八号的升空,中国载人航天二期工程第一阶段交会对接任务拉开的序幕。中国载人航天二期工程战略任务中国载人航天第二步的发展战略是实施航天器空间交会对接,突破和掌握航天器交会对接技术,建设短期有人照料,长期自主运行的空间实验     

航天趣闻（四）

什么是"航天员"? "航天员"这个词今天是一个家喻户晓、众所周知的术语,它是从英语Astronaut或俄语Cosmonaut翻译过来的,有时又译成宇航员.按照美国航宇局的定义,所谓航天员是指"经过专门的选拔和训练、作为载人航天器上的一名成员、在载人航天器上负责指挥、驾驶或工作的人."早在1929年这个名词就在一本英文的科幻小说中出现过,不过当时知道的人并不多.1958年美国航宇局成立,并开始执行它的第一个载人航天计划,航宇局将参与载人航天飞行的人正式命名为航天员,从这时起西方世界才知道"航天员"这个词.与此同时,苏联也开始使用这个术语.不过"航天员"这个词并非美国航宇局的首选,当时有人还建议使用"墨丘利"(Mercury,罗马众神的信使),但大多数人还是赞同用"航天员".     

密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性

在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H₂）。此外,乘员还呼出二氧化碳（CO₂）。将H₂和CO₂催化合成甲醇（CH₃OH）是消除载人密闭空间内富余H₂和CO₂的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制,更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H₂和CO₂催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型,研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO₂与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示,反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO₂与CO比值的减小均能促进各反应速率增加,进而使得H₂和CO₂消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa,冷却介质温度不高于538.15 K以及CO₂与CO比值不小于1。      

基于QAR数据的碳当量值适航符合性验证方法

为评估飞机碳排放水平并验证适航性，对国际民用航空组织最新的碳排放认证程序进行了研究。以比航程（SAR）和基准几何因子（RGF）组成的综合指标碳当量值作为评估适航性的度量，根据飞机最大起飞重量（MTOM）值选取试飞测量点，并确定对应的飞机碳当量值限制线。提出了一种基于快速存储记录器（QAR）数据的飞机碳当量水平快速评估方法，利用新服役飞机的QAR数据，使用多参数支持向量机回归（SVR）方法分别建立燃油消耗率和飞行速度相对于推力的修正关系，通过飞机总重换算求解3个飞行测量点条件下的SAR值，并计算碳当量值。使用一架B777-200新飞机的QAR数据进行实例分析，计算结果显示，该机型碳当量值为1.598 7，超出限制线20.5%。提出的基于QAR数据的碳当量值计算方法可以用于飞机碳排放水平的快速评估。      

多舱段载人航天器CO2去除系统性能仿真分析

多舱段载人航天器通常由主控舱段利用舱间通风对组合体空气环境参数进行集中控制.利用Ecosimpro建立了一种多舱段载人航天器CO₂去除系统性能仿真分析模型,包括舱体模块、乘员模块、CO₂净化模块、舱间通风模块,并对三舱段载人航天器CO₂去除系统性能进行了计算分析.结果表明,当净化装置进风量为0.007 2 kg/s,非主控舱段驻留人数达到6人时,会造成非主控舱段CO₂分压超出700 Pa的指标上限.此时增大舱间通风量对降低非主控舱段CO₂分压的效果并不明显,有效的控制方式是增大净化装置进风量.当净化装置进风量增加至0.011 3 kg/s时,非主控舱段CO₂分压可降至700 Pa以下.该工作有助于加快载人航天器空气环境控制系统的设计和改进流程.     

H2O对空间站5A分子筛CO2去除性能影响

为进一步研究分子筛CO2去除系统应用于空间站的工作可靠性和鲁棒性,针对空间站4床分子筛(4-BMS)系统中可能出现的湿度失效保护问题展开了实验研究.测试了两种载人航天分子筛材料TC-5A与PSA-5A,研究了不同相对湿度对CO2吸附性能的影响;比较了相同湿度条件下,进口气体CO2浓度、粒径及吸附温度的变化对分子筛吸附CO2性能的影响,采用不同实验方法探究了H2O和CO2在两种分子筛材料中的竞争吸附关系.结果表明:PSA-5A吸附CO2性能优于TC-5A,但对H2O的吸附率略低于TC-5A.H2O的存在对分子筛吸附CO2影响非常大,空气中相对湿度达到60%时,分子筛基本失去了吸附CO2的能力.此外,温度升高会造成CO2的吸附量显著下降,但对H2O的吸附量影响相对较小,尤其是当相对湿度较高时.这对中国未来长期运行的空间站分子筛CO2去除系统工作有效性与工作鲁棒性的评价具有指导意义.     

Advanced regenerative environmental control and life support systems: Air and water regeneration

Extended manned space missions will require regenerative life support techniques. Past U.S. manned missions used nonregenerative expendables, except for a molecular sieve-based carbon dioxide removal system aboard Skylab. The resupply penalties associated with expendables becomes prohibitive as crew size and mission duration increase. The U.S. Space Station, scheduled to be operational in the 1990's, is based on a crew of four to sixteen and a resupply period of 90 days or greater. It will be the first major spacecraft to employ regenerable techniques for life support. The paper uses the requirements for the Space Station to address these techniques.     

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O₂特征, 为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置, 在“红萍-鱼-人”共存情况下, 测定密闭舱内O₂, CO₂浓度的变化. 试验结果显示, 单位重量的鱼耗O₂量. 0805～0.0831 L·kg-1·h-1, 排放CO₂量为0.0705～0.0736 L·kg-1·h-1; 试验志愿者耗O₂量19.71 L·h-1, 呼吸释放CO₂量18.90 L·h-1. 人工光照保持7000～8000 lx条件下, 红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成, 舱内O₂, CO₂浓度趋于平衡. 密闭舱内CO₂浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果, 红萍光合放O₂能力很强, 能有效促使密闭舱内O₂, CO₂浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡, 进而验证了红萍的空间应用前景.      

一种短航程再入解析预测校正制导方法

针对载人探月飞船高速再入返回问题,提出了一种短航程低过载的再入解析预测校正制导方法。引入大升阻比航天器滑翔式再入的概念,通过设定再入过程中滑翔段轨迹形式,利用轨迹参数描述滑翔段轨迹,推导出预测航程的解析公式。为使终端误差满足要求,通过试位法校正轨迹参数,并换算得到倾侧角制导指令。在偏差条件下进行仿真,实现了飞船2100km任务航程下400~450s内以低于6.5g₀的过载再入,结果表明,所提制导方法具有较高的精度和较强的鲁棒性,为载人探月飞船应急快速返回提供了参考思路。      

Neutral upper atmospheres of Venus and Mars

Numerous measurements of the neutral upper atmosphere above 100 km have been made from spacecraft over Venus and over Mars. The Venus exospheric temperatures are unexpectedly low (less than 300°K near noon and less than 130°K near midnight). These very low temperatures may be partially caused by collisional excitation of CO₂ vibrational states by atomic oxygen and partially by eddy cooling. The Venus atmosphere is unexpectedly insensitive to solar EUV variability. On the other hand, the Martian dayside exospheric temperature varies from 150°K to 400°K over the 11-year solar cycle, where CO₂ 15-μm cooling may be less effective because of lower atomic oxygen mixing ratios. On Venus, temperature increases with altitude on the dayside (thermosphere), but decreases with altitude from 100 to 150 km on the nightside (cryosphere). However, dayside Martian temperatures near solar minimum for maximum planet-sun distance and low solar activity are essentially isothermal from 40 km to 200 km. During high solar activity, the thermospheric temperatures of Mars sharply increase. The Venus neutral upper atmosphere contains CO₂, O, CO, C, N₂, N, He, H, D and hot nonthermal H, O, C, and N, while the dayside Mars neutral upper atmosphere contains CO₂, O, O₂, CO, C, N₂, He, H, and Ar. There is evidence on Venus for inhibited day-to-night transport as well as superrotation of the upper atmosphere. Both atmospheres have substantial wave activity. Various theoretical models used to interpret the planetary atmospheric data are discussed.     

Biomedical study on combined effects of simulated weightlessness and emergent depressurization of spacecraft

Cabin emergent depressurization (CED) may occur in spacecraft during manned space flight. The purpose of this paper was to study the combined effects of simulated weightlessness (SW) and CED factors on humans and animals. It was found that the amplitude of T wave of human electrocardiograms (ECG) significantly decreased in bed rest and hypoxia compared with the control condition (P<0.05), and that suspension with pure O₂ induced severer edema in the lungs of rats than that in only a pure O₂ environment. SW and pure O₂ caused middle ear congestion and decreased the barofunction during pressure changes. These results indicate that human response to CED factors become more serious under SW because of the blood redistribution.     

Biological modulation of the terrestrial carbon cycle: Isotope clues to early organic evolution

The characteristic difference of some 20 to 30 ‰ in the ¹³C/¹²C rations of reduced (organic) and oxidized (carbonate) carbon as observed in the contemporary environment can be traced back over 3.5 (if not 3.8) Ga of recorded Earth history. There is little doubt that the enrichment of isotopically light carbon in fossil organic matter ultimately derives from the bias in favor of ¹²C during photosynthetic carbon fixation (notably the RuBP carboxylase reaction of the Calvin cycle). Accordingly, the mainstream of the sedimentary δ ¹³C_org record can be most reasonably explained as geochemical evidence of the isotope-discriminating properties of the principal CO₂-fixing enzymatic reaction of the assimilatory pathway, thus giving eloquent testimony to an extreme degree of evolutionary conservatism in the biochemistry of autotrophic carbon fixation.