空间站尿液处理技术研究及进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:杨祺

  尿液处理再生技术是空间站环境控制和生命保障系统的重要组成部分之一,为了实现空间站水资源的循环利用和最大可能减少空间站水补给量,尿液再生技术的主要功能是将空间站中航天员排泄的尿液进行收集、处理和净化,从尿液中提取水分用于电解水制氧或航天员生活用水,从而实现空间站用水的回收再利用。文章介绍了目前国内外发展较为成熟的尿液处理技术,如渗透蒸发膜技术和蒸气压缩蒸馏技术,以及正在研究中的新型技术:冷冻浓缩及真空旋转蒸馏技术,并提出了未来发展方向。

  引言

  随着航天技术的发展,载人航天器在空间运行的任务周期随之加长,在以往的短周期任务中,航天员所需的消耗性物资及水可以通过地面与空间往返运输支持,但是在长期载人飞行的空间站中,如果消耗性资源通过地面供给,则会产生巨大的运输及维护费用。因此,必须进行消耗性物质回收再生利用,将一些主要的消耗品如大气和废水回收再生并加以利用,减少地面后勤的负担,降低运行费用。

  空间站环境控制和生命保障技术就是实现航天载人器中消耗性物资的循环再利用。空间环境控制和生命保障技术包括氧气再生系统,废水再生系统,大气压力和成分控制,舱体温度和湿度控制,卫生和废物管理五个部分。在废水再生系统中,废水的来源包括二氧化碳还原,降温除湿产生的冷凝水,生活废水及乘员尿液。其中尿液处理是废水处理环节中较为复杂及重要的一环。文章主要简述空间尿液处理技术的基本原理,应用情况及发展方向。

  1、空间尿液处理技术国内外发展现状

  生命保障技术中的尿液处理是空间站环控生保系统中的重要环节之一,为此,各航天大国都先后投入巨资和大量人力进行了长达数十年的研究。其中,俄罗斯主要采用渗透膜蒸发技术进行航天员尿液再生处理,其尿液再生系统已于1990年1月15日在“和平”号空间站上的Kvant-2舱段上启用,该装置的处理能力为5 kg的H2O/day,尿液中的水回收率为80%左右。到1999年,该装置已从尿液中回收了6 000 kg的再生水,回收后的再生水水质可达饮用水标准。目前在国际空间站的俄罗斯舱段中,还是采用改进后的渗透蒸发膜处理技术。

  美国最具有代表性的尿液处理技术是蒸气压缩蒸馏技术(VCD),从1962年起,美国开始对蒸气压缩蒸馏技术进行研究,并研制成功了第一代尿液处理与再生试验样机,到1991年,研制出十四代样机。由于技术日益成熟和良好的处理效果,1992年NASA选择蒸气压缩蒸馏系统作为空间站生保系统的一部分。NASA-Marshall空间飞行中心在1993~1997年间对VCD系统进行了全面测试,证实了VCD系统作为水再生系统重要组成部分的适宜性。目前,美国已将这项技术成功应用到国际空间站中的美国舱段中。

  真空旋转蒸馏技术也是水再生系统的一项重要技术,从1974年开始,乌克兰基辅工学院开始进行旋转蒸馏的基础技术研究。1993年起,美国开始着手这项技术的研究。国内在尿液处理技术方面的起步比较晚,根据国内载人航天的需要以及国外研究的发展趋势,从1988年起,国内开始对热电膜蒸发尿处理技术进行跟踪研究,经过多年的努力,已初步实现了水的循环再生,并在密闭实验舱内进行了3人4天的实验验证。

  总体来说,国内的载人航天事业起步较晚,技术基础比较薄弱,对于尿液处理技术的研究还处于地面样机研制阶段,离工程应用还有较大的差距。

  2、尿液处理的核心技术

  2.1、废水处理基本流程

  图1所示为空间站环控生保系统中废水处理的基本流程,从图中可以看出,进入循环系统的废水包括航天器中乘员的生活废水(卫生用水、食品用水),乘员尿液及降温除湿产生的冷凝水。生活废水及降温除湿产生的冷凝水由管路直接进入水处理子系统,尿液经过消毒、除臭等前处理设备预处理后进入水处理子系统。由水处理子系统处理的再生水进入贮水箱进入下一次循环应用。

  尿液处理再生技术是空间站环境控制和生命保障系统的重要组成部分之一,为了实现空间站水资源的循环利用和最大可能减少空间站水补给量,尿液再生技术的主要功能是将空间站中航天员排泄的尿液进行收集、处理和净化,从尿液中提取水分用于电解水制氧或航天员生活用水,从而实现空间站用水的回收再利用。文章介绍了目前国内外发展较为成熟的尿液处理技术,如渗透蒸发膜技术和蒸气压缩蒸馏技术,以及正在研究中的新型技术:冷冻浓缩及真空旋转蒸馏技术,并提出了未来发展方向。

图1 废水处理基本流程

  从尿液进入水处理子系统的流程可以看出,尿液处理的关键有三个过程:尿液的预处理过程,尿液在水处理子系统中的处理过程以及再生水的后处理过程。

  3、结束语

  鉴于空间应用的特殊要求,空间站的尿液处理与回收是极为复杂的,经过各国长期的研究与实验,已开发出多种适用于空间应用的尿液处理系统,可以看出无论哪种技术,其技术核心都是通过相变从尿液中获得较为纯净的水,并有效利用相变产生的潜热。从尿液处理技术的发展过程可以看出,在今后的研究中,如何更加有效的利用相变潜热及优化系统结构以获得更高的水再生率等是研究的主要方向。

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