2021年我國先後發射了天和號核心艙,和兩艘天舟貨運飛船、兩艘神舟載人飛船與之對接,正式開啟了中國長期駐軌載人任務,特別是天舟3號和神舟13號載人飛船的發射對接,更是一步到位達成了中國人長期在軌駐留的強大實力,使得我國在載人航天領域已經不比美俄共同建造的國際空間站相差多少,甚至在很多方面還有所超越。看到這個訊息的時候真的很令人振奮,因為我國終於和世界載人航天先進水準找足了差距,我們終於不差於任何國家了,但是我們有沒有想過3名航天員在軌半年如何正常生活呢?特別是每天大量呼吸的氧氣從何而來呢?
因為人類每天平均呼吸次數高達2.2--3萬次,算下來一個人平均每天吸入的氧氣就得600升左右,這還是正常情況下的氧氣消耗量,如果在緊急或者執行高強度任務時呼吸頻率上升後,每天消耗的氧氣量更是直接上翻更多。在地面我們有大量的森林可以為我們吸收二氧化碳、產生我們呼吸所需的氧氣,但是在距離地面近400公里的地球軌道上,完全密閉、空間又非常狹小的空間站內可沒有森林,甚至都不曾看到過綠色植物,那麼像這次神舟13號的三名航天員要在軌駐留半年之久,其所呼吸的氧氣量肯定是不低的,這些天量的氧氣又是如何而來呢?
可能很多人會說航天員呼吸的氧氣都是在載人飛船或者貨運飛船發射時,直接用壓縮氣瓶將其運送上去的,的確這種方法是可行,但是卻不是真的答案,因為在上世紀60年代美蘇太空爭霸期間,蘇聯就曾因為壓縮氣瓶的問題出過一次重大航天爆炸事故,所以此後不光是蘇聯和後面的俄羅斯,包括美國和我國從一開始執行載人航天任務時,都完全撇棄了這種壓縮空氣方式,改為了更先進、更持久、更高效的氧氣產生方式。
這就是我們初中物理學過的”電解水產生氫氣和氧氣“的原理,載人飛船或者貨運飛船在發射時候會隨船運送一些生活物資,這些生活物資中就包括用儲水包儲存的水資源。所以在航天器內部會有一個專用的”電解水“裝置,其透過電解方式產生大量的氫氣和氧氣,其中氧氣會經過艙內的環境控制裝置精準輸入艙內(防止氧氣飽和度過高或者過低),供航天員呼吸的同時,又將艙內航天員撥出的二氧化碳吸收後,和此前電解水時產生的氫氣混合反應,產生甲烷和水,甲烷會被飛船尾部的推進艙經過加壓後直接排進太空,還能略微產生一定的推力,而水資源則會被重複利用。
比如我國天舟號貨運飛船貨艙內雖然會被模組化的設計成多個標準隔框,但是在不同的隔框中除了航天員生活所需的食物等物資外,還有儲水專用的水包,這些水除了供應航天員直接飲用外,也會被直接用於電解產生航天員生存所需的氧氣。
當然大家都知道電解水需要大量的電能,這一點在載人航天器身上也完全不存在任何問題,因為航天器自備的太陽能帆板身處太空環境中,其光電轉換效率更高、照射時長更久,所以電解水所需的電能供應完全沒有任何問題。
其次可能很多人會有疑慮航天員呼吸所需的氧氣靠電解水產生,半年就得消耗27萬升氧氣,不得需要多少噸的水才夠啊?而且航天發射成本非常高,1千克發射成本就得近10萬美元,不得增加多少航天發射預算啊?其實真的用不了這麼多,因為電解水產生氧氣的效率非常高,比如1升水可以電解產生620升氧氣,一個水包的重量根據飛船隔艙板空間不同重量大概在20升左右,那麼一個水包產生的氧氣就足夠一名航天員呼吸22天左右,三名航天員在軌半年也只需要不到30個水包,而我國天舟貨運飛船的最大載重量高達6.8噸,30個水包只有0.6噸的重量也只是冰山一角。
而且航天員在軌期間產生的尿液、洗漱用水、甚至空氣中的汗液都會被專用的水資源處理系統和環境控制系統吸收後,重新制變成全新可用的水資源,多次重複使用,外加上定期發射貨運飛船為其提供物資補給,所以根本不用擔心航天員在軌期間的生存問題。
而且為了保證足夠安全,航天員在軌期間日常呼吸的氧氣都是電解水產生,如果電解水裝置出現問題也不怕,因為航天器內部還有兩種不同的供氧裝置,一種是低壓高濃度的壓縮氣瓶供氧(低壓爆炸風險低),另外一種則是潛艇潛航製氧使用的固體粉末燃燒產生氧氣,比如氯酸鈉和鐵的固體粉末混合物在被點燃時就可以生成氧氣(反應方程式為:NaClO3 + Fe +點燃 = O2 + NaCl + FeO)。