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国际空间站的氧气是怎么来的?为什么一直都用不完?

一个成年人单日呼吸次数 2~2.5 万次,单日消耗氧气量约 550 升。

中国空间站在轨航天员为 3 人,每天需要消耗 1650 升氧气,以在轨 6 个月计算,所需氧气量约 30 万升。

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然而这些氧气从哪来?

有人说直接用货运飞船送压缩纯氧,到底行不行,一个案例揭开答案。

1967 年 1 月 27 日,阿波罗一号在佛罗里达州卡纳维拉尔角 34 号发射台进行模拟发射测试。

维吉尔·格里森、爱德华·怀特和罗杰·查菲这三名宇航员,因意外事故被大火烧的面目全非,仅仅 14.7 秒,舱内温度超过 550℃。

惨烈到什么程度,后来打开舱门进去清理,发现航天员的遗体、航天服和设备都融在一起了,根本分不开。

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这跟纯氧有啥关系?

阿波罗一号是阿波罗计划的第一个载人任务,结果发生这么惨烈的悲剧,肯定要调查透彻。

后来发现是线路损坏产生了微弱的火花,在正常空气中影响微乎其微,可偏偏当时舱内是纯氧环境,火势瞬间爆发后,将这三人活活烧死。

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也就是说,在纯氧环境下,任何一点微不足道的火花,都有很大可能升级成一场大型火灾事故。

有些经验,真的是“前人栽树后人乘凉”,就像一直有人在吵,为什么高铁不让吸烟,仔细了解后你就知道这操作有多危险。

有了阿波罗一号这次事故经验,航天大国都意识到纯氧的潜在危害性,于是决定模拟地球空气环境,也就是 78%氮气、21%氧气以及部分二氧化碳的组合。

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空间站的氧气到底从哪来?为何这么多年还没耗尽?

主要通过货运飞船运送水包。

以中国天舟二号举例,每次运输货物重量约 4.7 吨,除了航天员需要的任务装备、科研物资等,还包括大量生活物资,其中就有水包。

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水和氧气的关系很容易理解。

空间站的太阳能电池在吸收能量后转化为电能,通过直流电促使水分子发生化学反应,析出氧气后用排水集气法收集。(2H2O → 2H2 + O2)

假设一升水被电解后能产生 620 升氧气,一个 20 升的水包,就能解决一名宇航员 22 天的氧气需求。

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空间站配备了多套制氧设备,例如俄罗斯的 Elektron 和美国的氧气制造系统(OGS),然而货运飞船每次发射成本都十分昂贵。

SpaceX 的龙货运飞船,用猎鹰 9 号火箭发射,每千克货物的发射成本约为 2940 美元。

俄罗斯的进步号货运飞船,用联盟号火箭发射,每千克货物的发射成本约为 6000 美元

欧洲的自动转移飞行器(ATV),用阿里安 5 号火箭发射,每千克货物的发射成本约为 14000 美元。

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中国天舟货运飞船,用长征七号火箭发射,每千克货物发射成本约 1400 美元。

虽然中国天舟货运飞船货物发射成本最低,但也经不起这么高的开支,所以抱着“性价比”的原则,不仅是我国宇航员,国际空间站内的宇航员同样会搜集任何液体。

这些液体中就包括尿液,大家也不要觉得不适,特殊时期没办法。

此外,空间站内的冷凝功能可以捕获从人体皮肤表层蒸发的水汽。

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汗液、尿液等废水经过多重蒸馏、分离以及过滤等过程后,可以用来继续通过电解水获得氧气,也可以饮用。

当然了,人体会产生汗液,自然也会产生废气,在密闭的空间站内呼吸,如果气体十分浑浊,也会明显增加不适感,这点不用担心,空间站内都有先进的净化系统,硫化氢、氨气等废气会被及时排出空间站。

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至于呼出的二氧化碳,其实也可以用来生产氧气。

例如 2010 年,国际空间站投入使用萨巴捷系统,可以用电解水产生的氢气和二氧化碳,通过化学反应生成水和甲烷,能有效提高空间站内部对氧气的自给率。

为了应对突发情况,空间站也有其他备用氧气来源。

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如果电解水设备发生故障,且无法在短期内修复,那么可以从加压氧气罐中获得氧气。

一般情况下,空间站内储备的加压氧气量,足以让宇航员呼吸数十天。

跟加压氧气罐同样作为紧急储备的还有固体燃料氧气发生器。

普遍的有俄罗斯 Vika 氧烛和美国氯酸钠氧烛,这玩意体积小、重量轻,方便携带储存,点燃后能获得氧气,所以也被称为“氧气蜡烛”。

但固体燃料氧气发生器,存在一定安全隐患,只能作为紧急备用。

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也就是说,空间站氧气主要靠电解水获得,再让加压氧气罐和氧气蜡烛打辅助,足以解决日常或紧急情况下的氧气需求。



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