載人航天器環(huán)控生保系統(tǒng)研制的發(fā)展歷程

當載人或外部宇宙建立基地時，科學家生存的關鍵是要在封閉的空間內建造封閉的空間，并在封閉的空間內建立環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)（css），簡稱環(huán)境控制和生命支持系統(tǒng)。自1961年4月12日前蘇聯(lián)加加林首次進入太空至今已經(jīng)有50年的歷史。50年來,世界載人航天器環(huán)控生保技術有了很大的發(fā)展。1循環(huán)生態(tài)保護系統(tǒng)的分類和應用選擇1.1飲食保障管理1)密閉空間氣體的控制與供給;2)密閉空間溫度和濕度的控制;3)提供飲食飲水保障;4)生活廢物收集和處理的管理;5)煙火探測與滅火、應急救生管理。1.2環(huán)境控制和生態(tài)保養(yǎng)系統(tǒng)的分類1化學吸附劑在航天器上儲備全部人消耗所需要的O2、水、食物、化學吸附劑,提供收集和處理人生活排泄物和冷凝水的儲罐;消耗性物質不循環(huán),為開環(huán)式環(huán)控生保系統(tǒng)(openloopECLSS)。2生活用水和飲用水用物理化學方法將艙內人體呼出的CO2收集濃縮后再通過電解制氧的方式使其變?yōu)楣┤撕粑腛2;通過物理化學方式將人體排泄的尿液、汗液和艙內收集的冷凝水轉變?yōu)轱嬘煤蜕钣盟?全部的食品都是儲備的,靠地面攜帶的食品對航天員供應。提供收集和處理人的生活排泄物的儲罐。這就是閉環(huán)式生保系統(tǒng)(closedloopECLSS)。3呼吸的和水源在航天器或密閉空間內部種植植物,人與植物形成生物圈進行物質循環(huán)。人呼出CO2被植物吸收,植物光和作用產生氧氣供人呼吸。大便成為有機肥料給植物作為養(yǎng)分、植物成長成熟供給人作為食物。尿液、汗液和冷凝水則進入水的循環(huán),經(jīng)過處理后成為人可以使用的水源。這就是生物再生式的環(huán)控生保系統(tǒng)(ecologicalcontrolablelifesupportsystem,ECLSS)。1.3非再生類航天器載人航天環(huán)控生保系統(tǒng)必須為艙內航天員提供生命保障、生活和工作環(huán)境,長期載人還要考慮舒適性。由于人種的不同,各國的標準不完全一致,俄羅斯、美國和中國都具有自己的設計標準和要求。根據(jù)任務不同,載人航天器分為短期、中長期和永久性載人航天器。不同的航天器在選擇環(huán)控生保系統(tǒng)時有所不同。短期飛行的載人航天器,例如載人飛船,需要的消耗性資源量小,一次發(fā)射攜帶的物資已經(jīng)能夠滿足飛行任務的要求,中間不需要補給,這類航天器需要非再生環(huán)控生保系統(tǒng)保障航天員生命安全。前蘇聯(lián)早期的“東方”號、“上升”號、“聯(lián)盟”號飛船,美國“水星”號、“雙子星”號飛船,中國的“神舟”號飛船都采用這類環(huán)控生保系統(tǒng)。中期載人航天器,例如美國天空實驗室、“宇宙空間實驗室和航天飛機、俄羅斯“禮炮”號空間站等。航天員在軌時間相對較長,發(fā)射時攜帶的氧氣、水、空氣凈化材料、大小便的處理等不能維持全任務的飛行期限中航天員的消耗量,中間需要進行補給。由于受到發(fā)射頻度的限制不能進行完全補給,所以需要對部分物資進行回收循環(huán)加以利用,這類航天器需要非再生和部分材料再生的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)。長期或永久性載人航天器(≥10年),如“和平”號空間站在軌15年,美國牽頭的國際空間站已在軌運行10年有余。由于長期補給困難,航天員又要長期在艙內工作和生活,所以需要對人體排出的CO2、水分、大小便以及艙內的冷凝水進行回收,并進行相應的物理化學處理,使廢物變?yōu)榭晒┖教靻T呼吸所需的氧氣、飲用水,達到物質循環(huán)利用。分子篩CO2等處理材料通過吸附與解吸也可達到再生利用。“和平”號、國際空間站都采用了這種形式的環(huán)控生保系統(tǒng)。對于永久性載人航天器、月球基地或火星基地等,則需要采用物理化學再生和受控生態(tài)結合方式的環(huán)控生保系統(tǒng)維持生命活動。2開發(fā)與環(huán)境質量生保系統(tǒng)的過程和特點2.1環(huán)控生保的研制、測試和體制試點階段19582002年1956年1月蘇聯(lián)政府批準了空間發(fā)展計劃。1957年10月4日就把第一顆人造地球衛(wèi)星送上了太空。隨后又開始實施載人航天計劃。1959年5月22日蘇共中央和部長會議下達了建造載人飛船的N569-264號命令,還批準ОКБ-I設計局、N918廠等123家單位參加飛船和環(huán)控生保系統(tǒng)的研制。1959年12月~1960年10月間3次發(fā)布命令,要求1960年12月發(fā)射“東方”號載人飛船。實際上為了加快進度,從1957年起,蘇聯(lián)就已經(jīng)開始了載人飛船的研制。在進行了許多初期試驗工作后,從1958年4月到1958年8月ОКБ-I設計局完成了載人飛船等理論計算工作,詳細內容包括載人飛船結構、容積、人員、生保和設計報告等。另外航天醫(yī)學研究單位研究了人體對于人體過載承受耐力量級等航天醫(yī)學問題。1958年4月在蘇聯(lián)航空醫(yī)學代表會議上報告了研究結果。1960年4月,ОКБ-I設計局完成了“東方”號系列載人飛船的設計。為了驗證“東方”號系列載人飛船生保功能,前蘇聯(lián)利用動物首先進行了衛(wèi)星搭載飛行試驗并結合其它地面驗證試驗,充分驗證環(huán)控生保系統(tǒng)性能。1957年到1961年的4年間,利用衛(wèi)星和其它航天器飛行的機會,搭載小狗和老鼠等動物進行空間飛行就達7次之多,其中5次成功,2次失敗。5只小狗為人類航天事業(yè)獻身。1957年11月3日蘇聯(lián)發(fā)射第2顆衛(wèi)星,搭載了小狗“萊依卡”,進行了人類歷史上第一次載有生命動物的空間飛行試驗。衛(wèi)星上設置有非再生式環(huán)控生保系統(tǒng),為小狗供給空氣、食物和水。小狗在軌飛行6d以后,由于當時還沒有成熟的航天器返回技術,“萊依卡”為人類獻身。早期的載人航天都是短期飛行,從“東方”號、“上升”號到“聯(lián)盟”號,環(huán)控生保系統(tǒng)維持航天員生存的時間不超過15d,技術上采用的是簡單的開環(huán)生保系統(tǒng)(表1)。繼“上升”號之后,蘇聯(lián)成功研制了“聯(lián)盟”號系列飛船,非再生環(huán)控生保技術已經(jīng)得到完善。此后,研制長期載人空間站的計劃開始施行。為了獲取人長時間在軌道飛行的基礎醫(yī)學數(shù)據(jù)和考核環(huán)控生保系統(tǒng)長時間工作的能力,1968年2月22日蘇聯(lián)利用“東方”號飛船(ЗКДN9)進行了最后一次搭載動物的飛行試驗。小狗“維耶捷勒克”和“烏嘎廖克”在軌飛行了20個晝夜,安全返回地面。1970年蘇聯(lián)正式開始空間站和再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的研制。其技術特點如表2所示。為了深入驗證再生式環(huán)控生保的技術性能,從1971年4月到1982年4月,蘇聯(lián)發(fā)射了7個“禮炮”號空間站,主要采用非再生式環(huán)控生保系統(tǒng),但對再生式環(huán)控生保技術進行了大量的空間試驗驗證,取得了良好結果。其中“禮炮”6號空間站載人飛行單人持續(xù)時間最長達到了211d,站上有人工作時間約達940d。這使空間站的長期運行有了條件。1986年蘇聯(lián)發(fā)射“和平”號永久載人空間站,它在軌飛行了15年,再生式環(huán)控生保系統(tǒng)得到應用,2001年結束使命。1993年起俄羅斯應邀加入國際空間站計劃。2.2美國固著于“雙子星”號飛天服的模擬系統(tǒng)1958年7月29日美國成立了國家航空航天管理局(NationalAeronauticsandSpaceAdminis-tration,NASA),1959年拋出了“水星號”飛船航天計劃。初始,NASA認識到要搞載人航天,必須首先解決航天服。1959年美國空軍(USAF)和美國海軍(USN)展開了為NASA研制水星航天服的競爭。這年B.F.Goodrich集團,DavidClack公司和國際Latex集團3家單位交付了自家研制的航天服。在俄亥俄州萊特帕特森空軍基地(WPAFB)一個壓力為34kPa、安裝有半閉環(huán)的生命保障系統(tǒng)的密閉艙內,試驗人員進行了24h的載人試驗評價。美國海軍還進行了載人熱環(huán)境試驗。最后,NASA選擇了美國海軍研制的MarkⅣ壓力服。其次,必須解決人進入空間時將遇到的力學過載、航天醫(yī)學和生命保障等各種問題。重要的是要進行飛行試驗來確定人的適應性。為此,1961年5月和1961年7月連續(xù)進行了兩次亞軌道載人太空飛行,為進一步工作打下了基礎。1961年10月24日美國正式成立載人航天器研制中心。1962年“雙子”星航天服通過了NASA的評價試驗。試驗在位于圣路易絲摩的雙子星飛船模擬艙內進行。航天員GusGrissom分別穿著由DavidClack公司、Arrowhead制作公司和B.F.Goodrich公司研制的航天服進入模擬艙內對航天服進行評價。根據(jù)GusGrissom的評價意見和推薦,最終NASA選定了DavidClack公司制作的航天服作為“雙子星”號飛船的配用航天服。這種方式一直貫穿于美國載人航天工程始終,取得良好結果。1962年HamiltonStandard公司被NASA選中為飛船研制環(huán)控生保系統(tǒng)。在環(huán)控生保技術方面做了深入的研究工作。此后一直為NASA提供環(huán)控生保系統(tǒng)產品。與蘇聯(lián)早期一樣,美國載人航天器也是短期飛行。從“水星”號、“雙子星”號到“阿波羅”號飛船,技術上都采用的是非再生的開環(huán)環(huán)控生保技術。并且在地面上進行了大量的性能試驗。其技術特點見表3。利用這樣的環(huán)控生保系統(tǒng),美國在1962年2月20日,由航天員JohnGlenn駕駛“水星”6號飛船繞地球飛行3圈,實現(xiàn)了美國歷史上第一次載人飛行。此后又進行了多次“雙子星”號飛船、“阿波羅”載人登月艙的飛行,并在1969年6月16日航天員NeilArmstrong和BuzzAldrin乘“阿波羅10”飛船成功登月。前面的成功表明非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)技術已經(jīng)成熟。為了進行長期環(huán)控生保系統(tǒng)技術研究,麥道公司、Langley集團和約翰遜空間中心等很多單位在早期就展開了再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的研制。目的是實現(xiàn)密閉載人航天器座艙內氧氣、水、食物的循環(huán)利用。在美國研制長期載人航天器的過程中,技術上也是采取氣、水物理化學再生的方式,使艙內的空氣、水和消耗性物資再生重復利用,立足于降低發(fā)射成本,延長飛行時間。其物理化學再生技術特點如表4所示。研制過程中,這些技術有的用在太空實驗室,有的用在宇宙空間實驗室和航天飛機,有的則在空間進行技術驗證。利用地面和飛行載人試驗的機會進行性能評價。1964年12月~1970年6月麥道公司在空間站模擬艙(spacestationsimulator,SSS)進行了10次地面模擬艙載人的再生式環(huán)控生保系統(tǒng)性能試驗,試驗最長時間達到90d。1972年9月20日在約翰遜航天中心有3名航天員進入直徑為6米的模擬艙內進行了天空實驗室試驗(skylabmedicalexperimentsaltitudetest,SMEAT),試驗為期56d。1973年5月14日天空實驗室1進行了首次無人發(fā)射后,又陸續(xù)進行了天空實驗室3次載人空間飛行發(fā)射。試驗中,利用分子篩裝置為艙內提供CO2去除的能力,并且由航天員們陸續(xù)出艙進行了環(huán)控生保系統(tǒng)試驗。1978年~1983年在約翰遜航天中心進行了再生式生保系統(tǒng)評價(regenerativelifesupportevaluation,RLSE)和系統(tǒng)集成評價試驗。1983年11月28日美國宇宙空間實驗室第一次軌道飛行,使用了微量污染物控制系統(tǒng)(tracecontaminantcontrolsubassembly,TCCS)。這次試驗歐洲空間局人員參加了美國環(huán)控生保系統(tǒng)的監(jiān)測。航天飛機是美國另一種重要的載人航天器。從1981年起到2011年8月最終結束,經(jīng)歷了多次的載人飛行。其環(huán)控生保系統(tǒng)滿足每次任務14d左右,4~7名航天員的需求。主要技術大都采用非再生技術,采用消耗LiOH去除艙內的CO2;艙內混合氧氮氣體控制,壓力101kPa,其中O221.7%,N278.3%;氣體儲存在高壓氣瓶里,氣瓶壓力22.8MPa;集中式水/氣冷凝熱交換器控制艙內溫濕度;僅有飲用水供應,發(fā)射前采用加碘的方式殺菌。在天空實驗室和航天飛機的基礎上,美國于1984年著手空間站的研制。NASA指派馬歇爾空間中心(MarshallSpaceFlightCenter,MSFC)負責進行空間站環(huán)控生保系統(tǒng)的研制。負責環(huán)控生保系統(tǒng)功能、規(guī)范和標準的設計制訂、部件研發(fā)。并且作為空間站環(huán)控生保系統(tǒng)組合總控機構。還負責環(huán)控生保系統(tǒng)分析模型研制并進行子系統(tǒng)和系統(tǒng)功能分析。完成工作的重點依舊是整個環(huán)控生保系統(tǒng)要通過在密閉的模擬艙內進行的載人性能驗證試驗。為此,馬歇爾空間飛行中心建造了環(huán)控生保系統(tǒng)支持工程集成試驗平臺,這里成為空間站環(huán)控生保系統(tǒng)試驗的基地。從1986年起到空間站組裝之前的各個階段,都在這里進行了再生環(huán)控生保系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)級別的整合集成試驗。驗證了電解制氧裝置(oxygengenerationassembly,OGA)、CO2去除裝置(carbondioxideremovalassembly,CDRA)、微量污染物控制組件(tracecontaminantcontrolsubassembly,TCCS)、氣體主要成分分析儀(majorconstituentanalyzer,MCA)、水再生裝置等再生系統(tǒng)的性能,保證了空間站環(huán)控生保系統(tǒng)的性能質量。未來載人航天還將面臨星際航行、星球基地等更艱巨的任務。任何單一功能的環(huán)控生保系統(tǒng)都不能滿足需求,只能應用先進的環(huán)控生保系統(tǒng)(advancedECLSS),這種系統(tǒng)將非再生、物化再生和受控生態(tài)式環(huán)控生保技術融為一體,以滿足更加苛刻的需求。對此,約翰遜空間中心目前已經(jīng)進行了許多試驗。1995年到1997年連續(xù)4次在約翰遜空間中心直徑6米的模擬試驗艙內載人的條件下進行了物化再生生保系統(tǒng)、生物再生生保系統(tǒng)的試驗,持續(xù)時間分別為第1次1人15d、其余3次4人30d,60d,91d,獲得了很多試驗數(shù)據(jù)和結果。目前根據(jù)試驗結果形成了許多實際的未來環(huán)控生保系統(tǒng)的方案,并正在展開進一步的工作。2.3非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)1965年6月至1966年7月,中國利用生物探空火箭,成功將雄性狗“小豹”和雌性狗“珊珊”送上天并成功返回。探空火箭生物艙中裝有自動供氧和自動調節(jié)CO2濃度的生命保障系統(tǒng)、包括動物屎、尿收集容器。1970年7月14日國家批準“曙光”號飛船計劃,不久工程下馬。但是環(huán)控生保系統(tǒng)的研制仍在緩慢進行。1990年10月5日利用返回式衛(wèi)星進行了中國高等動物軌道首次飛行試驗。密閉生物艙內配有環(huán)控生保系統(tǒng),兩只小白鼠在太空存活5天多。20世紀90年代中國載人航天計劃重新開始,環(huán)控生保系統(tǒng)研制正式展開。與美蘇不同的是中國一開始就瞄準3人航天員乘組的環(huán)控生保需求。根據(jù)技術論證,確定“神舟”號飛船采用非再生式環(huán)控生保系統(tǒng)技術。其環(huán)控生保技術特征主要在于座艙大氣的控制、座艙大氣凈化、溫濕度控制、艙內空氣通風、應急狀態(tài)生保、環(huán)控生保系統(tǒng)的測量等方面的研制和應用。技術特征如表5所示。在進行系統(tǒng)精心設計加工的基礎上,從1995年7月到2002年12月,進行了5次地面模擬艙進人實驗,完成了4次空間無人飛行的試驗。所有空間飛行中都在飛船艙內安裝了環(huán)控生保系統(tǒng),其中2次攜帶模擬假人對艙內環(huán)境控制進行了實際考核驗證。2004年3月到2007年9月根據(jù)“神舟”6號和“神舟”7號飛船的任務在模擬艙內進行了2次地面模擬載人飛行環(huán)控生保系統(tǒng)性能試驗。還進行了便攜式環(huán)控生保系統(tǒng)低壓綜合試驗、低壓艙內低壓訓練服載人綜合試驗等諸多試驗。2003年10月至2008年9月中國完成了從“神舟”5號到“神舟”7號的3次載人空間飛行,成功實現(xiàn)了載人航天。為了實現(xiàn)更加長遠的載人航天,中國從20世紀90年代中期開始了再生式環(huán)控生保系統(tǒng)的研制。進行了電解制氧、CO2收集與濃縮還原、水再生等技術和受控生態(tài)環(huán)控生保技術的研究,取得了一些研究成果,為今后長期載人任務的完成打下了基礎,此外還進行了受控生態(tài)環(huán)控生保系統(tǒng)的多項研究工作,取得了許多成果。2.4歐洲的研究項目歐洲和日本對國際空間站的貢獻是載人的哥倫布實驗艙和Kibo艙,環(huán)控生保系統(tǒng)是再生式的。歐洲在地面上完成了其環(huán)控生保系統(tǒng)功能的驗證試驗。2001年10月至2002年日本完成了包括環(huán)控生保系統(tǒng)在內的全部系統(tǒng)的試驗。3呼吸再生利用環(huán)控生保技術和系統(tǒng)的復雜程度與乘員數(shù)量多少和任務時間的長短緊密相關。50年來,由于各種任務不同,美國和前蘇聯(lián)(俄羅斯)在不同型號的載人航天器應用了不同的環(huán)控生保系統(tǒng)。20世紀50年代末至60年代,美國和前蘇聯(lián)(俄羅斯)的航天飛行任務都只限制在短期或中期的范圍內,航天員也不多于3人。所以O2、H2O和艙內需要控制的氣體和清除CO2的化學吸附材料都是通過發(fā)射時攜帶上去的,系統(tǒng)沒有再生能力。就連大小便也只是具有收集功能,不能處理。“水星”號飛船第一次載人飛行時甚至沒有小便的收集處理。這個階段的技術相對簡單,只需最基本環(huán)控生保系統(tǒng)能力,即只要求高壓氣體能夠儲存、飲用水清潔衛(wèi)生、艙內大氣可以按照規(guī)定的壓力制度控制即可。隨著空間飛行任務需求增加,需要更多的人在天上工作更長的時間,O2、CO2吸附材料和飲用水的需求量急劇增加,一次發(fā)射攜帶的消耗型物資不能滿足任務需求,中間需要補給。這對于環(huán)控生保系統(tǒng)就提出了更高的要求。補給的方式有再生和其它飛船再次飛行補給兩種。再次發(fā)射補給簡單,但是耗費大,對于更長時間的任務負擔仍然很大。再生的方式技術難度大,需要研究物理化學再生技術和增加設備,要循環(huán)利用的關鍵是人呼吸用氧和水。各種研究表明,航天器座艙內人員呼出的CO2可以進行收集濃縮還原成O2,供航天員呼吸,完成呼入O2和呼出CO2的循環(huán)再生利用。人員排出的尿液、呼出的水汽、艙內的冷凝水以及人員洗滌用水可以進行處理循環(huán)利用,減少水的補給。為了完成氣和水的循環(huán),前蘇聯(lián)(俄羅斯)和美國都進行了相關的技術研究。氣體的循環(huán)難點是:需要選擇合適的固態(tài)胺或分子篩吸附材料進行氣體CO2的收集濃縮,需要設計完好的CO2還原Sabatier反應器或Bosch反應器,最后還要設計完善的電解制氧裝置獲得供人員呼吸的氧氣,對于水的流動還需考慮微重力下的特征。水再生的技術難點是:要克服微重力對液體行為的影響;廢水和尿液化學成分復雜,腐蝕性強,需要耐腐蝕的材料和細菌的滅殺;對尿液處理系統(tǒng)還有水汽分離器、泵、閥門、管道的與水的相容性不明確;有些還具有刺鼻的氣味需要除味;水中含有顆粒,需要過濾,對管路清潔度要求高,否則易造成管路堵塞。面對這些技術難點,俄羅斯和美國從方案階段到最后應用,技術進步呈螺旋式發(fā)展,研制中都抓住兩點展開工作。第一是做好方案和系統(tǒng)設計,第二是試驗驗證性能,進行方案比較,找到最適合任務需要的方案。不同之處只是在選擇不同的材料、方案時針對自己任務的特點有所側重。1989年7月31日至8月11日馬歇爾空間飛行中心(MSFC)一直在進行國際空間站再生式環(huán)控生保系統(tǒng)第二階段與第三階段簡化集成試驗(SIT),這兩個階段的試驗都是集成的空氣再生子系統(tǒng)的試驗。試驗的特點是進行方案的比較。例如,在第二階段試驗時進行了SabatierCO2還原系統(tǒng)試驗,這個系統(tǒng)是波音公司為“自由號”空間站最低限環(huán)控生保系統(tǒng)設計的大氣再生系統(tǒng)。在第三階段試驗時,使用的是BoschCO2還原系統(tǒng)。試驗發(fā)現(xiàn),Bosch反應器有4個異常:電噪聲引發(fā)的隨機性閥門動作;壓縮機暫歇性停頓;正常模式下吹除壓力爬升到報警水平;從Bosch反應器中有大量甲烷產出。其中壓縮機停歇、吹除壓力爬升在改進后得到解決,另外兩個沒有得到解決。有專家認為BoschCO2還原系統(tǒng)不可能向航天器軌控和姿控系統(tǒng)提供廢氣,對載人航天器本身的方案選擇有影響,因此,國際空間站上選擇使用了Sabatier反應裝置。Sabatier反應裝置使其濃縮的CO2還原成H2、CH4和水,水再參加到電解制氧中去,達到循環(huán)。俄羅斯根據(jù)自己的實際,在“和平”號空間站只設有CO2的收集和濃縮,但是收集的CO2卻沒有還原,而是排出艙外。電解制氧的水來自尿液處理再生水。美國和俄羅斯水再生技術發(fā)展采取的方式也是通過試驗進行方案比較后再進行綜合設計獲得。通過研究這些方案的選擇與應用,可以發(fā)現(xiàn)再生循環(huán)系統(tǒng)的設計是綜合性的,無論在吸附材料選擇、在CO2還原反應器和電解制氧裝置的方案選擇上都必須根據(jù)任務的特點、艙內空間的大小和載人航天器供電的特點擇優(yōu)選擇,綜合考慮。即必須考慮完成任務所需的設備質量、功耗、體積以及冷卻能力等的協(xié)調性,還有管路、閥門、泵、傳感器、過濾器等材料和液體的相容性。鑒于不同任務所需再生裝置設計的各異性,美國和俄羅斯在任務中都選取了各自適用的方案、材料,建造了相同功能的再生系統(tǒng),都分別成功應用于完成相關任務的航天器上。完成了從非再生環(huán)控生保系統(tǒng)向物理化學再生環(huán)控生保系統(tǒng)的轉變,滿足了“和平”號空間站、國際空間站艙內環(huán)控生保系統(tǒng)要求。受控生態(tài)生保系統(tǒng)中的大氣控制是其主要功能之一。它的作用主要是通過植物光合作用消耗艙內乘員呼出的CO2,將其轉變?yōu)镺2,實現(xiàn)生物再生大氣回收利用。雖然綠色植物可以分擔艙內空氣的消耗,但是在進行植物生長試驗中發(fā)現(xiàn),植物生長時產生的乙烯會對其生長產生不良影響。因此,需要對植物生長產生的乙烯進行控制。美國在20世紀90年代研制了幾種植物生長大氣控制系統(tǒng)并應用在國際空間站上進行空間飛行試驗。植物通用生物處理裝置(plantgenericbioprocessingapparatus,PGBA)是一種用于空間飛行試驗的艙內植物CO2控制裝置,參加了多次空間試驗。為了控制植物生長吸收CO2與產生O2的比例,消除乙烯的污染,給PGBA配有大氣處理系統(tǒng)(atmospheretreatmentsystem,ATS)。大氣控制系統(tǒng)中裝配了TiO2光催化材料和活性炭過濾器。這種帶有大氣控制系統(tǒng)的植物通用生物處理裝置可以提供大氣、溫濕度、光照和營養(yǎng)的自動控制,并可以消除乙烯污染,支持植物的生長。1996年到2000年曾有50種植物在軌道上進行了生長試驗。PGBAATS大氣控制系統(tǒng)在國際空間站上進行了120d的試驗,結果證明這種方式可以在不進行CO2補給和不與乘員