中国色谱“飞天”的背后

对于中国而言，10月份的一件大事是神州十三号载人飞船顺利抵达中国空间站，开启了三名中国宇航员6个月的太空之旅，可喜可贺！

神州十三号这次是中国载人航天工程立项实施以来的第21次飞行任务，也是空间站阶段的第二次载人飞行任务。

网上关于此次神州飞船载人飞行的详细过程及其重大意义的解读文章已有很多。本号这次打算聊聊可能一直被很多媒体忽略的一个话题——空间站的环境空气检测技术。

1“太空之家”也有大气污染

和生活在地球上不同，载人航天器内的微环境是由人工创造和控制的。我们可以想象一下，对于一个长期生活在密闭空间里的人，洁净的空气对他/她来说是弥足珍贵的。这种对于环境空气的敏感心态，也是我们这些一直生活在地球上的人很难体会到的。

空间站内部，来源网络

所以，通过对微环境内的化学污染物、微生物、辐射剂量等的监测，使航天员和地面技术人员时刻清楚乘员生存空间的状态就变得尤为重要。本文这次主要关注在大气化学污染物方面，这些污染物主要是由载人航天器内表面与人工聚合材料有机成分不断散发出的气体所造成的。其次是航天员生活带来的挥发性污染物，包括呼吸、排气等等。

一般而言，在航天员入住空间站前，相关检测装置要先对舱内空气质量进行检测。一旦有害气体的浓度超标，它就会发出警报，开启空气净化系统。太空舱内空气得到过滤净化后，航天员便可以放心入住。航天员入住期间，在轨有害气体检测装置会定期检查舱内的空气质量，为航天员生活环境的安全提供持续保障。

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“飞天”色谱来自大化所

从已经对外公布的信息可知，中国空间站的“天和”核心舱采用了由中科院大连化学物理研究所（以下简称大化所）研制的双通道气相色谱仪用于舱内空气中微量挥发性有机物的在线监测，一次采样可同时分析50多种有机组分。国产色谱这次真的是“一飞冲天”了。

双通道气相色谱仪，来源网络

这里多说两句大化所。

作为中科院下属的四大化学所之一，大化所的科研水平自然是没得说。在2020全国研究机构科技创新50强中，大化所位居榜首。

中科院大连化学物理研究所，来源网络

更加难能可贵的是，大化所的发展是按照“任务带学科”的模式起来的，它最初的三个配套学科：催化、色谱、化学工程，就是在上世纪50年代从事石油的应用研究与开发工作中逐步形成。

另外，大化所和国防任务之间好像也有着不解之缘，几乎每个历史时期的重大国防攻关任务中都能见到大化所科研人员的身影，而且每次都能交出“满意答卷”。

这次的空间站舱内有害气体分析仪可以称得上是大化所“光荣传统”的延续。早在上世纪六、七十年代，大化所的老一辈科学家同样是以气相色谱技术为基础，成功研制出了船用色谱仪，为我国第一代核动力潜艇密闭舱内的气体分析提供了可靠的技术保障。

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各有各的“高招”

实际上，可用于载人航天器内空气检测的技术不仅仅只有色谱，其他可考虑的技术还包括：质谱、离子迁移谱、傅里叶变换红外光谱、电化学、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）、差分吸收光谱（DOAS）等等。

以我国为例，从公开发布的资料获悉，在此前的“天宫二号”空间实验室上使用的是一种光谱技术来对大概10种左右的有害气体进行同时测量。而在神州系列飞船上，还曾经使用过电化学检测技术。

不过，电化学技术作为在线监测手段目前可能暂时已经被放弃了，因为再未见到过相关报道。但如果其核心技术——电化学传感器的两个弱点能够得到有效解决的话，即长时间工作下灵敏度下降和气体组分交叉干扰，那么重新被启用也不是不可能。

说完国内，我们再来看看国外目前常用的一些监测技术方案又有哪些呢？

美国在国际空间站（ISS）美国舱段内至少采用了两种气体监测技术：对于挥发性有机气体监测，使用的是气相色谱/离子迁移谱联用技术；对于H2O、O2、CO2、NH3四种气体的在线监测，则使用了TDLAS技术。

TDLAS这个技术对于业内人士而言应该并不陌生，国内基于TDLAS技术的商品化监测产品由聚光科技公司最先研发成功，现在已被广泛应用在工业过程、环境监测等领域。

凭借着校准间隔周期长（≥3年）、精度高等优势，NASA（美国国家航空航天局）对于TDLAS技术也是寄予厚望。据悉，NASA目前正在对TDLAS的检测范围进行扩展，以涵盖一些特定燃烧产物，包括CO、HCl、HF、HCN等，从而替代原用的电化学传感器检测技术。

欧洲航天局（ESA）则似乎更加青睐傅里叶变换红外光谱（FT-IR）技术。早在1991年，ESA便选择使用FT-IR技术来连续检测载人航天器的大气质量，并基于该技术开发出了ANITA环境空气干涉分析仪。该产品目前已发展到第二代ANITA2，能够同时在线定量监测除CO2和水气外的30多种亚ppm浓度的痕量气体，校准周期大概一年左右。

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尾声

总之，由于技术原理的不同，每种检测技术既有各自优势，也都有其局限性，像色谱技术就需要对待测气体进行复杂的预处理；光谱技术则需要考虑如何在保证监测气体组分广度的同时，实现设备的小型轻质化……而不同技术路线的选择，其实也能间接反映出这些航天大国在监测仪器技术方面的实力储备，以及系统集成能力。

此外，在宇宙飞船上每增加1克的有效载荷，都必须为其耗费不少燃料。像美国专门开发出来用以执行“阿波罗登月”计划的“土星五号”重型运载火箭发射总重3000多吨，其中火箭的自重不到200吨，剩余的重量全是燃料的。

这也就是为什么火箭在设计的时候，在保证功能足够的同时，要尽可能地减轻“死重”，也就是火箭的外壳、电缆、仪器等部件的重量，从而在不超过火箭本身最大推力的前提下，增加燃料的比重。

中国现役推力最大的运载火箭是“长征5号B”（俗称“胖5”），起飞重量837.5吨，近地轨道运载能力大于22吨。发射“天和”核心舱用的就是这型火箭，大化所的双通道气相色谱正是随“天和”舱一起发射升空的。

长征5号B运载火箭，来源网络

显然，和美国在用的“重型猎鹰”运载火箭（起飞重量1428吨，近地轨道运载能力63.8吨）相比，中国火箭的运力还是有很大差距。这也导致中国的科研人员在有效载荷的重量安排上，不得不精打细算。

同样，中国空间站在设计的时候也需要考虑这些问题，尽量做到让有限的燃料发挥最大的作用。譬如，中国空间站没有采用传统的化学燃料推进器，而是采用了霍尔推进器，以降低空间站的维护管理成本。后者最大的优点就是所需的燃料质量大大减少，缺点是现在的推力还比较小。推力小自然也就不敢带太多的载荷。

不过未来，当传说中的“长征9号”重型运载火箭和新一代空间站推进器问世后，中国肯定会建设更大的空间站乃至在月球建立国际月球科研站甚至月球基地，相应的，环境空气监测系统势必也将会有一个全新的升级，像质谱检测器这样的高灵敏度设备就有可能被考虑使用，从而为航天员提供更加可靠、全面的健康安全保障。

特别声明：本文所涉技术内容均来自公开发布资料。