国际空间站生命维持系统 ECLSS(环境控制与生命保障系统)
分为美国段再生式 ECLSS(宁静舱 Node3 为主)+ 俄罗斯段独立备份系统,整体是半闭环理化再生系统,不是完全生态闭环,有持续补给、少量损耗排放NASA。
一、核心构成(美段)
1. 水循环系统 WRS(Water Recovery System)两大组件:
- UPA 尿液处理组件:微重力下离心蒸馏,把尿液蒸馏出水蒸气,冷凝成原水;
- WPA 水处理组件:过滤、离子交换、催化氧化,去除有机物、微生物、杂质,产出符合饮用标准的纯水。 回收水源:尿液、呼吸 + 汗液凝结水、洗漱废水、冷凝水;水回收率约 93%,产出的水一部分饮用、洗漱,一部分送去电解制氧NASA。
2. 空气再生系统 AR
- CDRA 二氧化碳去除组件:沸石分子筛双床交替工作。一床吸附 CO₂,另一床对着太空真空解吸释放 CO₂;交替循环,持续清除呼出二氧化碳;备用是氢氧化锂消耗罐PMC。
- 微量污染物去除:活性炭 + 催化氧化,清除塑料、设备挥发的 VOC、异味气体;
- 风机、风道:舱内强制空气流动,微重力下没有自然对流,必须靠风扇循环,防止 CO₂在人头附近聚集。
- OGA 电解制氧组件:用电解槽把 WRS 送来的纯水电解:2H₂O→2H₂↑ + O₂↑
氧气送入舱内;氢气有两个去向:直接排太空 / 送入萨巴蒂尔反应器NASA - CReA 萨巴蒂尔反应器:CO₂ + 4H₂→ CH₄ + 2H₂O
CDRA 捕获的 CO₂ + 电解产生的氢气反应,生成甲烷(排入太空)+ 再生水,再生水回到水循环系统,进一步闭合循环,减少补给压力。
舱内维持约 22~24℃、合适湿度;空气换热,空气中水汽冷凝,冷凝水全部收集送入 WRS 回收;热量通过内部冷却液回路,输送到外部辐射散热器排到太空。
5. 大气压力与组分控制 ACS舱内是氮氧混合大气(和地球接近,1atm 左右):氧气分压、氮气压力监控;漏气、舱门泄压损失的气体由高压气瓶、货运飞船补给。
6. 火灾探测与抑制、废物管理烟雾探测、二氧化碳灭火;固体垃圾压缩打包,装在货运飞船返回舱烧毁;液体废水统一收集进入水循环。
7. 俄罗斯段独立备份(Zvezda 曙光 / 星辰舱)- Elektron:俄式水电解制氧
- Vozdukh:俄式 CO₂吸附清除系统,和美国 CDRA 互为备份,一套故障另一套兜底
二、完整运行流程(简化循环链路)
- 航天员呼吸:消耗 O₂,呼出 CO₂、水汽;出汗、洗漱产生废水;
- 湿气凝结、尿液、废水 → UPA 蒸馏 → WPA 深度净化 → 洁净水;
- 洁净水分两路:①航天员饮用、生活用水;②送入 OGA 电解;
- OGA 电解得到 O₂(进舱呼吸)+ H₂;
- 舱内含 CO₂空气进入 CDRA,吸附分离出 CO₂;
- CO₂ + H₂送入萨巴蒂尔反应器 → 甲烷(排太空)+ 新水(回 WRS);
- 微量有害气体被活性炭、催化装置分解;
- 温控系统收集余热,向外太空辐射散热;
- 系统存在损耗(漏气、排放甲烷、微量杂质),定期靠货运飞船补给水、氮气、备件,属于半闭环,不是自给自足。
三、关键补充
- 氧气不依靠氧气瓶为主力,气瓶只是应急备份;
- 萨巴蒂尔是 “二次回收”,提升水利用率,但不能把碳变回氧气;
- 微重力是最大难点:液体不会自然分层、气泡无法上浮,所以蒸馏、气液分离都要用离心结构;
- 两套体系(美 + 俄)并行,互为冗余,保障单点故障不致命。


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