气体分离膜——航天器大气环境与航空制氧系统的“气体管家”

当航天员在空间站里呼吸着和地面几乎一样的新鲜空气，当高空飞行的战斗机飞行员不用再依赖沉重的液氧储罐供氧，这一切的背后，都离不开气体分离膜技术的支撑。作为航空航天领域的“气体管家”，气体分离膜可以在不同场景下精准混合、提纯、分离各类气体，为航空航天装备构建出安全、高效的大气环境保障体系。

在载人航天器的密闭舱体内，大气成分控制是环控生保系统的核心任务之一。正常情况下，航天员呼吸会消耗氧气、排出二氧化碳，同时还会挥发出来微量的丙酮、乙醇等代谢废气，如果这些有害气体不能及时脱除，就会在舱内累积，引发航天员头晕、恶心等慢性中毒反应。传统的航天器大气净化系统采用活性炭吸附罐，不仅体积大、重量高，还需要定期进行加热再生，消耗大量的能源。而采用气体分离膜技术的新型净化系统，采用聚二甲基硅氧烷改性的复合膜材料，利用不同气体分子在膜内的溶解扩散速率差异，可以将舱内空气中的微量挥发性有机物（VOC）和氧气、氮气分离开来，分离效率比传统吸附方式提升了3倍，系统重量减轻了60%。

中国空间站的问天实验舱就搭载了这套自主研发的气体分离膜大气净化装置，经过在轨实测，对丙酮、乙醇等常见代谢废气的脱除率达到98.5%以上，舱内的VOC总浓度始终控制在0.5ppm以下，远低于国际空间站的相关标准。更重要的是，这套气体分离膜系统不需要频繁的再生操作，连续无维护运行时间超过5年，大幅减少了航天员的维护工作量，让他们可以把更多时间投入到空间科学实验中。除了净化废气，气体分离膜还参与到空间站的氧循环过程中，电解水产生的氧气中会混有微量的氢气，专门设计的氢气分离膜可以将混在氧气中的氢气完全脱除，避免出现氢氧混合爆炸的安全隐患，这套分离膜的氢气脱除率达到99.99%，彻底消除了空间站氧循环系统的安全风险。

在航空领域，气体分离膜最核心的应用是机载原位制氧系统。传统的军用战斗机采用液氧储罐供氧，一次加注只能支持3-4小时的飞行任务，不仅限制了战斗机的续航能力，液氧在飞行过程中还有泄漏和爆炸的安全隐患。上世纪80年代，西方航空强国开始将气体分离膜应用到战斗机的机载制氧系统中，直接从发动机的压气机引气中分离出高浓度的氧气，实现“无限续航”式的供氧。我国从2000年开始启动国产机载气体分离膜的技术攻关，研发团队突破了聚酰亚胺膜材料的纺丝工艺瓶颈，制备出的中空纤维气体分离膜，在400kPa的进气压力下，氧气的纯度可以达到95%以上，氧气回收率超过45%，性能指标达到了国际同类产品的先进水平。

目前这套完全国产化的气体分离膜机载制氧系统已经全面列装歼-20、歼-16等国产新型战机，彻底摆脱了对液氧储罐的依赖，战斗机的转场航程和持续作战能力得到了质的提升。不仅是军用飞机，国产民用大飞机C919也在测试基于气体分离膜的新型机载制氧系统，相比传统的化学氧源，膜法制氧系统的响应速度更快，供氧流量可以根据乘客人数自动调节，进一步提升了民航客机的安全冗余。从万米高空的战斗机座舱到400公里轨道上的空间站舱体，气体分离膜就像一位精准的“气体管家”，用分子级的筛分能力，为每一位飞行人员守护着呼吸的安全与舒适。