超高效空氣過濾器在航空航天密閉環境中的性能表現 引言 隨著航空航天技術的不斷發展，載人航天任務逐步向長期化、深空化方向演進。無論是國際空間站（ISS）、中國天宮空間站，還是未來計劃中的月球基地...
超高效空氣過濾器在航空航天密閉環境中的性能表現
引言
隨著航空航天技術的不斷發展，載人航天任務逐步向長期化、深空化方向演進。無論是國際空間站（ISS）、中國天宮空間站，還是未來計劃中的月球基地與火星探測任務，宇航員均需在高度密閉的人工環境中長期生活和工作。在此類極端環境下，空氣質量直接關係到乘員的生命安全、健康狀態以及任務執行效率。因此，構建高效、可靠的生命保障係統成為關鍵環節之一，而超高效空氣過濾器（Ultra-Low Penetration Air Filter, 簡稱ULPA Filter）作為其中的核心組件，在去除微粒汙染物、維持艙內潔淨度方麵發揮著不可替代的作用。
本文將係統闡述超高效空氣過濾器在航空航天密閉環境中的應用背景、技術原理、核心參數、性能指標，並結合國內外典型工程案例，分析其在實際運行中的表現及挑戰。同時，引用權威文獻資料，輔以數據表格對比，全麵展示ULPA過濾器在極端條件下的適應性與可靠性。
一、航空航天密閉環境對空氣質量的特殊要求
在地麵環境中，空氣可通過自然對流、降水等方式實現自淨，而在太空飛行器或空間站等封閉係統中，空氣循環完全依賴人工生命支持係統（Environmental Control and Life Support System, ECLSS）。該係統需持續處理人體代謝產物（如CO₂、皮屑、呼出微粒）、設備揮發物（VOCs）、微生物（細菌、真菌孢子）以及微重力條件下懸浮的微小顆粒物。
美國國家航空航天局（NASA）在《Spacecraft Maximum Allowable Concentrations for Selected Airborne Contaminants》（SMAC文檔）中明確指出，空間站內空氣中可吸入顆粒物（PM2.5）濃度應控製在每立方米低於50微克，微生物總數不得超過100 CFU/m³（菌落形成單位），且不得檢出致病菌種（NASA, 2017）[1]。此外，歐洲航天局（ESA）在其《Crew Health Care System》標準中也提出了類似要求，強調空氣過濾係統必須具備對亞微米級顆粒的高捕集效率（ESA, 2019）[2]。
這些嚴苛標準使得傳統HEPA（High-Efficiency Particulate Air）過濾器難以滿足需求，進而推動了更高級別的ULPA過濾技術的應用。
二、超高效空氣過濾器的技術原理與分類
（一）基本工作原理
超高效空氣過濾器主要通過以下四種機製實現對空氣中微粒的捕獲：
- 慣性撞擊（Inertial Impaction）：較大顆粒因質量大，在氣流方向改變時無法跟隨氣流繞行纖維，撞擊並附著於濾材表麵。
- 攔截效應（Interception）：中等尺寸顆粒在靠近纖維表麵時被直接“攔截”。
- 擴散效應（Brownian Diffusion）：極小顆粒（<0.1μm）受氣體分子熱運動影響產生不規則運動，增加與纖維接觸概率。
- 靜電吸附（Electrostatic Attraction）：部分濾材帶有靜電荷，增強對微細顆粒的吸附能力。
ULPA過濾器通常采用多層玻璃纖維或合成纖維材料製成，結構呈折疊狀以增大過濾麵積，降低風阻。
（二）ULPA與HEPA的主要區別
| 參數 | HEPA過濾器 | ULPA過濾器 |
|---|---|---|
| 標準依據 | IEST-RP-CC001 / EN 1822:2009 H13-H14 | EN 1822:2009 U15-U17 |
| 易穿透粒徑（MPPS） | ~0.3 μm | ~0.12 – 0.15 μm |
| 過濾效率（MPPS） | ≥99.95% (H13), ≥99.995% (H14) | ≥99.999% (U15), ≥99.9995% (U16), ≥99.9999% (U17) |
| 初始阻力（Pa） | 180 – 250 | 220 – 300 |
| 使用場景 | 醫院手術室、潔淨廠房 | 半導體製造、生物安全實驗室、航天器艙內 |
表1：HEPA與ULPA過濾器性能對比（數據來源：EN 1822:2009）
從表中可見，ULPA在關鍵指標——特別是對0.1~0.2μm範圍內的超細顆粒物捕集效率上顯著優於HEPA，這正是航天器內部常見且難處理的汙染物粒徑區間。
三、ULPA過濾器在航天器中的典型應用場景
（一）國際空間站（ISS）
國際空間站配備有先進的“環境控製與生命保障係統”（ECLSS），其中空氣處理子係統包含多級過濾裝置。據NASA技術報告《ISS ECLSS Architecture and Performance》顯示，其主空氣循環單元（CRA）中采用了U16級別ULPA過濾器，用於清除乘員活動產生的皮屑、織物纖維及設備磨損顆粒（NASA Technical Memorandum 218435, 2020）[3]。
實測數據顯示，在長達6個月的任務周期內，ISS艙內PM1.0濃度穩定維持在8–15 μg/m³之間，遠低於安全閾值。微生物檢測結果亦表明，ULPA過濾器配合紫外線殺菌模塊可使空氣中細菌總數下降98%以上（Zhang et al., 2021，《Microgravity Science and Technology》）[4]。
（二）中國天宮空間站
中國載人航天工程辦公室發布的《天宮空間站環境控製技術白皮書》指出，天和核心艙配置了自主研發的“複合式多級空氣淨化係統”，其中第二級為國產U15級ULPA過濾器，由中材科技集團研製，采用納米級玻璃纖維複合材料，額定風量下對0.12μm顆粒的過濾效率達到99.999%（CASC, 2022）[5]。
| 天宮空間站ULPA過濾器技術參數 |
|---|
| 型號：CTF-U15-Aero |
| 過濾等級：U15（EN 1822） |
| 額定風量：800 m³/h |
| 初始壓降：<260 Pa |
| 容塵量：≥1200 g |
| 工作溫度：-40°C 至 +60°C |
| 抗震等級：滿足GJB 150A-2009 振動試驗要求 |
| 使用壽命：≥2年（連續運行） |
表2：中國天宮空間站用ULPA過濾器主要參數（資料來源：中國航天科技集團官網）
該產品已通過中國航天員科研訓練中心的模擬微重力環境測試，證明其在低重力條件下仍能保持穩定的過濾性能。
（三）獵戶座飛船（Orion）與阿爾忒彌斯計劃
NASA為深空探索設計的獵戶座載人飛船，在其環控係統中集成了新一代輕量化ULPA模塊。根據Lockheed Martin公司公布的技術文檔，該過濾器采用三維立體蜂窩結構陶瓷基複合濾芯，重量比傳統玻璃纖維ULPA減輕35%，同時在振動和加速度衝擊測試中表現出優異穩定性（Lockheed Martin Space Systems Report, 2021）[6]。
四、ULPA過濾器的關鍵性能指標分析
為確保在航天任務中長期可靠運行，ULPA過濾器需滿足多項嚴苛性能要求。以下從效率、阻力、容塵量、耐久性等方麵進行深入剖析。
（一）過濾效率測試方法
國際通用的ULPA性能評估標準為EN 1822:2009，其核心是測定“易穿透粒徑”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）下的透過率。測試通常使用鈉焰法或計數法（如冷發煙DEHS氣溶膠+激光粒子計數器），在額定風速下測量不同粒徑顆粒的穿透百分比。
| 等級 | MPPS (μm) | 效率 (%) | 大允許穿透率 (%) |
|---|---|---|---|
| U15 | 0.12–0.15 | ≥99.999 | ≤0.001 |
| U16 | 0.12–0.15 | ≥99.9995 | ≤0.0005 |
| U17 | 0.12–0.15 | ≥99.9999 | ≤0.0001 |
表3：EN 1822標準中ULPA分級定義
值得注意的是，NASA在實際選型中往往要求供應商提供全粒徑譜效率曲線，而非僅報告單一MPPS點數據，以便更準確評估其在複雜汙染環境下的綜合表現（Anderson et al., 2018，《Aerosol Science and Technology》）[7]。
（二）壓降與能耗關係
由於航天器能源資源極其有限，空氣過濾係統的功耗必須嚴格控製。ULPA過濾器雖效率高，但初始壓降普遍高於HEPA，導致風機能耗上升。研究發現，當風速從0.5 m/s增至0.8 m/s時，某U16型過濾器的壓降從240 Pa升至380 Pa，能耗增加約40%（Wang et al., 2020，《Energy and Buildings》）[8]。
為此，近年來發展出多種低阻設計技術，包括：
- 漸變密度濾材（Gradient Density Media）
- 優化褶皺間距（Pleat Spacing Optimization）
- 新型支撐網結構減阻
例如，日本東麗公司開發的“NanoWeb® ULPA”係列，通過靜電紡絲技術製備超細纖維膜，可在同等效率下將壓降降低25%（Toray Industries, 2021 Annual Report）[9]。
（三）容塵能力與使用壽命
在長期任務中，過濾器逐漸積累灰塵，導致壓降升高、效率下降。ULPA過濾器的“容塵量”（Dust Holding Capacity）是決定更換周期的重要參數。
| 品牌/型號 | 測試粉塵類型 | 容塵量（g/m²） | 達到終阻力時間（h）@0.45 m/s |
|---|---|---|---|
| Camfil AeroSmart ULPA | ASHRAE Dust | 1150 | 18,000 |
| Donaldson UltiGuard X | KCl Aerosol | 1080 | 16,500 |
| 中材CTF-U15 | 模擬航天艙塵 | 1200 | 20,000 |
| Pall Aerex ULPA | DEHS + Carbon Black | 1120 | 17,800 |
表4：主流ULPA過濾器容塵性能對比（數據整合自各廠商技術手冊及第三方檢測報告）
中國科學院過程工程研究所的一項研究表明，在模擬空間站微重力環境中，顆粒沉降行為發生變化，更多細小顆粒會長期懸浮，反而延長了過濾器前端負載時間，延緩壓降增長（Li et al., 2023，《Particuology》）[10]。這一現象提示未來可優化過濾器結構設計以適應特殊氣流分布。
五、極端環境適應性挑戰
（一）溫度與濕度波動
航天器在軌道運行過程中會經曆劇烈溫變（-100°C至+80°C）和相對濕度變化（10%–80% RH）。高濕環境下，傳統玻璃纖維濾材可能發生吸濕膨脹，導致結構變形甚至效率下降。
德國曼胡默爾（Mann+Hummel）公司針對此問題開發了疏水型ULPA濾紙，表麵塗覆氟碳聚合物塗層，經測試在95% RH下連續運行30天後，效率衰減小於0.5%（Mann+Hummel Technical Bulletin TB-2020-ULPA-HUMIDITY, 2020）[11]。
（二）輻射環境影響
近地軌道存在較強的宇宙射線和太陽高能粒子輻射，可能引起濾材高分子鏈斷裂或玻璃纖維脆化。俄羅斯科學院空間研究所對和平號空間站遺留濾材樣本的分析發現，累計吸收劑量達5 krad時，某些有機粘結劑出現老化跡象（Ivanov et al., 2016，《Radiation Effects and Defects in Solids》）[12]。
目前解決方案包括選用耐輻照材料（如聚四氟乙烯PTFE、石英纖維）以及增加屏蔽層設計。
（三）微重力條件下的氣流特性
在失重狀態下，自然對流消失，空氣流動主要依靠強製通風。這可能導致局部氣流不均，形成“死區”，影響過濾效率。美國麻省理工學院（MIT）團隊通過CFD模擬發現，若送風口與回風口布局不合理，即使使用U17級過濾器，艙內仍可能出現顆粒物濃度梯度差異超過30%（Chen et al., 2022，《Building and Environment》）[13]。
因此，現代航天器越來越重視“空氣動力學設計+高效過濾”的協同優化。
六、新型ULPA技術發展趨勢
（一）智能自監測過濾器
集成微型傳感器的“智能ULPA”正在興起。例如，美國3M公司推出的SmartFilter係列內置壓差傳感器與RFID芯片，可實時上傳運行狀態至中央控製係統，實現預測性維護（3M Press Release, 2023）[14]。
（二）光催化複合功能濾材
將TiO₂光催化劑負載於ULPA濾網上，可在紫外光照射下分解VOCs與微生物。中國清華大學環境學院研發的“Photocat-ULPA”樣機已在地麵模擬艙中驗證，對甲醛去除率達92%，大腸杆菌滅活率>99.9%（Liu et al., 2021，《Journal of Hazardous Materials》）[15]。
（三）可再生式靜電除塵-ULPA組合係統
為應對長期深空任務中無法頻繁更換濾芯的問題，NASA正在測試一種“靜電預除塵+可清洗ULPA”的混合係統。靜電段先去除80%以上顆粒，大幅延長主過濾器壽命；ULPA段則定期反吹清潔。初步實驗顯示，該係統可在火星基地模擬任務中連續運行3年以上無需更換核心部件（NASA NIAC Final Report, Phase II, 2022）[16]。
七、國內外主要製造商與產品對比
| 製造商 | 國家 | 主打型號 | 過濾等級 | 特色技術 | 應用實例 |
|---|---|---|---|---|---|
| Camfil | 瑞典 | Hi-Flo ULPA | U15–U17 | OptiFlow™低阻設計 | ISS備件供應 |
| Pall Corporation | 美國 | Aerex ULPA | U16 | PTFE覆膜抗化學腐蝕 | 商業載人飛船 |
| Mann+Hummel | 德國 | ULPAplus | U15 | HydroShield防潮塗層 | 歐洲哥倫布艙 |
| 東麗（Toray） | 日本 | NanoWeb® | U16 | 靜電紡絲納米纖維 | HTV貨運飛船 |
| 中材科技 | 中國 | CTF-U15/U17 | U15–U17 | 國產化航天專用濾材 | 天宮空間站 |
| 重慶銀海 | 中國 | YH-ULPA-A | U15 | 高溫穩定性設計 | 高超音速飛行器試驗平台 |
表5：全球主要ULPA製造商及其航天相關產品
從市場格局看，歐美企業仍占據高端領域主導地位，但中國近年來在材料自主化、係統集成方麵進步顯著，已實現關鍵型號的國產替代。
參考文獻
[1] NASA. (2017). Spacecraft Maximum Allowable Concentrations for Selected Airborne Contaminants, Volume 4. National Aeronautics and Space Administration.
[2] ESA. (2019). Crew Health Care System (CHeCS) Requirements Document, Issue 3. European Space Agency.
[3] NASA. (2020). ISS ECLSS Architecture and Performance. NASA Technical Memorandum 218435.
[4] Zhang, L., et al. (2021). "Microbial air quality control in manned spacecraft: A review." Microgravity Science and Technology, 33(2), 1–12.
[5] 中國航天科技集團（CASC）. (2022). 《天宮空間站環境控製技術白皮書》. 北京：中國宇航出版社.
[6] Lockheed Martin. (2021). Orion Environmental Control Subsystem Design Overview. Internal Technical Report.
[7] Anderson, J., et al. (2018). "Full-spectrum efficiency testing of ULPA filters under simulated space conditions." Aerosol Science and Technology, 52(6), 678–689.
[8] Wang, Y., et al. (2020). "Energy performance optimization of ULPA filters in closed-loop life support systems." Energy and Buildings, 225, 110234.
[9] Toray Industries. (2021). Annual Report on Advanced Filtration Technologies. Tokyo: Toray Publications.
[10] Li, H., et al. (2023). "Particle deposition behavior in microgravity: Implications for air filter design." Particuology, 78, 45–53.
[11] Mann+Hummel. (2020). Technical Bulletin: Humidity Resistance of ULPA Filters in Extreme Environments. TB-2020-ULPA-HUMIDITY.
[12] Ivanov, V., et al. (2016). "Radiation-induced degradation of air filtration materials in long-duration space missions." Radiation Effects and Defects in Solids, 171(5-6), 321–330.
[13] Chen, Q., et al. (2022). "CFD analysis of airflow uniformity and particle distribution in spacecraft cabins." Building and Environment, 211, 108765.
[14] 3M Company. (2023). Launch of SmartFilter™ with Real-Time Monitoring for Aerospace Applications. Press Release.
[15] Liu, X., et al. (2021). "Development of photocatalytic ULPA filters for simultaneous particulate and VOC removal in confined environments." Journal of Hazardous Materials, 403, 123987.
[16] NASA NIAC. (2022). Regenerable Air Filtration System for Mars Habitats: Phase II Final Report. NASA Innovative Advanced Concepts Program.
（全文約3,680字）
==========================
