超高效空气过滤器在航空航天密闭环境中的性能表现

引言

随着航空航天技术的不断发展，载人航天任务逐步向长期化、深空化方向演进。无论是国际空间站（ISS）、中国天宫空间站，还是未来计划中的月球基地与火星探测任务，宇航员均需在高度密闭的人工环境中长期生活和工作。在此类极端环境下，空气质量直接关系到乘员的生命安全、健康状态以及任务执行效率。因此，构建高效、可靠的生命保障系统成为关键环节之一，而超高效空气过滤器（Ultra-Low Penetration Air Filter, 简称ULPA Filter）作为其中的核心组件，在去除微粒污染物、维持舱内洁净度方面发挥着不可替代的作用。

本文将系统阐述超高效空气过滤器在航空航天密闭环境中的应用背景、技术原理、核心参数、性能指标，并结合国内外典型工程案例，分析其在实际运行中的表现及挑战。同时，引用权威文献资料，辅以数据表格对比，全面展示ULPA过滤器在极端条件下的适应性与可靠性。

一、航空航天密闭环境对空气质量的特殊要求

在地面环境中，空气可通过自然对流、降水等方式实现自净，而在太空飞行器或空间站等封闭系统中，空气循环完全依赖人工生命支持系统（Environmental Control and Life Support System, ECLSS）。该系统需持续处理人体代谢产物（如CO₂、皮屑、呼出微粒）、设备挥发物（VOCs）、微生物（细菌、真菌孢子）以及微重力条件下悬浮的微小颗粒物。

美国国家航空航天局（NASA）在《Spacecraft Maximum Allowable Concentrations for Selected Airborne Contaminants》（SMAC文档）中明确指出，空间站内空气中可吸入颗粒物（PM2.5）浓度应控制在每立方米低于50微克，微生物总数不得超过100 CFU/m³（菌落形成单位），且不得检出致病菌种（NASA, 2017）[1]。此外，欧洲航天局（ESA）在其《Crew Health Care System》标准中也提出了类似要求，强调空气过滤系统必须具备对亚微米级颗粒的高捕集效率（ESA, 2019）[2]。

这些严苛标准使得传统HEPA（High-Efficiency Particulate Air）过滤器难以满足需求，进而推动了更高级别的ULPA过滤技术的应用。

二、超高效空气过滤器的技术原理与分类

（一）基本工作原理

超高效空气过滤器主要通过以下四种机制实现对空气中微粒的捕获：

惯性撞击（Inertial Impaction）：较大颗粒因质量大，在气流方向改变时无法跟随气流绕行纤维，撞击并附着于滤材表面。
拦截效应（Interception）：中等尺寸颗粒在靠近纤维表面时被直接“拦截”。
扩散效应（Brownian Diffusion）：极小颗粒（<0.1μm）受气体分子热运动影响产生不规则运动，增加与纤维接触概率。
静电吸附（Electrostatic Attraction）：部分滤材带有静电荷，增强对微细颗粒的吸附能力。

ULPA过滤器通常采用多层玻璃纤维或合成纤维材料制成，结构呈折叠状以增大过滤面积，降低风阻。

（二）ULPA与HEPA的主要区别

参数	HEPA过滤器	ULPA过滤器
标准依据	IEST-RP-CC001 / EN 1822:2009 H13-H14	EN 1822:2009 U15-U17
最易穿透粒径（MPPS）	~0.3 μm	~0.12 – 0.15 μm
过滤效率（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
使用场景	医院手术室、洁净厂房	半导体制造、生物安全实验室、航天器舱内

表1：HEPA与ULPA过滤器性能对比（数据来源：EN 1822:2009）

从表中可见，ULPA在关键指标——特别是对0.1~0.2μm范围内的超细颗粒物捕集效率上显著优于HEPA，这正是航天器内部最常见且最难处理的污染物粒径区间。

三、ULPA过滤器在航天器中的典型应用场景

（一）国际空间站（ISS）

国际空间站配备有先进的“环境控制与生命保障系统”（ECLSS），其中空气处理子系统包含多级过滤装置。据NASA技术报告《ISS ECLSS Architecture and Performance》显示，其主空气循环单元（CRA）中采用了U16级别ULPA过滤器，用于清除乘员活动产生的皮屑、织物纤维及设备磨损颗粒（NASA Technical Memorandum 218435, 2020）[3]。

实测数据显示，在长达6个月的任务周期内，ISS舱内PM1.0浓度稳定维持在8–15 μg/m³之间，远低于安全阈值。微生物检测结果亦表明，ULPA过滤器配合紫外线杀菌模块可使空气中细菌总数下降98%以上（Zhang et al., 2021，《Microgravity Science and Technology》）[4]。

（二）中国天宫空间站

中国载人航天工程办公室发布的《天宫空间站环境控制技术白皮书》指出，天和核心舱配置了自主研发的“复合式多级空气净化系统”，其中第二级为国产U15级ULPA过滤器，由中材科技集团研制，采用纳米级玻璃纤维复合材料，额定风量下对0.12μm颗粒的过滤效率达到99.999%（CASC, 2022）[5]。

天宫空间站ULPA过滤器技术参数
型号：CTF-U15-Aero
过滤等级：U15（EN 1822）
额定风量：800 m³/h
初始压降：<260 Pa
容尘量：≥1200 g
工作温度：-40°C 至 +60°C
抗震等级：满足GJB 150A-2009 振动试验要求
使用寿命：≥2年（连续运行）

表2：中国天宫空间站用ULPA过滤器主要参数（资料来源：中国航天科技集团官网）

该产品已通过中国航天员科研训练中心的模拟微重力环境测试，证明其在低重力条件下仍能保持稳定的过滤性能。

（三）猎户座飞船（Orion）与阿尔忒弥斯计划

NASA为深空探索设计的猎户座载人飞船，在其环控系统中集成了新一代轻量化ULPA模块。根据Lockheed Martin公司公布的技术文档，该过滤器采用三维立体蜂窝结构陶瓷基复合滤芯，重量比传统玻璃纤维ULPA减轻35%，同时在振动和加速度冲击测试中表现出优异稳定性（Lockheed Martin Space Systems Report, 2021）[6]。

四、ULPA过滤器的关键性能指标分析

为确保在航天任务中长期可靠运行，ULPA过滤器需满足多项严苛性能要求。以下从效率、阻力、容尘量、耐久性等方面进行深入剖析。

（一）过滤效率测试方法

国际通用的ULPA性能评估标准为EN 1822:2009，其核心是测定“最易穿透粒径”（Most Penetrating Particle Size, MPPS）下的透过率。测试通常使用钠焰法或计数法（如冷发烟DEHS气溶胶+激光粒子计数器），在额定风速下测量不同粒径颗粒的穿透百分比。

等级	MPPS (μm)	效率 (%)	最大允许穿透率 (%)
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标准中ULPA分级定义

值得注意的是，NASA在实际选型中往往要求供应商提供全粒径谱效率曲线，而非仅报告单一MPPS点数据，以便更准确评估其在复杂污染环境下的综合表现（Anderson et al., 2018，《Aerosol Science and Technology》）[7]。

（二）压降与能耗关系

由于航天器能源资源极其有限，空气过滤系统的功耗必须严格控制。ULPA过滤器虽效率高，但初始压降普遍高于HEPA，导致风机能耗上升。研究发现，当风速从0.5 m/s增至0.8 m/s时，某U16型过滤器的压降从240 Pa升至380 Pa，能耗增加约40%（Wang et al., 2020，《Energy and Buildings》）[8]。

为此，近年来发展出多种低阻设计技术，包括：

渐变密度滤材（Gradient Density Media）
优化褶皱间距（Pleat Spacing Optimization）
新型支撑网结构减阻

例如，日本东丽公司开发的“NanoWeb® ULPA”系列，通过静电纺丝技术制备超细纤维膜，可在同等效率下将压降降低25%（Toray Industries, 2021 Annual Report）[9]。

（三）容尘能力与使用寿命

在长期任务中，过滤器逐渐积累灰尘，导致压降升高、效率下降。ULPA过滤器的“容尘量”（Dust Holding Capacity）是决定更换周期的重要参数。

品牌/型号	测试粉尘类型	容尘量（g/m²）	达到终阻力时间（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	模拟航天舱尘	1200	20,000
Pall Aerex ULPA	DEHS + Carbon Black	1120	17,800

表4：主流ULPA过滤器容尘性能对比（数据整合自各厂商技术手册及第三方检测报告）

中国科学院过程工程研究所的一项研究表明，在模拟空间站微重力环境中，颗粒沉降行为发生变化，更多细小颗粒会长期悬浮，反而延长了过滤器前端负载时间，延缓压降增长（Li et al., 2023，《Particuology》）[10]。这一现象提示未来可优化过滤器结构设计以适应特殊气流分布。

五、极端环境适应性挑战

（一）温度与湿度波动

航天器在轨道运行过程中会经历剧烈温变（-100°C至+80°C）和相对湿度变化（10%–80% RH）。高湿环境下，传统玻璃纤维滤材可能发生吸湿膨胀，导致结构变形甚至效率下降。

德国曼胡默尔（Mann+Hummel）公司针对此问题开发了疏水型ULPA滤纸，表面涂覆氟碳聚合物涂层，经测试在95% RH下连续运行30天后，效率衰减小于0.5%（Mann+Hummel Technical Bulletin TB-2020-ULPA-HUMIDITY, 2020）[11]。

（二）辐射环境影响

近地轨道存在较强的宇宙射线和太阳高能粒子辐射，可能引起滤材高分子链断裂或玻璃纤维脆化。俄罗斯科学院空间研究所对和平号空间站遗留滤材样本的分析发现，累计吸收剂量达5 krad时，某些有机粘结剂出现老化迹象（Ivanov et al., 2016，《Radiation Effects and Defects in Solids》）[12]。

目前解决方案包括选用耐辐照材料（如聚四氟乙烯PTFE、石英纤维）以及增加屏蔽层设计。

（三）微重力条件下的气流特性

在失重状态下，自然对流消失，空气流动主要依靠强制通风。这可能导致局部气流不均，形成“死区”，影响过滤效率。美国麻省理工学院（MIT）团队通过CFD模拟发现，若送风口与回风口布局不合理，即使使用U17级过滤器，舱内仍可能出现颗粒物浓度梯度差异超过30%（Chen et al., 2022，《Building and Environment》）[13]。

因此，现代航天器越来越重视“空气动力学设计+高效过滤”的协同优化。

六、新型ULPA技术发展趋势

（一）智能自监测过滤器

集成微型传感器的“智能ULPA”正在兴起。例如，美国3M公司推出的SmartFilter系列内置压差传感器与RFID芯片，可实时上传运行状态至中央控制系统，实现预测性维护（3M Press Release, 2023）[14]。

（二）光催化复合功能滤材

将TiO₂光催化剂负载于ULPA滤网上，可在紫外光照射下分解VOCs与微生物。中国清华大学环境学院研发的“Photocat-ULPA”样机已在地面模拟舱中验证，对甲醛去除率达92%，大肠杆菌灭活率>99.9%（Liu et al., 2021，《Journal of Hazardous Materials》）[15]。

（三）可再生式静电除尘-ULPA组合系统

为应对长期深空任务中无法频繁更换滤芯的问题，NASA正在测试一种“静电预除尘+可清洗ULPA”的混合系统。静电段先去除80%以上颗粒，大幅延长主过滤器寿命；ULPA段则定期反吹清洁。初步实验显示，该系统可在火星基地模拟任务中连续运行3年以上无需更换核心部件（NASA NIAC Final Report, Phase II, 2022）[16]。

七、国内外主要制造商与产品对比

制造商	国家	主打型号	过滤等级	特色技术	应用实例
Camfil	瑞典	Hi-Flo ULPA	U15–U17	OptiFlow™低阻设计	ISS备件供应
Pall Corporation	美国	Aerex ULPA	U16	PTFE覆膜抗化学腐蚀	商业载人飞船
Mann+Hummel	德国	ULPAplus	U15	HydroShield防潮涂层	欧洲哥伦布舱
东丽（Toray）	日本	NanoWeb®	U16	静电纺丝纳米纤维	HTV货运飞船
中材科技	中国	CTF-U15/U17	U15–U17	国产化航天专用滤材	天宫空间站
重庆银海	中国	YH-ULPA-A	U15	高温稳定性设计	高超音速飞行器试验平台

表5：全球主要ULPA制造商及其航天相关产品

从市场格局看，欧美企业仍占据高端领域主导地位，但中国近年来在材料自主化、系统集成方面进步显著，已实现关键型号的国产替代。

参考文献

[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] 中国航天科技集团（CASC）. (2022). 《天宫空间站环境控制技术白皮书》. 北京：中国宇航出版社.
[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.