郭雙生，董文平，艾為黨，馮紅旗，唐永康，黃志德，沈韞賾，任 錦，秦利鋒，曾 固，張立紅

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094;2中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094;3.西北工業(yè)大學(xué)生命學(xué)院，西安710072)

1 引言

長時間、遠距離和多乘員的載人飛行任務(wù)，必須依靠受控生態(tài)生保系統(tǒng)(controlled ecological life support system，CELSS)。CELSS的主要特點是可實現(xiàn)系統(tǒng)中物質(zhì)的完全閉合循環(huán)。20世紀50年代載人航天未開啟之前，美俄等國就開始了受控生態(tài)生保技術(shù)研究。俄羅斯70～80年代相繼開展了2～3人、120～180 d受控生態(tài)生保集成技術(shù)試驗，實現(xiàn)了物質(zhì)較高程度的閉合循環(huán)。90年代后期，NASA約翰遜航天中心組織實施高級生保系統(tǒng)計劃(Advanced Life Support Project，ALS)，建成了大型整合生保系統(tǒng)實驗裝置(Integrating Life Support System Test Facility，ILSSTF)，在其中進行了4人90 d生物與物化相結(jié)合的集成技術(shù)試驗研究，證明種植面積為10 m2的小麥能夠保障一個人的呼吸用O2需求，并能滿足1/4人的食品需求(小麥制成面包);生物不可食生物量(包括干枯的根、莖、葉等)的80%通過微生物反應(yīng)器技術(shù)轉(zhuǎn)化成植物營養(yǎng)液而被植物再利用［1-6］。

我國開展受控生態(tài)生保技術(shù)研究已有近20年的歷史，在植物培育和廢物循環(huán)利用等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破。利用受控生態(tài)系統(tǒng)集成實驗平臺，開展了2人30天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術(shù)試驗研究，重點探究密閉系統(tǒng)中人與植物間大氣和水的交換特性及其動態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)和機制，從而為下一步設(shè)計乘員更多、時間更長和閉合程度更高的大型受控生態(tài)生保整合試驗奠定基礎(chǔ)。

2 方法

2.1 乘員組成及其基礎(chǔ)代謝量測試

本次試驗共有兩名乘員參加，基本情況如下:乘員01號，男，38歲，身高170 cm，體重72 kg，博士學(xué)歷，環(huán)控生保專業(yè);乘員02號，男，32歲，身高173 cm，體重62.5 kg，碩士學(xué)歷，醫(yī)學(xué)專業(yè)。兩名乘員身體健康，無心腦血管疾病、運動系統(tǒng)疾病，無不良嗜好，心理相容性好。

在前期乘員代謝測試中，對兩名乘員每人每天的O2吸收量及CO2呼出量進行了測定。測定方法為:該實驗的邊界設(shè)定條件與正式進人實驗的完全相同;在為期3 d的基礎(chǔ)代謝測試試驗中，乘員按照正式實驗的作息制度模擬操作步驟，記錄每天始末的艙內(nèi)O2和CO2濃度，并根據(jù)每天的濃度差計算每人每天吸收O2及呼出CO2的平均值。計算公式為:

式中:KO2為每人每天消耗的O2量，g;KCO2為每人每天呼出的CO2質(zhì)量，g;ΔCO2為測試期間24 h O2濃度始末差值，%;ΔCCO2為測試期間24 h CO2濃度始末差值，%;V為試驗艙容積，301m3;MO2為O2分子量，32 g/mol;MCO2為 CO2分子量，44 g/mol;Vmol為艙內(nèi)氣體摩爾體積，24.5 L/mol。

2.2 實驗設(shè)備

參試設(shè)備為中國航天員中心研制的CELSS集成實驗平臺。該平臺主要包括植物艙、乘員艙、溫濕度與通風(fēng)控制等12個分系統(tǒng)。該平臺總?cè)莘e308 m3;植物艙容積為224 m3(長8 m×寬8 m×高3.5 m)，主要用于培養(yǎng)4類植物;乘員艙容積為84 m3(長8 m×寬3 m×高3.5 m)，主要是乘員生活、工作和進行相關(guān)科學(xué)試驗研究的場所。平臺如圖1所示。

圖1 受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成實驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Inside structure of the CELSS Integration Experiment Platform

2.3 供試植物

供試植物根據(jù)前期植物篩選試驗結(jié)果［7-9］，選擇4種色拉型蔬菜，即:生菜(Lactuca sativa L var.Dasusheng)、油麥菜(Lactuca sativa L var.Youmaicai)、苦菊(Cichorium endivia L)和紫背天葵(Gynura bicolor)。

2.4 植物培養(yǎng)與管理

4種植物的培養(yǎng)面積分別是:生菜16.5 m2，油麥菜16.5 m2，苦菊1.5 m2，紫背天葵1.5 m2。植物培養(yǎng)采用液培法，所用營養(yǎng)液為改良Hoagland營養(yǎng)液，電導(dǎo)率控制范圍為(2000±50)μS·cm-1，pH值控制范圍為6.3±0.15。光源為90%紅光+10%藍光的LED光源，光合有效輻射為500 μmol·m-2·s-1(燈板正下方30 cm 處)，24 h光照。營養(yǎng)液注入培養(yǎng)盤內(nèi)，上覆泡沫板，種子用海綿固定于泡沫板上的小孔內(nèi)，直接萌發(fā)。

植物培養(yǎng)第21 d時，乘員進艙，艙門封閉。之后由艙內(nèi)乘員及艙外人員共同對植物進行管理與測試。植物的管理測試包括營養(yǎng)液電導(dǎo)率及pH控制、光源控制、植物生長狀態(tài)觀察、光合速率測定、熒光動力學(xué)測定等。試驗期間，每3 d進行一次光合速率和熒光動力學(xué)測試。第40 d時對植物采樣進行一次營養(yǎng)品質(zhì)測試。植物培養(yǎng)第51 d，乘員出艙后進行樣品采收［10-12］。

2.5 大氣環(huán)境控制及泄漏率測試

2.5.1 大氣環(huán)境參數(shù)控制

試驗過程中對艙內(nèi)大氣環(huán)境進行嚴格控制，各參數(shù)設(shè)定值如表1所示。

表1 大氣環(huán)境參數(shù)設(shè)定值Table 1 Set values of air environment parameters

2.5.2 大氣泄漏率測試

試驗前期需進行氣體泄漏率測試，以掌握平臺艙體密閉情況，主要對CO2及O2的泄漏率情況進行測定。

CO2泄漏率測試方法:將艙門關(guān)閉，各法蘭、接口及傳遞窗均處于封閉狀態(tài)，大氣溫濕度、壓力調(diào)至試驗標準狀態(tài)，CO2濃度升至 2000 μmol·mo-1，系統(tǒng)自動記錄濃度動態(tài)變化。24 h后，根據(jù)CO2最終濃度計算以上狀態(tài)下的大氣CO2泄漏率。利用同樣方法測定 5000 μmol·mol-1、8000 μmol· mol-1和 10000 μmol·mol-1時的大氣CO2泄漏率。

O2泄漏率測試方法:與CO2類似，即艙體進入封閉狀態(tài)后，大氣溫濕度、壓力調(diào)至試驗狀態(tài)，利用充氮氣的方法將艙內(nèi)O2濃度降至19%。24 h后，根據(jù)O2濃度上升值計算O2泄漏率。

氣體泄漏率計算公式為:

式中:ΔC為氣體濃度始末差值;C為氣體初始濃度;T為時間，單位h;100為百分數(shù)轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.6 大氣和水平衡調(diào)控

2.6.1 大氣監(jiān)測與調(diào)控

試驗期間對大氣環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控。CO2濃度控制范圍為 2000 ～10000 μmol·mol-1，若超過上限，CO2應(yīng)急去除裝置自動開啟，CO2濃度降至 2000 μmol·mol-1時，去除裝置關(guān)閉;若CO2濃度在2000 μmol·mol-1以下時乘員與植物之間建立起穩(wěn)定的大氣交換平衡，不人為增加CO2濃度。O2濃度控制范圍為19% ～21%，低于下限時，O2應(yīng)急補充裝置自動開啟，O2濃度升至21%時，補充裝置關(guān)閉;若因植物產(chǎn)O2能力強導(dǎo)致O2濃度超過21%時不人為降低O2濃度。

乘員進艙后第24d開始進行植物照光面積與人之間的氣體交換調(diào)控試驗。通過關(guān)閉一定面積的燈板來調(diào)整植物面積(指進行光合作用的植物面積)，考核該面積的植物與乘員之間的代謝平衡情況。若O2濃度持續(xù)下降而CO2濃度持續(xù)上升，則證明該面積下植物產(chǎn)O2能力低于乘員耗O2量，需增加植物面積;若O2濃度持續(xù)上升而CO2濃度持續(xù)下降，則證明該面積下植物產(chǎn)O2能力超過乘員耗O2量，需減少植物面積;若CO2濃度和O2濃度達到新的動態(tài)平衡，則證明該面積下植物與乘員之間達到大氣交換平衡。

2.6.2 水的監(jiān)測與調(diào)控

試驗期間對用水量和排水量進行監(jiān)控，包括乘員飲水量、排尿量、洗漱用水等的計量、艙外收集廢水尿液量的計量、尿液凈化量與回收量的計量、冷凝水量計量、營養(yǎng)液用水量計量等。乘員生活用水及尿液通過管路于艙外收集，每天通過微生物廢水處理裝置進行處理，處理后經(jīng)檢測合格后，部分回收進入植物營養(yǎng)液。收集的冷凝水定量進入植物營養(yǎng)液，直接參與水循環(huán)。

2.7 食物供應(yīng)及固體廢物收集

圖2 受控生態(tài)生保系統(tǒng)2人30天集成試驗物質(zhì)流程總圖Fig.2 Material flow of the CELSS system

乘員在艙內(nèi)以航天食品作為主要食物，以植物艙生產(chǎn)的新鮮蔬菜作為補充。乘員中餐及晚餐分別定量食用兩種不同品種的蔬菜。試驗期間，對乘員大便及生活垃圾均進行收集和計量，此后進行專門的無害化處理。

2.8 系統(tǒng)整體性能評價

系統(tǒng)試驗中物質(zhì)流程如圖2所示。

受控生態(tài)生保系統(tǒng)整體性能評價指標主要有大氣閉合度、水閉合度、水循環(huán)利用率、系統(tǒng)能效比等，用于衡量系統(tǒng)的物質(zhì)閉合程度、物質(zhì)再生能力及能源利用效率等。計算公式如下:

3 結(jié)果與分析

3.1 乘員基礎(chǔ)代謝量測試結(jié)果

2人3天的乘員基礎(chǔ)代謝量測試結(jié)果具體如表2所示。

將表2所示代謝測試數(shù)據(jù)代入公式1和公式2計算得每人每天消耗的O2為755.0 g，每人每天呼出的CO2為843.0 g。

3.2 大氣環(huán)境參數(shù)控制及泄漏率測試結(jié)果

3.2.1 大氣泄漏率測試結(jié)果

根據(jù)泄漏率測試數(shù)據(jù)，計算得CO2濃度為2000 μmol·mol-1時，CO2泄漏率為 0.004%/h;O2濃度為19%時，O2泄漏率為0.01%/h。實際試驗時，CO2濃度低于 2000 μmol·mol-1，O2濃度高于19%，即二者艙內(nèi)外濃度差小于泄漏率測試的艙內(nèi)外濃度差，泄漏率應(yīng)比氣體泄漏率測試結(jié)果更小。因此，CO2及O2泄漏率對于大氣平衡調(diào)控的影響可忽略不計。

3.2.2 O2和CO2濃度變化規(guī)律

大氣溫濕度等環(huán)境參數(shù)控制結(jié)果見表3。

試驗過程中，艙內(nèi)CO2和O2濃度隨著乘員作息制度出現(xiàn)規(guī)律性變化，并處于動態(tài)平衡。乘員晚間休息時，CO2濃度下降，O2濃度上升;白天活動時，CO2濃度上升，O2濃度下降。其中，每天下午乘員進行體育鍛煉時，CO2濃度達到一天內(nèi)的最高值，O2濃度達到一天內(nèi)的最低值，這是由乘員代謝速率變化造成的。24 d后，改變植物照光面積，CO2濃度和O2濃度出現(xiàn)波動，但最終達到新的平衡。CO2濃度與O2濃度變化趨勢呈現(xiàn)出良好的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。

表2 試驗期間每天始末O2與CO2濃度Table 2 O2concentration and CO2concentration at the beginning and the end of everyday

圖3 大氣CO2濃度與O2變化趨勢對比圖Fig.3 Comparison between O2and CO2concentration

表3 植物艙大氣環(huán)境參數(shù)控制要求及控制結(jié)果Table 3 Set value and real value of air environment parameters

艙內(nèi)O2濃度與CO2濃度隨著乘員作息制度及植物面積調(diào)整而迅速達到平衡并呈現(xiàn)規(guī)律性變化，且CO2與O2呈現(xiàn)出良好的對應(yīng)關(guān)系，表明該系統(tǒng)具有良好的密閉性和穩(wěn)定性。

3.2.3 大氣微量有害氣體監(jiān)控

乘員代謝試驗及正式試驗均開啟微量有害氣體凈化裝置，并對艙內(nèi)微量有害氣體進行監(jiān)控。

由于正式試驗與乘員代謝試驗微量有害氣體凈化裝置均開啟，因此微量有害氣體濃度差異可認為是植物及封艙時間的影響。其中，2人3天代謝測試中檢測出甲苯、己烷、乙酰胺等氣體而在正式試驗中未檢出;正式試驗中乙苯、甲醛、氨等氣體濃度相對于2人3天代謝測試明顯降低，說明植物對這些氣體有良好的凈化作用。另外，正式試驗檢出了環(huán)戊烷，而在2人3天代謝測試期間中未檢出，這可能是由于試驗的封艙時間較長導(dǎo)致，其可能的來源為人體或艙內(nèi)設(shè)施;試驗中檢出植物釋放的乙烯，其濃度在不斷升高，這對植物有一定促進衰老的作用。

3.3 植物生長狀態(tài)

試驗期間，4種植物生長基本正常，長勢良好。生長狀態(tài)見圖4。植物生長第28 d開始，部分葉片葉緣出現(xiàn)枯黃現(xiàn)象。第33 d，通過手動測量營養(yǎng)液電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)其實際值比示數(shù)偏高。后降低營養(yǎng)液電導(dǎo)率至控制范圍內(nèi)，葉緣枯黃現(xiàn)象逐漸緩解［13］。苦菊抽薹現(xiàn)象較為明顯，葉片長勢較弱，但由于苦菊所占比例較小，未對植物產(chǎn)O2能力產(chǎn)生顯著影響。

3.4 大氣平衡調(diào)控

乘員進艙后不久即達到人與植物的氣體交換平衡，但CO2濃度始終維持在較低水平(0.028%～0.08%)，證明植物的CO2凈化能力未充分發(fā)揮出來，具有進一步提高的可能。因此從封閉試驗第24 d開始進行植物照光面積與氣體平衡交換的動態(tài)調(diào)控試驗，具體過程如表4所示。

該試驗證明，種植面積為27m2的植物可滿足兩名乘員的O2需求，并有效凈化兩名乘員產(chǎn)生的CO2，即每13.5m2栽培面積的植物可以滿足1人的氣體代謝需求。

根據(jù)艙內(nèi)O2濃度變化及乘員代謝測試結(jié)果，計算出植物每天產(chǎn)生O2的能力，由式7計算得。

式中，QO2為每平米植物每天釋放的O2量;KO2為每人每天消耗的O2量，755 g;Vmol為艙內(nèi)氣體摩爾體積，24.5 L/mol(25℃條件下);MO2為O2分子量，32;C'O2為第二天9:00的O2濃度;CO2為當(dāng)天9:00的O2濃度。S為實際光照面積。

根據(jù)艙內(nèi)CO2濃度變化及乘員代謝測試結(jié)果，計算出植物每天吸收CO2的能力，由公式8計算得到。

圖4 四種植物生長狀況(左上:生菜;右上:油麥菜;左下:紫背天葵;右下:苦菊)Fig.4 Plant growing conditions(upper left:Lactuca sativa L var.Dasusheng;upper right:Lactuca sativa L var.Youmaicai;lower left:Gynura bicolor;lower right:Cichorium endivia L)

表4 大氣平衡調(diào)控試驗過程Table 4 The process of gas balance regulation test

式中，PCO2為每平米植物每天吸收的CO2量;KCO2為每人每天呼出的CO2質(zhì)量，843 g;Vmol為艙內(nèi)氣體摩爾體積，24.5 L/mol;MCO2為 CO2的分子量;C'CO2為第二天9:00的CO2濃度;CCO2為當(dāng)天9:00的CO2濃度;S為實際光照面積。

植物每天產(chǎn)O2量及吸收CO2量見圖5。

圖5 植物產(chǎn)O2量及吸收CO2量曲線Fig.5 Curve of O2generation and CO2consumption

從圖5可以看出，大氣平衡調(diào)控開始后，植物O2生產(chǎn)能力和CO2吸收能力都有明顯增強。分析其原因，主要是植物培養(yǎng)面積減少后，CO2濃度上升，O2濃度下降，改變了植物光合作用的化學(xué)平衡狀態(tài)，促使平衡向右進行:CO2+H2O→O2+CH2O。

根據(jù)每天的O2產(chǎn)量及CO2凈化量，計算得:試驗期間植物共凈化CO250.4 kg，其中，前24天燈板全開階段共凈化40.3 kg，平均每天凈化1.68 kg;后6天大氣調(diào)控期間共凈化10.1 kg，平均每天凈化1.68 kg;試驗期間植物產(chǎn)生O2共44.7 kg，其中，前24天燈板全開階段共產(chǎn)生35.8 kg，平均每天產(chǎn)生1.49 kg;后6天大氣調(diào)控期間共產(chǎn)生8.9 kg，平均每天產(chǎn)生1.50 kg。

大氣平衡調(diào)控是多個因素共同作用的結(jié)果。該試驗在前期植物培養(yǎng)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，對光照強度、營養(yǎng)液電導(dǎo)率以及不同植物面積配比等已做出優(yōu)化，并有效提高了植物的光合效率以及產(chǎn)O2和凈化CO2的能力。在本試驗過程中，通過進一步調(diào)節(jié)植物光照面積及改變蔬菜進食量等措施，形成了一套有效的“人-植物”O(jiān)2和CO2交換動態(tài)平衡調(diào)控方法，實現(xiàn)了人與植物之間較高的氣體交換能力。

3.5 水循環(huán)調(diào)控

營養(yǎng)液系統(tǒng)起初共加入5000 L純凈水，整個試驗過程中乘員共飲用純凈水105 L，使用衛(wèi)生用水525 L。試驗期間，冷凝水日均收集量為190 L，收集的冷凝水全部進入營養(yǎng)液回收利用。尿液與生活廢水日均收集量分別為5.5 L和17.5 L，日均回收量分別為1.2 L和3.3 L。所收集的冷凝水以及處理回收后的尿液與生活廢水進入營養(yǎng)液循環(huán)利用，分別根據(jù)公式4和公式5計算水閉合度和水循環(huán)利用率，由此計算出水閉合度達到84.5%。

尿液和生活廢水收集后進入微生物廢水處理裝置進行處理。根據(jù)處理后液體的測試結(jié)果可知，該裝置處理效果良好，TOC、COD、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、尿素等測試指標見表5。

表5 尿液廢水微生物處理結(jié)果(mg/L)Table 5 Cleaning results of urine and effluent(mg/L)

3.6 蔬菜供應(yīng)能力

試驗過程中，兩名乘員共食用新鮮蔬菜7380 g，平均每天食用246.0 g。乘員食用感受表明，蔬菜口感良好，對航天食品起到了很好的補充作用，因此對乘員的身體、心理及工作狀態(tài)起到了很好的調(diào)節(jié)作用。

食物閉合度通過公式9進行計算:

航天食品總食用量為45.73 kg。根據(jù)公式計算得系統(tǒng)食物閉合度達到9.3%。

在試驗期間，蔬菜食用量為預(yù)先設(shè)定，相對于蔬菜總量來說食用量較小。根據(jù)后期觀察結(jié)果，在不影響植物供O2能力的前提下，蔬菜取用量可以增加，因此食物閉合度仍有一定的提高空間。

3.7 能效比計算

根據(jù)植物培養(yǎng)面積為27 m2時人與植物達到大氣平衡對應(yīng)的植物產(chǎn)氧能力，可根據(jù)公式6計算系統(tǒng)的能效比。

該系統(tǒng)能效比為59.56 g/(kW·m2·d)，高于美國類似系統(tǒng)的能效比28.82 g/(kW·m2·d)，這顯示了紅藍LED光照的優(yōu)越性。對于植物來說，全光中多數(shù)輻射對于植物來說都是無法吸收的，而采用單色光則有效地減少了這種能耗，從而提高了能效。雖然在該平臺中，每13.5 m2植物可以滿足1人的氣體代謝需求，低于美國類似試驗中10.0 m2植物即可滿足1人的氣體代謝需求的水平，但由于太空環(huán)境下能源十分珍貴，該系統(tǒng)因能效比較高而更能適應(yīng)這種環(huán)境［17］。

4 結(jié)論

試驗期間，乘員艙和植物艙內(nèi)大氣O2濃度、CO2濃度、大氣壓力以及溫濕度等參數(shù)控制結(jié)果良好，微量有害氣體得到有效凈化，保證了乘員生活環(huán)境的穩(wěn)定性和舒適性。植物生長狀況良好，可食生物量產(chǎn)量高，為乘員提供了可口和較高營養(yǎng)品質(zhì)的新鮮蔬菜。

通過大氣平衡調(diào)控實驗，證明了種植面積為27 m2的植物可滿足兩名乘員的呼吸需氧量，并有效凈化兩名乘員產(chǎn)生的CO2，即每13.5 m2植物可以滿足1人的氣體代謝需求，獲取了人與植物之間O2和CO2動態(tài)變化的基本特點。在能源利用效率方面，該系統(tǒng)能效比較高，每平米燈板能耗為1 kW，系統(tǒng)能效比為59.56 g/(kW*m2*天)，顯示了紅藍LED光照系統(tǒng)的優(yōu)越性，這對于在能源極度寶貴的太空環(huán)境下構(gòu)建受控生態(tài)生保系統(tǒng)是非常有價值的。

結(jié)合前期密閉系統(tǒng)植物培養(yǎng)實驗結(jié)果，通過對植物養(yǎng)分供應(yīng)、光照強度、植物光照面積及不同植物種植面積搭配的探索和調(diào)控，最終實現(xiàn)了較高的CO2吸收能力和O2生產(chǎn)能力，滿足了2人的氣體代謝需求。根據(jù)一系列調(diào)控技術(shù)的使用及其結(jié)果，形成了一套“人-植物”O(jiān)2和CO2交換動態(tài)平衡調(diào)控方法，對于后續(xù)的集成試驗研究具有重要的指導(dǎo)意義。

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