郭雙生

·基礎(chǔ)研究·

我國月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流調(diào)控分析研究

郭雙生

（中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

針對載人深空探測和月球火星等地外星球定居與開發(fā)對生保物資持續(xù)再生供應(yīng)的需求，基于國內(nèi)外多年的載人航天受控生態(tài)生保技術(shù)研究經(jīng)驗(yàn)和我國的載人航天發(fā)展形勢，提出未來我國月球基地環(huán)控生保系統(tǒng)的基本規(guī)模、駐留人員和時(shí)間等邊界約束條件設(shè)想（乘組規(guī)模約為6人，大氣、水、食物及廢物循環(huán)閉合度分別為100%、100%、95%和95%），以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了其中大氣、水、食物和廢物等物質(zhì)流配置的分析與計(jì)算，并提出其動態(tài)平衡調(diào)控方案。該工作以期為將來在我國的月球基地等環(huán)控生保系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流的長期高效與安全可靠調(diào)控發(fā)揮參考作用。

月球基地；受控生態(tài)生保系統(tǒng)；生物部件；物質(zhì)流調(diào)控

Abstract： The human deep space exploration， the habitation and exploitation of extraterrestrial planets such as the Moon and Mars will be an eminent drive for the development of future space technologies.Based on the many years’research experiences in Controlled Ecological Life Support System （CELSS） and the future trends of human space flight in China， the boundary conditions of CELSS in the future Chinese lunar base were put forward including the scale，the habitant number and the duration， etc.， and the allocation of basic material flows（six crew， with 100%gas， 100%water， 95%food and 95%waste material closure）， including the atmosphere， the water， the food and the waste were analyzed and calculated，and the dynamic balance-regulating scheme was proposed in detail.This work may serve as a good reference for the highly-efficient regulation of material flows in an environmental control and life support system in our future lunar base.

Key words：lunar base； Controlled Ecological Life Support System（CELSS）； biological components；material flow regulation

1 引言

開展載人深空探測和月球／火星等地外星球定居與開發(fā)具有重大的現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)意義，已日益受到世界航天大國的重視，例如，美國、荷蘭、法國、意大利等多國學(xué)者近期聯(lián)合提出在2030年前后建成類似于國際空間站合作運(yùn)行模式的國際月球基地（International Lunar Base） 的設(shè)想［1］。 然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)必須解決航天員長期太空生存所需氧氣、水和食物等生保物資的持續(xù)再生供應(yīng)，否則依靠后勤補(bǔ)給則十分昂貴和困難。融合第一代、第二代載人航天環(huán)控生保技術(shù)，并引入受控生態(tài)概念和生物部件的第三代載人航天環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)，即受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System， CELSS），是未來月球或火星基地實(shí)現(xiàn)長期有人駐留保障的重要支撐條件，國際上對此已開展了不少研究工作［2-5］ 。

我國開展受控生態(tài)生保技術(shù)研究已有20多年的歷史。早在1994年，當(dāng)時(shí)的航天醫(yī)學(xué)工程研究所在國家863計(jì)劃支持下就開展了受控生態(tài)生保技術(shù)的概念研究，完成了相關(guān)專題研究報(bào)告。之后，中國航天員科研訓(xùn)練中心、中國科學(xué)院植物研究所、遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、水生生物研究所、上海植物生理與生態(tài)研究所、福建農(nóng)科院紅萍研究中心、北京航空航天大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院等科研院所開展了一系列受控生態(tài)生保關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，取得了一系列重要突破［6-10］。2016年以中國航天員科研訓(xùn)練中心為技術(shù)主導(dǎo)，在深圳太空科技南方研究院完成了4人180天受控生態(tài)生保集成試驗(yàn)。作為一項(xiàng)研究性的第三代載人航天環(huán)控生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)，該研究獲取了大量寶貴數(shù)據(jù)，對于推動CELSS后續(xù)發(fā)展很有意義［11］。

但總體上看，國內(nèi)外研究還都處于相對早期階段，離未來工程化應(yīng)用還有很大距離，需要進(jìn)行持續(xù)研究和試驗(yàn)才有可能向該目標(biāo)推進(jìn)。目前，我國尚未開展過深入具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，也未提出我國未來較為清晰的月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)發(fā)展路線圖。針對這一問題，本文擬在國內(nèi)外月球或火星基地CELSS概念規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)研的基礎(chǔ)上并結(jié)合我國的實(shí)際情況，提出未來我國月球基地CELSS物質(zhì)流調(diào)控方案，擬為下一步提出我國月球基地環(huán)控生保系統(tǒng)的建設(shè)構(gòu)想奠定基礎(chǔ)。

2 總體邊界條件設(shè)定

參考國外航天大國已有的相關(guān)研究成果和經(jīng)驗(yàn)［12-15］，結(jié)合我國未來月球科考站的初步規(guī)劃和我們多年來積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，提出我國未來月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)的總體邊界條件，具體如表1所示。

表1 我國未來月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)總體邊界條件設(shè)定Table 1 The general boundary conditions of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3 物質(zhì)流調(diào)控基本技術(shù)途徑

月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)應(yīng)該是一個生物再生部件與物化再生部件相結(jié)合的復(fù)合式受控生態(tài)生保系統(tǒng)。其中生物再生技術(shù)，包括高等植物、魚等水生動物及微生物等生物部件，主要進(jìn)行食物生產(chǎn)、大氣再生和廢水凈化與再利用；其中物化再生技術(shù)的功能和作用也是多元的，包括系統(tǒng)初始條件建立、運(yùn)行過程中的協(xié)同與互補(bǔ)，特別是系統(tǒng)故障狀態(tài)下的備份等。通過生物再生部件與物化再生部件的有機(jī)融合，以保證系統(tǒng)中物質(zhì)流實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、高效、安全可靠調(diào)控。本系統(tǒng)物質(zhì)流程調(diào)控包括以下四個方面（圖1）：

1）大氣再生與平衡調(diào)控；

2）水回收利用與平衡調(diào)控；

3）食物生產(chǎn)與供應(yīng)調(diào)控；

4）廢物循環(huán)利用與平衡調(diào)控。

具體介紹如下：

圖1 我國月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)物質(zhì)流調(diào)控基本技術(shù)途徑設(shè)計(jì)Fig.1 Preliminary design of basic technical approaches of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3.1 大氣再生與平衡調(diào)控

1）氧氣和二氧化碳分壓調(diào)控：采用植物和微藻等生物再生與物化再生相結(jié)合的方法進(jìn)行氧氣供應(yīng)和二氧化碳凈化。主要依靠大量植物和少量微藻供氧和凈化二氧化碳，其能力不足時(shí)啟動物化再生系統(tǒng)。若系統(tǒng)中氧分壓低于設(shè)定值下限時(shí)啟動水電解制氧裝置，若達(dá)到設(shè)定值上限時(shí)關(guān)閉該系統(tǒng)；若系統(tǒng)中二氧化碳分壓超過設(shè)定值上限時(shí)啟動四床分子篩二氧化碳收集裝置，若低于設(shè)定值下限時(shí)則關(guān)閉該裝置。當(dāng)生物部件出現(xiàn)意外而無法進(jìn)行氧氣供應(yīng)和二氧化碳凈化時(shí)，則必須啟動應(yīng)急模式，即此時(shí)則需要完全依靠以上物化再生方法，直至生物再生部件的功能逐漸得到恢復(fù)。

2）微量有害氣體調(diào)控：連續(xù)啟動生物空氣過濾器或光催化氧化+活性炭微量有害氣體和微生物凈化裝置，進(jìn)行微量有害氣體和微生物的凈化處理。連續(xù)啟動針對乙烯凈化的光催化氧化裝置，進(jìn)行植物所釋放的特有乙烯氣體激素的降解處理，降解后形成的二氧化碳和水等小分子物質(zhì)被植物通過光合作用吸收利用，重新參與物質(zhì)的合成代謝。

3.2 廢水回收利用與平衡調(diào)控

采用微生物反應(yīng)器與物化再生相結(jié)合的方法進(jìn)行水的再生循環(huán)與利用。

1）飲用水和衛(wèi)生水供應(yīng)：利用中溫催化氧化裝置等設(shè)施，對小部分冷凝水進(jìn)行凈化處理，后處理液用作乘員的飲用水和衛(wèi)生水等。應(yīng)急情況下應(yīng)采用多層過濾+活性炭技術(shù)等進(jìn)行飲用水和衛(wèi)生水供應(yīng)。

2）營養(yǎng)液補(bǔ)液供應(yīng)：大部分直接來自大氣濕度冷凝水；利用微生物反應(yīng)器進(jìn)行尿液和衛(wèi)生廢水的處理，后處理液經(jīng)過超濾凈化后可進(jìn)入植物營養(yǎng)液重新參與水循環(huán)；在利用微生物反應(yīng)器進(jìn)行尿液處理前或處理后，利用反滲透技術(shù)或耐鹽泌鹽植物進(jìn)行尿液中氯化鈉鹽的提取分離，獲得的氯化鈉鹽供給乘員重新食用（乘員排泄的尿液中含有大量氯化鈉鹽，其通過生物處理后會進(jìn)入植物營養(yǎng)液，但植物不能對其吸收利用，那么這種鹽類長期在營養(yǎng)液積累則會對植物造成鹽害，因而必須進(jìn)行提取處理）［16-17］。應(yīng)急情況下采用蒸汽壓縮蒸餾等物化再生技術(shù)進(jìn)行尿液和衛(wèi)生廢水處理，收集的水分回到營養(yǎng)液供植物吸收利用，剩下的鹽類物質(zhì)則暫時(shí)收集待微生物反應(yīng)器狀態(tài)恢復(fù)后再進(jìn)行處理與利用。

3）加濕水和沖廁水供應(yīng)：小部分冷凝水用作加濕水源和沖廁用水。沖廁水也進(jìn)入尿液，一并參與微生物反應(yīng)器的凈化處理過程。

3.3 食品生產(chǎn)與平衡供應(yīng)調(diào)控

主要依靠系統(tǒng)中植物／微藻培養(yǎng)單元和動物養(yǎng)殖單元連續(xù)生產(chǎn)和供應(yīng)小麥和水稻等糧食、生菜和番茄等蔬菜、草莓和香瓜等水果、花生和大豆等油料、羅非魚和虹鱒魚等動物蛋白等食品。調(diào)味品和少量應(yīng)急食品則預(yù)先存放或從地面定期補(bǔ)給。

應(yīng)急情況下，則需要完全食用預(yù)先儲存的航天預(yù)制食品。預(yù)制食品儲量應(yīng)不少于系統(tǒng)中乘員20天的食物需求量。

3.4 廢物循環(huán)利用與管理調(diào)控

主要利用微生物廢物處理反應(yīng)器進(jìn)行小麥秸稈、蔬菜枯葉和根莖等固體廢物的降解處理，后處理物可作為營養(yǎng)液或人工土壤供給植物栽培區(qū)進(jìn)行植物培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)其中碳、氫、氧、氮和大量及微量無機(jī)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的循環(huán)利用。

另外，采用流化床固廢焚燒等物化技術(shù)進(jìn)行乘員固體排泄物和動植物難降解廢物的分解處理，使之主要轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己退?，從而使這部分物質(zhì)中的碳、氫、氧等元素實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。在應(yīng)急情況下，則完全依靠物化高溫氧化或超臨界氧化技術(shù)進(jìn)行生物可降解固體廢物的降解處理，后處理物回到植物固體基質(zhì)培養(yǎng)系統(tǒng)。

4 物質(zhì)流調(diào)控分析計(jì)算

為保障該密閉人工生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)自循環(huán)平衡，需要進(jìn)行系統(tǒng)中物質(zhì)流的分析計(jì)算。在分析計(jì)算之前，需根據(jù)系統(tǒng)總體邊界條件確定人和植物的初始物質(zhì)輸入輸出狀態(tài)。

4.1 系統(tǒng)初始狀態(tài)確定

4.1.1 人體物質(zhì)攝入與排出量分析

根據(jù)文獻(xiàn)資料［18］，6人每天需要攝入和排放的物質(zhì)質(zhì)量的情況如表2所示。

表2 6人1天內(nèi)的生保物資攝入量和排出量［18］Table 2 The intaken mass and discharged mass of life support material by six persons per day［18］

4.1.2 植物基本物質(zhì)生產(chǎn)能力分析

糧食蔬菜等高等植物是受控生態(tài)生保系統(tǒng)中最重要的功能部件，因此把植物作為物質(zhì)流分析計(jì)算的突破口和切入點(diǎn)。根據(jù)以上總體約束條件和目前已經(jīng)掌握的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［19］，確定本系統(tǒng)中植物需具備的初始狀態(tài)如表3。

4.2 物質(zhì)流分析計(jì)算

4.2.1 食物生產(chǎn)與供應(yīng)能力分析計(jì)算

本系統(tǒng)的食物生產(chǎn)主要依靠糧食蔬菜、油料作物以及魚類等水生動物，植物主要生產(chǎn)碳水化合物、植物蛋白和植物脂肪、礦質(zhì)元素、維生素和粗纖維等，水生動物魚類生產(chǎn)動物蛋白和動物脂肪等。

根據(jù)以上植物具備的初始狀態(tài)，栽培面積為50 m2的糧食蔬菜植物可以生產(chǎn)一個人所需的植物性食物。此外，水生動物擬每人每天提供50 g的動物蛋白，那么魚的養(yǎng)殖數(shù)量應(yīng)該平均保持在50條左右。因此，該系統(tǒng)的植物和動物食物的生

表3 滿足6人食物、氧氣和水供應(yīng)條件下植物應(yīng)具備的初始狀態(tài)條件［19］Table 3 The initial states of plants needed to satisfy the provision of food，oxygen and water for six persons［19］

4.2.2 氧氣生產(chǎn)與供應(yīng)能力計(jì)算

1）系統(tǒng)產(chǎn)氧能力計(jì)算

該系統(tǒng)主要依靠植物產(chǎn)氧。根據(jù)以上植物具備的初始狀態(tài)，每種植面積為20 m2的植物可以產(chǎn)生一個人的呼吸需氧量，那么種植面積為300 m2的植物其產(chǎn)氧能力為：P氧氣生產(chǎn)總量＝A植物總種植面積÷A1人供氧所需栽培面積×C每人每天呼吸用氧量＝300 ÷ 20 ×0.83＝12.45（kg）。

2）系統(tǒng)耗氧能力計(jì)算

該系統(tǒng)中植物產(chǎn)生的氧氣主要用于以下幾方面的代謝消耗：

（1）人呼吸供氧量：0.83 kg／人·天 ×6人 ＝4.98 kg；

（2）魚呼吸供氧量：0.01 kg／魚·天 ×50 條魚 ＝0.50 kg；

（3）生物可降解廢物氧化降解所需供氧量：生物可降解廢物一般指植物不可食生物量、動物不可食生物量、人體排泄的糞便、食物殘?jiān)蜕锟山到獍b物等。

植物和動物不可食生物量計(jì)算方法為：根據(jù)文獻(xiàn)［20］，作物的收獲指數(shù)按照34%計(jì)算，那么植物生產(chǎn)3.46 kg的食物則要產(chǎn)生的不可食生物量為：M植物不可食生物量＝M食物重量×66÷34 ＝3.46×66÷34＝6.72（kg）。

一般情況下，生物可降解廢物可通過耗氧和厭氧兩種途徑結(jié)合使用進(jìn)行降解。此處設(shè)耗氧和厭氧份額各占50%，而且生物可降解廢物和用氧的重量比為 1∶1［21］，那么降解 6.72 kg的植物不可食生物量所用氧氣量為6.72÷2＝3.36 kg。

動物的收獲指數(shù)假定為50%，那么每天生產(chǎn)0.3 kg動物蛋白相應(yīng)產(chǎn)生的動物不可食生物量為0.3 kg。設(shè)該不可食生物量全部采用氧化降解處理，耗氧量也按1∶1計(jì)算，那么降解0.30 kg的動物不可食生物量所用氧氣量為0.30 kg。

人體排泄物全部假設(shè)為碳水化合物，也全部采用耗氧處理，比例也為1∶1，那么0.18 kg的糞便固體排泄物氧化降解耗氧量為0.18 kg。

食物殘?jiān)蜕锟山到獍b物等的產(chǎn)生量按0.1 kg／天計(jì)算，處理方法同人體固體排泄物，那么其日耗氧量為0.10 kg。

（4）廢水氧化降解所需供氧量：每天產(chǎn)生的尿液、衛(wèi)生廢水和洗衣廢水的總量為127.98 kg。假定其中的有機(jī)物含量為0.5%，并且全部采用耗氧處理（也按1∶1計(jì)算），那么處理這部分廢水需要消耗的氧氣為127.98×0.5% ＝0.64（kg）。

（5）耗氧微生物等其它耗氧量：系統(tǒng)土壤中或固體表面可能存在耗氧微生物，其日耗氧量估算值為0.20 kg。其它方面的耗氧量忽略不計(jì)。因此，該系統(tǒng)的日總耗氧量估算值為：

3）系統(tǒng)氧氣盈虧平衡計(jì)算

根據(jù)以上氧氣總生產(chǎn)能力和總消耗能力的分析計(jì)算，該系統(tǒng)的氧氣盈虧平衡能力理論計(jì)算值為：ΔP氧氣盈虧值＝P氧氣生產(chǎn)總量-P氧氣消耗總量＝12.45-10.26＝2.19（kg）。 因此按照理論值計(jì)算，該系統(tǒng)完全可以單獨(dú)依靠植物供氧，而且冗余度達(dá)到近17.6%（2.19／12.45×100%）。但為了增加系統(tǒng)的安全可靠性，仍然需要備份物化制氧設(shè)備。

4.2.3 二氧化碳排放與凈化能力分析

二氧化碳排放與凈化能力的計(jì)算方法與氧氣的計(jì)算方法相反，但基本依據(jù)相同，這里不再推導(dǎo)。根據(jù)氧氣的理論計(jì)算結(jié)果可知，種植面積為300 m2的植物其凈化二氧化碳的能力為（此處按照植物光合作用公式進(jìn)行計(jì)算，即產(chǎn)生一個氧分子對應(yīng)吸收一個二氧化碳分子）：P植物二氧化碳凈化總量＝ M植物氧氣生產(chǎn)總量÷ M氧氣克分子量× M二氧化碳克分子量＝12.45÷ 32 ×44 ＝17.12（kg）；P系統(tǒng)二氧化碳排放總量＝P氧氣消耗總量× M二氧化碳克分子量÷ M氧氣克分子量＝10.26 ×44 ÷ 32 ＝ 14.11 （ kg）； ΔP二氧化碳凈化能力＝P植物二氧化碳凈化總量-P系統(tǒng)二氧化碳排放總量＝17.12-14.11＝3.01（kg）。

由此可以看出，完全依靠植物足以全部吸收系統(tǒng)排放的二氧化碳，而且冗余度達(dá)到17.58%（3.01／17.12×100%）。但為了增加系統(tǒng)的安全可靠性，仍然需要備份物化二氧化碳凈化設(shè)備。

4.2.4 水回收與平衡能力分析

1）系統(tǒng)日總需水量

（1）乘員需水量

（2）植物需水量

①植物蒸騰蒸發(fā)用水量

根據(jù)植物初始狀態(tài)，種植面積為10 m2的植物其蒸騰蒸發(fā)的冷凝水即可滿足一個人用水需求，因此種植面積為300 m2的植物其每天蒸騰蒸發(fā) 用 水 量 為： M植物蒸騰蒸發(fā)水量＝ A植物總種植面積÷A滿足1人用水量所需種植面積×M每天1人需水量＝300 ÷10 ×21 ＝620.0（kg）。

②植物體內(nèi)自由水用量

植物生產(chǎn)3.46 kg的食物，同時(shí)需要產(chǎn)生6.72 kg的不可食部分。其含水量平均按80%計(jì)算，那么植物體內(nèi)的自由水含量應(yīng)為：

③植物有機(jī)體構(gòu)建用水量

這里，近似地認(rèn)為植物有機(jī)體全部由糖類組成，那么植物有機(jī)體構(gòu)建中需要的水量擬按照式（1）計(jì)算［22］：

6nCO2+6nH2O＝nC6H12O6+6nO2（1）

生成的植物生物量總量為10.18 kg（包括可食部分和不可食部分），那么合成該生物量需要的 水 量 為： M植物有機(jī)體構(gòu)建用水量＝ M6個水分子量×M植物生物量總量÷ M1個葡萄糖分子量＝ 72 × 10.18 ÷ 180 ＝4.07（kg）。因此，植物生長每天的需水總量大致+M植物有機(jī)體構(gòu)建用水量＝620+50.90+4.07 ＝674.97（kg）。

（3）動物需水量

動物用水量計(jì)算方法與植物相似，計(jì)算公式具 體 如 下： M動物日需水量＝ ∑ M動物體內(nèi)自由水含量+M動物有機(jī)體構(gòu)建用水量＝3.0+0.24 ＝3.24（kg）。

（4）系統(tǒng)日總需水量

根據(jù)以上分析，系統(tǒng)每天的總需水量計(jì)算如下： M系統(tǒng)總需水量＝ ∑ M乘員需水量+ M植物需水量+M動物需水量＝126+674.97+3.24 ＝804.21（kg）。

2）系統(tǒng)日總回水量

系統(tǒng)每天的回水量包括以下幾個方面：

（1）乘員排放廢水回收量

這部分水經(jīng)過冷凝、生物與物化相結(jié)合的方式進(jìn)行凈化處理后可以達(dá)到100%回收利用。

（2）植物蒸騰蒸發(fā)冷凝水回收量

植物蒸騰蒸發(fā)后散發(fā)到大氣中的水分子可以通過溫濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行冷凝，冷凝水可以100%回收利用，重新參與系統(tǒng)中營養(yǎng)液的水分循環(huán)等。因此，植物蒸騰蒸發(fā)冷凝水回收量的計(jì)算方法為：M植物蒸騰蒸發(fā)冷凝水回收量＝ M植物蒸騰蒸發(fā)水量＝ 620（kg）。

（3）植物體內(nèi)自由水和結(jié)合水回收量

前者通過加熱干燥蒸發(fā)冷凝后回收，后者可食部分中的水通過乘員呼吸代謝冷凝回收，不可食部分通過體外氧化分解冷凝獲得。

（4）動物體內(nèi)自由水和結(jié)合水回收量

（5）系統(tǒng)總回水量

系統(tǒng)總回水量按照以下方式計(jì)算：M系統(tǒng)總回水量127.98+620+54.16+3.24 ＝805.38（kg）。

可以看出，系統(tǒng)總回水量略高于總需水量，兩者基本相等，因此系統(tǒng)中的水在理論上可以達(dá)到供給平衡。

4.2.5 固體廢物回收與平衡能力分析

本系統(tǒng)每天產(chǎn)生的生物可降解固體廢物總量計(jì) 算 如 下： M固體廢物總量＝ ∑ M植物不可食部分+M尿液中固體含量＝10.18+0.3+0.18+0.12+0.36 ＝11.12（kg）。

對這部分廢物可實(shí)施氧化降解處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?、水、硝態(tài)氮，并釋放出無機(jī)礦質(zhì)營養(yǎng)元素。植物重新利用二氧化碳和水進(jìn)行光合作用和有機(jī)物的合成，構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)碳、氫、氧元素循環(huán)。

波音航空航天公司空間系統(tǒng)部的Olson等人認(rèn)為，栽培面積為20 m2的植物每天需要吸收0.18 kg的礦質(zhì)營養(yǎng)元素［23］。那么，該系統(tǒng)中種植面積為300 m2的植物每天所需要的礦質(zhì)營養(yǎng)元素量為2.7 kg。這部分物質(zhì)最終進(jìn)入植物的可食部分和不可食部分?？墒巢糠诌M(jìn)入人體和動物體內(nèi)，消化吸收后剩余部分通過排尿、出汗和排便排出。通過對尿、洗澡廢水和洗衣廢水凈化處理后可回收一部分礦質(zhì)營養(yǎng)元素；另外，對動植物不可食生物量及其糞便進(jìn)行降解處理，則可回收另外一部分礦質(zhì)營養(yǎng)元素?；厥盏降牡V質(zhì)營養(yǎng)元素可重新進(jìn)入植物營養(yǎng)液系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)礦質(zhì)營養(yǎng)元素的代謝循環(huán)。

人體排泄的尿素中氮素含量較高。一般情況下將尿素依次轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，便于植物吸收，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的氮循環(huán)。另外，人體每天攝入一定量的氯化鈉鹽通過尿液和汗液排出，這部分鈉鹽植物不能直接吸收利用，否則會構(gòu)成鹽害脅迫。需要采取反滲透技術(shù)或耐鹽泌鹽植物進(jìn)行氯化鈉的提取分離而為乘員重復(fù)利用，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中氯化鈉鹽循環(huán)。

5 結(jié)語

本文基于對國內(nèi)外本領(lǐng)域多年的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀及趨勢的詳細(xì)分析，提出了我國未來月球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)中大氣、水和食物等基本生保物資生產(chǎn)及廢物再生循環(huán)利用的物質(zhì)流平衡調(diào)控方案，基于該方案詳細(xì)進(jìn)行了保持物質(zhì)流平衡的大氣、水、食物和資源等生保物質(zhì)攝入與產(chǎn)出的分析計(jì)算，提出保持受控生態(tài)生保系統(tǒng)中物質(zhì)流平衡所需要物質(zhì)輸入與輸出平衡的數(shù)量調(diào)控關(guān)系，為下一步建立先進(jìn)合理的CELSS實(shí)施方案奠定了一定的理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，本研究基于的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠全面，待將來對包括4人180天CELSS集成試驗(yàn)數(shù)據(jù)挖掘更加深入以及其它地面和天基實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加充分與深入后，則會對其進(jìn)一步充實(shí)、修正與完善，這樣就更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

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（責(zé)任編輯：龍晉偉）

Analytic Study on Material Flow Regulation in CELSS of Future Chinese Lunar Base

GUO Shuangsheng
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering， China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China）

V41

A

1674-5825（2017）05-0680-08

2016-08-15；

2017-07-24

人因工程國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SYFD160051805）

郭雙生，男，博士，研究員，研究方向?yàn)槭芸厣鷳B(tài)生命保障技術(shù)。E-mail：guoshuangsheng＠sina.com