中国载人航天器环境控制与生命保障技术研究

中国载人航天器环控生保技术经历了预先研究和局部技术卫星试验,进行了"神舟"飞船环控生保分系统的研制,并进行了物理化学再生式环控生保技术和受控生态生保技术的研究。本文主要介绍了上述过程环控生保系统技术的研究进展,并分析了环控生保系统的技术特点。

再生式环控生保技术研究及进展

环控生保系统 (ECLSS) ,是载人航天器最具载人航天特征的一个重要系统 ,是直接关系到航天员生命安全的不可缺少的保障条件。本文介绍了构成再生生保系统氧、水闭路的主要技术 ,比较、分析了各技术的优劣 ,指出了今后研究发展的方向。

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O_2特征,为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置,在"红萍-鱼-人"共存情况下,测定密闭舱内O_2,CO_2浓度的变化.试验结果显示,单位重量的鱼耗O_2量为0.0805～0.0831 L·kg^(-1)·h^(-1),排放CO_2量为0.0705～0.0736 L·kg^(-1)·h^(-1);试验志愿者耗O_2量19.71 L·h^(-1),呼吸释放CO_2量18.90 L·h^(-1).人工光照保持7000～8000 lx条件下,红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成,舱内O_2,CO_2浓度趋于平衡.密闭舱内CO_2浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果,红萍光合放O_2能力很强,能有效促使密闭舱内O_2,CO_2浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡,进而验证了红萍的空间应用前景.

受控生态生保系统中长效专用控释肥料研制

目的研制长效专用控释肥料,为受控生态生保系统中高等植物的生长提供养分资源。方法根据产品技术指标和性能要求,提出设计方案,经过原料筛选、组分配比、颗粒制作和包膜等工艺过程,研制成长效专用控释肥料,最后对产品进行养分释放规律实验和植物栽培实验。结果产品中含氮(N18.0%、磷(P2O5)14.3%、钾(K2O)12.6%、钙(Ca)2.6%、硫(S)3.5%、镁(Mg)0.12%,微量元素适量;产品颗粒大小均匀,直径为2.5～4.0mm;20～25℃条件下,10、20、30、40、50d内肥料累积释放量分别为7.9%、21.6%、40.5%、50.2%、60.9%;利用该肥料培养生菜,整个45d的生育期内植株没有出 现养分缺乏现象,长势良好。结论研制的长效专用控释肥料性能技术指标满足植物生长需求,产品设 计方案合理,能够作为受控生态生保系统中高等植物生长的养分资源。

飞船环境控制与生命保障系统

环境控制与生命保障系统是飞船上十分复杂和相当重要的分系统 ,是实现载人航天必须要突破的一项关键技术。本文着重论述了系统的功能任务、技术要求及系统的主要技术 ,对系统的试验验证工作也进行了讨论。

深空探测低压植物栽培装置研制

目的研制低压植物栽培装置,以便开展模拟深空探测低压条件下高等植物栽培技术研究,为建立低压条件下的受控生态生保系统奠定基础。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及装置试运行,最后开展验证实验来检验其技术性能。结果研制成功2套低压植物栽培装置,均能进行低压或常压植物栽培,该装置运行较为稳定,温度、相对湿度、大气总压、O2分压、CO2分压和基质含水量等技术参数均能进行有效的测量和控制。结论该装置各项实际性能指标基本满足设计和实验要求,可用于开展下一步低压植物栽培试验。

受控生态生保系统中叶用蔬菜植物品种的筛选

目的为受控生态生保系统筛选合适的叶用蔬菜植物种类及品种。方法在环境参数一致的条件下,对4种散叶生菜品种,1种油麦菜,2种菠菜品种,1种曲麻菜和1种油菜进行栽培,以可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率4个生理特性作为评价指标,对候选植物品种进行筛选。同时在不同CO2浓度(500、1000、1500和2000μmol/mol)和光照强度条件[100、300、500和700μmol/(m2·s)]下对各品种的光合效率和蒸腾效率进行了测量。结果筛选出了“嫩绿奶油”生菜、“大速生”生菜、曲麻菜和四季油麦菜4个植物品种,以及与之相关的适宜CO2浓度为2000μmol/mol,光照强度为700μmol/(m2·s)。结论筛选出的4种植物品种在受控生态生保系统适宜条件下具有较高的可食生物产量、营养品质、光合效率和蒸腾效率等特性,可以作为受控生态生保系统中的生物部件。

载人航天器环控生保系统50年研制回顾与展望

本文集成载人航天50年来的相关资料,从载人航天器环控生保系统(ECLSS)的分类与应用选择、研制历程和主要特点、美国和俄罗斯技术进展以及未来目标四个方面,系统综述载人航天器环控生保系统研制的发展历程和发展趋势。

4人180天受控生态生保系统集成试验概述

4人180天受控生态生保系统集成试验是针对深空探测后续长期载人航天任务需求开展的关键技术预先性研究。该试验以未来月球或火星航天员基地受控生态生保系统的研制及其工程化为任务背景,在中国航天员科研训练中心长期实验室研究和初步系统集成试验研究的基础上开展的由4人乘组参与的集成要素多、封闭时间长、物质闭合度高的受控生态生保系统集成技术试验。试验系统引入受控生态概念,以生物再生为主要技术特征,有机融合物化再生技术和基础性环境控制技术,构建成适合多乘员长时间驻留的第三代载人航天环境控制与生命保障的试验系统。本文概述了试验平台基本情况、志愿者乘组情况、试验项目设置、试验条件控制、试验基本结果等内容,并初步讨论了受控生态生保系统集成试验的科学目标与未来发展前景。

基于任务需求和ESM分析的受控生态生保系统植物部件品种规划

针对任务周期长、距离远的长期载人深空探测,长期地外生存等任务要求建立受控生态生保系统,通过合适的植物部件利用当地资源进行空间作物生产。利用等效系统质量方法,比较了地球携带食物补给和受控生态生保系统植物部件就地生产两种补给模式的优劣。从受控生态生保系统角度讨论了主食、果蔬和蛋白质-脂肪等食物需求与植物部件设计的关系,对1~2年任务周期的深空探测飞行任务首先应配备小量蔬菜栽培装置。可以利用太阳光时,2年以上即可建立植物部件生产果蔬;15年以上方可生产粮食作物;而只能利用人工光源时,3.4年以上的深空探测任务才适合植物部件供应新鲜果蔬,而主食则需要76年以上。油料作物的空间生产在目前技术条件下不具备应用可行性。

受控生态生保技术综合实验系统的研制

目的建成受控生态生保技术综合实验系统,为下一步开展受控生态生保系统的整合实验和系统内物质闭合循环实验研究构建试验平台。方法在大量方案调研、方案设计和图纸设计的基础之上,通过加工、安装和联合调试等技术手段来实现。结果该系统容积约为40m3,其舱内温度、相对湿度、氧浓度、二氧化碳浓度、总压、光照强度、光照周期、栽培基质水分含量和乙烯浓度等参数均得到有效控制,系统运行稳定;栽培系统包括左右两排,每排分为上下两层;栽培床总面积约为8.4m2,其上下垂直距离电动可调;光源为红色和蓝色两种发光二极管的组合。结论该试验平台的成功研制,为下一步开展大规模受控生态生保技术整合试验研究创造了必备条件。

空间乙烯过滤器地面试验样机研制

目的研制成空间乙烯过滤器地面试验样机,采用微生物技术控制受控生态生保系统中高等植物产生的微量乙烯(C2H4),以保障植物的正常生长发育。方法通过详细的技术方案论证、图纸设计与加工、部件安装与调试以及样机试运行,最后进行验证实验来检验其技术性能。结果样机反应器中基质的温度、含水量、pH值以及气体的流量、温湿度等参数均能实行有效控制,反应器中的微生物经过一段时间驯化后,对乙烯气体的最高降解率可达到9.04mg/(m3.h)。结论样机实际性能基本达到了设计要求,运行稳定,可用于控制受控生态生保系统中乙烯气体的浓度。

空间蔬菜栽培装置地面实验样机研制

目的研制成空间蔬菜栽培装置地面实验样机,以便解决空间环境条件下栽培蔬菜的若干关键技术,为下一步研制空间蔬菜栽培装置样机和上天产品,并最终为在我国空间站实现空间蔬菜生产的实验与应用奠定基础。方法在详细技术方案论证与设计的基础上,进行了部件图纸设计与投厂加工、整机设备安装、调试、试运行和验证实验等。结果该样机栽培室内的温度、相对湿度、风速、总压、O2分压、CO2分压和栽培基质水分含量均实行自动而有效的控制;光源为高效电子荧光灯;平均蔬菜生产量可以 达到60g鲜重·d-1。结论该样机运行平稳,实际性能基本达到了预定的技术指标,部分组件的工作原理能够适应空间微重力环境,从而为今后研制空间蔬菜栽培装置打下了良好基础。

模拟微重力条件下的膜式水气分离器的实验研究

目的研究中、长期载人航天任务中微重力条件下的水气分离问题。方法利用自行研制的水气分离组件和不同材质、规格的亲水微孔滤膜,对不同压力和配比的水/气混合物进行分离实验,并研究了重力对分离的影响。结果将4～6L/h水、2500mL/minO2组成的混合流体分离成不含水的气流和含气量<1%的液流,对液流中含有的微量气体的来源和含量进行分析,证明重力对分离过程无影响。结论水气分离组件设计合理,亲水微孔滤膜具有在微重力条件下进行水气分离的能力,需进一步研究并有广阔的应用前景。

航天器环控生保系统载人飞行性能地面试验研究

目的地面重力条件下验证载人航天器环控生保系统载人飞行工作性能。方法构建与真实飞行器密封舱段1:1的试验舱系统,集成了环控生保系统;选拔3名男性作为受试者参加试验,其消耗/代谢的物质和能量作为试验主要负荷;按照真实的载人飞行程序制定试验流程。结果建成了一套仿真程度较高的模拟试验系统;确立了地面条件下环控生保系统性能验证方法;检验了3名受试者代谢负荷下环控生保系统座舱环境控制和生活保障的能力。结论全面检验了环控生保正常飞行工作性能,试验结果对后续研制和载人飞行具有重要意义。

再生式环控生保系统水气分离技术研究进展

中长期载人航天飞行必须采用环控生保系统实现水和O2的再生,微重力条件下水气两相流体的输运和分离是再生式环控生保系统的关键技术。本文介绍了微重力条件下基于物理/化学再生法的水气循环再生的一般工作模式和水气分离的物理途径,归纳了水气分离技术研究现状及典型应用,重点论述了水气分离器涉及的关键技术问题,在此基础上,提出了我国中长期载人航天飞行水气分离技术的发展方向。

载人飞船环控生保自学习智能决策支持系统的设计与实现

目的在载人飞船飞行期间监控环境控制与生命保障系统(environment control and life support system,ECLSS)的工作状态,对故障进行诊断和决策支持。方法依据决策支持系统、神经网络和专家系统原理,设计出了环控生保决策支持系统(ECLSS Decision supporting system,EDSS)的基本结构,运用故障树分析方法进行故障划分,形成专家知识,并将神经网络与专家系统相结合进行自学习。结果在2人5天的“神舟”6号载人飞行试验中,软件系统得到了全面考核和验证,为试验任务的圆满成功提供了良好的技术支持和保障。结论所建立的决策支持系统能够准确、迅速地进行数据判读和故障诊断,数学模型设计正确,参数预测结果合理。

航天器人-机-环境密闭舱试验系统构建方法研究

目的研究载人航天器人-机-环境密闭舱试验系统的构建内容和构建方法。方法依据相似理论试验方法,分析地面试验与空间飞行的主要差异,保证环控生保系统重力下可靠工作,确定了人-机-环境试验系统的设计内容和设计方法。结果利用该方法构建了一套试验系统,试验系统性能良好、运行稳定,已应用于交会对接任务环控生保系统性能研究。与飞行数据比对表明,该试验系统空气流动和换热状态与微重力环境下基本一致。结论提出的人-机-环试验系统构建方法合理有效,易于实现,满足当前任务需要,可为后续任务类似试验系统研制提供参考。

载人航天器废物收集系统发展回顾及启示

废物收集系统是载人航天器环控生保系统的重要组成部分。本文集成了50年来的相关资料,重点阐述了美俄废物收集系统的发展历程,并从人机工效学的角度上分析了废物收集系统发展特点及对我们的启示。

航空与航天大气环境医学工程及其进展

[目的 ]阐明突破空间大气环境障碍的人机工程内容之一航空航天大气环境医学工程的作用 ,地位与相互关系及主要进展。 [方法 ]在运用苏俄和美国等有关资料以及我国预研资料的基础上 ,对航空航天大气环境医学工程进行较系统的阐述。 [内容 ]航空航天大气环境因素的危害、航空大气环境医学工程的作用、航天大气环境医学工程的作用、航空航天大气环境医学工程的相互关系。 [结论 ]航空航天大气环境医学工程的基本作用是防护低压、缺氧、高低温和舱内污染等 4大有害因素 ,它保证了飞行员和航天员的安全性并兼顾了航天员的适居性和工效学要求。航空航天大气环境医学工程的相互关系是 3个结合 :航空医学与航天医学 (医医结合 ) ,航空工程与航天工程 (工工结合 ) ,航空航天医学与航空航天工程 (医工结合 ) ,而且尚待进一步加强。资料表明 。