生物再生生命保障系统设计的基本问题

生物再生生命保障系统(BLSS)是建立月球/火星基地,实现中长期载人空间飞行必须解决的关键技术。利用高等植物或微藻来生产食物、处理废物、再生O2和水是BLSS区别于其他类型生保系统的重要标志。BLSS在结构和功能上可以分为自养单元和异养单元两部分。本文简单绘制了三种不同的系统构型。在实际选择时,应根据任务需求选择系统综合质量最小的构型而不是单纯追求高封闭度。系统设计过程应遵循物质平衡的基本原则,尤其是与航天员生命息息相关的O2平衡和水平衡。

生物再生生命保障地基实验系统气密性评价

针对直接影响生物再生生命保障系统地基实验系统有人密闭系统实验数据准确性的气密性或泄露率问题,以月宫一号大型地基实验系统为例,采用经典气体方程和系统动力学原理建立了影响其舱内气体动态的主要速率方程,并把泄露率作为其中的可调节参数,运用Matlab/Simulink中的S函数建立气体浓度对泄露率变化的瞬态响应特征模型。通过数值仿真实验研究,分析了在假设的不同泄露率下,月宫一号系统内O_2和CO_2气体浓度的动态变化规律。经气密性检验实验测定,月宫一号系统的舱体实际泄漏率为0.043%·d^(-1),仿真实验表明在这样的泄漏率下月宫一号系统的气体浓度瞬态响应规律接近完全密闭系统的水平。运用随机过程控制理论与方法对105天有人实验期间的气体稳态响应特征进行了统计分析研究,证实了在月宫一号有人密闭实验的过程中气体浓度是保持高度稳定的,说明月宫一号系统的气密性保证了系统有人密闭实验数据的可靠性。为后续类似的地基实验系统的设计和构建奠定了基础,可为我国再生生保系统的设计与建造提供相关的理论与方法支持。

深空探测生物再生生命保障系统研究进展和发展趋势

生物再生生命保障系统是月球基地、载人登陆火星和火星基地等长时间、远距离的载人航天活动的关键技术之一。梳理了生物再生生命保障系统的理论与技术体系,综述了自20世纪60年代至今,俄罗斯、美国、欧洲、日本、中国等国家与组织在该领域从生物单元到系统集成研究,再到有人密闭实验的研究进展,以及微型水生生物系统的空间实验的尝试。提出了生物再生生命保障系统的发展路径,指出小型陆生生态系统的空间实验是将该项技术真正应用于太空所需的关键环节,分析了该项技术未来发展趋势及其地面应用前景。

生物再生生命保障系统内候选动物蛋白—蚕的研究进展

为在未来进行长期远距离的深空探测,有必要在月球或火星基地建立为航天员提供基本生命保障和生活物资的生物再生式生命保障系统。系统内生产动物蛋白对航天员的食谱和提高系统的闭合性及稳定性都有重要意义。结合目前研究现状,详细介绍了生物再生式生命保障系统中候选动物蚕的情况,分析了当前研究存在的问题,并展望了今后的研究方向,为我国开展有关研究提供参考。

生物再生生命保障系统中小麦秸秆好氧生物处理及其微生物群落演替

为解决生物再生生命保障系统(BLSS)中植物不可食秸秆等固体废物处理问题,采用微生物发酵技术对小麦秸秆进行处理。通过正交实验对发酵温度、初始含水率及碳氮比3个因素进行优化,在最优条件下采用BLSS固废生物转化器进行验证,并分析固废生物转化器发酵过程中微生物数目及群落结构演变。实验结果表明:最优发酵条件为温度55℃、初始含水率60%、碳氮比30:1,该条件下摇瓶和固废生物转化器中降解效率分别为42.5%和56.3%。微生物总数达到3.27×10^7个/mL。基质中微生物多样性显著,群落结构发生明显变化,种属多样性有下降趋势,而与纤维素降解等功能相关的优势菌群Bacillus(芽胞杆菌属)、Thermolactis(热乳芽胞杆菌)、Scopulariopsis(帚霉属)及Aspergillus(曲霉属)等丰度明显上升。研究结果为BLSS中植物固废提供高效的生物处理方法,并为植物固废处理微生物菌剂制备提供参考。

载人航天再生生命保障技术和太空原位资源融合利用

载人航天器通过再生循环与原位资源利用的方式长期稳定供给人员生存所需的氧气、水和食物等生保物资并处理废物,是解决人类月球/火星驻留、飞火星等地外长距离飞行与驻留的核心技术。本文总结了再生生命保障技术的内涵,从水气再生、食物生产、固体废物循环、原位资源利用与系统人工调控五个方面概述了再生生命保障技术新进展与尚未解决的问题。最后,针对于解决驻留时间更长、飞行距离更远的任务,我们提出了构建下一代再生生命保障系统亟需解决的关键技术与基础科学问题。本文为多学科交叉合作建立载人航天器的新型生命保障系统,以期实现未来人员在太空长期驻留与星球拓殖提供了重要参考。

生物再生式生命保障系统中微藻应用研究进展

生物再生式生命保障系统(bioregenerative life support system,BLSS)是建立月球/火星基地,实现中长期载人空间飞行必须解决的关键技术。微藻作为一种单细胞藻类,具有叶绿素等光合器官,在BLSS中可以起到再生空气、水以及提供单细胞食物蛋白等作用,作为BLSS中最早被引进的物种,在世界范围内得到广泛研究。本文主要探讨了微藻在俄罗斯BIOS、美国CELSS、欧空局MELISSA和中国研究的历史、现状、进展以及微藻在BLSS中应用所存在的问题,同时提出了微藻在BLSS中新的潜在应用价值以及持续研究的必要性,以期为相关研究工作提供参考。

生物再生式生命保障系统内动物蛋白生产的研究进展

为实现长期远距离空间探测飞行必须应用生物再生式生命保障系统,系统内生产动物蛋白可提高系统的闭合性和稳定性。本文通过资料分析,详细介绍了各国针对生物再生式生命保障系统中动物蛋白生产研究进展,包括本课题组的研究结果,并对今后的研究进行了展望,对于我国开展有关研究具有重要参考价值。

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。

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。

未来的太空家园八 太空居民的生命保障(下)——小型实验性生命保障系统

您想了解未来的太空生活吗?您想参与“中学生设计太空家园”的活动吗?我们欢迎您加入!请把您的意见、建议或设想告诉我们,让我们共同构筑理想家园。

载人深空探测活动中的尿液处理回收技术分析

生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System,BLSS)是人类进行深空探测活动,实现长期载人空间飞行必需的关键技术,对于太空的探索开发具有重要意义。在BLSS系统内,航天员尿液废水的处理回收是非常重要的一部分。将尿液中所含有的大量的水分和丰富的营养物质回收用于系统内植物生长所需营养液的配制,既可以保证植物的正常生长,也有助于实现系统内物质的循环利用进而提高BLSS的闭合度。尿液中所含的大量盐分会威胁植物生长,所以需通过一定的技术手段处理尿液废水并回收其中的水分和营养。为了探索适用于BLSS中的尿液处理回收技术,首先分析了几种面向空间站应用的尿液处理技术,如蒸馏技术等;然后基于回收营养物质的需求,分析了面向民用的、发展较为成熟的尿液处理回收技术,如离子交换吸附技术、氨气吹脱技术和鸟粪石沉淀技术,并讨论了这些尿液处理回收技术在BLSS中的应用前景。最后基于BLSS的实际需求,提出了有望用于BLSS中的尿液处理回收技术流程。

微重力环境影响植物生长发育的研究进展

微重力是最独特的空间环境条件之一,研究微重力对不同植物种类以及不同植物部位的影响是空间生物学的重要内容之一,对于建立生物再生式生命保障系统意义重大。生物再生式生命保障系统是未来开展长期载人空间活动的核心技术,其优势在于能在一个密闭的系统内持续再生氧气,水和食物等高等动物生活必需品,植物部件是生物再生式生命保障系统的重要组成部分。了解和掌握微重力对植物生长发育的影响,有助于采取有效的作业制度确保其正常生长发育和繁殖,是成功建立生物再生式生命保障系统的首要关键。该文就植物在空间探索中的地位和作用,地面模拟微重力的装置以及国内外有关微重力对植物的影响做一综述。现有的研究结果包括,未来长期的载人航天任务需要植物通过光合作用为生物再生式生命保障系统提供部分动物营养、洁净水以及清除系统中的固体废物和二氧化碳;三维随机回旋装置是目前地面上模拟微重力效应的主要装置之一,尤其适用于植物材料的长期模拟微重力处理;国内外有关微重力对植物影响的报道生理生化水平多集中在植物的生长发育和生理反应,比如表型变化或者与重力相关的激素或者钙离子的再分配,细胞或亚细胞水平主要有细胞壁、线粒体、叶绿体以及细胞骨架等,基因和蛋白质表达水平的研究对象主要为拟南芥。由于实验方法和材料之间的差异,微重力对不同植物或者植物不同部位在各个水平的影响效果并不一致,未来需要开展更多的相关研究工作。

空间植物培养发展现状及其在现代阳台农业中的应用

阳台农业现代化的发展需要空间技术的应用,国内外空间植物学的研究,已由传统利用空间环境条件进行诱变育种发展到植物生长与人类空间生存一体化的研究阶段。我国利用空间技术已创造出一些农作物、蔬菜和花卉等经济作物的新种质/品种,同时对这些返回地面的材料进行生理生化、生长发育和遗传变异研究。2016年9月我国发射的“天宫二号”携带了拟南芥和水稻上天开展高等植物培养试验,打破了我国在太空培养植物的空白状态,在2016年10月发射的“神舟十一号”上,航天员景海鹏首次在太空进行人工栽培蔬菜。空间技术在阳台农业植物上的研究具有一定的优势。未来空间植物学的研究,不仅可以提供未来适合在空间环境和现代阳台农业种植的新种质/品种,还可以探索植物在空间生物再生生命保障系统中的作用。

BLSS中光藻反应器的模型与仿真实验研究(英文)

目的对生物再生式生命保障系统(BLSS)中的绿藻培养单元——光藻反应器(LABR)的数学模型和计算机仿真模型进行研究。方法运用系统动力学和化学计量学原理,在实验数据的基础上建立LA-BR系统的数学模型,进而建立其仿真模型,进行计算机实验,模拟系统在不同参数下的动态。结果模型的有效性检验表明,本文所建立的LABR的数学模型和仿真模型是有效的,可用于LABR进一步的深入研究。结论通过对LABR模型的仿真实验研究,可以大大减少实际研究所需时间和投入,为对BLSS中的其他子系统的类似研究提供理论和方法上的借鉴。

电化学二氧化碳浓缩器多参量测控系统的研究

在密闭的载人航天舱中 ,通过可再生式电化学二氧化碳浓缩器 (EDC)能将环境中一定浓度的CO2浓缩、转移 ,从而净化空气 .该系统转移能力强 ,可在较低的CO2 分压下长时间连续工作 .基于EDC手动控制实验研究 ,为提高EDC电池组的长期工作稳定性 ,设计制作了温度测量、信号多量程扩展及可控硅调功等硬件电路 ,结合智能变速积分PID算法 ,完成了对温度、湿度、浓度及较大量程范围的电池电压等多通道过程参数的自动监控 ,实现了将空气中的CO2 浓缩、转移的目的 .该多参量测控系统具有易操作性及通用性等特点 .