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    绿航星际—4人180天受控生态生保系统 集成试验简介
    来源:深圳市绿航星际太空科技研究院 日期:2018年11月22日  字体:【大】【中】【小】  浏览量:196

    绿航星际—4人180天受控生态生保系统

    集成试验简介

    一、前言 

    绿航星际—4人180天受控生态生保系统集成试验,是我国首次主导、多国参与的“人与环境”大型试验。试验以太空科技南方研究院为主导,以中国航天员科研训练中心为技术主体,联合法国空间研究中心、德国宇航中心、哈尔滨工业大学、中国科学院生态环境研究中心、深圳华大基因研究院等国内外相关机构,共同启动开展。

    本次试验以多学科交叉的受控生态生保理论与技术为基础,将整合我国载人航天三代环控生保技术,探索物化再生生保与生物再生生保技术的协同匹配特性,以多维分子组学连续跟踪为特征,揭示环境因素影响下的人体动态变化规律,建立发展适合多乘员长时间驻留的高物质闭合度、运行高效、系统可靠的生命保障体系新方法、新技术。

    试验计划历时8-10个月,经志愿者定选训练、预试验、志愿者进舱、模拟外星居留、志愿者出舱、试验总结等主要阶段,并将于近期启动试验志愿者选拔工作。本试验将成为目前我国持续时间最长、闭合循环程度最高、跨领域试验项目最多、驻留人数最多的一次受控生态生保系统集成试验。

    本次试验对丰富我国生物再生式生命保障技术理论基础,突破第三代环控生保关键技术,掌握深空探测与星际驻留任务中生命保障与健康维护核心技术,发展高物质闭合度的生物再生生保技术,研究长期密闭环境下人与环境之间相互作用关系具有积极作用,将为开展载人航天深空探测、和平利用太空、拓展人类地外生存空间提供技术储备,为人类星际旅行和地外居住创造保障条件。对于解决我国环境污染和资源枯竭等现实问题,倡导和推动低碳生活具有非常积极的意义、良好的应用前景和广阔的市场潜力。

     

    、项目背景 


    (一)载人航天深空探测必然方向—长时间远距离多乘员的星际驻留

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    19697月人类完成首次登月以来,世界各国探索外太空的脚步从未停歇。面对深邃太空和未知星球,开发长时间、远距离、多乘员的载人深空探测和地外星球驻留技术,是载人航天发展的必然方向。继成功实施载人空间交会对接和建立空间站之后,开展载人登月和建立月球基地将成为我国下一个载人航天的重大战略目标。 

    (二)载人航天基本问题及特色—环境控制与生命保障系统

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    载人航天的基本问题就是如何把航天员送入太空、航天员在太空如何生存。为了保障未来太空基地中人类的健康生活,持续提供食物、氧气和水等生保物资,需要建立安全可靠、高效运行的生命保障系统。受控生态生保系统是解决这一问题的根本途径。

    环境控制与生命保障系统(Environmental Control and Life Support, ECLS)以建立人在太空生存环境为目标,为保障航天员安全、高效工作提供生存与工作环境。没有环控生保,航天员在太空就无法生存;以最小的物质和能量代价实现人与环境的物质能量转换。

    受控生态生保系统是在载人飞船第一代非再生生保系统和载人空间站物化再生生保系统的基础上叠加生物再生部件而成的第三代生保系统。 该系统以生物再生技术为特征,有机融合非再生和物化再生技术,以物质闭环、运行高效、系统可靠为目标,通过各功能单元的协同匹配,满足深空探测与星际驻留任务中人类安全适宜生活需求的环境控制与生命保障系统。其最大特点是:物质闭合程度高,能实现系统内食物、氧气和水等基本生保物质的再生循环,可大大减少地面的后勤补给,为乘员提供一个鲜活的绿色环境。是建设星球基地、实施载人深空探测等国家载人战略任务的重要组成部分。

    (三)我国首次载人受控生态生保集成试验——中国航天员科研训练中心实施

    中国航天员科研训练中心在逐步突破单项关键技术的基础上,于201212月开展了我国首次230天受控生态生保系统集成技术试验研究,初步掌握了密闭生态系统中大气和水等物质流的动态平衡调控技术,在我国受控生态生保技术发展史上具有里程碑意义。 

    (四)受控生态生保系统的重大挑战——物质闭合度不高、长期运行可靠性低

    受控生态生保系统的长期高度自主循环和自给自足面临诸多重大挑战,主要体现在物质流闭合度不高(食物生产能力受限、废物废水循环率低)及系统的安全稳定运行调控技术(功能部件长期运行不够稳定、整体构架缺乏有机融合)等未得到充分掌握。因而无法满足受控生态生保系统的实际工程化应用要求。

    根据载人航天深空探测战略发展需求,为了尽快掌握深空探测与星际驻留任务中生命保障与健康维护核心技术,发展高物质闭合度的生物再生生保技术,探索长期密闭环境下人与环境之间相互作用规律,启动绿航星际4180天受控生态生保系统集成试验,开展乘员更多、时间更长、物质闭合度更高的受控生态生保系统集成技术试验研究,通过长时间运行考核,重点突破物质高闭合度调控和系统安全稳定运行调控等关键技术,并揭示系统中各个单元的动力学变化规律和交互关系等重要科学问题,从而建立发展适合多乘员长时间驻留的高物质闭合度、运行高效、系统可靠的生命保障体系新方法、新技术。 

     

    三、项目内容 

    受控生态生保系统依据地球生物圈生产者-消费者-分解者的基本原理,在密闭空间构建-植物-微生物-环境的小型人工自循环式受控生态系统,通过植物生长、微生物分解等生物过程实现系统内食物、水、氧气等生保物资的再生循环,并辅以一定的物化手段,提供适宜人类健康生长与生活的基础环境。包括总体物质流调控、植物培育与管理、废物处理与回用和水循环与管理。4180天集成试验将全面开展系统仿真、系统控制与管理技术、物质流调控、大气环境调控等总体技术,植物培育与食品生产技术,环境监测与控制技术,废水(物)循环与再利用技术以及乘员生理、心理及工效等方面的系统研究。 

    (一)总体物质流调控——探索从物化再生过渡到生物再生的全流程构建模式

    试验包括“以物化再生单元为主份+生物再生单元为备份”的拟人阶段(约60d)和“以生物再生单元为主份+物化再生单元为备份”的载人阶段(180d) 。

    兼顾物质流动态平衡调控的植物、微生物及物化再生单元在功能、规模及空间布局等方面的受控生态生保系统设计与构建技术研究;

    以实现物质流动态平衡调控为目标的物化再生与生物再生生保技术的过渡衔接及协同匹配关系研究;

    食品、氧、水等物质闭合度、能效比与先进性评价;

    物质流量化模型构建与评价研究。

    (二)植物培育与管理——掌握多品种多批次持续高效稳定生产技术

    兼顾营养和多样性的植物品种,多批次共培养持续高效生产。

    基于物质流平衡调控的植物品种、面积和批次共培养的匹配性设计方法研究;

    以高效生产为目标的植物生长生理、营养供应、连作障碍机制及调控方法以及病虫害发生规律、机理及防治方法研究。

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    (三)废物处理与循环利用——基于物质流平衡的生化处理与物化处理整合技术

    废物管理及循环利用模式;

    生物处理与物化处理相结合的处理方法

    废物处理工艺优化

    尾气排放控制

    生物安全控制

    (四)水循环与管理——基于乘员及植物需求的生化处理与物化处理整合技术

    膜分离与微生物组合处理水质净化及矿物质回用技术

    基于水循环的冷凝水管理模式

    微生物处理技术与物化处理技术相结合的水循环模式

    废水回用安全控制与管理

    (五)大气再生与管理——系统优化匹配的再生模式及大气环境控制技术

    舱内大气流场及温湿度场分布特性研究;

    大气微生物与微量有害气体衍生特性研究;

    受控生态体系中大气二氧化碳去除与产氧的生物学匹配关系研究;

    植物生长过程气体释放规律及其对大气环境的影响研究。

    (六)医工融合——“人与环境”科学研究、医学(国际)科学项目

    “表观遗传学”为核心的多维分子组学研究;

    心血管结构功能研究;

    生物节律与睡眠研究;

    传统医学干预研究。

     

    四、项目意义与愿景

    面向载人航天工程等国家任务战略需求,绿航星际4180天受控生态生保系统集成试验将解决制约我国星际飞行、深空探测任务中的生保物资持续供应、降低后勤保障成本的技术难题,确保航天员的身心健康,为地外生保系统的设计和研制提供先进理论与技术,为未来长期载人航天和地外星球定居与开发提供生命支持。通过该试验,我们能够认识长期密闭环境中人的生理与代谢系统响应特征,有助于发现未来月球基地、深空探测及火星基地等中长期载人航天任务中人体自身潜在可能发生的关键性生物医学问题,提出敏感性监测指标体系、建立特征规律与预测模型以及有效的干预与防护手段与方法。同时,也为解决我国当前发展过程中面临的资源枯竭和环境污染、极端环境中人的生存等问题提供技术解决方案,对发展我国现代农业和促进低碳循环经济具有积极的推动作用。 

    试验的展开有利于推动深圳市航空航天产业发展,推动我国环控生保技术和航天医学研究的深度发展,扩大对外国际交流和合作,有利于提升深圳市国际影响力;图片6.png建设支持月球基地、火星旅行等星际探索的受控生态生保系统、乘

    图片7.png

    员健康支持系统测试验证功能,建成国际一流的大型受控生态生命保障系统集成开放试验平台,成为汇聚国内外智力资源、开展受控生态生保系统技术研究的国际合作基地。

    “服务航天事业,造福社会民生”是深圳市绿航星际太空科技研究院的神圣使命,研究院将瞄准未来航天技术发展,推进载人航天技术在民生领域的转化,实现航天科技和民用技术充分融合发展;建立天地联通、辐射全球的航天科普基地、主题创客空间积极致力于推动深圳市航空航天和生命健康新兴产业发展。

     


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