苏俄长期载人航天生命保障技术研究进展

芥翁⋯一馨禁奋攀吞像命· 航天医学工程研究所 郭双生 尚传勋 人类首次步入茫茫太空后不 久 , 前苏联 、美国等国家的科学家 就认识到长时间 、远距离和多乘 员的空 间载人飞行 、 宇宙载人探 险和地外星球定居是未来航天事 业发展的必然趋势 , 而再生式生 命保障系统是实现这一宏伟目标 的根本保证 。这是因为 , 如果完全 依靠从地球上补给氧气 、水和食 物等生活必需品 , 耗资巨大不说 , 有时甚至根本是不可能的 。 再生 式生命保障系统具有物理 /化学 再生和生物再生两种方式 , 尤其 后者能提供包括食物在内的全部 生存必需品 , 因此 , 它是未来生保 系统发展的根本途径 。但是 , 由于 物理/ 化学再生 技术在 能量 、功 耗 、重量和转换率等方面具有优 势 , 所以 , 将生物技术和物理 /化 学 技术两种再生方式结合起来 , 形成综合 、互补 、完善的物质闭合 循环生保系统 , 即受控生态生命 保障系统 , 必将是未来生保系统 的发展方向 。 前苏联以及现在的 俄罗斯在这一研究领域远远走在 世界前沿 ,处于国际领先水平 。本 文概述其在该领域的研究现状与 发展趋势 。 一 、地面模拟实验系统 人类首次遨游太空后 不久 , 前苏联就为长期载人航天做准备 并着手进行试验 。由于技术 、经济 和后勤保障等诸多因素的限制 , . 3 6 。 大量实验只能在地面 上模拟进 行 。 现将其最著名的地面模拟实 验系统介绍如下 。 1 . 航天器加压模拟器 60 年代初 , 前苏联建立 了利 用物理 /化学和生物两种再生技 术的地面综合再生式生命保障系 统—航天器加压模拟器 。 1 9 6 7年 1 1 月一 1 9 6 8 年 1 1 月 , 三名受 试者于其中进行了停留一年的生 命保障模拟试验 , 并做 了两次模 拟应急状态(氧气浓度下降 16 % 一 1 7 % , 二氧化碳浓度上升 1 % ~ 3 % , 温度 2 8 ~ 3 0 0 C , 湿度 1 5一 18 克/ 米“ , 水消耗量下降 , 食物 热量卡值 (1 卡约合 4 . 2 焦 )下降 到每人每天 2 5 0 0 卡 , 作息时间改 变 )下的生保试验 。这三名受试者 中 , 医生 、生物学家和技术专家各 一名 , 主要从事系统运行控制 、蔬 菜栽培与管理 、生物医学研究 、数 据采集与处理 、信息遥 测线路传 送 、控制设备维修和体格检查等 工作 。 该综合生保系统从湿度冷凝 水 (包括温室 )和尿液中再生饮用 水 , 从卫生废水和厨房废水中再 生卫生水 , 从舱 内大气中去除二 氧化碳和有害污染物 , 用处理过 的水通过电解产生氧气 。 在温室 中 , 利用离子交换树脂基质水培 系统栽培富含维生素的蔬菜植 物 , 如甘蓝 、水芹 、琉璃芭和漪萝 等 , 种植面积 7 . 5 米“ ; 通过模拟 太阳光谱的高强人工光源进行照 射 , 光照强度 为 45 一 50 瓦 /米 2 。 三名乘员的主食包括肉类 、粮食 、 奶类和 其它脱水产品等 , 每 日每 人食物定额为 7 20 克 , 其中脂肪 1 1 6 克 , 糖类 3 6 1 克 , 蛋白质 2 4 3 克 , 总热量卡值约为 3 0 0 0 卡 。 一年的实验 , 只要能 为 乘员提供其生命活动最终产品的 再生品 (包括食物 、氧气和水 ) , 并 确保他们与生物工程系统之间的 兼容性 , 那么 , 人长期停留在人工 密封环境中是完全可能的 。 每人 1一 2 米2 的小型蔬菜温室是可行 的 。且不说生产维生素和大气 , 从 心理学的观点来看 , 温室对乘员 也是非常有益的 。 经过一段停顿和修整之后 , 8 0 年代后期 , 前苏联又开始进行 类似的改进型试验 , 而且规模有 扩大趋势 。 2 . 航天器生保系统地面模 拟装置 前苏联于 1 9 7 2 年建成并投 入使用 的 BI O S 一3 航天器生保系 统地面模拟装置 , 是一种长期载 人飞行生命保障地面综合模拟系 统 。它 由一密闭的矩形钢舱组成 , 容积 3 1 5 米 3 , 种植面积 6 3 米 2 。 内部分成四个大小相同的隔室 , 其中三个为人工气候室 (两个栽 培小麦 , 一个种植 10 种蔬菜和 1 种油料作物 ) , 第四个是乘员室 , 包括居住间 、厨房 、餐厅 、盟洗室 、 中国航天 1 9 9 5 年第 n 期 5 通竺到 冷凝水 水一 一 一一- 一一、冷凝水 氮气 食物日大气/ 尿液 陈 氧气 食物 卫生水 水一水 空气 洁净空气 氧气 固体废物 二 氧化碳 } 空莎水} L二1』贬 氢气 甲烷 图 l 苏航天器加压模拟器综合生命保障系统功能框图 实验室 、控制室及废物处理系统 ; 此外 , 还具备小麦加工 、不可食生 物量 (如小麦杆 、叶和壳等)利用 、 维修 、称重和测量等所需设备 。 在无外界人员参与下 , 乘员 们亲自播种 、栽培和收割作物 、加 工食物并操纵整个装置 。 该系统 利用物理 /化学方法燃烧所有有 机物而产生更多的二氧化碳以增 加作物产量 ;大气中的有机混合 物通过热催化膜系统进行纯化 ; 植物蒸腾及蒸发水分冷凝水用作 饮用水和卫生水 ; 污水 同尿液一 样 , 不进行任何处理 , 待积累一定 数量后直接加入小麦营养液 ; 植 物的不可食生物量通过焚烧化为 灰烬 , 而其耐火部分及厨房废物 和粪便等则实施干燥处理 , 即水 分返回大气 , 剩余部分连同灰烬 一起存放起来 , 直至每轮实验结 束 。 B IO S 一3 在物质上尽可能实 行闭环 , 而在能量和信息方面实 行开环 , 电能和 电视节 目均由外 N ov . 19 9 5 A eros Pace Ch lna 部输入 , 并可通过 电话或监视装 置与外界进行对话交流 , 这样有 助于消除乘员的心理压力 。 迄今为止共进行过 5 次 “人 - 高等植物 ”人工生态系统模拟试 验 , 每次 “飞行 ”时间 4 一 6 个月 , “乘员 ”人数 2 一 3 名 , 累计实验时 间约两年 , 其中大气和水均实现 了 1 0 0 %的闭路循环 , 食物闭合 程度 由试验初期的 40 %一 50 % 逐渐提高到 80 %左右 , 其余 20 % 在实验开始时带进 , 主要为冻肉 和食盐等 。在光强为 1 30 一 1 70 瓦 /米 2 和光合有效辐射为 5 80 一 76 0 微兆光子/米 , · 秒的光照条 件下 , 2一 3 米 2 的种植面积即可 提供一个人的饮用水和卫生水 。 13 一 14 米 2 可以满足一个人的氧 气需求 , 但仅能满足 30 %一 35 % 的食物需求 (干重 ) 。 为了 80 %的 食物需求 , 每人播种面积必须增 加到 3 1 . 5 米2 。 利用 BIOS 一3 进行实验的过 程中 , 有 2 0 多项构思和技术均属 首创 , 为目前各国的空 间生命科 学 (地面模拟 和空间飞行试验 ) 、 美国生物圈 2 号研制和本国国内 的现代化农业生产等的快速发展 均产生了积极的推动作用 。然而 , 其不足之处在于 : (l) 系统不很稳 定 ; (2) 营养液和植物中有大量钠 离子的积累 ; (3) 微生物区系受到 严格控制 , 但不稳定 ; (4) 废物处 理不够彻底 ; (5) 密闭实验时间相 对较短且试验人数不多 。 鉴于此 , 俄罗斯 目前已着手 建立 BI O S一 4 装置 , 其某些 设计 为 : (1) 该系统必须能提供两 个乘员的生命保障 ; (2) 能够将各 种数量的装置组合为一个系统而 担负得起更多乘员 的生命保障 ; (3) 每个人需用的体积和 面积分 别不超过 2 0 米 3 和 2 4 米 2 ; (4 )具 有新一代的光源 、温控系统 、植物 栽培舱和居住舱等 。 他们还将与德国合作 , 将德 国的密闭平衡生物水产系统引入 BIO S 一 4 系统 , 生产鱼类和藻类蛋 白 (如草鱼和虹蹲鱼等 ) , 以进一 步提高食物供应的闭合程度 。 二 、空间飞行实验和应用系统 地面实验到一定程度时 , 必 须将其中某些成熟技术拿到空间 试验并进行推广应 用 , 前苏联和 俄罗斯在长期生保技术空间实验 和应 用方面走在 了世 界的最前 列 。 下面就其著名的空间飞行实 验和应用系统作介绍 。 1 . 礼炮号空间站再生式生 保实验系统 早在 60 年代 , 前苏联就开始 了空间物理 /化学再生式生保系 统的试验研究 , 他们在这方面 的 研究 、研制 、试验和操作中积累了 。 3 7 。 丰富的经验 。 1 9 7 5 年 , 在礼炮号 空间站上就已成功地进行了从生 命最终产品中再生水和氧气的物 理 /化学再生系统试验 。它具有大 气湿度冷凝水 、尿液和卫生废水 的水再生及水电解制氧等四个系 统 。由于当时技术水平所限 , 氧气 和水的再生率均比较低 (都没超 过 80 % ) , 因此仅能满足乘员的 部分需求 。 、 2 . 和平号空间站再生式生 保应用系统 80 年代后期 , 物理 /化学再 生式生保系统在和平号空间站上 正式开始了应用 。 目前 , 这一系统 又有了进一步的发展 , 它包括舱 内大气湿度冷凝水再生系统 、尿 液水再生系统 、卫生废水再生系 统 、舱内大气二氧化碳去除系统 、 舱内大气微量污染物控制系统和 水电解制氧系统等六大系统 。 湿 度冷凝水经过吸附/ 催化过程 、加 盐和矿物质并消毒后 , 用作饮用 水 ;尿液通过蒸馏和冷凝水吸附/ 催化纯化后用来电解制氧 , 必要 时 , 用作饮用水 ;卫生废水经过过 滤和吸附纯化后 , 用来洗手和洗 澡 ;利用再生吸附剂的吸附/ 催化 过程进行舱内大气二氧化碳的去 除和微量污染物的控制 。 这一综合系统的氧气再生率 为 100 % , 而水在 90 % 以上 。与开 环生保系统 (即食物 、氧气和水全 部由地面上进行再补充 )相 比较 , 一个三人乘员小组 , 一年可以减 少 13 吨的生保消费品再供应重 量 。这一系统的可靠性和有效性 , 在和平号空间站上的长期操作中 己经得到证明 。 该系统经过某些改进后 , 将 用在阿尔法国际空间站具有 4 名 。 3 8 。 图 2 和平号空间站综合再生式生命保障系统功能框图 乘员组的俄罗斯舱 内 。 该系统将 补充有一种二氧化碳还原系统以 增加其闭合程度并降低水的再供 应 。 三 、未来地外星球居住生保 系统设计方案 随着地球环境恶化 、人 口爆 炸和资源枯竭等一系列危机现象 的逐渐显露 , 人类未来唯一的出 路就是向地外星球延伸 , 向那里 要生存条件 。就目前来看 , 月球和 火星情况与地球的最接近 , 是最 有希望居住的地方 。 俄罗斯著名 宇航员贝利亚科夫在和平号空间 站创下 4 38 天的 飞行 , 客观 上 已经 为人类飞往火星做 了准 备 。 目前 , 几个航天大国均 已着手 考虑这一 问题 , 纷纷提 出并开始 实施自己的研究计划 。 现就俄罗 斯的有关情况简介如下 。 1 . 月球墓地生保系统设计 方案 科学家们经过最近几十年的 实践与研究认识到 , 建立 月球基 地 , 进而开发月球具有十分重要 的经济 、政治和科学价值 。 例如 , 利用大量存在于月球表面上的同 位素氦一 3 , 作为在地球上可控核 聚变发电的燃料 ; 建立多学科的 实验室 ,进行天体 、天文和气象观 测及生物 、医学和物理等研究 ;建 立火星载人探险的前哨基地等 。 因此 , 几个航夭大国竞相提出了 重返 月球的计划 , 时间大都安排 在下世纪 20 一30 年代 。届时航天 员将重新踏上 月球 , 以建立月球 基地 。 俄罗斯也提出了自己的登 月计划 , 并已开始实施 。 建立月球基地生命保障系 统 , 是建立 月球基地必须首先要 解决的关键问题 。 俄罗斯为未来 月球基地的生保系统进行了各种 构思与设计 , 基本设想如下 : 第一个月球基地与轨道空间 站舱类似 , 采用经过改进后的阿 尔法国际空间站的生保系统 。 稍 后 , 将生物再生系统 (4 一 8 米“的 蔬菜温室 )引进来以增加该系统 的闭合程度 。 由于月球上存在 1/ 69 的重力 , 这可以简化有关气/ 液蒸发 、浓缩 、分离和吸收等方面 中国航天 1 9 9 5 年第 n 期 矿质元素添加物 呱呱 ,, 人人人 ..... 食物和卫生用品 二载化碳和液体废物 水和可食生物量 固体废物 可食生物t 灰分和二氧化碳 氧气 、、 ,, 高高等植物物 护护护 水和不可 IIIII 物物理 / 化学学 暇暇化化 ..... 食生物 t 二氧化碳和污水 固体废物 异异养生物物 真真菌菌 鱼鱼类类 可食生物 t 灰渣 图 3 月球墓地综合式生物再生生保系统方案 A 图 的硬件设计要求 , 并提高使用寿 命 。 电化学处理可望得到广泛应 用 , 以便用最小代价实现物质的 最大转化 。 随着居住时间的日渐延长 , 物理 /化学再生式生保系统必须 过渡到包含“生物部件”的综合物 理 /化学系统 , 最终建成能够利用 月球资源的综合式生物工程再生 生保系统 。 在这种情况下 , 物理 / 化学系统在促使“生物部件 ”间的 协调操作 、加工其初级产品和确 保这一综合系统的正常运作等方 面仍将继续发挥关键作用 。例如 , 可再循环的物理 /化学矿化器能 够进行藻类 、菌类 、高等植物 、动 物不可食生物量和厨房废物的处 理 、营养液的制备 、粪便的脱水 、 小球藻蛋白质的生产及月球岩石 无机元素 (特别是氧气 )的提取 等 。在这一点上 , 未来生物工程综 合生保系统的实现及其可靠性将 相当大地依赖于第一个月球基地 物理 /化学再生生保系统的发展 和提高 。 N ov . 1 9 9 5 A ero sPace C hlna 总之 , 考虑 到在轨道空 间站 料为沸石 (z eo lit e) 并灌溉以营养 液 ; (4 )利用毛细以保持高湿 度条件 (90 % )而有利于 种子发 芽 。 1 9 9 0 年该温室装在和平号空 间站上进行 了首次空 间飞行试 验 , 54 天后获得了发育正常的小 萝 卜和大白菜两种空间蔬菜 。 目前 , 俄保又联手研制第二 代空间温室 S V E T 一 2 , 其特点有 : (l) 种植面积将扩增为 0 . 7 ~ 0 . 8 米 2 ; (2 )人工照 明 , 光强可达 12 u 瓦 /米 2 ; (3) 不同植物采用不同培 养方法 ; (4 )具有监测植物光合活 动 、叶面温度和发育状况的仪器 。 根据计划 , 1 9 9 5 年应完成该温室 的研制 , 1 9 9 7 年进行试飞 。 第三代空间温室 Sv E T 一 3 计 上的操作经验和月球上的 操作条件 , 在月球探测的 初期 , 月球基地 生保系统 将与阿尔法国际空间站的 改进型生保系统类同 。 当 月球基地获得大量能源和 空间资源后 , 该系统将逐 渐过渡到能利用当地资源 的生物工程生保系统 。 2 . 火星墓地生保系 统设计方案 火星较月球离地球更 遥远 , 目前的航天探测器 一个来 回约 需 1 . 5 年时 间 , 在此期间生保消费品 不易补充 , 因此必须发展 再生式生保系统 。最近 , 俄 罗斯和保加利亚联合设计 研制了一种小型 自动化空 间温室 (S V E T ) 。 该温室 有如下特点 : (l) 种植有效 面积为 0 . 1 米“ ; (2 )利用 特制的荧光灯照明 ; (3) 液 体培养 , 根基质的主要原 iii夕夕 {{{{{贮一倒倒 图 4 未来月球基地可能的结构图 1一太阳能接收器 ; 2一光导纤维 ; 3一光分配器 ; 4一人工气候室 ; 5一水培技术区 ; 6一生活区 ; 7一工作区 ; 8一密闭水产养殖系统