“綠航星際”—4人180天受控生態生保系統集成試驗圓滿收官

李瑩輝 左永亮 （ 中國航天員科研訓練中心 《航天員》雜志社）

“綠航星際”—4人180天受控生態生保系統集成試驗圓滿收官

China Ended 4 Volunteers 180-day Controlled Ecological Life Support System Experiment Successfully

李瑩輝1左永亮2（1 中國航天員科研訓練中心 2 《航天員》雜志社）

2017年1月14日，“綠航星際”完成出艙后試驗全部任務撤收工作，標志著“綠航星際”試驗取得了圓滿成功。“綠航星際”4人180天受控生態生保系統集成試驗是首次由我國主導的、多國參與的“人與環境”大型國際試驗，在試驗規模、參試人數、持續時間和技術要求上均處于國際同類試驗先進水平。

試驗期間，“綠航星際”試驗平臺子系統運行可靠，5類25個品種植物茁壯生長，635臺(套)參試設備穩定工作，兩大學科21個參試項目有序實施，實現了兩大學科1700余項數據的連續采集，獲取了大量詳實可靠的試/實驗數據和重要試/實驗場景的聲像資料。

1 引言

“綠航星際”于2016年5月7日啟動，首先進行了為期40天的擬人試驗(即采用人體代謝模擬裝置定量模擬乘員呼吸代謝，為初期植物培養提供負荷，同時定量評價物化再生向生物再生過渡的變化規律)。6月17日，4名參試志愿者進艙，正式開始了為期180天的載人試驗。

試驗目的

“綠航星際”試驗的目的是研究適合多乘員長時間駐留的高物質閉合度、運行高效、系統可靠的生命保障體系新方法、新技術，包括深空探測與星際駐留任務中生命保障與健康維護核心技術，高物質閉合度生物再生生保技術，以及“人與環境”醫學試驗。

平臺能力

“綠航星際”試驗艙面積370m2，容積1340m3，由乘員艙、生物艙、生保艙、資源艙4類8個艙段組成，集成了環境控制、循環再生、測控管理3類14個子系統，具備開展多人1年以上受控生態生保系統集成試驗的能力。

通過自主研制的環控生保系統平臺管理系統和人與環境試驗數據集成管理系統，“綠航星際”大幅提高了試驗中數據自動獲取能力，通過4種數據獲取手段（24類共1706個指標），具備全周期追溯、全周期管理、全周期挖掘能力。

試驗歷程

2015年1月8日，試驗艙體建設開工；

2015年5月10日，志愿者招募啟動；

2015年11月17日，試驗艙體建設完成；

2016年4月22日，全系統聯調完成；

2016年6月17日，志愿者進艙、試驗正式開始；

2016年8月26日，進入火星時節律研究；

2016年12月14日，志愿者出艙、試驗結束。

2 驗證受控生態生保技術

“綠航星際”以氧氣、水、食物和固體廢物循環的閉合度分別達到100%、90%、70%和60%為目標，通過植物培育與管理、廢物處理與回用、水循環管理和大氣再生與調控多項關鍵技術，開展受控生態生保技術試驗驗證。試驗期間，在物化再生系統與生物再生系統的協同匹配下，大氣再生、水循環、廢物處理等物質流循環基本正常，逐步獲取了物質流的循環規律。

核心部件：高等植物

植物是循環試驗艙內的核心要素，是受控生態生保系統中的關鍵生物部件。艙內植物種植面積共195.36m2，8個試驗艙內有4個艙都被種滿了各種植物。科研人員根據膳食營養能力、生長周期與速率、產氧和凈化二氧化碳能力、易栽培性、易收獲性、易烹飪加工性、口感、多樣性和相容性等多方面因素，綜合選定了5類25種植物。

小麥是植物艙內種植的主要糧食作物之一，它既保障了連續不斷的食物供給，也能保障氧氣的穩定供給；艙內種植的大豆、花生兩種油料作物不僅可以為志愿者提供人體必需的營養元素—脂肪，豆類中富含的植物蛋白也是人體所需蛋白質的一個重要來源；種植的蔬菜種類豐富，包含16種葉菜（生菜、油麥菜、莧菜等）、根菜（胡蘿卜和小蘿卜）和果菜（黃瓜和青椒），可以完全滿足志愿者每日新鮮蔬果的需求，提供人體所需的各種維生素和纖維素；種植的草莓和櫻桃番茄酸甜適口，一直在持續收獲中，是志愿者食譜中的一項重要調劑。除了一些常規作物以外，艙內還種植了2種功能性植物鐵皮石斛和辣木,以豐富志愿者的食譜，并起到一定的食療保健作用。其中，種植面積最大的小麥主要以水培方式進行分批次栽培，其余作物以基質培養的方式進行栽培。志愿者在艙內的主食為艙內收獲的甘薯以及小麥饅頭，輔食有艙內生產的花生和新鮮蔬果，艙內預存的肉類食物補充乘員所需的優質蛋白。

在試驗期間，艙內作物整體生長正常，按批次成熟，糧食、油料、蔬菜、水果及功能作物都按批次進行了收獲。物質流循環由物化再生為主過渡到生物再生為主的階段，試驗達到了預定目標。科研人員根據艙內設置的每天24h為周期不同組合的光照-黑暗、日溫-夜溫及它們的時長比例，合理安排符合植物生長狀態的晝夜節律參數，比如有些是長光照，有些是短光照；有些日夜環境溫度稍高，有些則稍低。除了光照周期調節，植物對培養基中無機離子的吸收速率在一天之間也會起伏變化。科研人員在合理制定每種植物“食譜”的同時，精細化地安排最佳的個性化“就餐時間”，也將起到“減肥增產”的效果。

氣體循環

植物通過光合作用吸收二氧化碳并釋放氧氣，以滿足人類呼吸需要，氧氣含量要保證處于標準值，才能夠滿足人的生存需求。艙內氧氣主要通過植物來供給。由于植物生長周期不同，植物的氧氣供給量也不同。當氧氣不足時，電解制氧裝置將水分解為氧氣，輔助調節艙內含氧量。植物吸收不了的二氧化碳和艙內有害氣體則通過艙內的去除裝置清除。

試驗前期，4名乘員（或模擬乘員）二氧化碳產生速率大于植物光合作用吸收速率，艙內的二氧化碳通過去除設備對多余的二氧化碳進行去除，并通過電解制氧設備補充乘員呼吸需求。擬人試驗末期，載人試驗初期植物代謝與乘員代謝基本平衡。同時試驗期間，通過微生物去除及微量有害氣體去除裝置對艙內大氣進行凈化，研究密閉環境中大氣微生物、氣體成分的演變過程。

水循環

在密閉試驗期間，除提前儲存的水之外，依靠195m2作物的蒸騰作用產生了大量水蒸氣，在經過溫濕度控制系統冷凝后形成了冷凝水；其中大部分冷凝水回灌到植物培養系統，小部分經過深度處理后，用于供應艙內乘員淋浴、洗漱、烹飪以及飲用等日常生活用水；乘員生活過程產生的生活廢水及所排放尿液經過凈化處理后回用到植物培養系統，以補充植物生長所需水分和養分，從而形成一個完整的水循環。

除了植物部件以外，真正實現水循環還需要另外兩個關鍵的系統—生活用水供應系統和廢水處理系統：

1）生活用水供應系統。采用微生物處理與物化處理相結合的處理方式，充分保證供水水質安全。植物艙冷凝水首先經過兩級微生物處理，降解去除水中的有機物和氨氮，然后經過膜過濾、離子交換、滅菌消毒等深度凈化后供給乘員生活及飲用。

2）廢水處理系統。采用以微生物處理為核心，輔以膜過濾及滅菌的處理工藝，4位乘員日常生活中產生的廢水及尿液，采集輸送到廢水處理系統，通過微生物分解作用，將廢水中各類有機污染物進行降解礦化，并完成氮素向硝態氮的轉化，再經過膜過濾和殺菌等工序后，輸送到植物營養液系統，完成水和礦物質元素的循環利用。

在試驗期間，隨著植物批次種植的逐步實施，系統水循環完成了從少到多，直至平衡的轉變，系統內植物蒸騰冷凝水日產生量700～1000L，日均供給乘員生活用水51L，日均處理廢水約50L。艙內已經完全實現了系統內乘員生活和植物生長所需水的再生式循環供應。

固廢循環

植物可食用的部分為志愿者提供營養；植物不可食用的部分和志愿者產生的糞便一起，注入固廢生態化處理系統，處理后作為有機肥料供給給植物；植物的秸稈等不易降解部分則會進入固廢高溫氧化處理系統，變為灰分和二氧化碳，同樣供給給植物。

在植物生產食物的同時，也產生了大量不可食生物量，植物不可食部中的碳（C）、氫（H）、氧（O）等生命元素經過固廢生態化處理系統及固廢高溫氧化處理系統轉化處理后，以二氧化碳、水、有機肥等形態參與物質流循環。固廢生態化處理系統，主要將乘員固體排泄物及部分植物不可食生物量轉化為生物質肥料，其余植物不可食生物量則通過高溫氧化處理的方式完成處理，目前各類生物質固廢得到持續處理。

3 “人與環境”醫學實驗

除受控生態生保技術外，試驗還對人與環境的相互作用規律進行了研究，主要包括長期密閉隔離狀態下人類心理生理變化及相互作用、長期密閉環境對人體節律與睡眠規律的影響、長期密閉環境下睡眠與情緒調節干預等方面研究，對我國空間站任務中航天員心理支持與評價、生活物資配置與管理等項目進行試驗驗證。此次試驗涉及的醫學項目包括心理認知腦功能、分子組學甲基化、心血管功能、傳統醫學太極拳、生物節律睡眠等。

在試驗開始前，科研人員對志愿者進行了各種醫學測試，如心電、腦電、血液等。這些數據將與他們艙內生活的數據進行綜合分析對比，用來驗證長期飛行的密閉環境對人的各項生理指標的影響。在180天的試驗中，科研人員每天都會對志愿者進行常規性醫學檢查，記錄其心率、血壓等基本生理指標；通過30天1次的周期性醫學檢查，跟蹤其生化指標、心血管、肺功能、乘員表面微生物變化。試驗期間，按計劃獲取了以人機關系為研究重點的各項醫學實驗數據，包括人的身體、心理、情緒、認知等各項實驗數據。

通過設置火星節律，研究“地球時－火星時－地球時”交替對人體健康的影響；在“火星時”試驗期間，艙內環境中的鐘表信息被屏蔽，用實驗室累積時間來顯示，同時，每天的起居和工作，都按照科研人員事先精細制作的作息表來進行，每天的總長度是24h40min。4名乘員在艙內開展任何一件事情的時間點，都會比前一天往后“飄”40min。

同時，這次試驗還研究了長期密閉隔離誘發的心理改變與生理變化的相關性；獲取長期密閉環境下人體表觀遺傳信息特征，在飲食、運動受控情況下對人體代謝組學，腸道微生物組學變化規律進行研究；開展了具有中國特色的體育鍛煉項目——太極拳，探索其在密閉環境中對人情緒狀態、睡眠和心理健康的調控作用。

4 志愿者艙內生活保障

從2015年5月起，試驗面向全社會招募參試志愿者，經過了資格審查、臨床醫學、心理及神經測評、心理會談共4輪選拔，最終從2110人中選拔出主備份共8名志愿者。此次進艙的志愿者為3男1女，唐永康、仝飛舟為中國航天員科研訓練中心科研人員，羅杰、吳世云為社會公開招募。

志愿者在密閉艙內每天都要進行植物的播種、間苗以及收獲等管理工作，同時還要學習必要的醫學知識和醫學操作，具備較高的醫學素養，以備互救之需。艙內還配備了種類齊全的藥物，保障乘員健康。為保證志愿者健康生活及高效工作，試驗制定了詳細的營養保障、生活保障、醫監醫保、心理支持、體育鍛煉等方案，同時也開展了一系列的研究性和驗證性試驗。

在180天的時間里，“綠航星際”按計劃完成了各項科研試驗任務。隨后，4名志愿者將接受1個月的醫學檢查，艙體內部系統還將進行1個月的數據采集和試驗，以保證科學數據的連續性。這次試驗對建立和發展適合多乘員長時間駐留太空的高閉合度、運行高效、系統可靠的生命健康保障體系的新方法、新技術具有重要意義，也標志著我國自主掌握的受控生態生保技術達到了國際先進水平，為未來外太空生保系統的研發提供科學依據和重要數據。

毛凌野/本文編輯