我國月球基地受控生態生保系統物質流調控分析研究

郭雙生

·基礎研究·

我國月球基地受控生態生保系統物質流調控分析研究

郭雙生

（中國航天員科研訓練中心人因工程國防科技重點實驗室，北京100094）

針對載人深空探測和月球火星等地外星球定居與開發對生保物資持續再生供應的需求，基于國內外多年的載人航天受控生態生保技術研究經驗和我國的載人航天發展形勢，提出未來我國月球基地環控生保系統的基本規模、駐留人員和時間等邊界約束條件設想（乘組規模約為6人，大氣、水、食物及廢物循環閉合度分別為100%、100%、95%和95%），以此為基礎進行了其中大氣、水、食物和廢物等物質流配置的分析與計算，并提出其動態平衡調控方案。該工作以期為將來在我國的月球基地等環控生保系統中實現物質流的長期高效與安全可靠調控發揮參考作用。

月球基地；受控生態生保系統；生物部件；物質流調控

Abstract： The human deep space exploration， the habitation and exploitation of extraterrestrial planets such as the Moon and Mars will be an eminent drive for the development of future space technologies.Based on the many years’research experiences in Controlled Ecological Life Support System （CELSS） and the future trends of human space flight in China， the boundary conditions of CELSS in the future Chinese lunar base were put forward including the scale，the habitant number and the duration， etc.， and the allocation of basic material flows（six crew， with 100%gas， 100%water， 95%food and 95%waste material closure）， including the atmosphere， the water， the food and the waste were analyzed and calculated，and the dynamic balance-regulating scheme was proposed in detail.This work may serve as a good reference for the highly-efficient regulation of material flows in an environmental control and life support system in our future lunar base.

Key words：lunar base； Controlled Ecological Life Support System（CELSS）； biological components；material flow regulation

1 引言

開展載人深空探測和月球／火星等地外星球定居與開發具有重大的現實和深遠意義，已日益受到世界航天大國的重視，例如，美國、荷蘭、法國、意大利等多國學者近期聯合提出在2030年前后建成類似于國際空間站合作運行模式的國際月球基地（International Lunar Base） 的設想［1］。 然而，實現這一目標必須解決航天員長期太空生存所需氧氣、水和食物等生保物資的持續再生供應，否則依靠后勤補給則十分昂貴和困難。融合第一代、第二代載人航天環控生保技術，并引入受控生態概念和生物部件的第三代載人航天環境控制與生命保障系統，即受控生態生命保障系統（Controlled Ecological Life Support System， CELSS），是未來月球或火星基地實現長期有人駐留保障的重要支撐條件，國際上對此已開展了不少研究工作［2-5］ 。

我國開展受控生態生保技術研究已有20多年的歷史。早在1994年，當時的航天醫學工程研究所在國家863計劃支持下就開展了受控生態生保技術的概念研究，完成了相關專題研究報告。之后，中國航天員科研訓練中心、中國科學院植物研究所、遺傳與發育生物學研究所、水生生物研究所、上海植物生理與生態研究所、福建農科院紅萍研究中心、北京航空航天大學、中國空間技術研究院等科研院所開展了一系列受控生態生保關鍵技術攻關，取得了一系列重要突破［6-10］。2016年以中國航天員科研訓練中心為技術主導，在深圳太空科技南方研究院完成了4人180天受控生態生保集成試驗。作為一項研究性的第三代載人航天環控生保系統集成試驗，該研究獲取了大量寶貴數據，對于推動CELSS后續發展很有意義［11］。

但總體上看，國內外研究還都處于相對早期階段，離未來工程化應用還有很大距離，需要進行持續研究和試驗才有可能向該目標推進。目前，我國尚未開展過深入具體的系統設計與規劃，也未提出我國未來較為清晰的月球基地受控生態生保系統發展路線圖。針對這一問題，本文擬在國內外月球或火星基地CELSS概念規劃設計調研的基礎上并結合我國的實際情況，提出未來我國月球基地CELSS物質流調控方案，擬為下一步提出我國月球基地環控生保系統的建設構想奠定基礎。

2 總體邊界條件設定

參考國外航天大國已有的相關研究成果和經驗［12-15］，結合我國未來月球科考站的初步規劃和我們多年來積累的技術經驗，提出我國未來月球基地受控生態生保系統的總體邊界條件，具體如表1所示。

表1 我國未來月球基地受控生態生保系統總體邊界條件設定Table 1 The general boundary conditions of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3 物質流調控基本技術途徑

月球基地受控生態生保系統應該是一個生物再生部件與物化再生部件相結合的復合式受控生態生保系統。其中生物再生技術，包括高等植物、魚等水生動物及微生物等生物部件，主要進行食物生產、大氣再生和廢水凈化與再利用；其中物化再生技術的功能和作用也是多元的，包括系統初始條件建立、運行過程中的協同與互補，特別是系統故障狀態下的備份等。通過生物再生部件與物化再生部件的有機融合，以保證系統中物質流實現平穩、高效、安全可靠調控。本系統物質流程調控包括以下四個方面（圖1）：

1）大氣再生與平衡調控；

2）水回收利用與平衡調控；

3）食物生產與供應調控；

4）廢物循環利用與平衡調控。

具體介紹如下：

圖1 我國月球基地受控生態生保系統物質流調控基本技術途徑設計Fig.1 Preliminary design of basic technical approaches of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3.1 大氣再生與平衡調控

1）氧氣和二氧化碳分壓調控：采用植物和微藻等生物再生與物化再生相結合的方法進行氧氣供應和二氧化碳凈化。主要依靠大量植物和少量微藻供氧和凈化二氧化碳，其能力不足時啟動物化再生系統。若系統中氧分壓低于設定值下限時啟動水電解制氧裝置，若達到設定值上限時關閉該系統；若系統中二氧化碳分壓超過設定值上限時啟動四床分子篩二氧化碳收集裝置，若低于設定值下限時則關閉該裝置。當生物部件出現意外而無法進行氧氣供應和二氧化碳凈化時，則必須啟動應急模式，即此時則需要完全依靠以上物化再生方法，直至生物再生部件的功能逐漸得到恢復。

2）微量有害氣體調控：連續啟動生物空氣過濾器或光催化氧化+活性炭微量有害氣體和微生物凈化裝置，進行微量有害氣體和微生物的凈化處理。連續啟動針對乙烯凈化的光催化氧化裝置，進行植物所釋放的特有乙烯氣體激素的降解處理，降解后形成的二氧化碳和水等小分子物質被植物通過光合作用吸收利用，重新參與物質的合成代謝。

3.2 廢水回收利用與平衡調控

采用微生物反應器與物化再生相結合的方法進行水的再生循環與利用。

1）飲用水和衛生水供應：利用中溫催化氧化裝置等設施，對小部分冷凝水進行凈化處理，后處理液用作乘員的飲用水和衛生水等。應急情況下應采用多層過濾+活性炭技術等進行飲用水和衛生水供應。

2）營養液補液供應：大部分直接來自大氣濕度冷凝水；利用微生物反應器進行尿液和衛生廢水的處理，后處理液經過超濾凈化后可進入植物營養液重新參與水循環；在利用微生物反應器進行尿液處理前或處理后，利用反滲透技術或耐鹽泌鹽植物進行尿液中氯化鈉鹽的提取分離，獲得的氯化鈉鹽供給乘員重新食用（乘員排泄的尿液中含有大量氯化鈉鹽，其通過生物處理后會進入植物營養液，但植物不能對其吸收利用，那么這種鹽類長期在營養液積累則會對植物造成鹽害，因而必須進行提取處理）［16-17］。應急情況下采用蒸汽壓縮蒸餾等物化再生技術進行尿液和衛生廢水處理，收集的水分回到營養液供植物吸收利用，剩下的鹽類物質則暫時收集待微生物反應器狀態恢復后再進行處理與利用。

3）加濕水和沖廁水供應：小部分冷凝水用作加濕水源和沖廁用水。沖廁水也進入尿液，一并參與微生物反應器的凈化處理過程。

3.3 食品生產與平衡供應調控

主要依靠系統中植物／微藻培養單元和動物養殖單元連續生產和供應小麥和水稻等糧食、生菜和番茄等蔬菜、草莓和香瓜等水果、花生和大豆等油料、羅非魚和虹鱒魚等動物蛋白等食品。調味品和少量應急食品則預先存放或從地面定期補給。

應急情況下，則需要完全食用預先儲存的航天預制食品。預制食品儲量應不少于系統中乘員20天的食物需求量。

3.4 廢物循環利用與管理調控

主要利用微生物廢物處理反應器進行小麥秸稈、蔬菜枯葉和根莖等固體廢物的降解處理，后處理物可作為營養液或人工土壤供給植物栽培區進行植物培養，實現其中碳、氫、氧、氮和大量及微量無機礦質營養元素的循環利用。

另外，采用流化床固廢焚燒等物化技術進行乘員固體排泄物和動植物難降解廢物的分解處理，使之主要轉變為二氧化碳和水，從而使這部分物質中的碳、氫、氧等元素實現循環利用。在應急情況下，則完全依靠物化高溫氧化或超臨界氧化技術進行生物可降解固體廢物的降解處理，后處理物回到植物固體基質培養系統。

4 物質流調控分析計算

為保障該密閉人工生態系統的物質自循環平衡，需要進行系統中物質流的分析計算。在分析計算之前，需根據系統總體邊界條件確定人和植物的初始物質輸入輸出狀態。

4.1 系統初始狀態確定

4.1.1 人體物質攝入與排出量分析

根據文獻資料［18］，6人每天需要攝入和排放的物質質量的情況如表2所示。

表2 6人1天內的生保物資攝入量和排出量［18］Table 2 The intaken mass and discharged mass of life support material by six persons per day［18］

4.1.2 植物基本物質生產能力分析

糧食蔬菜等高等植物是受控生態生保系統中最重要的功能部件，因此把植物作為物質流分析計算的突破口和切入點。根據以上總體約束條件和目前已經掌握的相關實驗數據［19］，確定本系統中植物需具備的初始狀態如表3。

4.2 物質流分析計算

4.2.1 食物生產與供應能力分析計算

本系統的食物生產主要依靠糧食蔬菜、油料作物以及魚類等水生動物，植物主要生產碳水化合物、植物蛋白和植物脂肪、礦質元素、維生素和粗纖維等，水生動物魚類生產動物蛋白和動物脂肪等。

根據以上植物具備的初始狀態，栽培面積為50 m2的糧食蔬菜植物可以生產一個人所需的植物性食物。此外，水生動物擬每人每天提供50 g的動物蛋白，那么魚的養殖數量應該平均保持在50條左右。因此，該系統的植物和動物食物的生

表3 滿足6人食物、氧氣和水供應條件下植物應具備的初始狀態條件［19］Table 3 The initial states of plants needed to satisfy the provision of food，oxygen and water for six persons［19］

4.2.2 氧氣生產與供應能力計算

1）系統產氧能力計算

該系統主要依靠植物產氧。根據以上植物具備的初始狀態，每種植面積為20 m2的植物可以產生一個人的呼吸需氧量，那么種植面積為300 m2的植物其產氧能力為：P氧氣生產總量＝A植物總種植面積÷A1人供氧所需栽培面積×C每人每天呼吸用氧量＝300 ÷ 20 ×0.83＝12.45（kg）。

2）系統耗氧能力計算

該系統中植物產生的氧氣主要用于以下幾方面的代謝消耗：

（1）人呼吸供氧量：0.83 kg／人·天 ×6人 ＝4.98 kg；

（2）魚呼吸供氧量：0.01 kg／魚·天 ×50 條魚 ＝0.50 kg；

（3）生物可降解廢物氧化降解所需供氧量：生物可降解廢物一般指植物不可食生物量、動物不可食生物量、人體排泄的糞便、食物殘渣和生物可降解包裝物等。

植物和動物不可食生物量計算方法為：根據文獻［20］，作物的收獲指數按照34%計算，那么植物生產3.46 kg的食物則要產生的不可食生物量為：M植物不可食生物量＝M食物重量×66÷34 ＝3.46×66÷34＝6.72（kg）。

一般情況下，生物可降解廢物可通過耗氧和厭氧兩種途徑結合使用進行降解。此處設耗氧和厭氧份額各占50%，而且生物可降解廢物和用氧的重量比為 1∶1［21］，那么降解 6.72 kg的植物不可食生物量所用氧氣量為6.72÷2＝3.36 kg。

動物的收獲指數假定為50%，那么每天生產0.3 kg動物蛋白相應產生的動物不可食生物量為0.3 kg。設該不可食生物量全部采用氧化降解處理，耗氧量也按1∶1計算，那么降解0.30 kg的動物不可食生物量所用氧氣量為0.30 kg。

人體排泄物全部假設為碳水化合物，也全部采用耗氧處理，比例也為1∶1，那么0.18 kg的糞便固體排泄物氧化降解耗氧量為0.18 kg。

食物殘渣和生物可降解包裝物等的產生量按0.1 kg／天計算，處理方法同人體固體排泄物，那么其日耗氧量為0.10 kg。

（4）廢水氧化降解所需供氧量：每天產生的尿液、衛生廢水和洗衣廢水的總量為127.98 kg。假定其中的有機物含量為0.5%，并且全部采用耗氧處理（也按1∶1計算），那么處理這部分廢水需要消耗的氧氣為127.98×0.5% ＝0.64（kg）。

（5）耗氧微生物等其它耗氧量：系統土壤中或固體表面可能存在耗氧微生物，其日耗氧量估算值為0.20 kg。其它方面的耗氧量忽略不計。因此，該系統的日總耗氧量估算值為：

3）系統氧氣盈虧平衡計算

根據以上氧氣總生產能力和總消耗能力的分析計算，該系統的氧氣盈虧平衡能力理論計算值為：ΔP氧氣盈虧值＝P氧氣生產總量-P氧氣消耗總量＝12.45-10.26＝2.19（kg）。 因此按照理論值計算，該系統完全可以單獨依靠植物供氧，而且冗余度達到近17.6%（2.19／12.45×100%）。但為了增加系統的安全可靠性，仍然需要備份物化制氧設備。

4.2.3 二氧化碳排放與凈化能力分析

二氧化碳排放與凈化能力的計算方法與氧氣的計算方法相反，但基本依據相同，這里不再推導。根據氧氣的理論計算結果可知，種植面積為300 m2的植物其凈化二氧化碳的能力為（此處按照植物光合作用公式進行計算，即產生一個氧分子對應吸收一個二氧化碳分子）：P植物二氧化碳凈化總量＝ M植物氧氣生產總量÷ M氧氣克分子量× M二氧化碳克分子量＝12.45÷ 32 ×44 ＝17.12（kg）；P系統二氧化碳排放總量＝P氧氣消耗總量× M二氧化碳克分子量÷ M氧氣克分子量＝10.26 ×44 ÷ 32 ＝ 14.11 （ kg）； ΔP二氧化碳凈化能力＝P植物二氧化碳凈化總量-P系統二氧化碳排放總量＝17.12-14.11＝3.01（kg）。

由此可以看出，完全依靠植物足以全部吸收系統排放的二氧化碳，而且冗余度達到17.58%（3.01／17.12×100%）。但為了增加系統的安全可靠性，仍然需要備份物化二氧化碳凈化設備。

4.2.4 水回收與平衡能力分析

1）系統日總需水量

（1）乘員需水量

（2）植物需水量

①植物蒸騰蒸發用水量

根據植物初始狀態，種植面積為10 m2的植物其蒸騰蒸發的冷凝水即可滿足一個人用水需求，因此種植面積為300 m2的植物其每天蒸騰蒸發 用 水 量 為： M植物蒸騰蒸發水量＝ A植物總種植面積÷A滿足1人用水量所需種植面積×M每天1人需水量＝300 ÷10 ×21 ＝620.0（kg）。

②植物體內自由水用量

植物生產3.46 kg的食物，同時需要產生6.72 kg的不可食部分。其含水量平均按80%計算，那么植物體內的自由水含量應為：

③植物有機體構建用水量

這里，近似地認為植物有機體全部由糖類組成，那么植物有機體構建中需要的水量擬按照式（1）計算［22］：

6nCO2+6nH2O＝nC6H12O6+6nO2（1）

生成的植物生物量總量為10.18 kg（包括可食部分和不可食部分），那么合成該生物量需要的 水 量 為： M植物有機體構建用水量＝ M6個水分子量×M植物生物量總量÷ M1個葡萄糖分子量＝ 72 × 10.18 ÷ 180 ＝4.07（kg）。因此，植物生長每天的需水總量大致+M植物有機體構建用水量＝620+50.90+4.07 ＝674.97（kg）。

（3）動物需水量

動物用水量計算方法與植物相似，計算公式具 體 如 下： M動物日需水量＝ ∑ M動物體內自由水含量+M動物有機體構建用水量＝3.0+0.24 ＝3.24（kg）。

（4）系統日總需水量

根據以上分析，系統每天的總需水量計算如下： M系統總需水量＝ ∑ M乘員需水量+ M植物需水量+M動物需水量＝126+674.97+3.24 ＝804.21（kg）。

2）系統日總回水量

系統每天的回水量包括以下幾個方面：

（1）乘員排放廢水回收量

這部分水經過冷凝、生物與物化相結合的方式進行凈化處理后可以達到100%回收利用。

（2）植物蒸騰蒸發冷凝水回收量

植物蒸騰蒸發后散發到大氣中的水分子可以通過溫濕度控制系統進行冷凝，冷凝水可以100%回收利用，重新參與系統中營養液的水分循環等。因此，植物蒸騰蒸發冷凝水回收量的計算方法為：M植物蒸騰蒸發冷凝水回收量＝ M植物蒸騰蒸發水量＝ 620（kg）。

（3）植物體內自由水和結合水回收量

前者通過加熱干燥蒸發冷凝后回收，后者可食部分中的水通過乘員呼吸代謝冷凝回收，不可食部分通過體外氧化分解冷凝獲得。

（4）動物體內自由水和結合水回收量

（5）系統總回水量

系統總回水量按照以下方式計算：M系統總回水量127.98+620+54.16+3.24 ＝805.38（kg）。

可以看出，系統總回水量略高于總需水量，兩者基本相等，因此系統中的水在理論上可以達到供給平衡。

4.2.5 固體廢物回收與平衡能力分析

本系統每天產生的生物可降解固體廢物總量計 算 如 下： M固體廢物總量＝ ∑ M植物不可食部分+M尿液中固體含量＝10.18+0.3+0.18+0.12+0.36 ＝11.12（kg）。

對這部分廢物可實施氧化降解處理，使之轉變為二氧化碳、水、硝態氮，并釋放出無機礦質營養元素。植物重新利用二氧化碳和水進行光合作用和有機物的合成，構成系統內碳、氫、氧元素循環。

波音航空航天公司空間系統部的Olson等人認為，栽培面積為20 m2的植物每天需要吸收0.18 kg的礦質營養元素［23］。那么，該系統中種植面積為300 m2的植物每天所需要的礦質營養元素量為2.7 kg。這部分物質最終進入植物的可食部分和不可食部分。可食部分進入人體和動物體內，消化吸收后剩余部分通過排尿、出汗和排便排出。通過對尿、洗澡廢水和洗衣廢水凈化處理后可回收一部分礦質營養元素；另外，對動植物不可食生物量及其糞便進行降解處理，則可回收另外一部分礦質營養元素。回收到的礦質營養元素可重新進入植物營養液系統，實現系統內礦質營養元素的代謝循環。

人體排泄的尿素中氮素含量較高。一般情況下將尿素依次轉化為銨態氮和硝態氮，便于植物吸收，從而實現系統中的氮循環。另外，人體每天攝入一定量的氯化鈉鹽通過尿液和汗液排出，這部分鈉鹽植物不能直接吸收利用，否則會構成鹽害脅迫。需要采取反滲透技術或耐鹽泌鹽植物進行氯化鈉的提取分離而為乘員重復利用，從而實現系統中氯化鈉鹽循環。

5 結語

本文基于對國內外本領域多年的發展歷史、現狀及趨勢的詳細分析，提出了我國未來月球基地受控生態生保系統中大氣、水和食物等基本生保物資生產及廢物再生循環利用的物質流平衡調控方案，基于該方案詳細進行了保持物質流平衡的大氣、水、食物和資源等生保物質攝入與產出的分析計算，提出保持受控生態生保系統中物質流平衡所需要物質輸入與輸出平衡的數量調控關系，為下一步建立先進合理的CELSS實施方案奠定了一定的理論基礎。當然，本研究基于的實驗數據還不夠全面，待將來對包括4人180天CELSS集成試驗數據挖掘更加深入以及其它地面和天基實驗數據更加充分與深入后，則會對其進一步充實、修正與完善，這樣就更具有實際指導意義。

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（責任編輯：龍晉偉）

Analytic Study on Material Flow Regulation in CELSS of Future Chinese Lunar Base

GUO Shuangsheng
（National Key Laboratory of Human Factors Engineering， China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094， China）

V41

A

1674-5825（2017）05-0680-08

2016-08-15；

2017-07-24

人因工程國防科技重點實驗室基金（SYFD160051805）

郭雙生，男，博士，研究員，研究方向為受控生態生命保障技術。E-mail：guoshuangsheng＠sina.com