“绿航星际”—4人180天受控生态生保系统集成试验圆满收官

李莹辉 左永亮 （ 中国航天员科研训练中心 《航天员》杂志社）

“绿航星际”—4人180天受控生态生保系统集成试验圆满收官

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

李莹辉1左永亮2（1 中国航天员科研训练中心 2 《航天员》杂志社）

2017年1月14日，“绿航星际”完成出舱后试验全部任务撤收工作，标志着“绿航星际”试验取得了圆满成功。“绿航星际”4人180天受控生态生保系统集成试验是首次由我国主导的、多国参与的“人与环境”大型国际试验，在试验规模、参试人数、持续时间和技术要求上均处于国际同类试验先进水平。

试验期间，“绿航星际”试验平台子系统运行可靠，5类25个品种植物茁壮生长，635台(套)参试设备稳定工作，两大学科21个参试项目有序实施，实现了两大学科1700余项数据的连续采集，获取了大量详实可靠的试/实验数据和重要试/实验场景的声像资料。

1 引言

“绿航星际”于2016年5月7日启动，首先进行了为期40天的拟人试验(即采用人体代谢模拟装置定量模拟乘员呼吸代谢，为初期植物培养提供负荷，同时定量评价物化再生向生物再生过渡的变化规律)。6月17日，4名参试志愿者进舱，正式开始了为期180天的载人试验。

试验目的

“绿航星际”试验的目的是研究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，包括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，高物质闭合度生物再生生保技术，以及“人与环境”医学试验。

平台能力

“绿航星际”试验舱面积370m2，容积1340m3，由乘员舱、生物舱、生保舱、资源舱4类8个舱段组成，集成了环境控制、循环再生、测控管理3类14个子系统，具备开展多人1年以上受控生态生保系统集成试验的能力。

通过自主研制的环控生保系统平台管理系统和人与环境试验数据集成管理系统，“绿航星际”大幅提高了试验中数据自动获取能力，通过4种数据获取手段（24类共1706个指标），具备全周期追溯、全周期管理、全周期挖掘能力。

试验历程

2015年1月8日，试验舱体建设开工；

2015年5月10日，志愿者招募启动；

2015年11月17日，试验舱体建设完成；

2016年4月22日，全系统联调完成；

2016年6月17日，志愿者进舱、试验正式开始；

2016年8月26日，进入火星时节律研究；

2016年12月14日，志愿者出舱、试验结束。

2 验证受控生态生保技术

“绿航星际”以氧气、水、食物和固体废物循环的闭合度分别达到100%、90%、70%和60%为目标，通过植物培育与管理、废物处理与回用、水循环管理和大气再生与调控多项关键技术，开展受控生态生保技术试验验证。试验期间，在物化再生系统与生物再生系统的协同匹配下，大气再生、水循环、废物处理等物质流循环基本正常，逐步获取了物质流的循环规律。

核心部件：高等植物

植物是循环试验舱内的核心要素，是受控生态生保系统中的关键生物部件。舱内植物种植面积共195.36m2，8个试验舱内有4个舱都被种满了各种植物。科研人员根据膳食营养能力、生长周期与速率、产氧和净化二氧化碳能力、易栽培性、易收获性、易烹饪加工性、口感、多样性和相容性等多方面因素，综合选定了5类25种植物。

小麦是植物舱内种植的主要粮食作物之一，它既保障了连续不断的食物供给，也能保障氧气的稳定供给；舱内种植的大豆、花生两种油料作物不仅可以为志愿者提供人体必需的营养元素—脂肪，豆类中富含的植物蛋白也是人体所需蛋白质的一个重要来源；种植的蔬菜种类丰富，包含16种叶菜（生菜、油麦菜、苋菜等）、根菜（胡萝卜和小萝卜）和果菜（黄瓜和青椒），可以完全满足志愿者每日新鲜蔬果的需求，提供人体所需的各种维生素和纤维素；种植的草莓和樱桃番茄酸甜适口，一直在持续收获中，是志愿者食谱中的一项重要调剂。除了一些常规作物以外，舱内还种植了2种功能性植物铁皮石斛和辣木,以丰富志愿者的食谱，并起到一定的食疗保健作用。其中，种植面积最大的小麦主要以水培方式进行分批次栽培，其余作物以基质培养的方式进行栽培。志愿者在舱内的主食为舱内收获的甘薯以及小麦馒头，辅食有舱内生产的花生和新鲜蔬果，舱内预存的肉类食物补充乘员所需的优质蛋白。

在试验期间，舱内作物整体生长正常，按批次成熟，粮食、油料、蔬菜、水果及功能作物都按批次进行了收获。物质流循环由物化再生为主过渡到生物再生为主的阶段，试验达到了预定目标。科研人员根据舱内设置的每天24h为周期不同组合的光照-黑暗、日温-夜温及它们的时长比例，合理安排符合植物生长状态的昼夜节律参数，比如有些是长光照，有些是短光照；有些日夜环境温度稍高，有些则稍低。除了光照周期调节，植物对培养基中无机离子的吸收速率在一天之间也会起伏变化。科研人员在合理制定每种植物“食谱”的同时，精细化地安排最佳的个性化“就餐时间”，也将起到“减肥增产”的效果。

气体循环

植物通过光合作用吸收二氧化碳并释放氧气，以满足人类呼吸需要，氧气含量要保证处于标准值，才能够满足人的生存需求。舱内氧气主要通过植物来供给。由于植物生长周期不同，植物的氧气供给量也不同。当氧气不足时，电解制氧装置将水分解为氧气，辅助调节舱内含氧量。植物吸收不了的二氧化碳和舱内有害气体则通过舱内的去除装置清除。

试验前期，4名乘员（或模拟乘员）二氧化碳产生速率大于植物光合作用吸收速率，舱内的二氧化碳通过去除设备对多余的二氧化碳进行去除，并通过电解制氧设备补充乘员呼吸需求。拟人试验末期，载人试验初期植物代谢与乘员代谢基本平衡。同时试验期间，通过微生物去除及微量有害气体去除装置对舱内大气进行净化，研究密闭环境中大气微生物、气体成分的演变过程。

水循环

在密闭试验期间，除提前储存的水之外，依靠195m2作物的蒸腾作用产生了大量水蒸气，在经过温湿度控制系统冷凝后形成了冷凝水；其中大部分冷凝水回灌到植物培养系统，小部分经过深度处理后，用于供应舱内乘员淋浴、洗漱、烹饪以及饮用等日常生活用水；乘员生活过程产生的生活废水及所排放尿液经过净化处理后回用到植物培养系统，以补充植物生长所需水分和养分，从而形成一个完整的水循环。

除了植物部件以外，真正实现水循环还需要另外两个关键的系统—生活用水供应系统和废水处理系统：

1）生活用水供应系统。采用微生物处理与物化处理相结合的处理方式，充分保证供水水质安全。植物舱冷凝水首先经过两级微生物处理，降解去除水中的有机物和氨氮，然后经过膜过滤、离子交换、灭菌消毒等深度净化后供给乘员生活及饮用。

2）废水处理系统。采用以微生物处理为核心，辅以膜过滤及灭菌的处理工艺，4位乘员日常生活中产生的废水及尿液，采集输送到废水处理系统，通过微生物分解作用，将废水中各类有机污染物进行降解矿化，并完成氮素向硝态氮的转化，再经过膜过滤和杀菌等工序后，输送到植物营养液系统，完成水和矿物质元素的循环利用。

在试验期间，随着植物批次种植的逐步实施，系统水循环完成了从少到多，直至平衡的转变，系统内植物蒸腾冷凝水日产生量700～1000L，日均供给乘员生活用水51L，日均处理废水约50L。舱内已经完全实现了系统内乘员生活和植物生长所需水的再生式循环供应。

固废循环

植物可食用的部分为志愿者提供营养；植物不可食用的部分和志愿者产生的粪便一起，注入固废生态化处理系统，处理后作为有机肥料供给给植物；植物的秸秆等不易降解部分则会进入固废高温氧化处理系统，变为灰分和二氧化碳，同样供给给植物。

在植物生产食物的同时，也产生了大量不可食生物量，植物不可食部中的碳（C）、氢（H）、氧（O）等生命元素经过固废生态化处理系统及固废高温氧化处理系统转化处理后，以二氧化碳、水、有机肥等形态参与物质流循环。固废生态化处理系统，主要将乘员固体排泄物及部分植物不可食生物量转化为生物质肥料，其余植物不可食生物量则通过高温氧化处理的方式完成处理，目前各类生物质固废得到持续处理。

3 “人与环境”医学实验

除受控生态生保技术外，试验还对人与环境的相互作用规律进行了研究，主要包括长期密闭隔离状态下人类心理生理变化及相互作用、长期密闭环境对人体节律与睡眠规律的影响、长期密闭环境下睡眠与情绪调节干预等方面研究，对我国空间站任务中航天员心理支持与评价、生活物资配置与管理等项目进行试验验证。此次试验涉及的医学项目包括心理认知脑功能、分子组学甲基化、心血管功能、传统医学太极拳、生物节律睡眠等。

在试验开始前，科研人员对志愿者进行了各种医学测试，如心电、脑电、血液等。这些数据将与他们舱内生活的数据进行综合分析对比，用来验证长期飞行的密闭环境对人的各项生理指标的影响。在180天的试验中，科研人员每天都会对志愿者进行常规性医学检查，记录其心率、血压等基本生理指标；通过30天1次的周期性医学检查，跟踪其生化指标、心血管、肺功能、乘员表面微生物变化。试验期间，按计划获取了以人机关系为研究重点的各项医学实验数据，包括人的身体、心理、情绪、认知等各项实验数据。

通过设置火星节律，研究“地球时－火星时－地球时”交替对人体健康的影响；在“火星时”试验期间，舱内环境中的钟表信息被屏蔽，用实验室累积时间来显示，同时，每天的起居和工作，都按照科研人员事先精细制作的作息表来进行，每天的总长度是24h40min。4名乘员在舱内开展任何一件事情的时间点，都会比前一天往后“飘”40min。

同时，这次试验还研究了长期密闭隔离诱发的心理改变与生理变化的相关性；获取长期密闭环境下人体表观遗传信息特征，在饮食、运动受控情况下对人体代谢组学，肠道微生物组学变化规律进行研究；开展了具有中国特色的体育锻炼项目——太极拳，探索其在密闭环境中对人情绪状态、睡眠和心理健康的调控作用。

4 志愿者舱内生活保障

从2015年5月起，试验面向全社会招募参试志愿者，经过了资格审查、临床医学、心理及神经测评、心理会谈共4轮选拔，最终从2110人中选拔出主备份共8名志愿者。此次进舱的志愿者为3男1女，唐永康、仝飞舟为中国航天员科研训练中心科研人员，罗杰、吴世云为社会公开招募。

志愿者在密闭舱内每天都要进行植物的播种、间苗以及收获等管理工作，同时还要学习必要的医学知识和医学操作，具备较高的医学素养，以备互救之需。舱内还配备了种类齐全的药物，保障乘员健康。为保证志愿者健康生活及高效工作，试验制定了详细的营养保障、生活保障、医监医保、心理支持、体育锻炼等方案，同时也开展了一系列的研究性和验证性试验。

在180天的时间里，“绿航星际”按计划完成了各项科研试验任务。随后，4名志愿者将接受1个月的医学检查，舱体内部系统还将进行1个月的数据采集和试验，以保证科学数据的连续性。这次试验对建立和发展适合多乘员长时间驻留太空的高闭合度、运行高效、系统可靠的生命健康保障体系的新方法、新技术具有重要意义，也标志着我国自主掌握的受控生态生保技术达到了国际先进水平，为未来外太空生保系统的研发提供科学依据和重要数据。

毛凌野/本文编辑