我国月球基地受控生态生保系统物质流调控分析研究

郭双生

·基础研究·

我国月球基地受控生态生保系统物质流调控分析研究

郭双生

（中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室，北京100094）

针对载人深空探测和月球火星等地外星球定居与开发对生保物资持续再生供应的需求，基于国内外多年的载人航天受控生态生保技术研究经验和我国的载人航天发展形势，提出未来我国月球基地环控生保系统的基本规模、驻留人员和时间等边界约束条件设想（乘组规模约为6人，大气、水、食物及废物循环闭合度分别为100%、100%、95%和95%），以此为基础进行了其中大气、水、食物和废物等物质流配置的分析与计算，并提出其动态平衡调控方案。该工作以期为将来在我国的月球基地等环控生保系统中实现物质流的长期高效与安全可靠调控发挥参考作用。

月球基地；受控生态生保系统；生物部件；物质流调控

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

开展载人深空探测和月球／火星等地外星球定居与开发具有重大的现实和深远意义，已日益受到世界航天大国的重视，例如，美国、荷兰、法国、意大利等多国学者近期联合提出在2030年前后建成类似于国际空间站合作运行模式的国际月球基地（International Lunar Base） 的设想［1］。 然而，实现这一目标必须解决航天员长期太空生存所需氧气、水和食物等生保物资的持续再生供应，否则依靠后勤补给则十分昂贵和困难。融合第一代、第二代载人航天环控生保技术，并引入受控生态概念和生物部件的第三代载人航天环境控制与生命保障系统，即受控生态生命保障系统（Controlled Ecological Life Support System， CELSS），是未来月球或火星基地实现长期有人驻留保障的重要支撑条件，国际上对此已开展了不少研究工作［2-5］ 。

我国开展受控生态生保技术研究已有20多年的历史。早在1994年，当时的航天医学工程研究所在国家863计划支持下就开展了受控生态生保技术的概念研究，完成了相关专题研究报告。之后，中国航天员科研训练中心、中国科学院植物研究所、遗传与发育生物学研究所、水生生物研究所、上海植物生理与生态研究所、福建农科院红萍研究中心、北京航空航天大学、中国空间技术研究院等科研院所开展了一系列受控生态生保关键技术攻关，取得了一系列重要突破［6-10］。2016年以中国航天员科研训练中心为技术主导，在深圳太空科技南方研究院完成了4人180天受控生态生保集成试验。作为一项研究性的第三代载人航天环控生保系统集成试验，该研究获取了大量宝贵数据，对于推动CELSS后续发展很有意义［11］。

但总体上看，国内外研究还都处于相对早期阶段，离未来工程化应用还有很大距离，需要进行持续研究和试验才有可能向该目标推进。目前，我国尚未开展过深入具体的系统设计与规划，也未提出我国未来较为清晰的月球基地受控生态生保系统发展路线图。针对这一问题，本文拟在国内外月球或火星基地CELSS概念规划设计调研的基础上并结合我国的实际情况，提出未来我国月球基地CELSS物质流调控方案，拟为下一步提出我国月球基地环控生保系统的建设构想奠定基础。

2 总体边界条件设定

参考国外航天大国已有的相关研究成果和经验［12-15］，结合我国未来月球科考站的初步规划和我们多年来积累的技术经验，提出我国未来月球基地受控生态生保系统的总体边界条件，具体如表1所示。

表1 我国未来月球基地受控生态生保系统总体边界条件设定Table 1 The general boundary conditions of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3 物质流调控基本技术途径

月球基地受控生态生保系统应该是一个生物再生部件与物化再生部件相结合的复合式受控生态生保系统。其中生物再生技术，包括高等植物、鱼等水生动物及微生物等生物部件，主要进行食物生产、大气再生和废水净化与再利用；其中物化再生技术的功能和作用也是多元的，包括系统初始条件建立、运行过程中的协同与互补，特别是系统故障状态下的备份等。通过生物再生部件与物化再生部件的有机融合，以保证系统中物质流实现平稳、高效、安全可靠调控。本系统物质流程调控包括以下四个方面（图1）：

1）大气再生与平衡调控；

2）水回收利用与平衡调控；

3）食物生产与供应调控；

4）废物循环利用与平衡调控。

具体介绍如下：

图1 我国月球基地受控生态生保系统物质流调控基本技术途径设计Fig.1 Preliminary design of basic technical approaches of CELSS in an assumed future Chinese Lunar base

3.1 大气再生与平衡调控

1）氧气和二氧化碳分压调控：采用植物和微藻等生物再生与物化再生相结合的方法进行氧气供应和二氧化碳净化。主要依靠大量植物和少量微藻供氧和净化二氧化碳，其能力不足时启动物化再生系统。若系统中氧分压低于设定值下限时启动水电解制氧装置，若达到设定值上限时关闭该系统；若系统中二氧化碳分压超过设定值上限时启动四床分子筛二氧化碳收集装置，若低于设定值下限时则关闭该装置。当生物部件出现意外而无法进行氧气供应和二氧化碳净化时，则必须启动应急模式，即此时则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渐得到恢复。

2）微量有害气体调控：连续启动生物空气过滤器或光催化氧化+活性炭微量有害气体和微生物净化装置，进行微量有害气体和微生物的净化处理。连续启动针对乙烯净化的光催化氧化装置，进行植物所释放的特有乙烯气体激素的降解处理，降解后形成的二氧化碳和水等小分子物质被植物通过光合作用吸收利用，重新参与物质的合成代谢。

3.2 废水回收利用与平衡调控

采用微生物反应器与物化再生相结合的方法进行水的再生循环与利用。

1）饮用水和卫生水供应：利用中温催化氧化装置等设施，对小部分冷凝水进行净化处理，后处理液用作乘员的饮用水和卫生水等。应急情况下应采用多层过滤+活性炭技术等进行饮用水和卫生水供应。

2）营养液补液供应：大部分直接来自大气湿度冷凝水；利用微生物反应器进行尿液和卫生废水的处理，后处理液经过超滤净化后可进入植物营养液重新参与水循环；在利用微生物反应器进行尿液处理前或处理后，利用反渗透技术或耐盐泌盐植物进行尿液中氯化钠盐的提取分离，获得的氯化钠盐供给乘员重新食用（乘员排泄的尿液中含有大量氯化钠盐，其通过生物处理后会进入植物营养液，但植物不能对其吸收利用，那么这种盐类长期在营养液积累则会对植物造成盐害，因而必须进行提取处理）［16-17］。应急情况下采用蒸汽压缩蒸馏等物化再生技术进行尿液和卫生废水处理，收集的水分回到营养液供植物吸收利用，剩下的盐类物质则暂时收集待微生物反应器状态恢复后再进行处理与利用。

3）加湿水和冲厕水供应：小部分冷凝水用作加湿水源和冲厕用水。冲厕水也进入尿液，一并参与微生物反应器的净化处理过程。

3.3 食品生产与平衡供应调控

主要依靠系统中植物／微藻培养单元和动物养殖单元连续生产和供应小麦和水稻等粮食、生菜和番茄等蔬菜、草莓和香瓜等水果、花生和大豆等油料、罗非鱼和虹鳟鱼等动物蛋白等食品。调味品和少量应急食品则预先存放或从地面定期补给。

应急情况下，则需要完全食用预先储存的航天预制食品。预制食品储量应不少于系统中乘员20天的食物需求量。

3.4 废物循环利用与管理调控

主要利用微生物废物处理反应器进行小麦秸秆、蔬菜枯叶和根茎等固体废物的降解处理，后处理物可作为营养液或人工土壤供给植物栽培区进行植物培养，实现其中碳、氢、氧、氮和大量及微量无机矿质营养元素的循环利用。

另外，采用流化床固废焚烧等物化技术进行乘员固体排泄物和动植物难降解废物的分解处理，使之主要转变为二氧化碳和水，从而使这部分物质中的碳、氢、氧等元素实现循环利用。在应急情况下，则完全依靠物化高温氧化或超临界氧化技术进行生物可降解固体废物的降解处理，后处理物回到植物固体基质培养系统。

4 物质流调控分析计算

为保障该密闭人工生态系统的物质自循环平衡，需要进行系统中物质流的分析计算。在分析计算之前，需根据系统总体边界条件确定人和植物的初始物质输入输出状态。

4.1 系统初始状态确定

4.1.1 人体物质摄入与排出量分析

根据文献资料［18］，6人每天需要摄入和排放的物质质量的情况如表2所示。

表2 6人1天内的生保物资摄入量和排出量［18］Table 2 The intaken mass and discharged mass of life support material by six persons per day［18］

4.1.2 植物基本物质生产能力分析

粮食蔬菜等高等植物是受控生态生保系统中最重要的功能部件，因此把植物作为物质流分析计算的突破口和切入点。根据以上总体约束条件和目前已经掌握的相关实验数据［19］，确定本系统中植物需具备的初始状态如表3。

4.2 物质流分析计算

4.2.1 食物生产与供应能力分析计算

本系统的食物生产主要依靠粮食蔬菜、油料作物以及鱼类等水生动物，植物主要生产碳水化合物、植物蛋白和植物脂肪、矿质元素、维生素和粗纤维等，水生动物鱼类生产动物蛋白和动物脂肪等。

根据以上植物具备的初始状态，栽培面积为50 m2的粮食蔬菜植物可以生产一个人所需的植物性食物。此外，水生动物拟每人每天提供50 g的动物蛋白，那么鱼的养殖数量应该平均保持在50条左右。因此，该系统的植物和动物食物的生

表3 满足6人食物、氧气和水供应条件下植物应具备的初始状态条件［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 氧气生产与供应能力计算

1）系统产氧能力计算

该系统主要依靠植物产氧。根据以上植物具备的初始状态，每种植面积为20 m2的植物可以产生一个人的呼吸需氧量，那么种植面积为300 m2的植物其产氧能力为：P氧气生产总量＝A植物总种植面积÷A1人供氧所需栽培面积×C每人每天呼吸用氧量＝300 ÷ 20 ×0.83＝12.45（kg）。

2）系统耗氧能力计算

该系统中植物产生的氧气主要用于以下几方面的代谢消耗：

（1）人呼吸供氧量：0.83 kg／人·天 ×6人 ＝4.98 kg；

（2）鱼呼吸供氧量：0.01 kg／鱼·天 ×50 条鱼 ＝0.50 kg；

（3）生物可降解废物氧化降解所需供氧量：生物可降解废物一般指植物不可食生物量、动物不可食生物量、人体排泄的粪便、食物残渣和生物可降解包装物等。

植物和动物不可食生物量计算方法为：根据文献［20］，作物的收获指数按照34%计算，那么植物生产3.46 kg的食物则要产生的不可食生物量为：M植物不可食生物量＝M食物重量×66÷34 ＝3.46×66÷34＝6.72（kg）。

一般情况下，生物可降解废物可通过耗氧和厌氧两种途径结合使用进行降解。此处设耗氧和厌氧份额各占50%，而且生物可降解废物和用氧的重量比为 1∶1［21］，那么降解 6.72 kg的植物不可食生物量所用氧气量为6.72÷2＝3.36 kg。

动物的收获指数假定为50%，那么每天生产0.3 kg动物蛋白相应产生的动物不可食生物量为0.3 kg。设该不可食生物量全部采用氧化降解处理，耗氧量也按1∶1计算，那么降解0.30 kg的动物不可食生物量所用氧气量为0.30 kg。

人体排泄物全部假设为碳水化合物，也全部采用耗氧处理，比例也为1∶1，那么0.18 kg的粪便固体排泄物氧化降解耗氧量为0.18 kg。

食物残渣和生物可降解包装物等的产生量按0.1 kg／天计算，处理方法同人体固体排泄物，那么其日耗氧量为0.10 kg。

（4）废水氧化降解所需供氧量：每天产生的尿液、卫生废水和洗衣废水的总量为127.98 kg。假定其中的有机物含量为0.5%，并且全部采用耗氧处理（也按1∶1计算），那么处理这部分废水需要消耗的氧气为127.98×0.5% ＝0.64（kg）。

（5）耗氧微生物等其它耗氧量：系统土壤中或固体表面可能存在耗氧微生物，其日耗氧量估算值为0.20 kg。其它方面的耗氧量忽略不计。因此，该系统的日总耗氧量估算值为：

3）系统氧气盈亏平衡计算

根据以上氧气总生产能力和总消耗能力的分析计算，该系统的氧气盈亏平衡能力理论计算值为：ΔP氧气盈亏值＝P氧气生产总量-P氧气消耗总量＝12.45-10.26＝2.19（kg）。 因此按照理论值计算，该系统完全可以单独依靠植物供氧，而且冗余度达到近17.6%（2.19／12.45×100%）。但为了增加系统的安全可靠性，仍然需要备份物化制氧设备。

4.2.3 二氧化碳排放与净化能力分析

二氧化碳排放与净化能力的计算方法与氧气的计算方法相反，但基本依据相同，这里不再推导。根据氧气的理论计算结果可知，种植面积为300 m2的植物其净化二氧化碳的能力为（此处按照植物光合作用公式进行计算，即产生一个氧分子对应吸收一个二氧化碳分子）：P植物二氧化碳净化总量＝ M植物氧气生产总量÷ M氧气克分子量× M二氧化碳克分子量＝12.45÷ 32 ×44 ＝17.12（kg）；P系统二氧化碳排放总量＝P氧气消耗总量× M二氧化碳克分子量÷ M氧气克分子量＝10.26 ×44 ÷ 32 ＝ 14.11 （ kg）； ΔP二氧化碳净化能力＝P植物二氧化碳净化总量-P系统二氧化碳排放总量＝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统排放的二氧化碳，而且冗余度达到17.58%（3.01／17.12×100%）。但为了增加系统的安全可靠性，仍然需要备份物化二氧化碳净化设备。

4.2.4 水回收与平衡能力分析

1）系统日总需水量

（1）乘员需水量

（2）植物需水量

①植物蒸腾蒸发用水量

根据植物初始状态，种植面积为10 m2的植物其蒸腾蒸发的冷凝水即可满足一个人用水需求，因此种植面积为300 m2的植物其每天蒸腾蒸发 用 水 量 为： M植物蒸腾蒸发水量＝ A植物总种植面积÷A满足1人用水量所需种植面积×M每天1人需水量＝300 ÷10 ×21 ＝620.0（kg）。

②植物体内自由水用量

植物生产3.46 kg的食物，同时需要产生6.72 kg的不可食部分。其含水量平均按80%计算，那么植物体内的自由水含量应为：

③植物有机体构建用水量

这里，近似地认为植物有机体全部由糖类组成，那么植物有机体构建中需要的水量拟按照式（1）计算［22］：

6nCO2+6nH2O＝nC6H12O6+6nO2（1）

生成的植物生物量总量为10.18 kg（包括可食部分和不可食部分），那么合成该生物量需要的 水 量 为： M植物有机体构建用水量＝ M6个水分子量×M植物生物量总量÷ M1个葡萄糖分子量＝ 72 × 10.18 ÷ 180 ＝4.07（kg）。因此，植物生长每天的需水总量大致+M植物有机体构建用水量＝620+50.90+4.07 ＝674.97（kg）。

（3）动物需水量

动物用水量计算方法与植物相似，计算公式具 体 如 下： M动物日需水量＝ ∑ M动物体内自由水含量+M动物有机体构建用水量＝3.0+0.24 ＝3.24（kg）。

（4）系统日总需水量

根据以上分析，系统每天的总需水量计算如下： M系统总需水量＝ ∑ M乘员需水量+ M植物需水量+M动物需水量＝126+674.97+3.24 ＝804.21（kg）。

2）系统日总回水量

系统每天的回水量包括以下几个方面：

（1）乘员排放废水回收量

这部分水经过冷凝、生物与物化相结合的方式进行净化处理后可以达到100%回收利用。

（2）植物蒸腾蒸发冷凝水回收量

植物蒸腾蒸发后散发到大气中的水分子可以通过温湿度控制系统进行冷凝，冷凝水可以100%回收利用，重新参与系统中营养液的水分循环等。因此，植物蒸腾蒸发冷凝水回收量的计算方法为：M植物蒸腾蒸发冷凝水回收量＝ M植物蒸腾蒸发水量＝ 620（kg）。

（3）植物体内自由水和结合水回收量

前者通过加热干燥蒸发冷凝后回收，后者可食部分中的水通过乘员呼吸代谢冷凝回收，不可食部分通过体外氧化分解冷凝获得。

（4）动物体内自由水和结合水回收量

（5）系统总回水量

系统总回水量按照以下方式计算：M系统总回水量127.98+620+54.16+3.24 ＝805.38（kg）。

可以看出，系统总回水量略高于总需水量，两者基本相等，因此系统中的水在理论上可以达到供给平衡。

4.2.5 固体废物回收与平衡能力分析

本系统每天产生的生物可降解固体废物总量计 算 如 下： M固体废物总量＝ ∑ M植物不可食部分+M尿液中固体含量＝10.18+0.3+0.18+0.12+0.36 ＝11.12（kg）。

对这部分废物可实施氧化降解处理，使之转变为二氧化碳、水、硝态氮，并释放出无机矿质营养元素。植物重新利用二氧化碳和水进行光合作用和有机物的合成，构成系统内碳、氢、氧元素循环。

波音航空航天公司空间系统部的Olson等人认为，栽培面积为20 m2的植物每天需要吸收0.18 kg的矿质营养元素［23］。那么，该系统中种植面积为300 m2的植物每天所需要的矿质营养元素量为2.7 kg。这部分物质最终进入植物的可食部分和不可食部分。可食部分进入人体和动物体内，消化吸收后剩余部分通过排尿、出汗和排便排出。通过对尿、洗澡废水和洗衣废水净化处理后可回收一部分矿质营养元素；另外，对动植物不可食生物量及其粪便进行降解处理，则可回收另外一部分矿质营养元素。回收到的矿质营养元素可重新进入植物营养液系统，实现系统内矿质营养元素的代谢循环。

人体排泄的尿素中氮素含量较高。一般情况下将尿素依次转化为铵态氮和硝态氮，便于植物吸收，从而实现系统中的氮循环。另外，人体每天摄入一定量的氯化钠盐通过尿液和汗液排出，这部分钠盐植物不能直接吸收利用，否则会构成盐害胁迫。需要采取反渗透技术或耐盐泌盐植物进行氯化钠的提取分离而为乘员重复利用，从而实现系统中氯化钠盐循环。

5 结语

本文基于对国内外本领域多年的发展历史、现状及趋势的详细分析，提出了我国未来月球基地受控生态生保系统中大气、水和食物等基本生保物资生产及废物再生循环利用的物质流平衡调控方案，基于该方案详细进行了保持物质流平衡的大气、水、食物和资源等生保物质摄入与产出的分析计算，提出保持受控生态生保系统中物质流平衡所需要物质输入与输出平衡的数量调控关系，为下一步建立先进合理的CELSS实施方案奠定了一定的理论基础。当然，本研究基于的实验数据还不够全面，待将来对包括4人180天CELSS集成试验数据挖掘更加深入以及其它地面和天基实验数据更加充分与深入后，则会对其进一步充实、修正与完善，这样就更具有实际指导意义。

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（责任编辑：龙晋伟）

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

人因工程国防科技重点实验室基金（SYFD160051805）

郭双生，男，博士，研究员，研究方向为受控生态生命保障技术。E-mail：guoshuangsheng＠sina.com