綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)

集成試驗(yàn)簡(jiǎn)介

一、前言 

綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)，是我國(guó)首次主導(dǎo)、多國(guó)參與的“人與環(huán)境”大型試驗(yàn)。試驗(yàn)以太空科技南方研究院為主導(dǎo)，以中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心為技術(shù)主體，聯(lián)合法國(guó)空間研究中心、德國(guó)宇航中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心、深圳華大基因研究院等國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)，共同啟動(dòng)開展。

本次試驗(yàn)以多學(xué)科交叉的受控生態(tài)生保理論與技術(shù)為基礎(chǔ)，將整合我國(guó)載人航天三代環(huán)控生保技術(shù)，探索物化再生生保與生物再生生保技術(shù)的協(xié)同匹配特性，以多維分子組學(xué)連續(xù)跟蹤為特征，揭示環(huán)境因素影響下的人體動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立發(fā)展適合多乘員長(zhǎng)時(shí)間駐留的高物質(zhì)閉合度、運(yùn)行高效、系統(tǒng)可靠的生命保障體系新方法、新技術(shù)。

試驗(yàn)計(jì)劃歷時(shí)8-10個(gè)月，經(jīng)志愿者定選訓(xùn)練、預(yù)試驗(yàn)、志愿者進(jìn)艙、模擬外星居留、志愿者出艙、試驗(yàn)總結(jié)等主要階段，并將于近期啟動(dòng)試驗(yàn)志愿者選拔工作。本試驗(yàn)將成為目前我國(guó)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、閉合循環(huán)程度最高、跨領(lǐng)域試驗(yàn)項(xiàng)目最多、駐留人數(shù)最多的一次受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)。

本次試驗(yàn)對(duì)豐富我國(guó)生物再生式生命保障技術(shù)理論基礎(chǔ)，突破第三代環(huán)控生保關(guān)鍵技術(shù)，掌握深空探測(cè)與星際駐留任務(wù)中生命保障與健康維護(hù)核心技術(shù)，發(fā)展高物質(zhì)閉合度的生物再生生保技術(shù)，研究長(zhǎng)期密閉環(huán)境下人與環(huán)境之間相互作用關(guān)系具有積極作用，將為開展載人航天深空探測(cè)、和平利用太空、拓展人類地外生存空間提供技術(shù)儲(chǔ)備，為人類星際旅行和地外居住創(chuàng)造保障條件。對(duì)于解決我國(guó)環(huán)境污染和資源枯竭等現(xiàn)實(shí)問題，倡導(dǎo)和推動(dòng)低碳生活具有非常積極的意義、良好的應(yīng)用前景和廣闊的市場(chǎng)潛力。

二、項(xiàng)目背景 

（一）載人航天深空探測(cè)必然方向—長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離多乘員的星際駐留

1969年7月人類完成首次登月以來，世界各國(guó)探索外太空的腳步從未停歇。面對(duì)深邃太空和未知星球，開發(fā)長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、多乘員的載人深空探測(cè)和地外星球駐留技術(shù)，是載人航天發(fā)展的必然方向。繼成功實(shí)施載人空間交會(huì)對(duì)接和建立空間站之后，開展載人登月和建立月球基地將成為我國(guó)下一個(gè)載人航天的重大戰(zhàn)略目標(biāo)。 

（二）載人航天基本問題及特色—環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)

載人航天的基本問題就是如何把航天員送入太空、航天員在太空如何生存。為了保障未來太空基地中人類的健康生活，持續(xù)提供食物、氧氣和水等生保物資，需要建立安全可靠、高效運(yùn)行的生命保障系統(tǒng)。受控生態(tài)生保系統(tǒng)是解決這一問題的根本途徑。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（Environmental Control and Life Support, ECLS）以建立人在太空生存環(huán)境為目標(biāo)，為保障航天員安全、高效工作提供生存與工作環(huán)境。沒有環(huán)控生保，航天員在太空就無法生存；以最小的物質(zhì)和能量代價(jià)實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換。

受控生態(tài)生保系統(tǒng)是在載人飛船第一代非再生生保系統(tǒng)和載人空間站物化再生生保系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加生物再生部件而成的第三代生保系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以生物再生技術(shù)為特征，有機(jī)融合非再生和物化再生技術(shù)，以物質(zhì)閉環(huán)、運(yùn)行高效、系統(tǒng)可靠為目標(biāo)，通過各功能單元的協(xié)同匹配，滿足深空探測(cè)與星際駐留任務(wù)中人類安全適宜生活需求的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)。其最大特點(diǎn)是：物質(zhì)閉合程度高，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)食物、氧氣和水等基本生保物質(zhì)的再生循環(huán)，可大大減少地面的后勤補(bǔ)給，為乘員提供一個(gè)鮮活的綠色環(huán)境。是建設(shè)星球基地、實(shí)施載人深空探測(cè)等國(guó)家載人戰(zhàn)略任務(wù)的重要組成部分。

（三）我國(guó)首次載人受控生態(tài)生保集成試驗(yàn)——中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心實(shí)施

中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心在逐步突破單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，于2012年12月開展了我國(guó)首次2人30天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術(shù)試驗(yàn)研究，初步掌握了密閉生態(tài)系統(tǒng)中大氣和水等物質(zhì)流的動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控技術(shù)，在我國(guó)受控生態(tài)生保技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑意義。 

（四）受控生態(tài)生保系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)——物質(zhì)閉合度不高、長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性低

受控生態(tài)生保系統(tǒng)的長(zhǎng)期高度自主循環(huán)和自給自足面臨諸多重大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在物質(zhì)流閉合度不高（食物生產(chǎn)能力受限、廢物廢水循環(huán)率低）及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)控技術(shù)（功能部件長(zhǎng)期運(yùn)行不夠穩(wěn)定、整體構(gòu)架缺乏有機(jī)融合）等未得到充分掌握。因而無法滿足受控生態(tài)生保系統(tǒng)的實(shí)際工程化應(yīng)用要求。

根據(jù)載人航天深空探測(cè)戰(zhàn)略發(fā)展需求，為了盡快掌握深空探測(cè)與星際駐留任務(wù)中生命保障與健康維護(hù)核心技術(shù)，發(fā)展高物質(zhì)閉合度的生物再生生保技術(shù)，探索長(zhǎng)期密閉環(huán)境下人與環(huán)境之間相互作用規(guī)律，啟動(dòng)綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)，開展乘員更多、時(shí)間更長(zhǎng)、物質(zhì)閉合度更高的受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術(shù)試驗(yàn)研究，通過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考核，重點(diǎn)突破物質(zhì)高閉合度調(diào)控和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)，并揭示系統(tǒng)中各個(gè)單元的動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律和交互關(guān)系等重要科學(xué)問題，從而建立發(fā)展適合多乘員長(zhǎng)時(shí)間駐留的高物質(zhì)閉合度、運(yùn)行高效、系統(tǒng)可靠的生命保障體系新方法、新技術(shù)。 

三、項(xiàng)目?jī)?nèi)容 

受控生態(tài)生保系統(tǒng)依據(jù)地球生物圈“生產(chǎn)者-消費(fèi)者-分解者”的基本原理，在密閉空間構(gòu)建“人-植物-微生物-環(huán)境”的小型人工自循環(huán)式受控生態(tài)系統(tǒng)，通過植物生長(zhǎng)、微生物分解等生物過程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)食物、水、氧氣等生保物資的再生循環(huán)，并輔以一定的物化手段，提供適宜人類健康生長(zhǎng)與生活的基礎(chǔ)環(huán)境。包括總體物質(zhì)流調(diào)控、植物培育與管理、廢物處理與回用和水循環(huán)與管理。4人180天集成試驗(yàn)將全面開展系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)控制與管理技術(shù)、物質(zhì)流調(diào)控、大氣環(huán)境調(diào)控等總體技術(shù)，植物培育與食品生產(chǎn)技術(shù)，環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，廢水（物）循環(huán)與再利用技術(shù)以及乘員生理、心理及工效等方面的系統(tǒng)研究。 

（一）總體物質(zhì)流調(diào)控——探索從物化再生過渡到生物再生的全流程構(gòu)建模式

試驗(yàn)包括“以物化再生單元為主份+生物再生單元為備份”的擬人階段（約60d）和“以生物再生單元為主份+物化再生單元為備份”的載人階段（180d） 。

u 兼顧物質(zhì)流動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控的植物、微生物及物化再生單元在功能、規(guī)模及空間布局等方面的受控生態(tài)生保系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建技術(shù)研究；

u 以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流動(dòng)態(tài)平衡調(diào)控為目標(biāo)的物化再生與生物再生生保技術(shù)的過渡銜接及協(xié)同匹配關(guān)系研究；

u 食品、氧、水等物質(zhì)閉合度、能效比與先進(jìn)性評(píng)價(jià)；

u 物質(zhì)流量化模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)研究。

（二）植物培育與管理——掌握多品種多批次持續(xù)高效穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)

兼顧營(yíng)養(yǎng)和多樣性的植物品種，多批次共培養(yǎng)持續(xù)高效生產(chǎn)。

u 基于物質(zhì)流平衡調(diào)控的植物品種、面積和批次共培養(yǎng)的匹配性設(shè)計(jì)方法研究；

u 以高效生產(chǎn)為目標(biāo)的植物生長(zhǎng)生理、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、連作障礙機(jī)制及調(diào)控方法以及病蟲害發(fā)生規(guī)律、機(jī)理及防治方法研究。

（三）廢物處理與循環(huán)利用——基于物質(zhì)流平衡的生化處理與物化處理整合技術(shù)

u 廢物管理及循環(huán)利用模式；

u 生物處理與物化處理相結(jié)合的處理方法

u 廢物處理工藝優(yōu)化

u 尾氣排放控制

u 生物安全控制

（四）水循環(huán)與管理——基于乘員及植物需求的生化處理與物化處理整合技術(shù)

u 膜分離與微生物組合處理水質(zhì)凈化及礦物質(zhì)回用技術(shù)

u 基于水循環(huán)的冷凝水管理模式

u 微生物處理技術(shù)與物化處理技術(shù)相結(jié)合的水循環(huán)模式

u 廢水回用安全控制與管理

（五）大氣再生與管理——系統(tǒng)優(yōu)化匹配的再生模式及大氣環(huán)境控制技術(shù)

u 艙內(nèi)大氣流場(chǎng)及溫濕度場(chǎng)分布特性研究；

u 大氣微生物與微量有害氣體衍生特性研究；

u 受控生態(tài)體系中大氣二氧化碳去除與產(chǎn)氧的生物學(xué)匹配關(guān)系研究；

u 植物生長(zhǎng)過程氣體釋放規(guī)律及其對(duì)大氣環(huán)境的影響研究。

（六）醫(yī)工融合——“人與環(huán)境”科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)（國(guó)際）科學(xué)項(xiàng)目

u “表觀遺傳學(xué)”為核心的多維分子組學(xué)研究；

u 心血管結(jié)構(gòu)功能研究；

u 生物節(jié)律與睡眠研究；

u 傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)干預(yù)研究。

四、項(xiàng)目意義與愿景

面向載人航天工程等國(guó)家任務(wù)戰(zhàn)略需求，綠航星際4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)將解決制約我國(guó)星際飛行、深空探測(cè)任務(wù)中的生保物資持續(xù)供應(yīng)、降低后勤保障成本的技術(shù)難題，確保航天員的身心健康，為地外生保系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制提供先進(jìn)理論與技術(shù)，為未來長(zhǎng)期載人航天和地外星球定居與開發(fā)提供生命支持。通過該試驗(yàn)，我們能夠認(rèn)識(shí)長(zhǎng)期密閉環(huán)境中人的生理與代謝系統(tǒng)響應(yīng)特征，有助于發(fā)現(xiàn)未來月球基地、深空探測(cè)及火星基地等中長(zhǎng)期載人航天任務(wù)中人體自身潛在可能發(fā)生的關(guān)鍵性生物醫(yī)學(xué)問題，提出敏感性監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系、建立特征規(guī)律與預(yù)測(cè)模型以及有效的干預(yù)與防護(hù)手段與方法。同時(shí)，也為解決我國(guó)當(dāng)前發(fā)展過程中面臨的資源枯竭和環(huán)境污染、極端環(huán)境中人的生存等問題提供技術(shù)解決方案，對(duì)發(fā)展我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和促進(jìn)低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)具有積極的推動(dòng)作用。 

試驗(yàn)的展開有利于推動(dòng)深圳市航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)環(huán)控生保技術(shù)和航天醫(yī)學(xué)研究的深度發(fā)展，擴(kuò)大對(duì)外國(guó)際交流和合作，有利于提升深圳市國(guó)際影響力；建設(shè)支持月球基地、火星旅行等星際探索的受控生態(tài)生保系統(tǒng)、乘

員健康支持系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證功能，建成國(guó)際一流的大型受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)集成開放試驗(yàn)平臺(tái)，成為匯聚國(guó)內(nèi)外智力資源、開展受控生態(tài)生保系統(tǒng)技術(shù)研究的國(guó)際合作基地。

“服務(wù)航天事業(yè)，造福社會(huì)民生”是深圳市綠航星際太空科技研究院的神圣使命，研究院將瞄準(zhǔn)未來航天技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)載人航天技術(shù)在民生領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)航天科技和民用技術(shù)充分融合發(fā)展；建立天地聯(lián)通、輻射全球的航天科普基地、主題創(chuàng)客空間，積極致力于推動(dòng)深圳市航空航天和生命健康新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。