李瑩輝 左永亮 （ 中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心 《航天員》雜志社）

“綠航星際”—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)圓滿(mǎn)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(guó)航天員科研訓(xùn)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(yàn)全部任務(wù)撤收工作，標(biāo)志著“綠航星際”試驗(yàn)取得了圓滿(mǎn)成功?！熬G航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)是首次由我國(guó)主導(dǎo)的、多國(guó)參與的“人與環(huán)境”大型國(guó)際試驗(yàn)，在試驗(yàn)規(guī)模、參試人數(shù)、持續(xù)時(shí)間和技術(shù)要求上均處于國(guó)際同類(lèi)試驗(yàn)先進(jìn)水平。

試驗(yàn)期間，“綠航星際”試驗(yàn)平臺(tái)子系統(tǒng)運(yùn)行可靠，5類(lèi)25個(gè)品種植物茁壯生長(zhǎng)，635臺(tái)(套)參試設(shè)備穩(wěn)定工作，兩大學(xué)科21個(gè)參試項(xiàng)目有序?qū)嵤?，?shí)現(xiàn)了兩大學(xué)科1700余項(xiàng)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，獲取了大量詳實(shí)可靠的試/實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和重要試/實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的聲像資料。

1 引言

“綠航星際”于2016年5月7日啟動(dòng)，首先進(jìn)行了為期40天的擬人試驗(yàn)(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(yǎng)提供負(fù)荷，同時(shí)定量評(píng)價(jià)物化再生向生物再生過(guò)渡的變化規(guī)律)。6月17日，4名參試志愿者進(jìn)艙，正式開(kāi)始了為期180天的載人試驗(yàn)。

試驗(yàn)?zāi)康?/p>

“綠航星際”試驗(yàn)的目的是研究適合多乘員長(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)，包括深空探測(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)，高物質(zhì)閉合度生物再生生保技術(shù)，以及“人與環(huán)境”醫(yī)學(xué)試驗(yàn)。

平臺(tái)能力

“綠航星際”試驗(yàn)艙面積370m2，容積1340m3，由乘員艙、生物艙、生保艙、資源艙4類(lèi)8個(gè)艙段組成，集成了環(huán)境控制、循環(huán)再生、測(cè)控管理3類(lèi)14個(gè)子系統(tǒng)，具備開(kāi)展多人1年以上受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)的能力。

通過(guò)自主研制的環(huán)控生保系統(tǒng)平臺(tái)管理系統(tǒng)和人與環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)，“綠航星際”大幅提高了試驗(yàn)中數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取能力，通過(guò)4種數(shù)據(jù)獲取手段（24類(lèi)共1706個(gè)指標(biāo)），具備全周期追溯、全周期管理、全周期挖掘能力。

試驗(yàn)歷程

2015年1月8日，試驗(yàn)艙體建設(shè)開(kāi)工；

2015年5月10日，志愿者招募啟動(dòng)；

2015年11月17日，試驗(yàn)艙體建設(shè)完成；

2016年4月22日，全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)完成；

2016年6月17日，志愿者進(jìn)艙、試驗(yàn)正式開(kāi)始；

2016年8月26日，進(jìn)入火星時(shí)節(jié)律研究；

2016年12月14日，志愿者出艙、試驗(yàn)結(jié)束。

2 驗(yàn)證受控生態(tài)生保技術(shù)

“綠航星際”以氧氣、水、食物和固體廢物循環(huán)的閉合度分別達(dá)到100%、90%、70%和60%為目標(biāo)，通過(guò)植物培育與管理、廢物處理與回用、水循環(huán)管理和大氣再生與調(diào)控多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展受控生態(tài)生保技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)期間，在物化再生系統(tǒng)與生物再生系統(tǒng)的協(xié)同匹配下，大氣再生、水循環(huán)、廢物處理等物質(zhì)流循環(huán)基本正常，逐步獲取了物質(zhì)流的循環(huán)規(guī)律。

核心部件：高等植物

植物是循環(huán)試驗(yàn)艙內(nèi)的核心要素，是受控生態(tài)生保系統(tǒng)中的關(guān)鍵生物部件。艙內(nèi)植物種植面積共195.36m2，8個(gè)試驗(yàn)艙內(nèi)有4個(gè)艙都被種滿(mǎn)了各種植物?？蒲腥藛T根據(jù)膳食營(yíng)養(yǎng)能力、生長(zhǎng)周期與速率、產(chǎn)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(lèi)25種植物。

小麥?zhǔn)侵参锱搩?nèi)種植的主要糧食作物之一，它既保障了連續(xù)不斷的食物供給，也能保障氧氣的穩(wěn)定供給；艙內(nèi)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(yíng)養(yǎng)元素—脂肪，豆類(lèi)中富含的植物蛋白也是人體所需蛋白質(zhì)的一個(gè)重要來(lái)源；種植的蔬菜種類(lèi)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(mǎn)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(xù)收獲中，是志愿者食譜中的一項(xiàng)重要調(diào)劑。除了一些常規(guī)作物以外，艙內(nèi)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(jìn)行分批次栽培，其余作物以基質(zhì)培養(yǎng)的方式進(jìn)行栽培。志愿者在艙內(nèi)的主食為艙內(nèi)收獲的甘薯以及小麥饅頭，輔食有艙內(nèi)生產(chǎn)的花生和新鮮蔬果，艙內(nèi)預(yù)存的肉類(lèi)食物補(bǔ)充乘員所需的優(yōu)質(zhì)蛋白。

在試驗(yàn)期間，艙內(nèi)作物整體生長(zhǎng)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(jìn)行了收獲。物質(zhì)流循環(huán)由物化再生為主過(guò)渡到生物再生為主的階段，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。科研人員根據(jù)艙內(nèi)設(shè)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(shí)長(zhǎng)比例，合理安排符合植物生長(zhǎng)狀態(tài)的晝夜節(jié)律參數(shù)，比如有些是長(zhǎng)光照，有些是短光照；有些日夜環(huán)境溫度稍高，有些則稍低。除了光照周期調(diào)節(jié)，植物對(duì)培養(yǎng)基中無(wú)機(jī)離子的吸收速率在一天之間也會(huì)起伏變化?？蒲腥藛T在合理制定每種植物“食譜”的同時(shí)，精細(xì)化地安排最佳的個(gè)性化“就餐時(shí)間”，也將起到“減肥增產(chǎn)”的效果。

氣體循環(huán)

植物通過(guò)光合作用吸收二氧化碳并釋放氧氣，以滿(mǎn)足人類(lèi)呼吸需要，氧氣含量要保證處于標(biāo)準(zhǔn)值，才能夠滿(mǎn)足人的生存需求。艙內(nèi)氧氣主要通過(guò)植物來(lái)供給。由于植物生長(zhǎng)周期不同，植物的氧氣供給量也不同。當(dāng)氧氣不足時(shí)，電解制氧裝置將水分解為氧氣，輔助調(diào)節(jié)艙內(nèi)含氧量。植物吸收不了的二氧化碳和艙內(nèi)有害氣體則通過(guò)艙內(nèi)的去除裝置清除。

試驗(yàn)前期，4名乘員（或模擬乘員）二氧化碳產(chǎn)生速率大于植物光合作用吸收速率，艙內(nèi)的二氧化碳通過(guò)去除設(shè)備對(duì)多余的二氧化碳進(jìn)行去除，并通過(guò)電解制氧設(shè)備補(bǔ)充乘員呼吸需求。擬人試驗(yàn)?zāi)┢?，載人試驗(yàn)初期植物代謝與乘員代謝基本平衡。同時(shí)試驗(yàn)期間，通過(guò)微生物去除及微量有害氣體去除裝置對(duì)艙內(nèi)大氣進(jìn)行凈化，研究密閉環(huán)境中大氣微生物、氣體成分的演變過(guò)程。

水循環(huán)

在密閉試驗(yàn)期間，除提前儲(chǔ)存的水之外，依靠195m2作物的蒸騰作用產(chǎn)生了大量水蒸氣，在經(jīng)過(guò)溫濕度控制系統(tǒng)冷凝后形成了冷凝水；其中大部分冷凝水回灌到植物培養(yǎng)系統(tǒng)，小部分經(jīng)過(guò)深度處理后，用于供應(yīng)艙內(nèi)乘員淋浴、洗漱、烹飪以及飲用等日常生活用水；乘員生活過(guò)程產(chǎn)生的生活廢水及所排放尿液經(jīng)過(guò)凈化處理后回用到植物培養(yǎng)系統(tǒng)，以補(bǔ)充植物生長(zhǎng)所需水分和養(yǎng)分，從而形成一個(gè)完整的水循環(huán)。

除了植物部件以外，真正實(shí)現(xiàn)水循環(huán)還需要另外兩個(gè)關(guān)鍵的系統(tǒng)—生活用水供應(yīng)系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)：

1）生活用水供應(yīng)系統(tǒng)。采用微生物處理與物化處理相結(jié)合的處理方式，充分保證供水水質(zhì)安全。植物艙冷凝水首先經(jīng)過(guò)兩級(jí)微生物處理，降解去除水中的有機(jī)物和氨氮，然后經(jīng)過(guò)膜過(guò)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(tǒng)。采用以微生物處理為核心，輔以膜過(guò)濾及滅菌的處理工藝，4位乘員日常生活中產(chǎn)生的廢水及尿液，采集輸送到廢水處理系統(tǒng)，通過(guò)微生物分解作用，將廢水中各類(lèi)有機(jī)污染物進(jìn)行降解礦化，并完成氮素向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，再經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾和殺菌等工序后，輸送到植物營(yíng)養(yǎng)液系統(tǒng)，完成水和礦物質(zhì)元素的循環(huán)利用。

在試驗(yàn)期間，隨著植物批次種植的逐步實(shí)施，系統(tǒng)水循環(huán)完成了從少到多，直至平衡的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)內(nèi)植物蒸騰冷凝水日產(chǎn)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(nèi)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)乘員生活和植物生長(zhǎng)所需水的再生式循環(huán)供應(yīng)。

固廢循環(huán)

植物可食用的部分為志愿者提供營(yíng)養(yǎng)；植物不可食用的部分和志愿者產(chǎn)生的糞便一起，注入固廢生態(tài)化處理系統(tǒng)，處理后作為有機(jī)肥料供給給植物；植物的秸稈等不易降解部分則會(huì)進(jìn)入固廢高溫氧化處理系統(tǒng)，變?yōu)榛曳趾投趸迹瑯庸┙o給植物。

在植物生產(chǎn)食物的同時(shí)，也產(chǎn)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(jīng)過(guò)固廢生態(tài)化處理系統(tǒng)及固廢高溫氧化處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化處理后，以二氧化碳、水、有機(jī)肥等形態(tài)參與物質(zhì)流循環(huán)。固廢生態(tài)化處理系統(tǒng)，主要將乘員固體排泄物及部分植物不可食生物量轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)肥料，其余植物不可食生物量則通過(guò)高溫氧化處理的方式完成處理，目前各類(lèi)生物質(zhì)固廢得到持續(xù)處理。

3 “人與環(huán)境”醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)

除受控生態(tài)生保技術(shù)外，試驗(yàn)還對(duì)人與環(huán)境的相互作用規(guī)律進(jìn)行了研究，主要包括長(zhǎng)期密閉隔離狀態(tài)下人類(lèi)心理生理變化及相互作用、長(zhǎng)期密閉環(huán)境對(duì)人體節(jié)律與睡眠規(guī)律的影響、長(zhǎng)期密閉環(huán)境下睡眠與情緒調(diào)節(jié)干預(yù)等方面研究，對(duì)我國(guó)空間站任務(wù)中航天員心理支持與評(píng)價(jià)、生活物資配置與管理等項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此次試驗(yàn)涉及的醫(yī)學(xué)項(xiàng)目包括心理認(rèn)知腦功能、分子組學(xué)甲基化、心血管功能、傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)太極拳、生物節(jié)律睡眠等。

在試驗(yàn)開(kāi)始前，科研人員對(duì)志愿者進(jìn)行了各種醫(yī)學(xué)測(cè)試，如心電、腦電、血液等。這些數(shù)據(jù)將與他們艙內(nèi)生活的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析對(duì)比，用來(lái)驗(yàn)證長(zhǎng)期飛行的密閉環(huán)境對(duì)人的各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響。在180天的試驗(yàn)中，科研人員每天都會(huì)對(duì)志愿者進(jìn)行常規(guī)性醫(yī)學(xué)檢查，記錄其心率、血壓等基本生理指標(biāo)；通過(guò)30天1次的周期性醫(yī)學(xué)檢查，跟蹤其生化指標(biāo)、心血管、肺功能、乘員表面微生物變化。試驗(yàn)期間，按計(jì)劃獲取了以人機(jī)關(guān)系為研究重點(diǎn)的各項(xiàng)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括人的身體、心理、情緒、認(rèn)知等各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

通過(guò)設(shè)置火星節(jié)律，研究“地球時(shí)－火星時(shí)－地球時(shí)”交替對(duì)人體健康的影響；在“火星時(shí)”試驗(yàn)期間，艙內(nèi)環(huán)境中的鐘表信息被屏蔽，用實(shí)驗(yàn)室累積時(shí)間來(lái)顯示，同時(shí)，每天的起居和工作，都按照科研人員事先精細(xì)制作的作息表來(lái)進(jìn)行，每天的總長(zhǎng)度是24h40min。4名乘員在艙內(nèi)開(kāi)展任何一件事情的時(shí)間點(diǎn)，都會(huì)比前一天往后“飄”40min。

同時(shí)，這次試驗(yàn)還研究了長(zhǎng)期密閉隔離誘發(fā)的心理改變與生理變化的相關(guān)性；獲取長(zhǎng)期密閉環(huán)境下人體表觀遺傳信息特征，在飲食、運(yùn)動(dòng)受控情況下對(duì)人體代謝組學(xué)，腸道微生物組學(xué)變化規(guī)律進(jìn)行研究；開(kāi)展了具有中國(guó)特色的體育鍛煉項(xiàng)目——太極拳，探索其在密閉環(huán)境中對(duì)人情緒狀態(tài)、睡眠和心理健康的調(diào)控作用。

4 志愿者艙內(nèi)生活保障

從2015年5月起，試驗(yàn)面向全社會(huì)招募參試志愿者，經(jīng)過(guò)了資格審查、臨床醫(yī)學(xué)、心理及神經(jīng)測(cè)評(píng)、心理會(huì)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(jìn)艙的志愿者為3男1女，唐永康、仝飛舟為中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心科研人員，羅杰、吳世云為社會(huì)公開(kāi)招募。

志愿者在密閉艙內(nèi)每天都要進(jìn)行植物的播種、間苗以及收獲等管理工作，同時(shí)還要學(xué)習(xí)必要的醫(yī)學(xué)知識(shí)和醫(yī)學(xué)操作，具備較高的醫(yī)學(xué)素養(yǎng)，以備互救之需。艙內(nèi)還配備了種類(lèi)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(yàn)制定了詳細(xì)的營(yíng)養(yǎng)保障、生活保障、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保、心理支持、體育鍛煉等方案，同時(shí)也開(kāi)展了一系列的研究性和驗(yàn)證性試驗(yàn)。

在180天的時(shí)間里，“綠航星際”按計(jì)劃完成了各項(xiàng)科研試驗(yàn)任務(wù)。隨后，4名志愿者將接受1個(gè)月的醫(yī)學(xué)檢查，艙體內(nèi)部系統(tǒng)還將進(jìn)行1個(gè)月的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)，以保證科學(xué)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。這次試驗(yàn)對(duì)建立和發(fā)展適合多乘員長(zhǎng)時(shí)間駐留太空的高閉合度、運(yùn)行高效、系統(tǒng)可靠的生命健康保障體系的新方法、新技術(shù)具有重要意義，也標(biāo)志著我國(guó)自主掌握的受控生態(tài)生保技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，為未來(lái)外太空生保系統(tǒng)的研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和重要數(shù)據(jù)。

毛凌野/本文編輯