余青霓，唐永康，劉 昊，高 峰，艾為黨

（中國航天員科研訓練中心，北京100094）

基于任務需求和ESM分析的受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件品種規(guī)劃

余青霓，唐永康，劉 昊，高 峰，艾為黨

（中國航天員科研訓練中心，北京100094）

針對任務周期長、距離遠的長期載人深空探測，長期地外生存等任務要求建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)，通過合適的植物部件利用當?shù)刭Y源進行空間作物生產(chǎn)。利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，比較了地球攜帶食物補給和受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件就地生產(chǎn)兩種補給模式的優(yōu)劣。從受控生態(tài)生保系統(tǒng)角度討論了主食、果蔬和蛋白質(zhì)-脂肪等食物需求與植物部件設計的關(guān)系，對1～2年任務周期的深空探測飛行任務首先應配備小量蔬菜栽培裝置?？梢岳锰柟鈺r，2年以上即可建立植物部件生產(chǎn)果蔬；15年以上方可生產(chǎn)糧食作物；而只能利用人工光源時，3.4年以上的深空探測任務才適合植物部件供應新鮮果蔬，而主食則需要76年以上。油料作物的空間生產(chǎn)在目前技術(shù)條件下不具備應用可行性。

任務需求；受控生態(tài)生保系統(tǒng)（CELSS）；等效系統(tǒng)質(zhì)量（ESM）；植物部件；補給

Abstract： For the long-duration and far-distance manned deep-space exploration missions， the longterm extraterrestrial survival requires the controlled ecological life support system（CELSS） planting the selected crops in the biological components.The advantages and disadvantages of the present two kinds of supply modes for life support materials including the earth supply and the local bioregeneration in biological components were compared by equivalent system mass analysis.The relations between the food requirements of the staple food，the vegetables and the protein-fat and the biological components in terms of controlled ecological life support system were discussed.A small vegetable planting prototype facility should be equipped for 1～2 years manned deep-space exploration missions.When sunlight can be utilized，the biological components would be built to produce vegetables for at least 2 years missions， grain crops would be planted for at least 15 years missions； and yet， when artificial light can be utilized， only more than 3.4 years manned deep-space exploration missions are suggested to produce vegetables by biological components，and more than 75 years for staple food.Oil crops are infeasible under current space technologies.

Key words：mission requirement； controlled ecological life support system（CELSS）； equivalent system mass（ESM）； biological components； supply

1 引言

在載人深空（如月球、小行星、火星及其衛(wèi)星）探測任務中，由于距離地球較遠且任務周期很長，在任務過程中進行補給的運輸成本將十分高昂。因此，生保物資（包括食物、氧氣和水等）的補給模式對任務的可實現(xiàn)性至關(guān)重要［1］。這就需要探討因地制宜就地利用資源，建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System，CELSS），利用植物部件進行食物生產(chǎn)［1-2］，這是解決生保物資補給難題的根本出路。

由于航天任務的發(fā)射成本與發(fā)射質(zhì)量成比例，在先進生保系統(tǒng)研究中，常用等效系統(tǒng)質(zhì)量（Equivalent System Mass， ESM）代替發(fā)射成本，以便進行擇優(yōu)評估。ESM分析是生保系統(tǒng)設計和技術(shù)選擇時必不可少的環(huán)節(jié)，它把與乘員生命保障系統(tǒng)相關(guān)設備的體積（V）、能耗（P）、制冷（C）和乘員工作時間（CT）統(tǒng)一折算成質(zhì)量量綱進行系統(tǒng)評價和比較［3］。

康奈爾大學的亨特等人即基于等效系統(tǒng)質(zhì)量分析了受控生態(tài)生保系統(tǒng)中不同飲食食譜設計的成本要素，詳細分析了各種飲食如豆腐蛋糕、土豆餅、紅辣椒湯等食物的等效系統(tǒng)質(zhì)量［4］。NASA約翰遜航天中心的貝爾等人則在動態(tài)仿真和自動決策工具中以等效系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設計滿足月球任務且系統(tǒng)質(zhì)量最低的生保系統(tǒng)方案［5］。普渡大學的研究人員進一步以等效系統(tǒng)質(zhì)量最低為目的，結(jié)合食譜優(yōu)化和先進作物規(guī)劃模型優(yōu)選受控生態(tài)生保系統(tǒng)作物種植方案［6］。NASA艾姆斯研究中心更是建立了先進生保等效系統(tǒng)質(zhì)量指導文件，詳細論述了等效系統(tǒng)質(zhì)量的定義、計算方法和結(jié)果解釋，為先進生保系統(tǒng)集成、建模和分析提供了詳盡的一手資料［3］。相比之下，國內(nèi)在此方面的研究尚少。限于補給成本和乘員可接受度，不同周期的載人深空探測任務要求受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件作物品種有所側(cè)重，這就要求優(yōu)化主食、果蔬和蛋白質(zhì)脂肪類作物種植。然而就作者所知，目前的公開文獻均側(cè)重從食物閉合度角度分析ESM，沒有考慮主食、果蔬等不同類別食物種植、補給難度的差異。

本文在分析地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)兩種補給模式的生保物資特性的基礎(chǔ)上，對主食、果蔬和蛋白質(zhì)脂肪類作物分別進行等效質(zhì)量分析，提出一種基于任務周期的生保物資補給方案架構(gòu)，力圖為未來深空探測任務中的生命保障系統(tǒng)提供最經(jīng)濟可行的解決方案。

2 生保物資補給需求

生保物資是指維持乘員最基本的生命保障所必需的一些物質(zhì)，包括食物、大氣（包括產(chǎn)氧、去除二氧化碳）和水等。對于典型的月球基地任務，乘員氧氣、二氧化碳、食物和飲用水的日代謝量如表1所示。

表1 標稱人體代謝接口值［7］Table 1 Nominal human metabolic interface values［7］

相比物理化學方式實現(xiàn)大氣、水再生而言，利用植物部件生產(chǎn)食物的同時還可再生大氣和水。然而，為簡化分析，本文僅定性考慮植物部件再生大氣、水的影響，量化分析中重點考慮不同食物補給模式對等效質(zhì)量的影響。

食物補給在保證乘員能量需求的同時，還要搭配不同的營養(yǎng)成分以保證膳食平衡。另外，還需提供礦物質(zhì)和微量元素約20 g、多種維生素400 mg［8］。在條件允許的情況下，還應每日提供新鮮蔬菜，作為航天食譜的有益補充［9-11］。乘員每天對主食、果蔬和蛋白質(zhì)-脂肪的需求如表2所示。這就需要在受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件中種植不同類型的作物以均衡滿足能量和營養(yǎng)需求。

表2 居民推薦日常膳食結(jié)構(gòu)［12］Table 2 Reference intake dose of nutrients from diets［12］

3 補給模式

載人深空探測任務中的生保物資食品補給模式有地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)兩大類。其中，地球攜帶又可進一步細分為：脫水和即食［13］。

3.1 地球攜帶

地球攜帶模式指在地球進行生保物資的生產(chǎn)加工和包裝，然后根據(jù)任務周期、乘員的數(shù)量和補給標準預先制備，隨航天器攜帶。乘員只需進行簡單的準備（如加熱或復水）即可食用，產(chǎn)生的殘渣和包裝垃圾需要進行處理。其中預包裝脫水方式可大幅降低運輸重量，需復水后食用。預包裝即食方式方便食用，但運輸重量大幅上升、保質(zhì)期縮短。在目前開展的短期或中長期載人航天任務中，均采用這兩種方式［13］。

3.2 CELSS植物部件生產(chǎn)

CELSS植物部件生產(chǎn)模式是指僅從地球攜帶作物種植所需少量資源，就地種植糧食、蔬菜，O2再生和CO2去除、水循環(huán)，乃至微量有害氣體去除等，乘員全程參與作物生產(chǎn)補給。該補給模式可為乘員提供植物、菌類／藻類等新鮮的食物，主要應用于未來的長期載人深空探測任務，目前還處在地面試驗和飛行驗證階段［14］。

作為密閉的人工生態(tài)系統(tǒng)，CELSS通過生物部件（植物、微生物等）功能，可持續(xù)循環(huán)再生乘員長期太空駐留所需的生保物資，是提高載人深空探測任務長期駐留、可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐［14］。與地球攜帶相比，CELSS植物部件進行食物生產(chǎn)除了可以滿足乘員全面的能量、營養(yǎng)、呼吸等生理需求外，也有前者不可比擬的色、香、味、形等優(yōu)點，可接受度更高。此外，還具有一定的心理調(diào)節(jié)作用，能調(diào)節(jié)載人深空探測任務中狹小、密閉、與家人分離的生活環(huán)境對乘員生理、心理的影響，避免因生保物資（如預包裝食品、尿處理水等）感官問題導致的營養(yǎng)攝入不足問題損害乘員健康，最終影響任務實施［13］。CELSS植物部件的不利因素是需要建立較為龐大的生產(chǎn)設施，投入較多設備，乘員參與的勞動強度也較大，只有當任務周期足夠長的時候才能體現(xiàn)出效益［8］。不同類別的植物生產(chǎn)效益比不同，故應針對不同任務周期構(gòu)建CELSS的植物部件體系及其規(guī)模，在此基礎(chǔ)上進行生保系統(tǒng)的體系設計。

4 等效系統(tǒng)質(zhì)量方法

4.1 等效系統(tǒng)質(zhì)量

對于固定質(zhì)量的系統(tǒng)部件，可根據(jù)式（1）計算 ESM 值，其中Veq、Peq、Ceq和CTeq分別代表對應參數(shù)換算成質(zhì)量時的等效因子，D代表任務周期，M包含系統(tǒng)初始重量和系統(tǒng)補給重量［15-16］。

對于載人深空探測任務，可以用典型的火星任務為參照進行分析。即：600天火星任務、6人乘組下，分析不同補給模式的等效系統(tǒng)質(zhì)量［9］。

4.2 地球攜帶食物的ESM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

質(zhì)量——不僅需要考慮補給物本身和包裝重量，用于運輸?shù)奈镔Y儲柜質(zhì)量也要考慮。Levri等人研究了火星探測任務中的預包裝食物系統(tǒng)，分析表明，即使乘員努力將預包裝食物盡量吃干凈，實際上仍然會有浪費，約為3%。另外，脫水食物的含水量仍有約3%［17］。我國航天食品的包裝、重量等規(guī)格如表3所示。

體積——綜合考慮食物本身及儲柜，具體取決于原材料密度、數(shù)量、加工和包裝形式。我國空間站任務中航天食品規(guī)格初步計算值如表3所示。

能耗、制冷——地球攜帶中指提供生保物資儲存所必需的溫度環(huán)境?；鹦侨蝿找愿呒壣＃ˋLS）技術(shù)為基準，指保存單位質(zhì)量冷凍食物所需要的冷藏設備質(zhì)量、體積、能耗、熱能管理數(shù)據(jù)［9］。

乘員工作時間——預計未來可用無人貨運飛船補給必需物資，因此乘員工作時間對地球攜帶補給模式的等效質(zhì)量的影響可以忽略。

表3 我國航天食品規(guī)格［13］Table 3 Chinese space food specifications［13］

4.3 作物生產(chǎn)ESM的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

質(zhì)量——指相關(guān)設備、植物、土壤基質(zhì)等。

體積——指保障作物生長所必需的最小體積，可通過作物種植面積進行換算。

能耗、制冷——指為植物提供光照、生長溫度、通風等適宜環(huán)境需要消耗的能量以及管理的熱量。

乘員工作時間——指乘員管理、收獲、加工作物所耗費的時間。

本文CELSS植物部件作物生產(chǎn)等效系統(tǒng)質(zhì)量計算在BIO-Plex生物量生產(chǎn)室數(shù)據(jù)［18］的基礎(chǔ)上，結(jié)合綠航星際密閉生態(tài)循環(huán)試驗系統(tǒng)的最新成果進行了優(yōu)化。主要優(yōu)化的數(shù)據(jù)為LED光源質(zhì)量、能耗和后勤補給量，同時增加了乘員操作空間占用的體積。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 CELSS植物部件生產(chǎn)ESM數(shù)據(jù)［18］Table 4 CELSS biological component ESM per growing area［18］

4.4 作物品種及面積

4.4.1 主食、蛋白質(zhì)-脂肪

CELSS植物部件作物生產(chǎn)的ESM計算，與作物品種選擇密切相關(guān)。為篩選最佳可種植作物，滿足每天攝入能量物質(zhì)碳水化合物干重400 g、蛋白質(zhì)干重100 g、脂肪100 g的要求，以最小種植設備保障乘員能量營養(yǎng)需求為目標對作物進行優(yōu)選。根據(jù)空間植物培養(yǎng)技術(shù)成熟度以及中國居民膳食指南［12］，主食選用小麥，蛋白質(zhì)-脂肪類作物選擇花生和大豆。根據(jù)Wheeler等人對小麥、花生、大豆的營養(yǎng)含量及單位面積產(chǎn)量的研究數(shù)據(jù)［14］，優(yōu)選后小麥、花生、大豆的種植面積分別為25.19 m2、35 m2、0。 顯然，只種植小麥和花生即可滿足乘員基本能量需求。

4.4.2 果蔬

本文植物部件作物品種選取生菜、西紅柿、胡蘿卜，原則是產(chǎn)量高、滿足不同營養(yǎng)需求、來自植物不同部位，且可食比例高。根據(jù)中國居民平衡膳食的建議，人均每日需攝入新鮮蔬菜400 g，含水量約為90%。

若采用CELSS植物部件作物生產(chǎn)方式補給蔬菜，假設三種蔬菜作物的種植比例為1∶1∶1，則可根據(jù)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)對蔬菜補給進行分析，得到三種果蔬作物所需種植面積各為1.19 m2，總 種植 面積 為 3.57 m2／CM（Crew Member）。

4.5 等效因子

參照火星任務基礎(chǔ)設施成本數(shù)據(jù)［9］，食物儲備艙和植物生長艙的等效因子如表5所示。

表5 基礎(chǔ)設施等效因子Table 5 Equivalent factor of fundamental facilities

體積成本——對于載人深空探測任務，如火星基地，由于火星自身環(huán)境能提供部分輻射屏蔽，因此其表面的植物部件可采用無屏蔽可充氣模塊，以便能有足夠的加壓空間保障植物部件中作物的正常生長。空間環(huán)境中的儲備艙（運輸）則需要一定的環(huán)境輻射防護功能，但不需要復雜的電子設備和能源管理設備。

能源成本——載人深空探測任務中電力系統(tǒng)選擇是個非常重要的問題，通常航天器采用太陽能光伏發(fā)電（電池蓄電）與燃料電池相結(jié)合的方式提供電力，這對于深空探測載人航天器也是項可靠的選擇。然而，對于火星基地，火星沙塵等不利環(huán)境會影響太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，更大困難是太陽能發(fā)電裝置可能遠離火星赤道，導致發(fā)電效率低下?？稍偕剂想姵赜譄o法為龐大的火星基地提供足夠的電力，僅能作為基地入夜后的儲能裝置。因此，未來最為可行的能源補給方案是核能。

熱能管理成本——儲備艙熱能管理系統(tǒng)較為簡單，只需提供合適的溫度即可。植物部件內(nèi)則需要根據(jù)植物生長條件實時調(diào)節(jié)溫度，要求較高。

乘員工作時間成本——乘員工作時間對任何載人航天任務來說都非常寶貴，其有效利用始終是核心要求。在CELSS植物部件中，作物生產(chǎn)及食物準備可輕易消耗相當大一部分乘員工作時間。

5 ESM分析

從4.3節(jié)作物生產(chǎn)ESM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以看出，光源是植物培養(yǎng)系統(tǒng)主要的能量和制冷量消耗設備。因此，當以太陽光保障植物所需的光照環(huán)境時，系統(tǒng)能耗和制冷量將顯著降低。由數(shù)據(jù)還可看出，不同植物種類所需的光源能耗不同，主食類生產(chǎn)單位面積能耗最高，果蔬生產(chǎn)單位面積能耗最低［9］。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)說明，按照主食、果蔬、蛋白質(zhì)-脂肪三類分別對脫水地球攜帶、即食地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)三種不同的生保物資補給模式所對應的等效質(zhì)量進行綜合比較。其中，作物生產(chǎn)又分為人工光源和自然光源兩種。

5.1 主食-碳水化合物補給

采用脫水主食補給模式，則主食及包裝的質(zhì)量為437.48 g／d。采用即食主食補給模式，含水量取50%，則食物及包裝的質(zhì)量為848.72 g／d；采用CELSS植物部件作物生產(chǎn)時，提供400 g／d碳水化合物所需的小麥種植面積為25.19 m2。然后引用表5和表6數(shù)據(jù)進行等效質(zhì)量的分析計算。

不同主食補給模式的平衡時間如圖1所示。從圖中可以看出，與由地球攜帶脫水主食相比，CELSS植物部件作物生產(chǎn)需要約76年才能達到等效質(zhì)量的平衡，此外每年還需要330 h的乘員工作時間，如果考慮設備維修、營養(yǎng)液補給等因素，質(zhì)量平衡時間將會進一步延長。如果能采用自然光源，CELSS植物部件作物生產(chǎn)主食與攜帶脫水主食相比的平衡時間縮短為15年。

表6 單名乘員不同主食補給模式ESM分析Table 6 ESM data for different staple supply per crew

圖1 主食ESM平衡圖Fig.1 ESM equilibrium diagram for staple food

鑒于主食以脫水方式補給的可接受度高，在中短期任務或沒有穩(wěn)定可靠的自然光源（如空間站）時，以受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件作物生產(chǎn)進行主食的補給并不經(jīng)濟，也難以達到質(zhì)量平衡。若計劃在月球或火星建立長期和永久基地，建立CELSS植物部件進行自然光源條件下的作物生產(chǎn)進行食物補給更為經(jīng)濟可行。

5.2 果蔬補給

采用脫水果蔬地球攜帶補給模式提供全部果蔬，每天需干重45 g，計入包裝則為49.22 g；采用即食果蔬補給模式提供全部新鮮果蔬，則食物及包裝的質(zhì)量為477.84 g?？紤]到脫水果蔬保存條件較為便利，可不考慮儲柜體積的影響。但新鮮果蔬必須在合適溫度下儲存，所以要考慮儲柜的影響。前者體積為 310.6 cm3／d，后者體積為1877.91 cm3／d。

從保障乘員生理、心理健康的角度考慮，適量的新鮮果蔬補給非常必要，但補給全部新鮮果蔬從保鮮和成本考慮難度非常大。此處提出按一定比例每天為乘員提供新鮮果蔬的補給方案，即1／3新鮮果蔬 +2／3脫水果蔬，新鮮果蔬分別來自CELSS植物部件作物生產(chǎn)和即食果蔬地球攜帶。

不同果蔬補給模式的質(zhì)量、體積、能耗、制冷和乘員工作時間需求如表7所示。

表7 不同果蔬補給模式ESM分析Table 7 ESM data for different vegetable supply

圖2為果蔬的ESM平衡圖，從圖中可以看出，CELSS植物部件作物生產(chǎn)果蔬補給模式的ESM較大，采用脫水果蔬補給模式效益較高，即使采用自然光源，平衡周期仍然長達47年。

圖2 果蔬ESM平衡圖Fig.2 ESM equilibrium diagram for vegetables

然而，載人深空飛行任務中必須保障乘員適量的新鮮果蔬補給。這可以采用兩種折中方案，一種是脫水果蔬+新鮮果蔬補給模式，另一種是CELSS植物部件生產(chǎn)新鮮果蔬+脫水果蔬補給模式。從圖中可以看出，采用2／3地球攜帶脫水果蔬+1／3CELSS植物部件作物生產(chǎn)果蔬的組合方式質(zhì)量效益較高，只需大約4年即可與2／3地球攜帶脫水果蔬+1／3地球攜帶新鮮果蔬的組合方式達到質(zhì)量平衡。更為重要的是，果蔬類的ESM普遍低一個量級，比如采用自然光源時初始ESM僅為528.9 kg／CM，遠小于主食的3705.9 kg／CM。這意味著進行CELSS植物部件果蔬生產(chǎn)的初始投入成本很低，非常適合初期種植生產(chǎn)。并且相比其他作物如小麥、大豆等，果蔬類的作物如生菜、油菜和白菜等均具有生長周期短、收獲指數(shù)高、乘員勞動參與少等特點。這也是國際空間站和我國載人飛船、天宮實驗室均首選生菜類作物嘗試種植的原因。

5.3 蛋白質(zhì)-脂肪補給

為維持人體營養(yǎng)均衡，乘員每天還需攝入一定量的蛋白質(zhì)和脂肪，均為100 g。采用脫水地球攜帶補給模式時，食物本身及包裝的質(zhì)量為218.74 g；采用即食蛋白質(zhì)-脂肪地球攜帶補給模式時，含水量以50%計，則食物本身及包裝的質(zhì)量為424.36 g；CELSS植物部件作物生產(chǎn)時，保障一位乘員蛋白質(zhì)-脂肪營養(yǎng)需求所需的花生種植面積為35 m2。

蛋白質(zhì)-脂肪不同補給模式的質(zhì)量、體積、能耗、制冷和乘員工作時間需求如表8所示。

表8 不同蛋白質(zhì)-脂肪補給模式ESM分析Table 8 ESM data for different protein-fat supply

圖3為蛋白質(zhì)-脂肪的ESM平衡圖，由圖可見，以CELSS植物部件作物生產(chǎn)方式實現(xiàn)蛋白質(zhì)-脂肪類食物補給時，相比脫水蛋白質(zhì)-脂肪預包裝地球攜帶的補給方式，平衡周期幾乎不存在，從工程實現(xiàn)上看已無任何優(yōu)勢。這是因為相關(guān)作物的產(chǎn)量較低，種植成本高。因此利用CELSS植物部件作物生產(chǎn)提供能量時，應盡量降低脂肪類作物的比例。在CELSS中，只可少量種植用以調(diào)節(jié)食譜構(gòu)成，方能有效降低受控生態(tài)系統(tǒng)ESM。

圖3 蛋白質(zhì)-脂肪ESM平衡圖Fig.3 ESM equilibrium diagram for protein-fat

當采用自然光源時，相對即食蛋白質(zhì)-脂肪預包裝地球攜帶的補給方式，ESM平衡周期從人工光源時的約104年，縮短至12年。這表明，對于永久性星球基地任務，在有自然光源的條件下實現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)提供新鮮蛋白質(zhì)-脂肪補給才具有一定可行性。

5.4 初始等效系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)化需求分析

對采用人工光源的CELSS植物部件作物生產(chǎn)主食補給的ESM構(gòu)成進行分析，如圖4所示。

圖4 CELSS植物部件初始等效質(zhì)量分布Fig.4 Initial ESM distributions of CELSS biological components crops

可以看出，系統(tǒng)本身質(zhì)量、能耗和制冷是引起體系等效質(zhì)量龐大的主要原因。結(jié)合表6中能耗和制冷項的等效因子數(shù)據(jù)，可以看出植物部件的Peq和Ceq仍然有很大降低空間。這表明，降低能耗和制冷項的部署成本對實現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)意義重大。為早日實現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)，需要通過以下關(guān)鍵技術(shù)大幅突破使得相應的質(zhì)量成本得以降低：

1）高效作物培育技術(shù)，提升單位面積糧食產(chǎn)量，進一步減少種植面積需求；

2）新型能源，將補給能源的代價從87 kg／kW降低到29 kg／kW；

3）新型光源提升電光轉(zhuǎn)化效率，減少能源和制冷需求；

4）采用新型高效控溫制冷技術(shù)，制冷所需的代價從160 kg／kW大幅降低到60 kg／kW；

5）研發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料，培養(yǎng)裝置初始結(jié)構(gòu)從70 kg／m2減重至50 kg／m2以下。

6 結(jié)論

通過對等效質(zhì)量、食物特性和乘員心理需求差異的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）對于超過360天、不足2年的深空探測飛行任務（不能實現(xiàn)中途補給，例如火星探測），首先應配備小量蔬菜栽培裝置，重點是為了滿足對新鮮蔬菜的心理需求，主食、蛋白質(zhì)-脂肪類食物仍以攜帶為主；

2）在可以利用太陽光的載人深空探測任務中，周期達到2年以上即可建立CELSS植物部件作物生產(chǎn)的方式補給部分果蔬；任務周期需達15年以上方可生產(chǎn)糧食作物；

3）在只能利用人工光源的任務模式中，對于任務周期達到76年以上的深空飛行任務（如星球基地），才適合CELSS植物部件生產(chǎn)主食，因此不具備可行性；對于新鮮果蔬則需要達到3.4年以上；

4）油料作物的空間在軌生產(chǎn)在目前技術(shù)條件下根據(jù)ESM分析不具備應用可行性。

（References）

［1］ 果琳麗，王平，朱思涌，等.載人月球基地工程［M］.北京：中國宇航出版社，2013：312-314.Guo L L，Wang P， Zhu S Y， et al.Engineering of Manned Lunar Base［M］.Beijing： Chinese Aerospace Press， 2013：312-314. （in Chinese）

［2］ 王普秀，鄭傳先.航天環(huán)境控制與生命保障工程基礎(chǔ)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003：1-75.Wang P X，Zheng C X.Space Environmental Control and Life Support Engineering［M］.Beijing： National Defense Industry Press， 2003： 1-75. （in Chinese）

［3］ Levri J A，Drysdale A E，Ewert M K，et al.Advanced life support equivalent system mass guidelines document［R］.NASA／TM-2003-212278， A-0310698， 2003.

［4］ Hunter J，Olabi A，Spies R，et al.Diet design and food processing for bioregenerative life support systems［C］ ／／2th International Conference on Evolvable Systems， Lausanne，Switzerland， 1998：296-307.

［5］ Bell S，Rodriguez L F，Kortenkamp D，et al.Using dynamic simulations and automated decision tools to design lunar habitats［ C］ ／／35th International Conference on Environmental Systems， Rome， Italy，2005： 3011.

［6］ Aydogan S，Blau G，Pekny J F，et al.Determining optimum planting schedule using diet optimization and advanced crop scheduling models［C］ ／／35th International Conference on Environmental Systems， Rome， Italy， 2005： 2815.

［7］ Jones H.Lunar base life support mass flow and recycling［C］／／38th International Conference On Environmental Systems， San Francisco， 2008： 2184.

［8］ Bourland C T，Kloeris V，Rice B L，et al.Food systems for space and planetary flight［M］ ／／Lane H W， Schoeller D A.Nutrition is spaceflight and Weightlessness Models.Boca Raton：CRC Rress， 2000：19-40.

［9］ Hanford A J.Advanced life support baseline value and assumptions document［R］.NASA／CR-2004-208941， 2004.

［10］ Cooper M R， Douglas G， Perchonok M.Developing the NASA food system for long-duration missions［J］.Journal of Food Science， 2011， 76： 40-48.

［11］ Cooper M R， Catauro P， Perchonok M.Development and e-valuation of biogegenerative menus for Mars habitat missions［J］.Acta Astronautica， 2012， 81： 555-562.

［12］ 中國營養(yǎng)學會.中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量（2013版）［M］.北京：科學出版社，2014：77-161.Chinese Nutrition Society.Chinese Dietary Reference Inakes（2013） ［M］.Beijing： Science Publishing， 2014：77-161.（in Chinese）

［13］ 白樹民，陳斌，黃紀明，等.航天營養(yǎng)與食品工程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2004，13-78.Bai Shumin， Chen Bin， Huang Jiming， et al.Space Nutrition and Food engineering［M］.Beijing： National Defense Industry Press， 2004， 13-78. （in Chinese）

［14］ Wheeler R M，Stutte G W， Yorio N C， et al.Plant Growth and Human Life Support for Space Travel［M］ ／／Pessarakli M.Handbook of Plant and Crop Physiology，2nd Edn.New York： Marcel Dekker Inc.， 2001：925-941.

［15］ Kuo Y F，Whitaker D R，Chiu G T C，et al.System level design and initial equivalent system mass analysis of a solidphase thermophilic aerobic rector for advanced life support systems［C］ ／／35th International Conference on Environmental Systems （ICES）， Rome， Italy，2005： 2983.

［16］ Weiss I， Ozen B F， Hayes K D， et al.Comparison of equivalent system mass（ESM） of yeast and flat bread systems［C］ ／／33th International Conference on Environmental Systems （ICES）， Vancouver， British Columbia， Canada， 2003：2618.

［17］ Stafford K W，Jerng L T，Drysdale A E，et al.Advanced life support， systems integration， modeling， and analysis reference missions document［R］.JSC-39502， CTSD-ADV-383，2001.

［18］ Barta D J， Castillo J M， Fortson R E.The biomass production system for bioregenerative planetary life support systems test complex： preliminary designs and considerations［C］ ／／29th International Conference on Environmental Systems（ICES），Warrendale Pennsylvania， 1999： 2188.

（責任編輯：龐迎春）

Crop Scheduling of Biological Components in Controlled Ecological Life Support System Based on Mission Requirements and ESM Analysis

YU Qingni， TANG Yongkang， LIU Hao，GAO Feng， AI Weidang
（China Astronaut Research and Training Center， Beijing 100094， China）

V444.3

A

1674-5825（2017）05-0589-08

2017-01-04；

2017-07-31

中國航天醫(yī)學工程預先研究項目（2013SY54A0304）

余青霓，女，博士，副研究員，研究方向為環(huán)境工程。E-mail：yuqingni＠139.com