張良長，武重陽，艾為黨?，張春艷，張 平，楊國威

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100094；2.深圳市太空科技南方研究院，深圳518117）

1 引言

隨著載人航天朝著多乘員、長時間、遠距離的空間飛行乃至地外星球基地的方向發(fā)展，任務過程中固體廢物的數(shù)量、種類越來越多，固體廢物在軌收集、處理處置以及資源化回收利用的作用也逐漸凸顯。受限于空間條件的特殊約束，現(xiàn)有地面固廢技術水平難以滿足載人航天任務固廢處理的技術需求，亟須對不同任務場景下固廢處理技術展開前瞻性、系統(tǒng)性的研究開發(fā)［1］。如何從現(xiàn)有種類繁多的地面固體廢物處理技術中篩選載人航天適用性技術就成為首要問題［2］，需針對不同任務場景下的固廢特點和處理需求，建立一套較為完備量化評價方法，對現(xiàn)有技術做出適用性評價和考量，從而為我國載人航天任務環(huán)控生保系統(tǒng)中固體廢物處理技術選型提供參考。

載人航天環(huán)控生保系統(tǒng)技術的定量評價方法主要有等效系統(tǒng)質(zhì)量法（Equivalent System Mass，ESM）和全生命周期評價方法（Life Cycle Cost，LCC）。其中 ESM方法于1998年正式發(fā)展形成［3］，常用于高級生命保障系統(tǒng)的效益評估及技術選型［4］，其缺點在于只能定量評價發(fā)射成本，不包括前期的技術開發(fā)成本，以及后期的運行成本。LCC方法包含了上述成本的定量評價，曾用于國際空間站［5］。上述兩種方法都是考核成本的定量評價手段，沒有包括如技術性能、風險、安全性、可靠性等指標，其評價結(jié)果的應用范圍也有局限性；同時，采用ESM或LCC評價方法進行技術評價時，需要相對完備的工程化試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)作為支撐，而目前我國的載人航天固廢處理技術尚處在初級開發(fā)階段，相關工程化試驗數(shù)據(jù)匱乏。因此，有必要提供一種綜合程度相對更高的，適用于ESM或LCC定量評估之前的固廢處理技術初篩評價方法，用于現(xiàn)階段我國載人航天固廢處理技術初步篩選。

針對上述問題，本文提出一種固廢處理技術綜合性初步篩選（Comprehensive Preliminary Selection，CPS）評價方法，兼顧技術性能、技術水平、等效質(zhì)量以及安全可靠性的因素，針對尚停留在基礎研究或原理樣機開發(fā)階段的技術手段進行初步篩選，并對篩選出的技術進行進一步的技術開發(fā)，提升技術水平之后，再通過ESM或LCC的方法做效益分析。旨在既避免ESM評價方法的片面性，又能彌補LCC評價方法的時效性缺陷。

2 初篩評價方法

本文提出的固廢處理技術選擇流程及總體架構如圖1所示。

圖1 固體廢物處理技術篩選流程示意圖Fig.1 Diagram of screening process for solid waste treatment technology

2.1 評價指標選擇及歸一化處理

本評價方法的技術指標在等效系統(tǒng)質(zhì)量相關指標的基礎上，增加技術性能、技術成熟度以及安全可靠性等指標。具體指標名稱及代號如表1所示。

表1 固廢處理技術評價指標選擇Table 1 Indicators selection for solid waste treatment technology evaluation

其中p、r、v、m以及Ct為等效系統(tǒng)質(zhì)量考核指標，Vr、Wr、Mr為技術性能類考核指標。表1中技術成熟度參照NASA采用的9個級別（Technology Readiness Level，TRL），TRL1 為發(fā)現(xiàn)基本原理，TRL2為闡明技術概念，TRL3為關鍵技術或功能實驗驗證，TRL4為實驗室環(huán)境下部件功能驗證，TRL5為其他相關環(huán)境下部件功能驗證，TRL6為空間或地面條件下系統(tǒng)模型演示驗證，TRL7為空間條件下系統(tǒng)模型演示驗證，TRL8為實際系統(tǒng)構建并完成飛行前測試與驗證，TRL9為實際系統(tǒng)成功應用于實際飛行任務［1］。

設定各項固廢處理技術的各項指標值為fi，其中f代表技術指標（如能耗p，物耗r等），i代表某項技術（如固廢厭氧處理技術、固廢熱解技術），具體數(shù)學符號定義如表2所示。

表2 固廢處理技術評價指標代號列表Table 2 Indicators’code list for solid waste treatment technology evaluation

技術指標歸一化處理的目的在于消除各指標之間量綱的差別［6］，是后續(xù)建立綜合的定量評價指標的基礎。歸一化處理的方法為以各參比技術中最高技術指標值為基準，對該項指標的所有技術指標值按統(tǒng)一數(shù)值標準“1”進行重新賦值，如式（1）、（2）所示。當數(shù)值最大代表性能最好時（如物質(zhì)回收率等），采用式（1）計算；當數(shù)值最小代表性能最好時（如能耗，物耗等），采用式（2）

計算。

重新賦值之后，得到技術指標的歸一化處理結(jié)果如表3所示。

2.2 各項技術指標權重分析

不同技術指標在不同的應用場景的重要性或定量評估時所占的權重會有所不同。在初步篩選固廢處理技術環(huán)節(jié)，本文針對空間站任務場景以及未來星球基地任務場景的固廢處理需求和要求［2］，分別進行技術指標權重評估。評估方法采用專家問卷調(diào)查方式進行，由深入了解兩種應用場景下的固廢處理需求和要求的領域內(nèi)專家對各項技術指標權重按照10分制的規(guī)則（權重最低得分為1.0，最高得分為10.0）進行評分。然后對所得評分結(jié)果進行甄別，剔除離群值。最后對入選的所有專家評分結(jié)果求平均，即得到式（3）所示該項指標分別在空間和受控條件下的權重值。

式中j代表空間站或星球基地應用場景，k代表不同的專家。計算所得各項技術指標權重如表4所示。

表4 固廢處理技術指標權重分析表Table 4 Index weight analysis of solid waste treatment technology

2.3 綜合定量評價指標計算

在各項指標歸一化處理和權重分析賦值的基礎上，對某項固廢處理技術進行綜合定量評價。綜合定量評價指標計算公式如式（4），即對歸一化指標與指標權重的乘積加和得到綜合定量評價指標。

3 評價方法應用示例

本文就國內(nèi)外固廢處理技術進行了調(diào)研，依據(jù)本文所提技術指標體系，選取指標數(shù)據(jù)相對齊全的技術作為本文定量篩選的目標，定量比較所選取的各項固體廢物處理技術在不同任務場景下的適應性。得到各處理技術的評價指標統(tǒng)計表5。由于各文獻均未給出乘員操作時長和技術安全可靠性的數(shù)據(jù)，對于乘員操作時長和安全可靠性均作歸一化來處理，各項技術指標歸一化處理結(jié)果如表6所示。本文就固體廢物處理技術指標權重向10位領域內(nèi)有工程經(jīng)驗的專家征詢了意見，結(jié)果如表7、8所示。

表5 固廢處理技術評價指標數(shù)值統(tǒng)計數(shù)據(jù)表Table 5 Evaluation indexes statistics of solid waste treatment technologies

表6 技術指標歸一化處理結(jié)果Table 6 Normalized processing results of technical indicators

表7 空間站固廢處理技術指標權重調(diào)查結(jié)果Table 7 Weight evaluation results of solid waste treatment technical indicators for the space station

表8 星球基地固廢處理技術指標權重調(diào)查結(jié)果Table 8 Weight evaluation results of solid waste treatment technical indicators for the planetary base

根據(jù)公式（3）計算出空間站以及星球基地條件下固廢處理技術指標權重，如下表9所示。

表9 固廢處理技術指標權重計算結(jié)果Table 9 Index weight calculation results of solid waste treatment technology

如表9所示，空間站條件下的技術成熟度、安全可靠性、重量以及物耗權重較高；而星球基地條件下的技術成熟度、安全可靠性、水分回收率、以及物質(zhì)回收率占據(jù)最高權重。由此可知，除了技術成熟度和安全可靠性這兩個硬性指標外，空間站條件下的等效系統(tǒng)質(zhì)量相關指標的權重要大于減容、物質(zhì)回收等性能指標權重；而星球基地條件下的物質(zhì)回收指標權重要大于傳統(tǒng)的等效系統(tǒng)質(zhì)量指標。這個結(jié)果與理論預期相符，對于長時間運行的星球基地受控生態(tài)生保系統(tǒng)而言，物質(zhì)回收的長期積累量會抵消甚至高于基礎的系統(tǒng)等效質(zhì)量。

根據(jù)公式（5）、公式（6）計算得到各項技術的綜合定量評價指標如表10所示。

由以上結(jié)果可以看出，在兩個典型的不同的任務場景下各項技術的綜合評價結(jié)果不同。柔性膜糞便收集技術在空間站條件下綜合評價結(jié)果為56.58，而在星球基地條件下為51.82，這說明該項技術更適用于空間站。實際情況也是如此，在時間短、乘員少且失重狀態(tài)下的載人駐留任務中乘員糞便采用柔性膜糞便收集技術，而在星球基地任務中則適宜采用集成大便收集與處理于一體的技術，如厭氧或好氧堆肥技術。

表10 空間站及星球基地條件下各項技術綜合評價指標結(jié)果Table 10 Comprehensive evaluation results for the space station and planetary base scenarios

由計算結(jié)果可知，在空間站條件下最合適的固體廢物處理技術為熱熔壓縮技術，綜合評價最高為66.55，其次為焚燒技術、濕式催化氧化技術、機械壓縮技術和閉環(huán)微波干燥技術。在星球基地條件下最合適的固廢處理技術為焚燒技術，其次為熱熔壓縮技術、濕式催化氧化技術、厭氧堆肥技術和閉環(huán)空氣干燥技術。

需要注意的是，由于不同任務場景下環(huán)控生保系統(tǒng)的構成不同、所處環(huán)境不同（如失重和低重力環(huán)境），會導致固廢產(chǎn)物類別、處理需求和要求、以及約束條件發(fā)生變化，在進行技術選擇時需加以考慮。此外，在實際應用中單一的處理技術無法適應多種固廢的處理需求，需要多種處理功能技術的協(xié)同組合。比如在綠航星際4人180天試驗中采用了閉環(huán)空氣干燥、粉碎、焚燒及好氧堆肥4種技術共同完成乘員糞便以及植物不可食部的處理［11］。在類似組合處理技術的選擇時，可以應用本文方法在同一功能的固廢處理技術中進行適用性排序和選擇。

4 結(jié)論

本文針對不同載人航天任務固廢處理需求，初步開發(fā)了一套固廢處理技術定量評價方法，用于空間站和星球基地任務場景的固廢處理技術篩選，獲得初步篩選結(jié)果，供不同任務場景下的固廢處理技術選擇提供參考和借鑒。評價方法適用于尚停留在基礎研究或原理樣機開發(fā)階段的技術手段初步選擇，其技術指標涵蓋能耗、物耗、大小、重量、乘員工作時間、減容率、水分回收率、物質(zhì)回收率、技術成熟度、安全可靠性等。評價方法的初步應用結(jié)果表明，對于空間站任務場景而言，最合適的固體廢物處理技術為熱熔壓縮技術，其次為焚燒技術、濕式催化氧化技術、機械壓縮技術和閉環(huán)微波干燥技術；星球基地任務條件下最合適的固廢處理技術為焚燒技術，其次為熱熔壓縮技術、濕式催化氧化技術、厭氧堆肥技術和閉環(huán)空氣干燥技術。下一步將通過深化理論分析、拓展拓寬專家樣本庫等手段提升篩選方法的可靠性和實用價值。