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(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)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(yuǎn)距離的空間飛行乃至地外星球基地的方向發(fā)展，任務(wù)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(shù)水平難以滿足載人航天任務(wù)固廢處理的技術(shù)需求，亟須對不同任務(wù)場景下固廢處理技術(shù)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(shù)中篩選載人航天適用性技術(shù)就成為首要問題［2］，需針對不同任務(wù)場景下的固廢特點(diǎn)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(shù)做出適用性評價和考量，從而為我國載人航天任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)中固體廢物處理技術(shù)選型提供參考。

載人航天環(huán)控生保系統(tǒng)技術(shù)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(shù)選型［4］，其缺點(diǎn)在于只能定量評價發(fā)射成本，不包括前期的技術(shù)開發(fā)成本，以及后期的運(yùn)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(shù)性能、風(fēng)險、安全性、可靠性等指標(biāo)，其評價結(jié)果的應(yīng)用范圍也有局限性；同時，采用ESM或LCC評價方法進(jìn)行技術(shù)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(shù)尚處在初級開發(fā)階段，相關(guān)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(shù)初篩評價方法，用于現(xiàn)階段我國載人航天固廢處理技術(shù)初步篩選。

針對上述問題，本文提出一種固廢處理技術(shù)綜合性初步篩選（Comprehensive Preliminary Selection，CPS）評價方法，兼顧技術(shù)性能、技術(shù)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(chǔ)研究或原理樣機(jī)開發(fā)階段的技術(shù)手段進(jìn)行初步篩選，并對篩選出的技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)，提升技術(shù)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(bǔ)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(shù)選擇流程及總體架構(gòu)如圖1所示。

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

2.1 評價指標(biāo)選擇及歸一化處理

本評價方法的技術(shù)指標(biāo)在等效系統(tǒng)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，增加技術(shù)性能、技術(shù)成熟度以及安全可靠性等指標(biāo)。具體指標(biāo)名稱及代號如表1所示。

表1 固廢處理技術(shù)評價指標(biāo)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(biāo)，Vr、Wr、Mr為技術(shù)性能類考核指標(biāo)。表1中技術(shù)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(shù)概念，TRL3為關(guān)鍵技術(shù)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(guān)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(gòu)建并完成飛行前測試與驗證，TRL9為實際系統(tǒng)成功應(yīng)用于實際飛行任務(wù)［1］。

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

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

技術(shù)指標(biāo)歸一化處理的目的在于消除各指標(biāo)之間量綱的差別［6］，是后續(xù)建立綜合的定量評價指標(biāo)的基礎(chǔ)。歸一化處理的方法為以各參比技術(shù)中最高技術(shù)指標(biāo)值為基準(zhǔn)，對該項指標(biāo)的所有技術(shù)指標(biāo)值按統(tǒng)一數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)“1”進(jìn)行重新賦值，如式（1）、（2）所示。當(dāng)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(dāng)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(shù)指標(biāo)的歸一化處理結(jié)果如表3所示。

2.2 各項技術(shù)指標(biāo)權(quán)重分析

不同技術(shù)指標(biāo)在不同的應(yīng)用場景的重要性或定量評估時所占的權(quán)重會有所不同。在初步篩選固廢處理技術(shù)環(huán)節(jié)，本文針對空間站任務(wù)場景以及未來星球基地任務(wù)場景的固廢處理需求和要求［2］，分別進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)權(quán)重評估。評估方法采用專家問卷調(diào)查方式進(jìn)行，由深入了解兩種應(yīng)用場景下的固廢處理需求和要求的領(lǐng)域內(nèi)專家對各項技術(shù)指標(biāo)權(quán)重按照10分制的規(guī)則（權(quán)重最低得分為1.0，最高得分為10.0）進(jìn)行評分。然后對所得評分結(jié)果進(jìn)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(biāo)分別在空間和受控條件下的權(quán)重值。

式中j代表空間站或星球基地應(yīng)用場景，k代表不同的專家。計算所得各項技術(shù)指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4 固廢處理技術(shù)指標(biāo)權(quán)重分析表Table 4 Index weight analysis of solid waste treatment technology

2.3 綜合定量評價指標(biāo)計算

在各項指標(biāo)歸一化處理和權(quán)重分析賦值的基礎(chǔ)上，對某項固廢處理技術(shù)進(jìn)行綜合定量評價。綜合定量評價指標(biāo)計算公式如式（4），即對歸一化指標(biāo)與指標(biāo)權(quán)重的乘積加和得到綜合定量評價指標(biāo)。

3 評價方法應(yīng)用示例

本文就國內(nèi)外固廢處理技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，依據(jù)本文所提技術(shù)指標(biāo)體系，選取指標(biāo)數(shù)據(jù)相對齊全的技術(shù)作為本文定量篩選的目標(biāo)，定量比較所選取的各項固體廢物處理技術(shù)在不同任務(wù)場景下的適應(yīng)性。得到各處理技術(shù)的評價指標(biāo)統(tǒng)計表5。由于各文獻(xiàn)均未給出乘員操作時長和技術(shù)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(shù)指標(biāo)歸一化處理結(jié)果如表6所示。本文就固體廢物處理技術(shù)指標(biāo)權(quán)重向10位領(lǐng)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(shù)評價指標(biāo)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(shù)指標(biāo)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(shù)指標(biāo)權(quán)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(shù)指標(biāo)權(quán)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(shù)指標(biāo)權(quán)重，如下表9所示。

表9 固廢處理技術(shù)指標(biāo)權(quán)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(shù)成熟度、安全可靠性、重量以及物耗權(quán)重較高；而星球基地條件下的技術(shù)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(quán)重。由此可知，除了技術(shù)成熟度和安全可靠性這兩個硬性指標(biāo)外，空間站條件下的等效系統(tǒng)質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重要大于減容、物質(zhì)回收等性能指標(biāo)權(quán)重；而星球基地條件下的物質(zhì)回收指標(biāo)權(quán)重要大于傳統(tǒng)的等效系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)。這個結(jié)果與理論預(yù)期相符，對于長時間運(yùn)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(chǔ)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(shù)的綜合定量評價指標(biāo)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(wù)場景下各項技術(shù)的綜合評價結(jié)果不同。柔性膜糞便收集技術(shù)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(shù)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(wù)中乘員糞便采用柔性膜糞便收集技術(shù)，而在星球基地任務(wù)中則適宜采用集成大便收集與處理于一體的技術(shù)，如厭氧或好氧堆肥技術(shù)。

表10 空間站及星球基地條件下各項技術(shù)綜合評價指標(biāo)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(shù)為熱熔壓縮技術(shù)，綜合評價最高為66.55，其次為焚燒技術(shù)、濕式催化氧化技術(shù)、機(jī)械壓縮技術(shù)和閉環(huán)微波干燥技術(shù)。在星球基地條件下最合適的固廢處理技術(shù)為焚燒技術(shù)，其次為熱熔壓縮技術(shù)、濕式催化氧化技術(shù)、厭氧堆肥技術(shù)和閉環(huán)空氣干燥技術(shù)。

需要注意的是，由于不同任務(wù)場景下環(huán)控生保系統(tǒng)的構(gòu)成不同、所處環(huán)境不同（如失重和低重力環(huán)境），會導(dǎo)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(jìn)行技術(shù)選擇時需加以考慮。此外，在實際應(yīng)用中單一的處理技術(shù)無法適應(yīng)多種固廢的處理需求，需要多種處理功能技術(shù)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(shù)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(shù)的選擇時，可以應(yīng)用本文方法在同一功能的固廢處理技術(shù)中進(jìn)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(wù)固廢處理需求，初步開發(fā)了一套固廢處理技術(shù)定量評價方法，用于空間站和星球基地任務(wù)場景的固廢處理技術(shù)篩選，獲得初步篩選結(jié)果，供不同任務(wù)場景下的固廢處理技術(shù)選擇提供參考和借鑒。評價方法適用于尚停留在基礎(chǔ)研究或原理樣機(jī)開發(fā)階段的技術(shù)手段初步選擇，其技術(shù)指標(biāo)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(shù)成熟度、安全可靠性等。評價方法的初步應(yīng)用結(jié)果表明，對于空間站任務(wù)場景而言，最合適的固體廢物處理技術(shù)為熱熔壓縮技術(shù)，其次為焚燒技術(shù)、濕式催化氧化技術(shù)、機(jī)械壓縮技術(shù)和閉環(huán)微波干燥技術(shù)；星球基地任務(wù)條件下最合適的固廢處理技術(shù)為焚燒技術(shù)，其次為熱熔壓縮技術(shù)、濕式催化氧化技術(shù)、厭氧堆肥技術(shù)和閉環(huán)空氣干燥技術(shù)。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。