唐斌，卞強(qiáng),2，劉力濤,2，楊潤(rùn)澤，胡清華，王棟

（1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094；2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094）

引言

環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)（Environmental Control and Life Support System，ECLSS，簡(jiǎn)稱為環(huán)控生保分系統(tǒng)）為失重狀態(tài)的密閉空間提供可維持人類生活和工作的宜居環(huán)境，是載人航天極具特色的重要分系統(tǒng)。環(huán)控生保技術(shù)分為三類：非再生的儲(chǔ)存式生保、物化再生式生保、受控生態(tài)式生保[1]。目前中國(guó)空間站采用物化再生式生保與非再生式生保相結(jié)合的技術(shù)路線，其中物化再生技術(shù)屬于空間站驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)之一，在長(zhǎng)期在軌駐留的載人飛行任務(wù)中發(fā)揮著重要的作用。

物化再生主要分為兩類，一類是氣體類的再生，一類是水資源的再生。水資源是否能夠正常的再生和流轉(zhuǎn)，關(guān)乎航天員是否能夠在軌按計(jì)劃執(zhí)行長(zhǎng)期駐留任務(wù)。因此，建立一個(gè)有效、準(zhǔn)確的水資源流轉(zhuǎn)模型，可以在任務(wù)之前對(duì)任務(wù)期間的水資源流轉(zhuǎn)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前上行合理數(shù)量的物資（主要是空水箱和上行水）。在任務(wù)執(zhí)行過程中，用實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的實(shí)時(shí)評(píng)估。

水資源流轉(zhuǎn)可以通過基于原理的方式建模，但水資源流轉(zhuǎn)涉及到的環(huán)節(jié)較多，特別是航天員的人體代謝部分，由于不同乘組的個(gè)體差異、在軌活動(dòng)量差異、飲食量差異，建模較為困難。獲取大量的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)、在軌數(shù)據(jù)之后，可以認(rèn)為水資源流轉(zhuǎn)的不同環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)節(jié)律都是符合特定分布的隨機(jī)數(shù)據(jù)，基于蒙特卡羅的建模方法，提供了將復(fù)雜問題簡(jiǎn)化的最佳思路。蒙特卡羅模擬是通過對(duì)隨機(jī)變量進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)及假定分布概率從而求解獲取預(yù)測(cè)值的方法。

圖1 航天器水資源流轉(zhuǎn)示意圖

1 水資源流轉(zhuǎn)模型

水資源的流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)包括：人體代謝、廢水收集、廢水處理、再生水分配、再生水使用，涉及到大小便收集、冷凝水收集、水處理、尿處理、飲水供應(yīng)、電解制氧、人體消耗和代謝等多個(gè)環(huán)節(jié)。

1.1 水箱模型

為了提高系統(tǒng)可靠性，降低模塊之間的耦合，航天器與水資源相關(guān)的幾個(gè)大環(huán)節(jié)之間并沒有通過管路直接相連，而是通過水箱來進(jìn)行水資源傳遞或儲(chǔ)存。

水箱分為兩類，一類是硬殼水箱，具有硬質(zhì)外殼和軟質(zhì)內(nèi)囊，同時(shí)具有氣路和液路兩組出入口；一類是軟式水箱，僅有液路的出入口。兩類水箱的有效容積不同，使用場(chǎng)景也不同。

航天器首輪乘組上天之前，會(huì)在航天器提前預(yù)置一部分空硬殼水箱、空軟式水箱、滿的上行水，作為整站水資源的啟動(dòng)物資以及應(yīng)急物資。隨著駐留時(shí)間的增加，艙內(nèi)水資源再生系統(tǒng)可以利用硬殼水箱和軟水箱持續(xù)收集廢水并產(chǎn)生再生水，維持乘組的正常生理和生活用水。

當(dāng)本輪乘組撤離之前，將本次產(chǎn)生的再生水存儲(chǔ)好，留給下輪乘組使用；將壽命到期的水箱或裝有準(zhǔn)備廢棄的水的水箱搬運(yùn)至貨運(yùn)飛船，并隨著貨運(yùn)飛船再入大氣銷毀。下輪乘組執(zhí)行任務(wù)前，會(huì)有相應(yīng)的貨運(yùn)飛船先行帶著物資對(duì)航天器進(jìn)行補(bǔ)給，物資中就包括水箱和水資源。

1.2 人體代謝和廢水產(chǎn)生

人體除了直接飲用水以外，還會(huì)通過食物攝入水，或由食物轉(zhuǎn)化為水。航天器航天員食用的食品中大概有46 %是水，直接加熱食用的食品中的水含量更是高達(dá)88 %，國(guó)際空間站水資源回收率為93 %，如果考慮食品中的水，回收率可以上升到98 %[2]。

航天食品中的碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)提供了身體代謝所必須的能量。其中碳水化合物和脂肪在體內(nèi)可以完全氧化成水和二氧化碳，但蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能完全氧化，產(chǎn)生一些不能繼續(xù)被分解利用的含氮化合物（如尿素、肌酐和尿酸等）。根據(jù)中國(guó)的飲食特點(diǎn)，中國(guó)航天員的食品中谷類（米、面、雜糧）占主食的大部分，谷類食品中碳水化合物占（70～80）%。因此，攝入的食品也會(huì)有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為水，通過尿液和體液蒸發(fā)的形式排出體外，再收集成為廢水。

在地面，研究者對(duì)人體代謝所需要的水資源進(jìn)行了評(píng)估[3]，每人的飲用水為1.86 kg/d，食物復(fù)水0.72 kg/d，食物含水0.5 kg/d，代謝產(chǎn)生水0.34 kg/d。代謝產(chǎn)生的尿液1.5 kg/d，呼吸及出汗1.83 kg/d。但實(shí)際上由于個(gè)體、活動(dòng)量、環(huán)境差異，攝入水和代謝排出水的差異可達(dá)3.5 L[4]。

影響人體代謝的因素很多，但基本可以認(rèn)為：人體排出的廢水要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于攝入的水。人體代謝的模型異常復(fù)雜，因此在其他環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)可以支撐起整個(gè)水資源模型的情況下，將整個(gè)人體代謝作為黑盒進(jìn)行模擬，最后再將模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。

1.3 廢水收集

廢水收集包括兩類，一類是尿液收集，一類是冷凝水收集。

人體代謝產(chǎn)生的尿液以及衛(wèi)生水會(huì)進(jìn)入大小便收集裝置，并由其收集到尿液收集水箱中。尿液收集采用硬殼水箱，設(shè)計(jì)為主備份兩個(gè)，防止尿液收集滿且未處理完時(shí)影響上廁所。

人體代謝產(chǎn)生的汗液會(huì)蒸發(fā)到艙內(nèi)形成濕氣，艙內(nèi)濕巾擦拭身體或設(shè)備后也會(huì)產(chǎn)生濕氣。艙內(nèi)的濕氣通過冷凝的方式形成冷凝水，再收集到冷凝水收集水箱。冷凝水收集水箱同尿液收集水箱一樣，采用硬殼水箱并設(shè)計(jì)有主備份。

1.4 廢水處理

當(dāng)前中國(guó)空間站的廢水處理包括尿處理裝置和水處理裝置。尿處理裝置將尿液蒸餾形成尿蒸餾水，水處理負(fù)責(zé)處理尿蒸餾水以及收集到的冷凝水，最終形成凈化后可飲用級(jí)別的再生水[5]。

尿處理采用蒸氣壓縮蒸餾的技術(shù)方案，隨著蒸餾尿液的增加，系統(tǒng)內(nèi)部的尿液濃度會(huì)逐漸增加形成尿殘液，排放的殘液無法再次利用，會(huì)儲(chǔ)存在軟式水箱并準(zhǔn)備廢棄。尿液的回收率大于80 %[6]。

水處理采用中溫催化氧化技術(shù)方案，可以將進(jìn)入系統(tǒng)的污水（包括冷凝水和尿蒸餾水）處理成為再生水，再生水使用軟式水箱進(jìn)行存儲(chǔ)，水回收率不低于95 %[6]。

1.5 再生水分配

水管理裝置負(fù)責(zé)將軟水箱中的干凈水補(bǔ)充到硬殼水箱，包括：飲用水水箱、衛(wèi)生水水箱以及電解補(bǔ)水水箱。其中飲用水水箱安裝在水管理裝置內(nèi)部，另外預(yù)留有一個(gè)補(bǔ)水工位，當(dāng)衛(wèi)生水需要補(bǔ)水或電解制氧裝置需要補(bǔ)水時(shí)，將各自的硬殼水箱搬運(yùn)至補(bǔ)水工位，通過水輸送泵補(bǔ)水。當(dāng)給補(bǔ)水工位補(bǔ)水時(shí)，三通管道會(huì)同時(shí)給飲用硬殼水箱補(bǔ)水。

1.6 再生水使用

再生水使用分為三類：航天員飲用及食品復(fù)水、大小便沖洗使用、電解制氧使用。

航天員通過水管理裝置內(nèi)部的飲用水硬殼水箱取水，用于直接飲用或食品復(fù)水食用，也可以通過該方式將再生水用于生活中的其他用途。衛(wèi)生水水箱在水管理處補(bǔ)充滿水后，搬運(yùn)至大小便收集裝置，在航天員大小便結(jié)束時(shí)用于裝置的管路清洗。電解制氧通過電解的方式，將再生水轉(zhuǎn)化為氧氣和氫氣，其中氧氣釋放在艙內(nèi)，用于維持航天員在軌正常生存。

2 模型算法

建立模型的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是建立各個(gè)水資源相關(guān)流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的處理邏輯，包括環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間的水資源傳遞邏輯、環(huán)節(jié)內(nèi)部的水資源消耗或補(bǔ)給邏輯；二是生成與真實(shí)數(shù)據(jù)分布相同的隨機(jī)數(shù)，用于描述各個(gè)環(huán)節(jié)消耗或產(chǎn)生水資源的量。

2.1 算法流程圖

根據(jù)水資源流轉(zhuǎn)的規(guī)律和特點(diǎn)，構(gòu)造蒙特拉羅估算模型。模型算法流程如圖2。

圖2 算法流程圖

其中電解耗水、衛(wèi)生水耗水、收集小便、尿處理處理尿液、冷凝水收集、水處理處理污水、航天員飲水，均使用符合各自節(jié)律的隨機(jī)數(shù)，以模擬在軌使用水量的不確定性。

水箱壽命到期的更換判斷邏輯及操作包括：電解補(bǔ)水水箱更換、衛(wèi)生水水箱更換、尿液收集水箱更換、尿處理硬殼殘液箱更換、水管理入口軟水箱壽命到期更換、水管理硬殼飲水水箱更換。

水箱流轉(zhuǎn)過程中的更換包括：尿處理軟式殘液箱更換（兩次排殘液后需更換）、水處理出口軟水箱更換（水處理兩次污水處理后需更換）、水管理入口軟水箱更換（軟水箱空后需更換）。

為了物盡所用，也為了防止再生水存儲(chǔ)時(shí)間過長(zhǎng)而未使用，因此水箱更換的邏輯：

1）水箱壽命超標(biāo)時(shí)，從上行水箱物資庫(kù)、臨時(shí)存儲(chǔ)物資庫(kù)中尋找空且使用次數(shù)最多的水箱，以達(dá)到水箱盡可能充分的利用的目的；

2）當(dāng)需要使用干凈水時(shí)，有限取用最早生成的再生水，最后再取用上行水；

3）若水處理同時(shí)需要處理尿蒸餾水和冷凝水時(shí)，優(yōu)先處理尿蒸餾水。

2.2 初始條件

初始條件包括：

1）初始化上行水箱物資庫(kù)，包括硬殼水箱、空軟式水箱、滿軟式水箱（上行水）；

2）電解補(bǔ)水水箱、衛(wèi)生水水箱、尿處理硬殼殘液箱、尿處理尿蒸餾水箱、水管理飲用水水箱均為初始化時(shí)取用硬殼水箱進(jìn)行組裝，電解補(bǔ)水水箱和飲用水水箱為滿，其余初始化時(shí)均為空。

2.3 耗水及產(chǎn)水速率隨機(jī)模擬

每次迭代時(shí)的水資源消耗或產(chǎn)生的量是不確定的，需要模擬符合真實(shí)數(shù)據(jù)分布的隨機(jī)數(shù)。

這里需要確定的隨機(jī)數(shù)包括：小便量、冷凝水量、飲水量、衛(wèi)生水量、電解耗水量、尿液處理量、污水處理量。另外還有幾個(gè)水量，由于處理時(shí)間很短，本模型不再進(jìn)行分成多次進(jìn)行隨機(jī)模擬，而是在當(dāng)前迭代過程中直接完成，包括：尿處理排殘液、水管理對(duì)硬殼水箱補(bǔ)水。

以尿液收集為例，收集每箱尿液的收集時(shí)間，通過KS估計(jì)不同方差下的正態(tài)分布擬合的P-Value，如圖3所示。最優(yōu)估計(jì)方差為0.614。

圖3 乘組尿液收集速率及方差估計(jì)

同樣方法對(duì)冷凝水收集速率、電解水消耗速率進(jìn)行估計(jì)。數(shù)據(jù)如表1。

表1 尿液收集、冷凝水收集及電解水消耗方差估計(jì)

為防止衛(wèi)生水水箱空而影響航天員上廁所，因此衛(wèi)生水并不是等到水箱空了之后再去補(bǔ)水，而是采用每周定期補(bǔ)水。由于飲用水水箱補(bǔ)水、衛(wèi)生水補(bǔ)水、電解補(bǔ)水共用補(bǔ)水管路，因此無法直接獲取到飲用水水箱補(bǔ)水節(jié)律，平均飲水量按照地面試驗(yàn)的1.86 kg/人天來估算。

2.4 模擬結(jié)果

以0.1天為一個(gè)迭代量，迭代90天，用于模擬乘組的90天駐留任務(wù)。駐留任務(wù)共模擬1 000次，對(duì)1 000次的駐留任務(wù)的水資源使用和消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中上限和下限分別對(duì)應(yīng)于1 000次模擬中的最大值和最小值。

經(jīng)過表2比對(duì)，該模型的模擬數(shù)據(jù)上下限能夠覆蓋乘組的實(shí)際數(shù)據(jù)，該方法有效。

表2 模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)比對(duì)

3 結(jié)論

本文采用了蒙特拉羅方法對(duì)航天器水資源進(jìn)行建模和仿真估計(jì)，避開了人體代謝的復(fù)雜模型，通過實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)水資源其余環(huán)節(jié)的流轉(zhuǎn)速率進(jìn)行估算，仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相符，該方法可以實(shí)現(xiàn)航天器水資源流轉(zhuǎn)的模擬，可以模擬不同乘組、不同代謝、不同駐留周期的水資源使用情況。通過該方法，可以對(duì)后續(xù)任務(wù)的上行物資規(guī)劃提出建議、對(duì)航天器駐留能力提出評(píng)估意見。