綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)

集成試驗簡介

一、前言 

綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗，是我國首次主導、多國參與的“人與環(huán)境”大型試驗。試驗以太空科技南方研究院為主導，以中國航天員科研訓練中心為技術主體，聯(lián)合法國空間研究中心、德國宇航中心、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心、深圳華大基因研究院等國內(nèi)外相關機構，共同啟動開展。

本次試驗以多學科交叉的受控生態(tài)生保理論與技術為基礎，將整合我國載人航天三代環(huán)控生保技術，探索物化再生生保與生物再生生保技術的協(xié)同匹配特性，以多維分子組學連續(xù)跟蹤為特征，揭示環(huán)境因素影響下的人體動態(tài)變化規(guī)律，建立發(fā)展適合多乘員長時間駐留的高物質(zhì)閉合度、運行高效、系統(tǒng)可靠的生命保障體系新方法、新技術。

試驗計劃歷時8-10個月，經(jīng)志愿者定選訓練、預試驗、志愿者進艙、模擬外星居留、志愿者出艙、試驗總結(jié)等主要階段，并將于近期啟動試驗志愿者選拔工作。本試驗將成為目前我國持續(xù)時間最長、閉合循環(huán)程度最高、跨領域試驗項目最多、駐留人數(shù)最多的一次受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗。

本次試驗對豐富我國生物再生式生命保障技術理論基礎，突破第三代環(huán)控生保關鍵技術，掌握深空探測與星際駐留任務中生命保障與健康維護核心技術，發(fā)展高物質(zhì)閉合度的生物再生生保技術，研究長期密閉環(huán)境下人與環(huán)境之間相互作用關系具有積極作用，將為開展載人航天深空探測、和平利用太空、拓展人類地外生存空間提供技術儲備，為人類星際旅行和地外居住創(chuàng)造保障條件。對于解決我國環(huán)境污染和資源枯竭等現(xiàn)實問題，倡導和推動低碳生活具有非常積極的意義、良好的應用前景和廣闊的市場潛力。

二、項目背景 

（一）載人航天深空探測必然方向—長時間遠距離多乘員的星際駐留

1969年7月人類完成首次登月以來，世界各國探索外太空的腳步從未停歇。面對深邃太空和未知星球，開發(fā)長時間、遠距離、多乘員的載人深空探測和地外星球駐留技術，是載人航天發(fā)展的必然方向。繼成功實施載人空間交會對接和建立空間站之后，開展載人登月和建立月球基地將成為我國下一個載人航天的重大戰(zhàn)略目標。 

（二）載人航天基本問題及特色—環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)

載人航天的基本問題就是如何把航天員送入太空、航天員在太空如何生存。為了保障未來太空基地中人類的健康生活，持續(xù)提供食物、氧氣和水等生保物資，需要建立安全可靠、高效運行的生命保障系統(tǒng)。受控生態(tài)生保系統(tǒng)是解決這一問題的根本途徑。

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)（Environmental Control and Life Support, ECLS）以建立人在太空生存環(huán)境為目標，為保障航天員安全、高效工作提供生存與工作環(huán)境。沒有環(huán)控生保，航天員在太空就無法生存；以最小的物質(zhì)和能量代價實現(xiàn)人與環(huán)境的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換。

受控生態(tài)生保系統(tǒng)是在載人飛船第一代非再生生保系統(tǒng)和載人空間站物化再生生保系統(tǒng)的基礎上疊加生物再生部件而成的第三代生保系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以生物再生技術為特征，有機融合非再生和物化再生技術，以物質(zhì)閉環(huán)、運行高效、系統(tǒng)可靠為目標，通過各功能單元的協(xié)同匹配，滿足深空探測與星際駐留任務中人類安全適宜生活需求的環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)。其最大特點是：物質(zhì)閉合程度高，能實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)食物、氧氣和水等基本生保物質(zhì)的再生循環(huán)，可大大減少地面的后勤補給，為乘員提供一個鮮活的綠色環(huán)境。是建設星球基地、實施載人深空探測等國家載人戰(zhàn)略任務的重要組成部分。

（三）我國首次載人受控生態(tài)生保集成試驗——中國航天員科研訓練中心實施

中國航天員科研訓練中心在逐步突破單項關鍵技術的基礎上，于2012年12月開展了我國首次2人30天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術試驗研究，初步掌握了密閉生態(tài)系統(tǒng)中大氣和水等物質(zhì)流的動態(tài)平衡調(diào)控技術，在我國受控生態(tài)生保技術發(fā)展史上具有里程碑意義。 

（四）受控生態(tài)生保系統(tǒng)的重大挑戰(zhàn)——物質(zhì)閉合度不高、長期運行可靠性低

受控生態(tài)生保系統(tǒng)的長期高度自主循環(huán)和自給自足面臨諸多重大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在物質(zhì)流閉合度不高（食物生產(chǎn)能力受限、廢物廢水循環(huán)率低）及系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行調(diào)控技術（功能部件長期運行不夠穩(wěn)定、整體構架缺乏有機融合）等未得到充分掌握。因而無法滿足受控生態(tài)生保系統(tǒng)的實際工程化應用要求。

根據(jù)載人航天深空探測戰(zhàn)略發(fā)展需求，為了盡快掌握深空探測與星際駐留任務中生命保障與健康維護核心技術，發(fā)展高物質(zhì)閉合度的生物再生生保技術，探索長期密閉環(huán)境下人與環(huán)境之間相互作用規(guī)律，啟動綠航星際—4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗，開展乘員更多、時間更長、物質(zhì)閉合度更高的受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成技術試驗研究，通過長時間運行考核，重點突破物質(zhì)高閉合度調(diào)控和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行調(diào)控等關鍵技術，并揭示系統(tǒng)中各個單元的動力學變化規(guī)律和交互關系等重要科學問題，從而建立發(fā)展適合多乘員長時間駐留的高物質(zhì)閉合度、運行高效、系統(tǒng)可靠的生命保障體系新方法、新技術。 

三、項目內(nèi)容 

受控生態(tài)生保系統(tǒng)依據(jù)地球生物圈“生產(chǎn)者-消費者-分解者”的基本原理，在密閉空間構建“人-植物-微生物-環(huán)境”的小型人工自循環(huán)式受控生態(tài)系統(tǒng)，通過植物生長、微生物分解等生物過程實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)食物、水、氧氣等生保物資的再生循環(huán)，并輔以一定的物化手段，提供適宜人類健康生長與生活的基礎環(huán)境。包括總體物質(zhì)流調(diào)控、植物培育與管理、廢物處理與回用和水循環(huán)與管理。4人180天集成試驗將全面開展系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)控制與管理技術、物質(zhì)流調(diào)控、大氣環(huán)境調(diào)控等總體技術，植物培育與食品生產(chǎn)技術，環(huán)境監(jiān)測與控制技術，廢水（物）循環(huán)與再利用技術以及乘員生理、心理及工效等方面的系統(tǒng)研究。 

（一）總體物質(zhì)流調(diào)控——探索從物化再生過渡到生物再生的全流程構建模式

試驗包括“以物化再生單元為主份+生物再生單元為備份”的擬人階段（約60d）和“以生物再生單元為主份+物化再生單元為備份”的載人階段（180d） 。

u 兼顧物質(zhì)流動態(tài)平衡調(diào)控的植物、微生物及物化再生單元在功能、規(guī)模及空間布局等方面的受控生態(tài)生保系統(tǒng)設計與構建技術研究；

u 以實現(xiàn)物質(zhì)流動態(tài)平衡調(diào)控為目標的物化再生與生物再生生保技術的過渡銜接及協(xié)同匹配關系研究；

u 食品、氧、水等物質(zhì)閉合度、能效比與先進性評價；

u 物質(zhì)流量化模型構建與評價研究。

（二）植物培育與管理——掌握多品種多批次持續(xù)高效穩(wěn)定生產(chǎn)技術

兼顧營養(yǎng)和多樣性的植物品種，多批次共培養(yǎng)持續(xù)高效生產(chǎn)。

u 基于物質(zhì)流平衡調(diào)控的植物品種、面積和批次共培養(yǎng)的匹配性設計方法研究；

u 以高效生產(chǎn)為目標的植物生長生理、營養(yǎng)供應、連作障礙機制及調(diào)控方法以及病蟲害發(fā)生規(guī)律、機理及防治方法研究。

（三）廢物處理與循環(huán)利用——基于物質(zhì)流平衡的生化處理與物化處理整合技術

u 廢物管理及循環(huán)利用模式；

u 生物處理與物化處理相結(jié)合的處理方法

u 廢物處理工藝優(yōu)化

u 尾氣排放控制

u 生物安全控制

（四）水循環(huán)與管理——基于乘員及植物需求的生化處理與物化處理整合技術

u 膜分離與微生物組合處理水質(zhì)凈化及礦物質(zhì)回用技術

u 基于水循環(huán)的冷凝水管理模式

u 微生物處理技術與物化處理技術相結(jié)合的水循環(huán)模式

u 廢水回用安全控制與管理

（五）大氣再生與管理——系統(tǒng)優(yōu)化匹配的再生模式及大氣環(huán)境控制技術

u 艙內(nèi)大氣流場及溫濕度場分布特性研究；

u 大氣微生物與微量有害氣體衍生特性研究；

u 受控生態(tài)體系中大氣二氧化碳去除與產(chǎn)氧的生物學匹配關系研究；

u 植物生長過程氣體釋放規(guī)律及其對大氣環(huán)境的影響研究。

（六）醫(yī)工融合——“人與環(huán)境”科學研究、醫(yī)學（國際）科學項目

u “表觀遺傳學”為核心的多維分子組學研究；

u 心血管結(jié)構功能研究；

u 生物節(jié)律與睡眠研究；

u 傳統(tǒng)醫(yī)學干預研究。

四、項目意義與愿景

面向載人航天工程等國家任務戰(zhàn)略需求，綠航星際4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗將解決制約我國星際飛行、深空探測任務中的生保物資持續(xù)供應、降低后勤保障成本的技術難題，確保航天員的身心健康，為地外生保系統(tǒng)的設計和研制提供先進理論與技術，為未來長期載人航天和地外星球定居與開發(fā)提供生命支持。通過該試驗，我們能夠認識長期密閉環(huán)境中人的生理與代謝系統(tǒng)響應特征，有助于發(fā)現(xiàn)未來月球基地、深空探測及火星基地等中長期載人航天任務中人體自身潛在可能發(fā)生的關鍵性生物醫(yī)學問題，提出敏感性監(jiān)測指標體系、建立特征規(guī)律與預測模型以及有效的干預與防護手段與方法。同時，也為解決我國當前發(fā)展過程中面臨的資源枯竭和環(huán)境污染、極端環(huán)境中人的生存等問題提供技術解決方案，對發(fā)展我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和促進低碳循環(huán)經(jīng)濟具有積極的推動作用。 

試驗的展開有利于推動深圳市航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動我國環(huán)控生保技術和航天醫(yī)學研究的深度發(fā)展，擴大對外國際交流和合作，有利于提升深圳市國際影響力；建設支持月球基地、火星旅行等星際探索的受控生態(tài)生保系統(tǒng)、乘

員健康支持系統(tǒng)測試驗證功能，建成國際一流的大型受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)集成開放試驗平臺，成為匯聚國內(nèi)外智力資源、開展受控生態(tài)生保系統(tǒng)技術研究的國際合作基地。

“服務航天事業(yè)，造福社會民生”是深圳市綠航星際太空科技研究院的神圣使命，研究院將瞄準未來航天技術發(fā)展，推進載人航天技術在民生領域的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)航天科技和民用技術充分融合發(fā)展；建立天地聯(lián)通、輻射全球的航天科普基地、主題創(chuàng)客空間，積極致力于推動深圳市航空航天和生命健康新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。