生物再生生命保障地基實驗系統(tǒng)氣密性評價

胡大偉，付玉明, 杜小杰，張金暉，劉　紅

(北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院環(huán)境生物學(xué)與生命保障技術(shù)研究所，北京 100191)

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生物再生生命保障地基實驗系統(tǒng)氣密性評價

胡大偉，付玉明, 杜小杰，張金暉，劉紅*

(北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院環(huán)境生物學(xué)與生命保障技術(shù)研究所，北京 100191)

摘要:針對直接影響生物再生生命保障系統(tǒng)地基實驗系統(tǒng)有人密閉系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的氣密性或泄露率問題，以月宮一號大型地基實驗系統(tǒng)為例，采用經(jīng)典氣體方程和系統(tǒng)動力學(xué)原理建立了影響其艙內(nèi)氣體動態(tài)的主要速率方程，并把泄露率作為其中的可調(diào)節(jié)參數(shù)，運(yùn)用Matlab/Simulink中的S函數(shù)建立氣體濃度對泄露率變化的瞬態(tài)響應(yīng)特征模型。通過數(shù)值仿真實驗研究，分析了在假設(shè)的不同泄露率下，月宮一號系統(tǒng)內(nèi)O2和CO2氣體濃度的動態(tài)變化規(guī)律。經(jīng)氣密性檢驗實驗測定，月宮一號系統(tǒng)的艙體實際泄漏率為0.043%·d-1, 仿真實驗表明在這樣的泄漏率下月宮一號系統(tǒng)的氣體濃度瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律接近完全密閉系統(tǒng)的水平。運(yùn)用隨機(jī)過程控制理論與方法對105天有人實驗期間的氣體穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析研究，證實了在月宮一號有人密閉實驗的過程中氣體濃度是保持高度穩(wěn)定的，說明月宮一號系統(tǒng)的氣密性保證了系統(tǒng)有人密閉實驗數(shù)據(jù)的可靠性。為后續(xù)類似的地基實驗系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)，可為我國再生生保系統(tǒng)的設(shè)計與建造提供相關(guān)的理論與方法支持。

關(guān)鍵詞:生物再生生命保障系統(tǒng)；泄露率；隨機(jī)過程；建模與仿真；月宮一號

1引言

生物再生生命保障系統(tǒng)(Bioregenerative life support system, BLSS)是人工陸生生態(tài)系統(tǒng)的微縮原型，它通過在封閉的環(huán)境中建立人工生物群落——包括植物、動物(包含人)、微生物和人工生態(tài)環(huán)境——包括光照、溫度、濕度和類土壤基質(zhì)等，模擬生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，在人的科學(xué)參與和調(diào)控下完成物質(zhì)循環(huán)、能量流動和信息傳遞，實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)的基本功能，為乘員提供基本的生命保障與精神慰籍，使他們能夠在高度逆境的環(huán)境(如外星基地、深空、深海、荒漠和極地等)中生存，并完成探測工作[1]。由于BLSS是一封閉系統(tǒng)，必須嚴(yán)格保持與外界環(huán)境無物質(zhì)交換(可有能量交換，不是孤立系統(tǒng))，因此在BLSS的建造過程中，氣密性是非常關(guān)鍵的設(shè)計指標(biāo)，因為系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)極易從系統(tǒng)的氣相逃逸到外部環(huán)境，或外部環(huán)境中的物質(zhì)主要從氣相進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，所以氣密性直接關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠與可持續(xù)性。目前世界各航天大國，如俄羅斯[2]、美國[3]、歐洲[4]和日本[5]等都對這一問題進(jìn)行了深入的研究。雖然目前各航天大國和組織對BLSS的氣密性非常關(guān)注，但是尚未建立科學(xué)有效的氣密性評價方法。

本研究以北京航空航天大學(xué)建立的多乘員長時間的BLSS地基實驗系統(tǒng)——月宮一號為研究對象，探索建立行之有效的方法對系統(tǒng)的氣密性進(jìn)行科學(xué)評價。本文從理論建模和過程統(tǒng)計分析兩個方面開展研究，采用氣體方程和系統(tǒng)動力學(xué)原理建立了影響月宮一號艙內(nèi)氣體(O2和CO2)動態(tài)的主要速率方程，并把泄露率作為其中的可調(diào)節(jié)參數(shù)，運(yùn)用Matlab/Simulink中的S函數(shù)建立氣體動態(tài)的仿真模型。運(yùn)用所建立的模型分析在假設(shè)的不同泄露率下(leakage rate)，月宮一號系統(tǒng)內(nèi)O2和CO2氣體濃度的瞬態(tài)變化規(guī)律，對月宮一號的氣密性進(jìn)行評價。同時在月宮一號105天有人實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用隨機(jī)過程的理論與方法對氣體濃度穩(wěn)態(tài)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，評價氣體濃度的穩(wěn)定性，從而驗證月宮一號系統(tǒng)的氣密性是否保障了系統(tǒng)有人密閉實驗的正常進(jìn)行，以及所獲得實驗數(shù)據(jù)的可靠性。本文所建立的方法和研究的結(jié)果對后續(xù)類似的地基實驗系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建提供重要的工作基礎(chǔ)，可為我國的BLSS設(shè)計與建造提供相關(guān)的理論與方法支持。

2材料與方法

2.1氣體方程和系統(tǒng)動力學(xué)建模

由于月宮一號在大約一個大氣壓(低壓)下運(yùn)行，因此其內(nèi)部的氣體可近似看作是理想氣體，其特性遵循氣體方程所決定的本構(gòu)關(guān)系。因此本研究可根據(jù)質(zhì)量守恒和氣體方程，運(yùn)用系統(tǒng)動力學(xué)原理[6-7]，對不同泄露率下月宮一號內(nèi)氣體的動態(tài)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。模型以氣體的濃度為狀態(tài)變量，泄露率為系統(tǒng)參數(shù)，建立影響狀態(tài)變量變化的速率方程，通過仿真實驗研究在不同泄露率下氣體濃度的瞬態(tài)變化，并預(yù)測月宮一號內(nèi)部氣體濃度對實際泄露率的瞬態(tài)響應(yīng)過程。

2.2數(shù)值仿真實驗

月宮一號閉合艙內(nèi)氣體變化動力學(xué)模型是非線性的，存在時變和突變等動力學(xué)特征，因此本研究運(yùn)用Matlab/Simulink中的S函數(shù)，在其6個例程(Routines)的基礎(chǔ)上，建立不同泄露率下氣體動態(tài)的仿真模型，通過仿真實驗精確地闡明在不同的泄露率下艙內(nèi)氣體的動態(tài)[8-10]，并與月宮一號閉合艙在實際泄露率下氣體的動態(tài)進(jìn)行比較，以評價實際泄露率對系統(tǒng)的可能影響程度。

2.3過程控制理論與方法

在實際月宮一號105天有人實驗中，艙體的泄露率是一定的，加上其他因素的擾動，因此可以把系統(tǒng)經(jīng)過瞬態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定之后的O2和CO2濃度變化看作是一個平穩(wěn)隨機(jī)過程，通過過程控制的理論與方法，確定O2和CO2濃度隨機(jī)變化過程的相關(guān)統(tǒng)計特征，并運(yùn)用Matlab/Statistics Toolbox做出隨機(jī)過程的控制圖，如指數(shù)加權(quán)移動平均(Exponentially Weighted Moving Average, EWMA)圖、過程概率密度圖、隨機(jī)過程的自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)圖等，以證明月宮一號艙體具有高度的氣密性，其微小的實際泄露率不會對系統(tǒng)運(yùn)行實驗產(chǎn)生顯著的不利影響。

3結(jié)果與討論

3.1建模的假設(shè)與實驗數(shù)據(jù)

月宮一號艙內(nèi)氣體濃度對泄露率變化的瞬態(tài)響應(yīng)模型是在以下機(jī)理、假設(shè)和實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的，分別論述如下：

1) 研究在不同泄露率下月宮一號艙內(nèi)O2和CO2濃度的動態(tài)時，可以假定月宮一號內(nèi)部是一個空艙——因為泄露率是月宮一號艙本身的屬性，與設(shè)計建造工藝有關(guān)，而與其內(nèi)部的生物群落無關(guān)。本研究在系統(tǒng)啟動前未引入生物部件時，以及在105天密閉試驗結(jié)束清理所有生物部件后，通過氣瓶通入一定數(shù)量的CO2至密閉系統(tǒng)內(nèi)，使得系統(tǒng)內(nèi)部CO2遠(yuǎn)高于外部環(huán)境，通過連續(xù)7天監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度、溫度、相對濕度與氣壓變化，計算得出月宮一號艙的氣體泄漏率為0.04%·d-1，接近俄羅斯的生命保障系統(tǒng)BIOS-3的泄露(0.027%·d-1)[11]，低于美國受控生態(tài)生命保障系統(tǒng)Laboratory Biosphere的泄露率(0.5%～1%·d-1)[12]。

2) 由于月宮一號艙內(nèi)的空氣(包括N2、水蒸氣、CO2和O2等)是低壓氣體，因此可以看作是理想氣體，且不存在相變和化學(xué)反應(yīng)，因此O2和CO2濃度動態(tài)可以看作是純PVT過程，它們的體積是個廣度量，具有可疊加性。根據(jù)阿馬伽分體積定律(Amagat’s law)，月宮一號艙內(nèi)氣體混合物的體積具有可加性，即在相同溫度和壓力下，混合氣體的總體積等于各組分體積之和。同時由于月宮一號內(nèi)運(yùn)行溫控、濕控等設(shè)備，空氣流速相對較快，因此在對流和擴(kuò)散作用下，可以認(rèn)為O2和CO2濃度在艙內(nèi)各位置是處處相同的，它們的動態(tài)只與時間有關(guān)，而與空間位置無關(guān)。

3) 研究在不同泄露率下艙內(nèi)O2和CO2濃度的動態(tài)時，并不同時考慮人消耗O2和產(chǎn)生CO2之間的關(guān)系，認(rèn)為人消耗O2或產(chǎn)生CO2是兩個相互獨立的過程，實驗開始時艙內(nèi)、外O2和CO2濃度相等。

4) 泄露率是艙內(nèi)外氣體壓力差的函數(shù)，而艙內(nèi)壓力又和艙內(nèi)氣體總體積有關(guān)，因此從嚴(yán)格意義上說泄露率是個時變參數(shù)，但在本研究中可以認(rèn)為單位時間泄露進(jìn)入(出去)的空氣體積只占艙內(nèi)總體積的一小部分，因此為了簡化計算，可以認(rèn)為它是個定值，不會對計算精度造成顯著影響。

5) 在105天的有人實驗過程中，乘員在一天內(nèi)的活動分為2個部分，每天9：00—22：00，乘員處于工作狀態(tài)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，此時乘員消耗O2速率約為 61.9 L·h-1，產(chǎn)生CO2速率約為61.1 L·h-1；而每天22：00—9：00 (翌日)，乘員處于休息狀態(tài)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，此時乘員消耗O2速率約為 42.3 L·h-1，產(chǎn)生CO2速率約為41.7 L·h-1。由于月宮一號艙內(nèi)的總體積為V=3·105L，因此在實驗開始時，與周圍空氣一樣，O2和CO2體積分別占總體積的21%和0.03%，那么它們的初始體積分別是O2：Vo=0.21 V，CO2：Vc=3·10-4V，由于人的呼吸作用導(dǎo)致O2的濃度逐漸下降，而CO2的濃度逐漸上升。

3.2在假設(shè)的不同泄露率下，“月宮一號”艙內(nèi)O2和CO2的動態(tài)

假設(shè)目前月宮一號艙內(nèi)O2體積為Vx，那么這時艙內(nèi)混合氣體的總體積是V-(Vo-Vx)，其中Vo-Vx是被人已經(jīng)呼吸消耗掉的O2體積，因為艙外空氣中O2體積百分比仍是21%，那么單位時間(h)從外界泄露進(jìn)來的O2體積，也就是從外界環(huán)境進(jìn)入艙內(nèi)的空氣速率滿足式(1)：

(1)

式中：r為泄露率，定義為單位時間(d)內(nèi)泄露進(jìn)(出) 月宮一號艙的空氣體積占艙內(nèi)空氣總體積的百分比(%·d-1)，假設(shè)在本研究中泄露率分別取0(表示100%無泄露)、0.042(實際泄露率)、0.2、0.6、0.8、1、1.3、1.5、1.8、2和2.2。那么艙內(nèi)O2體積(Vx)的動態(tài)變化模型如式(2)：

(2)

聯(lián)立式(1)和(2)可得式(3)：

(3)

在每天9：00—22：00乘員處于工作狀態(tài)時，式(3)中vmo取61.9 L·h-1，而在每天22：00—9：00(翌日)乘員處于休息狀態(tài)時取42.3 L·h-1。

通過對公式(3)的數(shù)值求解，可以得到月宮艙內(nèi)O2體積百分比δ1的時間動態(tài)如式(4)：

(4)

基于動力學(xué)模型(1)～(4)，在Matlab/Simulink平臺上，利用S函數(shù)建立O2濃度變化的仿真模型，通過計算仿真實驗，獲得了在假設(shè)的不同泄露率下，105天月宮一號系統(tǒng)艙內(nèi)O2濃度(δ1)的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律(圖1)。

圖1　在假設(shè)的不同泄露率下，“月宮一號”艙內(nèi)O2的動態(tài)Fig.1　O2 dynamic characteristics in Lunar Palace 1 under different supposed gas leakage rates

與月宮一號艙內(nèi)O2濃度的建模和仿真過程類似，同樣假設(shè)當(dāng)前艙內(nèi)CO2體積為Vy，那么這時艙內(nèi)混合氣體的總體積是：V+(Vy-Vc)，其中Vy-Vc是過程中人呼吸產(chǎn)生的CO2體積，Vc是艙內(nèi)CO2的初始體積，雖然由于物理隔絕導(dǎo)致艙內(nèi)空氣的實際體積不會超過V，但由于是理想氣體，因此在建模過程中可以假設(shè)月宮艙的物理邊界是不存在的，它的體積始終等于V+(Vy-Vc)，因此當(dāng)前CO2所占的體積百分比是Vy/[V+ (Vy-Vc)]。因為艙內(nèi)的CO2濃度一定高于艙外，因此CO2總是逃逸到艙外的，那么單位時間(d)從艙內(nèi)隨著空氣泄露到外界的CO2體積速率如式(5)：

(5)

那么艙內(nèi)CO2體積(Vy)的動態(tài)變化模型如式(6)：

(6)

聯(lián)立式(5)和(6)可得式(7)：

(7)

與vmo類似，vmc在一天的9:00—22:00之間取61.06 L·h-1，而22:00—9:00(翌日)之間取41.7 L·h-1。

在研究CO2的濃度動態(tài)時，泄露率r分別假設(shè)為0(表示100%無泄露), 0.042(實際泄露率)，1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 40和50。因此可以得到月宮一號艙內(nèi)CO2濃度δ2如式(8)：

(8)

通過模型(5)～(8)的仿真實驗，獲得了在假設(shè)的不同泄露率下，105天月宮一號艙內(nèi)CO2濃度(δ2)的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律(圖2)。

圖2　在假設(shè)的不同泄露率下，“月宮一號”艙內(nèi)CO2的動態(tài)Fig 2　CO2 dynamic characteristics in Lunar Palace 1 under different supposed gas leakage rates

本研究采用擬合指數(shù)(index of agreement)法，計算月宮一號艙內(nèi)O2和CO2濃度在實際泄露率下(0.042%·d-1)的瞬態(tài)響應(yīng)(xi)與系統(tǒng)完全封閉時的瞬態(tài)響應(yīng)(yi)之間的符合程度，其計算公式如下：

(9)

3.3有人實驗期間氣體的穩(wěn)定性分析

為了進(jìn)一步說明月宮一號的微小泄露率不會顯著影響艙的封閉性，本研究選取月宮一號有人實驗的第81天直到實驗結(jié)束——共25天8168個氣體濃度實驗數(shù)據(jù)點對氣體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。由于該階段月宮一號處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，艙內(nèi)氣體的濃度波動可以認(rèn)為是由很多非常復(fù)雜的生物和非生物因素(包括泄露率)所造成的。根據(jù)中心極限定律，它們的濃度變化過程可以認(rèn)為是服從(或近似服從)正態(tài)分布的隨機(jī)過程。因此本研究采用統(tǒng)計過程控制的方法對氣體濃度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分析，以確定氣體濃度的平穩(wěn)性。同時計算氣體濃度數(shù)據(jù)點落在設(shè)定范圍之外的概率，如果此概率不大于0.05，說明在這段時間氣體濃度超過設(shè)定范圍的情況是個小概率事件，那么就可以說明氣體濃度在最后25天的變化過程是收斂的、穩(wěn)定的，泄露率等因素不會對實驗造成顯著影響。為了把氣體波動范圍控制得更加嚴(yán)格一些，更能說明數(shù)據(jù)的變化過程是穩(wěn)定的，本研究采用氣體濃度數(shù)據(jù)的均值±2.5×數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差作為控制的上限與下限，如果氣體濃度的變化都落在上、下限范圍內(nèi)，則說明月宮一號艙內(nèi)氣體的濃度是穩(wěn)定的[13-14]。

1) 運(yùn)用EWMA圖，檢驗氣體濃度變化過程的均值穩(wěn)定性。

由于氣體濃度在最后25天的波動變化過程是由于大量很復(fù)雜的原因?qū)е碌?，因此可以看作是隨機(jī)過程。首先計算O2和CO2氣體濃度的自相關(guān)函數(shù)(圖3)。

圖3　氣體濃度的自相關(guān)函數(shù)分析圖Fig.3　Autocorrelation function of time series of gases concentration

從圖3可以看出，2種氣體濃度在不同的時間間隔下的相關(guān)性很強(qiáng)，因此可以說明它們是有規(guī)律地波動的，而不是隨機(jī)無序變化的。因此在作2種氣體濃度數(shù)據(jù)的EWMA時(圖4)，取了較大的權(quán)重(0.8)。

圖4　實驗的最后25天，2種氣體數(shù)據(jù)的EWMA圖Fig.4　EWMA chart of 2 gases within the last 25 days, where red line and green line represent mean and ±2.5×standard deviation, respectively

經(jīng)計算，無論CO2還是O2濃度，落在均值±2.5×標(biāo)準(zhǔn)差范圍之外數(shù)據(jù)點數(shù)目都小于總數(shù)的3‰，因此它們的波動變化過程是穩(wěn)定的，可以認(rèn)為“月宮一號”艙的泄露率沒有對系統(tǒng)實驗運(yùn)行過程造成顯著性的影響。

2) 過程性能指數(shù)

經(jīng)計算，O2和CO2濃度的數(shù)據(jù)落在均值±2.5×標(biāo)準(zhǔn)差范圍之外的可能性都是0.012，小于0.05。所以最后的25天氣體濃度是不會發(fā)散的，一定是收斂于某個值或某個范圍。因此，可以得到實驗的最后25天氣體濃度數(shù)據(jù)變化的過程概率圖(圖5)，黃色區(qū)域的面積是氣體濃度數(shù)據(jù)落在均值±2.5×標(biāo)準(zhǔn)差范圍之內(nèi)的概率(符合t分布)等于1-0.012=0.988。同樣可以證明這2種氣體濃度的變化過程是穩(wěn)定的，月宮一號艙體的泄露率沒有對實驗造成顯著性的影響。

圖5　實驗的最后25天，氣體濃度數(shù)據(jù)變化的過程概率圖(t分布)Fig.5　Process capability chart of O2 and CO2 concentration within the last 25 days (t-distribution)

3) O2和CO2濃度波動過程的互相關(guān)函數(shù)

因為系統(tǒng)里的自養(yǎng)生物(如植物)消耗CO2釋放O2，而異養(yǎng)生物(如人和其他動物)消耗O2釋放CO2，當(dāng)氣體達(dá)到平衡時，自養(yǎng)生物的同化商應(yīng)該等于異養(yǎng)生物的呼吸商。如果月宮一號的艙體密閉良好，并且沒有其他非生物因素影響O2和CO2的變化，那么當(dāng)艙內(nèi)出現(xiàn)變化或擾動時，O2和CO2濃度必定呈相反方向波動，即它們的變化速率應(yīng)該是異號的，波動過程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。而當(dāng)艙體存在較大的泄露率時，艙內(nèi)氣體的動態(tài)會違反這樣的規(guī)律。本研究在月宮一號有人實驗的最后25天實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計算了O2和CO2濃度波動過程的互相關(guān)函數(shù)，計算公式為式(10)：

(10)

其中x和y分別為O2和CO2在l時刻濃度與在l+1時刻濃度的差分，k為距離l的延遲時間長度，n為樣本的容量。從圖6可以看出，O2和CO2的濃度在各個時間點上的波動均呈負(fù)相關(guān)，可以認(rèn)為O2和CO2濃度隨時間呈相反方向波動，因此證明了月宮一號艙體的實際泄露率不會對氣體的平衡實驗結(jié)果造成顯著的影響。

圖6　實驗的最后25天，O2和CO2的濃度波動的互相關(guān)函數(shù)Fig.6　Cross correlation function of time series of O2 and CO2 concentration within the last 25 days

3.4討論

今后在BLSS的空間應(yīng)用中，它的氣密性直接危及系統(tǒng)的安全與可靠性。而在地基實驗中，如果氣密性較小，那么將會嚴(yán)重降低實驗結(jié)果的可信度，無法有效測定與評價人工環(huán)境因子和乘員的操作對系統(tǒng)中生物群落的生態(tài)作用。同樣，在氣體高泄露率下獲得的實驗機(jī)理和數(shù)據(jù)是嚴(yán)重失真的，將會大大影響理論模型的有效性和精確度，無法利用它們來對BLSS進(jìn)行進(jìn)一步的理論設(shè)計、分析、綜合、控制和優(yōu)化等研究。而本文所建立的BLSS氣密性評價方法包括理論模型和統(tǒng)計分析兩個方面，并以北航所建立的BLSS地基實驗系統(tǒng)——月宮一號為例，運(yùn)用該評價方法對系統(tǒng)105天有人實驗過程的氣密性進(jìn)行了評價，確證了“月宮一號”艙體的實際泄露率導(dǎo)致的氣體瞬態(tài)響應(yīng)與完全封閉系統(tǒng)內(nèi)的氣體瞬態(tài)響應(yīng)相符(圖1、圖2)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時艙內(nèi)O2和CO2濃度一直在很小的范圍內(nèi)隨機(jī)波動(圖3～圖5)，且波動方向相反(圖6)，這些分析結(jié)果都確證了月宮一號具有良好的氣密性，它的實際泄露率不會對系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)實驗結(jié)果造成顯著影響。

在今后的研究中，將會對該方法進(jìn)行改進(jìn)，例如在本文的研究基礎(chǔ)上，把泄露率視作時變參數(shù)，將O2和CO2濃度這兩個隨機(jī)過程耦合起來，建立以泄露率為重要參數(shù)的能夠闡明它們波動動力學(xué)機(jī)制的隨機(jī)微分方程模型，通過Monte Carlo仿真實驗等方法更加精確地評價BLSS的氣密性指標(biāo)。

4結(jié)論

本研究通過綜合利用經(jīng)典氣體方程、系統(tǒng)動力學(xué)和隨機(jī)過程原理建立的BLSS氣密性評價方法，可以很好地從氣體濃度的瞬態(tài)變化和穩(wěn)態(tài)變化兩個方面評價月宮一號的氣密性，評價結(jié)果表明月宮一號艙體實際的泄露率不會對系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)實驗結(jié)果造成顯著影響。本文所建立的BLSS氣密性評價方法為我國后續(xù)類似的BLSS地基實驗系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建奠定了重要的工作基礎(chǔ)，并提供了相關(guān)的理論與方法支持。

參考文獻(xiàn)(References)

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Evaluation on Gas Tightness of Ground-based Experimental Bioregenerative Life Support System

HU Dawei, FU Yuming, DU Xiaojie, ZHANG Jinhui, LIU Hong*

(Institute of Environmental Biology and Life Support Technology, School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Abstract:The gas tightness or leakage rate is an important technical parameter for the ground-based experimental Bioregenerative Life Support System(BLSS), because it directly determines the closure degree of the system and the accuracy of data from human-rated experiments. In this research, the mechanism of gas (O2 and CO2) transient response to leakage rates in Lunar Palace 1, a prototype of BLSS in China, was investigated with mathematical model developed by gas equation, experimental data and system dynamics, simulation model established by S-function on the platform of Matlab/Simulink, and theory of stochastic process. The gas tightness tests showed that the actual leakage rate of the Lunar Palace 1 cabin was 0.043%·d-1which was almost a completely closed level via simulation and calculation. The gas steady-state response characteristics were also analyzed elaborately by stochastic process method to verify that the gas concentrations were robustly stable during the 105-day human-rated experiment in the Lunar Palace 1, and the actual leakage rate of cabin did not adversely affect experimental results, namely the gas tightness ensured the accuracy and reliability of data obtained from the human-rated experiment. This research may provide a theoretical and methodological basis for the design and building of BLSS in China.

Key words:bioregenerative life support system; leakage rate; stochastic process; modeling and simulation; Lunar Palace 1

收稿日期：2015-09-10；修回日期：2016-03-18

基金項目:載人航天預(yù)先研究項目(040201)

作者簡介：胡大偉(1975-)，男，博士，講師，研究方向為生物再生生命保障系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和計算機(jī)仿真實驗。E-mail：hudawei@buaa.edu.cn*通訊作者：劉紅(1964-)，女，博士，教授，研究方向為環(huán)境生物學(xué)與生命保障技術(shù)。E-mail：lh64@buaa.edu.cn

中圖分類號：V19

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-5825(2016)03-0399-07