生命保障從深空到深海

董琛

從深空到深海，中國(guó)力量正在立體地重塑世界科技格局。

全世界正在掀起新一輪深空探測(cè)熱潮，

進(jìn)行載人深空探測(cè)，并建立永久性月球、火星基地，

首先必須建立與之相適應(yīng)的空間生命保障系統(tǒng)和技術(shù)。

空間生命保障是在太空環(huán)境中為航天員提供維持生命必需的

物質(zhì)和各類生活支持設(shè)施，

解決在太空飛行條件下，航天員飲水、

進(jìn)食和處理個(gè)人衛(wèi)生所遇到的特殊困難，保證人的正常生理活動(dòng)的技術(shù)。

總體來(lái)說(shuō)，空間生命保障技術(shù)分為三類：

非再生式生命保障技術(shù)，物理/化學(xué)再生式生命保障技術(shù)，

生物再生式生命保障技術(shù)。

這三類空間生命保障技術(shù)，具體采用哪一類生命保障技術(shù)，

與飛行任務(wù)的具體要求、任務(wù)時(shí)間、離地球距離、乘員組人數(shù)、

技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)條件等密切相關(guān)，

需要在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析的基礎(chǔ)上做出決定。

深空探測(cè)的生命保障技術(shù)

現(xiàn)今國(guó)際主要使用的航天器內(nèi)生命保障系統(tǒng)基本都采用了物理/化學(xué)再生式生命保障技術(shù)，它是維持載人航天器密閉艙內(nèi)大氣環(huán)境組成穩(wěn)定，保障航天員安全、生活和工作的綜合設(shè)備系統(tǒng)。

一般一個(gè)太空乘員每天需要消耗總重約5公斤的氧氣、水和食物。與此同時(shí)，他將排泄出多種代謝終產(chǎn)物。每次飛行任務(wù)都需要按照消耗狀況安排儲(chǔ)備。另外，必要廢物的數(shù)量和種類會(huì)根據(jù)任務(wù)持續(xù)時(shí)間而不同，如果任務(wù)時(shí)間超過(guò)一周，就要考慮毛發(fā)、指甲、皮膚碎屑和其他生理廢物。太空中的其他環(huán)境因素，比如輻射、重力、噪音、震動(dòng)和照明，盡管不像代謝參數(shù)變化對(duì)人產(chǎn)生反應(yīng)那樣迅速，也都會(huì)影響人的生理反應(yīng)。

當(dāng)今仍在軌運(yùn)行的國(guó)際空間站（International Space Station，ISS，美國(guó)、俄羅斯等十多個(gè)國(guó)家一起參與運(yùn)行）是一個(gè)在近地軌道上運(yùn)行的科研設(shè)施。環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)是空間站各系統(tǒng)中較為復(fù)雜的一個(gè)，系統(tǒng)方案的選擇是否合理、正確，將直接影響到別的系統(tǒng)和整個(gè)空間站的功耗、成本和質(zhì)量，也將影響到地面后勤保障系統(tǒng)的補(bǔ)給周期和補(bǔ)給量。

現(xiàn)行國(guó)際空間站是半密閉式系統(tǒng)，使水和氧氣形成閉合回路，系統(tǒng)無(wú)需補(bǔ)給這些消耗性物質(zhì)，僅對(duì)航天員供應(yīng)含水食物和補(bǔ)給艙體泄漏損失所消耗的氣體，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要解決艙內(nèi)大氣的再生和廢水的回收處理。氣體的再生技術(shù)是將空間站內(nèi)航天員代謝產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行收集和濃縮，供給“薩巴蒂爾反應(yīng)系統(tǒng)”進(jìn)行加氫還原成水，水再供給電解系統(tǒng)進(jìn)行電解產(chǎn)氧；廢水的回收處理技術(shù)是將空間站內(nèi)大氣中的冷凝水、航天員生活用水和生理廢水進(jìn)行回收處理，電解水產(chǎn)生的氧氣供給航天員呼吸消耗，產(chǎn)生的氫氣可供給“薩巴蒂爾反應(yīng)系統(tǒng)”進(jìn)行還原反應(yīng)。

值得一提的是，“生物再生式生命保障技術(shù)”是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的閉環(huán)回路生命保障技術(shù)，是未來(lái)月球、火星基地等載人深空探測(cè)所需的技術(shù)之一，且由于其難度和復(fù)雜性高而優(yōu)先級(jí)最高?！敖ǔ删哂凶灾髦R(shí)產(chǎn)權(quán)的生物再生式生命保障系統(tǒng)，解決建立月球基地生態(tài)環(huán)境中的關(guān)鍵性理論與技術(shù)問(wèn)題，為建立火星長(zhǎng)期居住基地解決生態(tài)生命保障問(wèn)題”是我國(guó)空間科技發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)之一。

生物再生式生命保障技術(shù)實(shí)際上是一套整合的系統(tǒng)，是基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建由植物、動(dòng)物、微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)。水和食物這些人類生活所必需的物質(zhì)可在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態(tài)環(huán)境。人進(jìn)入這個(gè)人工生態(tài)系統(tǒng)中，成為生態(tài)系統(tǒng)的消費(fèi)者鏈環(huán)同時(shí)發(fā)揮控制者的功能，構(gòu)成閉合人工生態(tài)系統(tǒng)。

我國(guó)從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始進(jìn)行生物再生式生命保障技術(shù)方面的探索性研究，以北京航空航天大學(xué)為代表的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)在有關(guān)的國(guó)際調(diào)研分析和關(guān)鍵單元技術(shù)的研究上開(kāi)展了大量工作。2013年，北京航空航天大學(xué)建立了我國(guó)第一個(gè)、世界第三個(gè)空間基地生命保障地基綜合實(shí)驗(yàn)裝置“月宮一號(hào)”，并于2014年5月成功完成了首次長(zhǎng)期高閉合度集成實(shí)驗(yàn)，密閉實(shí)驗(yàn)持續(xù)了105天。2016年12月，中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心和深圳太空科技南方研究院主導(dǎo)，16個(gè)國(guó)內(nèi)外單位共同參與的“綠航星際”4人180天受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗(yàn)（“太空180”大科學(xué)試驗(yàn)）圓滿完成，深化了中國(guó)對(duì)于第三代航天環(huán)控生保系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)?！霸聦m一號(hào)”和“太空180”大科學(xué)試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著中國(guó)航天的深空生命保障技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始處于國(guó)際領(lǐng)先水平了。

未來(lái)的深?？臻g站

浩瀚無(wú)垠的天空和深不見(jiàn)底的大海，人類到底對(duì)哪一個(gè)了解更少呢？估計(jì)答案會(huì)出乎很多人的意料，其實(shí)我們對(duì)海洋遠(yuǎn)比不上對(duì)太空的了解。

深?？臻g站代表了海洋領(lǐng)域的前沿核心技術(shù)，人類在太空建立的空間站始于1971年，前蘇聯(lián)成功發(fā)射升空的“禮炮一號(hào)”，它是人類歷史上首個(gè)空間站，現(xiàn)行的國(guó)際空間站是人類歷史上第9個(gè)載人的空間站。深?？臻g站屬于深海（目前定義為500米）裝備的范疇，深海裝備由于要適應(yīng)其所處的深海復(fù)雜、嚴(yán)酷環(huán)境，在技術(shù)發(fā)展上與其他海洋裝備相比有許多特異之處。軍、民用深海裝備在技術(shù)發(fā)展上各有側(cè)重，同時(shí)，許多深海裝備技術(shù)呈現(xiàn)出良好的軍、民共用性。近年來(lái)，軍、民用領(lǐng)域?qū)ι詈Ｑb備技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求以及深海裝備技術(shù)良好的軍、民共用性，極大地促進(jìn)了深海裝備技術(shù)的發(fā)展，使深海裝備技術(shù)成為當(dāng)前及未來(lái)較長(zhǎng)一段時(shí)期非常值得關(guān)注的前沿技術(shù)領(lǐng)域。目前幾個(gè)大國(guó)都在研究，這是國(guó)家科技發(fā)展水平、生產(chǎn)力水平的重要標(biāo)志。

以美國(guó)為例，其深海空間站計(jì)劃源自康涅狄格州的國(guó)家水下研究中心，目前正在醞釀世界上第一個(gè)深海生活/工作實(shí)驗(yàn)室——海洋大氣海底綜合研究基地。該海洋基地計(jì)劃成為世界上第一個(gè)深海研究設(shè)備，它將處于水下139.7米的大陸架上，占地2580平方米。結(jié)構(gòu)上分為三部分：水上的上層建筑部分、中部和海底基地，通過(guò)一個(gè)水密的柱式電梯往返實(shí)驗(yàn)室和居室之間。海底居住地將有一個(gè)高壓艙室，壓力等于外部水壓，這樣人員在返回住處時(shí)就不需要重新調(diào)整壓差了。此外，在2000年，俄羅斯發(fā)布了本國(guó)深?？臻g站的民用建設(shè)計(jì)劃，但其針對(duì)性比較單一，主要針對(duì)于北冰洋的石油開(kāi)采。

“蛟龍”多次下水探海的成功，標(biāo)志著中國(guó)是繼美、法、俄、日后，第五個(gè)掌握大深度載人深潛技術(shù)的國(guó)家。發(fā)展深?？臻g站是各個(gè)國(guó)家都想投入巨資研究的，美國(guó)和前蘇聯(lián)在上個(gè)世紀(jì)就積極展開(kāi)類似研究，不過(guò)當(dāng)時(shí)的目的可不是為了和平利用海洋，而是如打撈核潛艇的殘骸等不想讓別人知道的東西。深?？臻g站的難度絕不亞于太空空間站。比如，航天員可以借助航天服從太空空間站自由出入，而如何從海底空間站自由進(jìn)出，就是一個(gè)棘手的問(wèn)題。幾千米深的地方壓力非常大，可能有幾百個(gè)大氣壓，海底空間站可以建成球形或者橢球形承壓，但是空間站的艙門(mén)要承受那么大的氣壓，無(wú)論從承壓和密閉性上來(lái)講，都很難達(dá)到。此外，要在水下長(zhǎng)期駐留，艙段的設(shè)計(jì)、材料選擇、通訊、動(dòng)力等各方面都存在著巨大的技術(shù)障礙，美國(guó)和蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)都花費(fèi)了上百億美金，相當(dāng)于現(xiàn)在的千億美金?？梢?jiàn)要研發(fā)這樣一種深海空間站，挑戰(zhàn)之大。

中國(guó)要建立自己的深?？臻g站，目標(biāo)是在2020年～2030年間，建成中國(guó)的250噸級(jí)的深?？臻g站，這一深海研究基地將會(huì)是我們未來(lái)深海潛航員們的家。在我們已經(jīng)完成了35噸級(jí)深海有人工作站和“蛟龍?zhí)枴?000米級(jí)水下探測(cè)器的研制后，現(xiàn)在要建設(shè)的250噸級(jí)別深?？臻g站將會(huì)保障30人在水下1000米的深度工作至少60天。地球70%的海洋深度都是在1000米～2000米范圍內(nèi)，這樣一種深海空間站基本滿足我們現(xiàn)有的要求。

責(zé)任編輯：張蕾磊