基于任務(wù)需求和ESM分析的受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件品種規(guī)劃

余青霓，唐永康，劉 昊，高 峰，艾為黨

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

基于任務(wù)需求和ESM分析的受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件品種規(guī)劃

余青霓，唐永康，劉 昊，高 峰，艾為黨

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京100094）

針對(duì)任務(wù)周期長(zhǎng)、距離遠(yuǎn)的長(zhǎng)期載人深空探測(cè)，長(zhǎng)期地外生存等任務(wù)要求建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)，通過(guò)合適的植物部件利用當(dāng)?shù)刭Y源進(jìn)行空間作物生產(chǎn)。利用等效系統(tǒng)質(zhì)量方法，比較了地球攜帶食物補(bǔ)給和受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件就地生產(chǎn)兩種補(bǔ)給模式的優(yōu)劣。從受控生態(tài)生保系統(tǒng)角度討論了主食、果蔬和蛋白質(zhì)-脂肪等食物需求與植物部件設(shè)計(jì)的關(guān)系，對(duì)1～2年任務(wù)周期的深空探測(cè)飛行任務(wù)首先應(yīng)配備小量蔬菜栽培裝置?？梢岳锰?yáng)光時(shí)，2年以上即可建立植物部件生產(chǎn)果蔬；15年以上方可生產(chǎn)糧食作物；而只能利用人工光源時(shí)，3.4年以上的深空探測(cè)任務(wù)才適合植物部件供應(yīng)新鮮果蔬，而主食則需要76年以上。油料作物的空間生產(chǎn)在目前技術(shù)條件下不具備應(yīng)用可行性。

任務(wù)需求；受控生態(tài)生保系統(tǒng)（CELSS）；等效系統(tǒng)質(zhì)量（ESM）；植物部件；補(bǔ)給

Abstract： For the long-duration and far-distance manned deep-space exploration missions， the longterm extraterrestrial survival requires the controlled ecological life support system（CELSS） planting the selected crops in the biological components.The advantages and disadvantages of the present two kinds of supply modes for life support materials including the earth supply and the local bioregeneration in biological components were compared by equivalent system mass analysis.The relations between the food requirements of the staple food，the vegetables and the protein-fat and the biological components in terms of controlled ecological life support system were discussed.A small vegetable planting prototype facility should be equipped for 1～2 years manned deep-space exploration missions.When sunlight can be utilized，the biological components would be built to produce vegetables for at least 2 years missions， grain crops would be planted for at least 15 years missions； and yet， when artificial light can be utilized， only more than 3.4 years manned deep-space exploration missions are suggested to produce vegetables by biological components，and more than 75 years for staple food.Oil crops are infeasible under current space technologies.

Key words：mission requirement； controlled ecological life support system（CELSS）； equivalent system mass（ESM）； biological components； supply

1 引言

在載人深空（如月球、小行星、火星及其衛(wèi)星）探測(cè)任務(wù)中，由于距離地球較遠(yuǎn)且任務(wù)周期很長(zhǎng)，在任務(wù)過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)給的運(yùn)輸成本將十分高昂。因此，生保物資（包括食物、氧氣和水等）的補(bǔ)給模式對(duì)任務(wù)的可實(shí)現(xiàn)性至關(guān)重要［1］。這就需要探討因地制宜就地利用資源，建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecological Life Support System，CELSS），利用植物部件進(jìn)行食物生產(chǎn)［1-2］，這是解決生保物資補(bǔ)給難題的根本出路。

由于航天任務(wù)的發(fā)射成本與發(fā)射質(zhì)量成比例，在先進(jìn)生保系統(tǒng)研究中，常用等效系統(tǒng)質(zhì)量（Equivalent System Mass， ESM）代替發(fā)射成本，以便進(jìn)行擇優(yōu)評(píng)估。ESM分析是生保系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)選擇時(shí)必不可少的環(huán)節(jié)，它把與乘員生命保障系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的體積（V）、能耗（P）、制冷（C）和乘員工作時(shí)間（CT）統(tǒng)一折算成質(zhì)量量綱進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)和比較［3］。

康奈爾大學(xué)的亨特等人即基于等效系統(tǒng)質(zhì)量分析了受控生態(tài)生保系統(tǒng)中不同飲食食譜設(shè)計(jì)的成本要素，詳細(xì)分析了各種飲食如豆腐蛋糕、土豆餅、紅辣椒湯等食物的等效系統(tǒng)質(zhì)量［4］。NASA約翰遜航天中心的貝爾等人則在動(dòng)態(tài)仿真和自動(dòng)決策工具中以等效系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足月球任務(wù)且系統(tǒng)質(zhì)量最低的生保系統(tǒng)方案［5］。普渡大學(xué)的研究人員進(jìn)一步以等效系統(tǒng)質(zhì)量最低為目的，結(jié)合食譜優(yōu)化和先進(jìn)作物規(guī)劃模型優(yōu)選受控生態(tài)生保系統(tǒng)作物種植方案［6］。NASA艾姆斯研究中心更是建立了先進(jìn)生保等效系統(tǒng)質(zhì)量指導(dǎo)文件，詳細(xì)論述了等效系統(tǒng)質(zhì)量的定義、計(jì)算方法和結(jié)果解釋?zhuān)瑸橄冗M(jìn)生保系統(tǒng)集成、建模和分析提供了詳盡的一手資料［3］。相比之下，國(guó)內(nèi)在此方面的研究尚少。限于補(bǔ)給成本和乘員可接受度，不同周期的載人深空探測(cè)任務(wù)要求受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件作物品種有所側(cè)重，這就要求優(yōu)化主食、果蔬和蛋白質(zhì)脂肪類(lèi)作物種植。然而就作者所知，目前的公開(kāi)文獻(xiàn)均側(cè)重從食物閉合度角度分析ESM，沒(méi)有考慮主食、果蔬等不同類(lèi)別食物種植、補(bǔ)給難度的差異。

本文在分析地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)兩種補(bǔ)給模式的生保物資特性的基礎(chǔ)上，對(duì)主食、果蔬和蛋白質(zhì)脂肪類(lèi)作物分別進(jìn)行等效質(zhì)量分析，提出一種基于任務(wù)周期的生保物資補(bǔ)給方案架構(gòu)，力圖為未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)中的生命保障系統(tǒng)提供最經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

2 生保物資補(bǔ)給需求

生保物資是指維持乘員最基本的生命保障所必需的一些物質(zhì)，包括食物、大氣（包括產(chǎn)氧、去除二氧化碳）和水等。對(duì)于典型的月球基地任務(wù)，乘員氧氣、二氧化碳、食物和飲用水的日代謝量如表1所示。

表1 標(biāo)稱(chēng)人體代謝接口值［7］Table 1 Nominal human metabolic interface values［7］

相比物理化學(xué)方式實(shí)現(xiàn)大氣、水再生而言，利用植物部件生產(chǎn)食物的同時(shí)還可再生大氣和水。然而，為簡(jiǎn)化分析，本文僅定性考慮植物部件再生大氣、水的影響，量化分析中重點(diǎn)考慮不同食物補(bǔ)給模式對(duì)等效質(zhì)量的影響。

食物補(bǔ)給在保證乘員能量需求的同時(shí)，還要搭配不同的營(yíng)養(yǎng)成分以保證膳食平衡。另外，還需提供礦物質(zhì)和微量元素約20 g、多種維生素400 mg［8］。在條件允許的情況下，還應(yīng)每日提供新鮮蔬菜，作為航天食譜的有益補(bǔ)充［9-11］。乘員每天對(duì)主食、果蔬和蛋白質(zhì)-脂肪的需求如表2所示。這就需要在受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件中種植不同類(lèi)型的作物以均衡滿(mǎn)足能量和營(yíng)養(yǎng)需求。

表2 居民推薦日常膳食結(jié)構(gòu)［12］Table 2 Reference intake dose of nutrients from diets［12］

3 補(bǔ)給模式

載人深空探測(cè)任務(wù)中的生保物資食品補(bǔ)給模式有地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)兩大類(lèi)。其中，地球攜帶又可進(jìn)一步細(xì)分為：脫水和即食［13］。

3.1 地球攜帶

地球攜帶模式指在地球進(jìn)行生保物資的生產(chǎn)加工和包裝，然后根據(jù)任務(wù)周期、乘員的數(shù)量和補(bǔ)給標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先制備，隨航天器攜帶。乘員只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的準(zhǔn)備（如加熱或復(fù)水）即可食用，產(chǎn)生的殘?jiān)桶b垃圾需要進(jìn)行處理。其中預(yù)包裝脫水方式可大幅降低運(yùn)輸重量，需復(fù)水后食用。預(yù)包裝即食方式方便食用，但運(yùn)輸重量大幅上升、保質(zhì)期縮短。在目前開(kāi)展的短期或中長(zhǎng)期載人航天任務(wù)中，均采用這兩種方式［13］。

3.2 CELSS植物部件生產(chǎn)

CELSS植物部件生產(chǎn)模式是指僅從地球攜帶作物種植所需少量資源，就地種植糧食、蔬菜，O2再生和CO2去除、水循環(huán)，乃至微量有害氣體去除等，乘員全程參與作物生產(chǎn)補(bǔ)給。該補(bǔ)給模式可為乘員提供植物、菌類(lèi)／藻類(lèi)等新鮮的食物，主要應(yīng)用于未來(lái)的長(zhǎng)期載人深空探測(cè)任務(wù)，目前還處在地面試驗(yàn)和飛行驗(yàn)證階段［14］。

作為密閉的人工生態(tài)系統(tǒng)，CELSS通過(guò)生物部件（植物、微生物等）功能，可持續(xù)循環(huán)再生乘員長(zhǎng)期太空駐留所需的生保物資，是提高載人深空探測(cè)任務(wù)長(zhǎng)期駐留、可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐［14］。與地球攜帶相比，CELSS植物部件進(jìn)行食物生產(chǎn)除了可以滿(mǎn)足乘員全面的能量、營(yíng)養(yǎng)、呼吸等生理需求外，也有前者不可比擬的色、香、味、形等優(yōu)點(diǎn)，可接受度更高。此外，還具有一定的心理調(diào)節(jié)作用，能調(diào)節(jié)載人深空探測(cè)任務(wù)中狹小、密閉、與家人分離的生活環(huán)境對(duì)乘員生理、心理的影響，避免因生保物資（如預(yù)包裝食品、尿處理水等）感官問(wèn)題導(dǎo)致的營(yíng)養(yǎng)攝入不足問(wèn)題損害乘員健康，最終影響任務(wù)實(shí)施［13］。CELSS植物部件的不利因素是需要建立較為龐大的生產(chǎn)設(shè)施，投入較多設(shè)備，乘員參與的勞動(dòng)強(qiáng)度也較大，只有當(dāng)任務(wù)周期足夠長(zhǎng)的時(shí)候才能體現(xiàn)出效益［8］。不同類(lèi)別的植物生產(chǎn)效益比不同，故應(yīng)針對(duì)不同任務(wù)周期構(gòu)建CELSS的植物部件體系及其規(guī)模，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生保系統(tǒng)的體系設(shè)計(jì)。

4 等效系統(tǒng)質(zhì)量方法

4.1 等效系統(tǒng)質(zhì)量

對(duì)于固定質(zhì)量的系統(tǒng)部件，可根據(jù)式（1）計(jì)算 ESM 值，其中Veq、Peq、Ceq和CTeq分別代表對(duì)應(yīng)參數(shù)換算成質(zhì)量時(shí)的等效因子，D代表任務(wù)周期，M包含系統(tǒng)初始重量和系統(tǒng)補(bǔ)給重量［15-16］。

對(duì)于載人深空探測(cè)任務(wù)，可以用典型的火星任務(wù)為參照進(jìn)行分析。即：600天火星任務(wù)、6人乘組下，分析不同補(bǔ)給模式的等效系統(tǒng)質(zhì)量［9］。

4.2 地球攜帶食物的ESM數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

質(zhì)量——不僅需要考慮補(bǔ)給物本身和包裝重量，用于運(yùn)輸?shù)奈镔Y儲(chǔ)柜質(zhì)量也要考慮。Levri等人研究了火星探測(cè)任務(wù)中的預(yù)包裝食物系統(tǒng)，分析表明，即使乘員努力將預(yù)包裝食物盡量吃干凈，實(shí)際上仍然會(huì)有浪費(fèi)，約為3%。另外，脫水食物的含水量仍有約3%［17］。我國(guó)航天食品的包裝、重量等規(guī)格如表3所示。

體積——綜合考慮食物本身及儲(chǔ)柜，具體取決于原材料密度、數(shù)量、加工和包裝形式。我國(guó)空間站任務(wù)中航天食品規(guī)格初步計(jì)算值如表3所示。

能耗、制冷——地球攜帶中指提供生保物資儲(chǔ)存所必需的溫度環(huán)境。火星任務(wù)以高級(jí)生保（ALS）技術(shù)為基準(zhǔn)，指保存單位質(zhì)量冷凍食物所需要的冷藏設(shè)備質(zhì)量、體積、能耗、熱能管理數(shù)據(jù)［9］。

乘員工作時(shí)間——預(yù)計(jì)未來(lái)可用無(wú)人貨運(yùn)飛船補(bǔ)給必需物資，因此乘員工作時(shí)間對(duì)地球攜帶補(bǔ)給模式的等效質(zhì)量的影響可以忽略。

表3 我國(guó)航天食品規(guī)格［13］Table 3 Chinese space food specifications［13］

4.3 作物生產(chǎn)ESM的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

質(zhì)量——指相關(guān)設(shè)備、植物、土壤基質(zhì)等。

體積——指保障作物生長(zhǎng)所必需的最小體積，可通過(guò)作物種植面積進(jìn)行換算。

能耗、制冷——指為植物提供光照、生長(zhǎng)溫度、通風(fēng)等適宜環(huán)境需要消耗的能量以及管理的熱量。

乘員工作時(shí)間——指乘員管理、收獲、加工作物所耗費(fèi)的時(shí)間。

本文CELSS植物部件作物生產(chǎn)等效系統(tǒng)質(zhì)量計(jì)算在BIO-Plex生物量生產(chǎn)室數(shù)據(jù)［18］的基礎(chǔ)上，結(jié)合綠航星際密閉生態(tài)循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)的最新成果進(jìn)行了優(yōu)化。主要優(yōu)化的數(shù)據(jù)為L(zhǎng)ED光源質(zhì)量、能耗和后勤補(bǔ)給量，同時(shí)增加了乘員操作空間占用的體積。具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 CELSS植物部件生產(chǎn)ESM數(shù)據(jù)［18］Table 4 CELSS biological component ESM per growing area［18］

4.4 作物品種及面積

4.4.1 主食、蛋白質(zhì)-脂肪

CELSS植物部件作物生產(chǎn)的ESM計(jì)算，與作物品種選擇密切相關(guān)。為篩選最佳可種植作物，滿(mǎn)足每天攝入能量物質(zhì)碳水化合物干重400 g、蛋白質(zhì)干重100 g、脂肪100 g的要求，以最小種植設(shè)備保障乘員能量營(yíng)養(yǎng)需求為目標(biāo)對(duì)作物進(jìn)行優(yōu)選。根據(jù)空間植物培養(yǎng)技術(shù)成熟度以及中國(guó)居民膳食指南［12］，主食選用小麥，蛋白質(zhì)-脂肪類(lèi)作物選擇花生和大豆。根據(jù)Wheeler等人對(duì)小麥、花生、大豆的營(yíng)養(yǎng)含量及單位面積產(chǎn)量的研究數(shù)據(jù)［14］，優(yōu)選后小麥、花生、大豆的種植面積分別為25.19 m2、35 m2、0。 顯然，只種植小麥和花生即可滿(mǎn)足乘員基本能量需求。

4.4.2 果蔬

本文植物部件作物品種選取生菜、西紅柿、胡蘿卜，原則是產(chǎn)量高、滿(mǎn)足不同營(yíng)養(yǎng)需求、來(lái)自植物不同部位，且可食比例高。根據(jù)中國(guó)居民平衡膳食的建議，人均每日需攝入新鮮蔬菜400 g，含水量約為90%。

若采用CELSS植物部件作物生產(chǎn)方式補(bǔ)給蔬菜，假設(shè)三種蔬菜作物的種植比例為1∶1∶1，則可根據(jù)作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)蔬菜補(bǔ)給進(jìn)行分析，得到三種果蔬作物所需種植面積各為1.19 m2，總 種植 面積 為 3.57 m2／CM（Crew Member）。

4.5 等效因子

參照火星任務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施成本數(shù)據(jù)［9］，食物儲(chǔ)備艙和植物生長(zhǎng)艙的等效因子如表5所示。

表5 基礎(chǔ)設(shè)施等效因子Table 5 Equivalent factor of fundamental facilities

體積成本——對(duì)于載人深空探測(cè)任務(wù)，如火星基地，由于火星自身環(huán)境能提供部分輻射屏蔽，因此其表面的植物部件可采用無(wú)屏蔽可充氣模塊，以便能有足夠的加壓空間保障植物部件中作物的正常生長(zhǎng)?？臻g環(huán)境中的儲(chǔ)備艙（運(yùn)輸）則需要一定的環(huán)境輻射防護(hù)功能，但不需要復(fù)雜的電子設(shè)備和能源管理設(shè)備。

能源成本——載人深空探測(cè)任務(wù)中電力系統(tǒng)選擇是個(gè)非常重要的問(wèn)題，通常航天器采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電（電池蓄電）與燃料電池相結(jié)合的方式提供電力，這對(duì)于深空探測(cè)載人航天器也是項(xiàng)可靠的選擇。然而，對(duì)于火星基地，火星沙塵等不利環(huán)境會(huì)影響太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，更大困難是太陽(yáng)能發(fā)電裝置可能遠(yuǎn)離火星赤道，導(dǎo)致發(fā)電效率低下?？稍偕剂想姵赜譄o(wú)法為龐大的火星基地提供足夠的電力，僅能作為基地入夜后的儲(chǔ)能裝置。因此，未來(lái)最為可行的能源補(bǔ)給方案是核能。

熱能管理成本——儲(chǔ)備艙熱能管理系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，只需提供合適的溫度即可。植物部件內(nèi)則需要根據(jù)植物生長(zhǎng)條件實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度，要求較高。

乘員工作時(shí)間成本——乘員工作時(shí)間對(duì)任何載人航天任務(wù)來(lái)說(shuō)都非常寶貴，其有效利用始終是核心要求。在CELSS植物部件中，作物生產(chǎn)及食物準(zhǔn)備可輕易消耗相當(dāng)大一部分乘員工作時(shí)間。

5 ESM分析

從4.3節(jié)作物生產(chǎn)ESM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以看出，光源是植物培養(yǎng)系統(tǒng)主要的能量和制冷量消耗設(shè)備。因此，當(dāng)以太陽(yáng)光保障植物所需的光照環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)能耗和制冷量將顯著降低。由數(shù)據(jù)還可看出，不同植物種類(lèi)所需的光源能耗不同，主食類(lèi)生產(chǎn)單位面積能耗最高，果蔬生產(chǎn)單位面積能耗最低［9］。

根據(jù)以上的數(shù)據(jù)說(shuō)明，按照主食、果蔬、蛋白質(zhì)-脂肪三類(lèi)分別對(duì)脫水地球攜帶、即食地球攜帶和CELSS植物部件作物生產(chǎn)三種不同的生保物資補(bǔ)給模式所對(duì)應(yīng)的等效質(zhì)量進(jìn)行綜合比較。其中，作物生產(chǎn)又分為人工光源和自然光源兩種。

5.1 主食-碳水化合物補(bǔ)給

采用脫水主食補(bǔ)給模式，則主食及包裝的質(zhì)量為437.48 g／d。采用即食主食補(bǔ)給模式，含水量取50%，則食物及包裝的質(zhì)量為848.72 g／d；采用CELSS植物部件作物生產(chǎn)時(shí)，提供400 g／d碳水化合物所需的小麥種植面積為25.19 m2。然后引用表5和表6數(shù)據(jù)進(jìn)行等效質(zhì)量的分析計(jì)算。

不同主食補(bǔ)給模式的平衡時(shí)間如圖1所示。從圖中可以看出，與由地球攜帶脫水主食相比，CELSS植物部件作物生產(chǎn)需要約76年才能達(dá)到等效質(zhì)量的平衡，此外每年還需要330 h的乘員工作時(shí)間，如果考慮設(shè)備維修、營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)給等因素，質(zhì)量平衡時(shí)間將會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)。如果能采用自然光源，CELSS植物部件作物生產(chǎn)主食與攜帶脫水主食相比的平衡時(shí)間縮短為15年。

表6 單名乘員不同主食補(bǔ)給模式ESM分析Table 6 ESM data for different staple supply per crew

圖1 主食ESM平衡圖Fig.1 ESM equilibrium diagram for staple food

鑒于主食以脫水方式補(bǔ)給的可接受度高，在中短期任務(wù)或沒(méi)有穩(wěn)定可靠的自然光源（如空間站）時(shí)，以受控生態(tài)生保系統(tǒng)植物部件作物生產(chǎn)進(jìn)行主食的補(bǔ)給并不經(jīng)濟(jì)，也難以達(dá)到質(zhì)量平衡。若計(jì)劃在月球或火星建立長(zhǎng)期和永久基地，建立CELSS植物部件進(jìn)行自然光源條件下的作物生產(chǎn)進(jìn)行食物補(bǔ)給更為經(jīng)濟(jì)可行。

5.2 果蔬補(bǔ)給

采用脫水果蔬地球攜帶補(bǔ)給模式提供全部果蔬，每天需干重45 g，計(jì)入包裝則為49.22 g；采用即食果蔬補(bǔ)給模式提供全部新鮮果蔬，則食物及包裝的質(zhì)量為477.84 g。考慮到脫水果蔬保存條件較為便利，可不考慮儲(chǔ)柜體積的影響。但新鮮果蔬必須在合適溫度下儲(chǔ)存，所以要考慮儲(chǔ)柜的影響。前者體積為 310.6 cm3／d，后者體積為1877.91 cm3／d。

從保障乘員生理、心理健康的角度考慮，適量的新鮮果蔬補(bǔ)給非常必要，但補(bǔ)給全部新鮮果蔬從保鮮和成本考慮難度非常大。此處提出按一定比例每天為乘員提供新鮮果蔬的補(bǔ)給方案，即1／3新鮮果蔬 +2／3脫水果蔬，新鮮果蔬分別來(lái)自CELSS植物部件作物生產(chǎn)和即食果蔬地球攜帶。

不同果蔬補(bǔ)給模式的質(zhì)量、體積、能耗、制冷和乘員工作時(shí)間需求如表7所示。

表7 不同果蔬補(bǔ)給模式ESM分析Table 7 ESM data for different vegetable supply

圖2為果蔬的ESM平衡圖，從圖中可以看出，CELSS植物部件作物生產(chǎn)果蔬補(bǔ)給模式的ESM較大，采用脫水果蔬補(bǔ)給模式效益較高，即使采用自然光源，平衡周期仍然長(zhǎng)達(dá)47年。

圖2 果蔬ESM平衡圖Fig.2 ESM equilibrium diagram for vegetables

然而，載人深空飛行任務(wù)中必須保障乘員適量的新鮮果蔬補(bǔ)給。這可以采用兩種折中方案，一種是脫水果蔬+新鮮果蔬補(bǔ)給模式，另一種是CELSS植物部件生產(chǎn)新鮮果蔬+脫水果蔬補(bǔ)給模式。從圖中可以看出，采用2／3地球攜帶脫水果蔬+1／3CELSS植物部件作物生產(chǎn)果蔬的組合方式質(zhì)量效益較高，只需大約4年即可與2／3地球攜帶脫水果蔬+1／3地球攜帶新鮮果蔬的組合方式達(dá)到質(zhì)量平衡。更為重要的是，果蔬類(lèi)的ESM普遍低一個(gè)量級(jí)，比如采用自然光源時(shí)初始ESM僅為528.9 kg／CM，遠(yuǎn)小于主食的3705.9 kg／CM。這意味著進(jìn)行CELSS植物部件果蔬生產(chǎn)的初始投入成本很低，非常適合初期種植生產(chǎn)。并且相比其他作物如小麥、大豆等，果蔬類(lèi)的作物如生菜、油菜和白菜等均具有生長(zhǎng)周期短、收獲指數(shù)高、乘員勞動(dòng)參與少等特點(diǎn)。這也是國(guó)際空間站和我國(guó)載人飛船、天宮實(shí)驗(yàn)室均首選生菜類(lèi)作物嘗試種植的原因。

5.3 蛋白質(zhì)-脂肪補(bǔ)給

為維持人體營(yíng)養(yǎng)均衡，乘員每天還需攝入一定量的蛋白質(zhì)和脂肪，均為100 g。采用脫水地球攜帶補(bǔ)給模式時(shí)，食物本身及包裝的質(zhì)量為218.74 g；采用即食蛋白質(zhì)-脂肪地球攜帶補(bǔ)給模式時(shí)，含水量以50%計(jì)，則食物本身及包裝的質(zhì)量為424.36 g；CELSS植物部件作物生產(chǎn)時(shí)，保障一位乘員蛋白質(zhì)-脂肪營(yíng)養(yǎng)需求所需的花生種植面積為35 m2。

蛋白質(zhì)-脂肪不同補(bǔ)給模式的質(zhì)量、體積、能耗、制冷和乘員工作時(shí)間需求如表8所示。

表8 不同蛋白質(zhì)-脂肪補(bǔ)給模式ESM分析Table 8 ESM data for different protein-fat supply

圖3為蛋白質(zhì)-脂肪的ESM平衡圖，由圖可見(jiàn)，以CELSS植物部件作物生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)-脂肪類(lèi)食物補(bǔ)給時(shí)，相比脫水蛋白質(zhì)-脂肪預(yù)包裝地球攜帶的補(bǔ)給方式，平衡周期幾乎不存在，從工程實(shí)現(xiàn)上看已無(wú)任何優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)橄嚓P(guān)作物的產(chǎn)量較低，種植成本高。因此利用CELSS植物部件作物生產(chǎn)提供能量時(shí)，應(yīng)盡量降低脂肪類(lèi)作物的比例。在CELSS中，只可少量種植用以調(diào)節(jié)食譜構(gòu)成，方能有效降低受控生態(tài)系統(tǒng)ESM。

圖3 蛋白質(zhì)-脂肪ESM平衡圖Fig.3 ESM equilibrium diagram for protein-fat

當(dāng)采用自然光源時(shí)，相對(duì)即食蛋白質(zhì)-脂肪預(yù)包裝地球攜帶的補(bǔ)給方式，ESM平衡周期從人工光源時(shí)的約104年，縮短至12年。這表明，對(duì)于永久性星球基地任務(wù)，在有自然光源的條件下實(shí)現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)提供新鮮蛋白質(zhì)-脂肪補(bǔ)給才具有一定可行性。

5.4 初始等效系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)化需求分析

對(duì)采用人工光源的CELSS植物部件作物生產(chǎn)主食補(bǔ)給的ESM構(gòu)成進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 CELSS植物部件初始等效質(zhì)量分布Fig.4 Initial ESM distributions of CELSS biological components crops

可以看出，系統(tǒng)本身質(zhì)量、能耗和制冷是引起體系等效質(zhì)量龐大的主要原因。結(jié)合表6中能耗和制冷項(xiàng)的等效因子數(shù)據(jù)，可以看出植物部件的Peq和Ceq仍然有很大降低空間。這表明，降低能耗和制冷項(xiàng)的部署成本對(duì)實(shí)現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)意義重大。為早日實(shí)現(xiàn)CELSS植物部件作物生產(chǎn)，需要通過(guò)以下關(guān)鍵技術(shù)大幅突破使得相應(yīng)的質(zhì)量成本得以降低：

1）高效作物培育技術(shù)，提升單位面積糧食產(chǎn)量，進(jìn)一步減少種植面積需求；

2）新型能源，將補(bǔ)給能源的代價(jià)從87 kg／kW降低到29 kg／kW；

3）新型光源提升電光轉(zhuǎn)化效率，減少能源和制冷需求；

4）采用新型高效控溫制冷技術(shù)，制冷所需的代價(jià)從160 kg／kW大幅降低到60 kg／kW；

5）研發(fā)新型結(jié)構(gòu)材料，培養(yǎng)裝置初始結(jié)構(gòu)從70 kg／m2減重至50 kg／m2以下。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)等效質(zhì)量、食物特性和乘員心理需求差異的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于超過(guò)360天、不足2年的深空探測(cè)飛行任務(wù)（不能實(shí)現(xiàn)中途補(bǔ)給，例如火星探測(cè)），首先應(yīng)配備小量蔬菜栽培裝置，重點(diǎn)是為了滿(mǎn)足對(duì)新鮮蔬菜的心理需求，主食、蛋白質(zhì)-脂肪類(lèi)食物仍以攜帶為主；

2）在可以利用太陽(yáng)光的載人深空探測(cè)任務(wù)中，周期達(dá)到2年以上即可建立CELSS植物部件作物生產(chǎn)的方式補(bǔ)給部分果蔬；任務(wù)周期需達(dá)15年以上方可生產(chǎn)糧食作物；

3）在只能利用人工光源的任務(wù)模式中，對(duì)于任務(wù)周期達(dá)到76年以上的深空飛行任務(wù)（如星球基地），才適合CELSS植物部件生產(chǎn)主食，因此不具備可行性；對(duì)于新鮮果蔬則需要達(dá)到3.4年以上；

4）油料作物的空間在軌生產(chǎn)在目前技術(shù)條件下根據(jù)ESM分析不具備應(yīng)用可行性。

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（責(zé)任編輯：龐迎春）

Crop Scheduling of Biological Components in Controlled Ecological Life Support System Based on Mission Requirements and ESM Analysis

YU Qingni， TANG Yongkang， LIU Hao，GAO Feng， AI Weidang
（China Astronaut Research and Training Center， Beijing 100094， China）

V444.3

A

1674-5825（2017）05-0589-08

2017-01-04；

2017-07-31

中國(guó)航天醫(yī)學(xué)工程預(yù)先研究項(xiàng)目（2013SY54A0304）

余青霓，女，博士，副研究員，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程。E-mail：yuqingni＠139.com