載人航天器密封艙微生物防控技術(shù)體系框架研究概述

伊 佳，魏傳鋒，張?zhí)m濤，曲 溪，白梵露

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

我國(guó)載人航天工程“三步走”已進(jìn)入空間站階段，其一大顯著特點(diǎn)就是支持連續(xù)不間斷載人駐留和試驗(yàn)。載人航天器密封艙是一個(gè)相對(duì)狹小的密閉空間，為保證航天員在艙內(nèi)能夠正常生活和工作，須提供100 kPa左右的總壓、21 kPa左右的氧分壓、23 ℃左右的溫度和30%～70%的相對(duì)濕度等環(huán)境條件。這些適宜人生活的條件，同時(shí)也是微生物生長(zhǎng)繁殖的有利條件[1]。這些微生物會(huì)附著在艙內(nèi)設(shè)備上，形成難去除的生物膜，在幾年內(nèi)腐蝕各類設(shè)備，使航天器整個(gè)平臺(tái)存在癱瘓風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短航天器的在軌使用壽命。從“和平號(hào)”空間站和國(guó)際空間站研制經(jīng)驗(yàn)看，均發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的微生物問(wèn)題[2-3]。

因此，我國(guó)必須深入開(kāi)展載人航天器空間微生物防控技術(shù)的研究。其中首要是開(kāi)展空間微生物防控體系研究的探索，從系統(tǒng)層面明確載人航天器空間微生物防控技術(shù)體系構(gòu)成和工作內(nèi)容，作為載人航天器空間微生物防控技術(shù)研究的參考。

1 載人航天器密封艙微生物防控技術(shù)體系主要研究?jī)?nèi)容

載人航天器空間微生物防控體系研究包括：空間微生物菌種庫(kù)的構(gòu)建，空間環(huán)境下微生物對(duì)材料的腐蝕機(jī)理研究，載人航天用材料篩選和評(píng)價(jià)，空間材料抗菌涂層研究，以及密封艙內(nèi)微生物控制技術(shù)等方面，如圖1所示。具體內(nèi)容如下：

圖1 載人航天器空間微生物防控技術(shù)體系研究?jī)?nèi)容Fig.1 Tree structures of space microbe control and protection system for manned spacecrafts

1）開(kāi)展空間微生物菌種的鑒定，建立載人航天器艙室內(nèi)微生物菌種庫(kù)，以用于開(kāi)展下一步的研究。完成總裝測(cè)試廠房微生物和在軌微生物鑒定和對(duì)比分析，確定我國(guó)載人航天器艙室中的優(yōu)勢(shì)微生物菌種。

2）在模擬空間環(huán)境下，利用在軌下行菌種和地面同源菌種同時(shí)進(jìn)行材料的腐蝕性試驗(yàn)，闡明微生物對(duì)航天材料的腐蝕規(guī)律和機(jī)理。

3）根據(jù)微生物對(duì)航天材料的腐蝕規(guī)律，開(kāi)展適合載人航天器艙室內(nèi)長(zhǎng)期使用的材料篩選和評(píng)價(jià)研究，構(gòu)建航天器艙內(nèi)材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）研究開(kāi)發(fā)針對(duì)于必須使用但耐腐蝕性不滿足要求的材料表面進(jìn)行抗菌涂層處理的方法和技術(shù)。

5）研究建立地面階段和在軌階段微生物控制的方案、技術(shù)、設(shè)備，建立載人航天器密封艙微生物防控技術(shù)體系。

2 空間微生物菌種的分析鑒定

2.1 在軌微生物樣本采集及菌種鑒定

利用載人航天飛行機(jī)會(huì)，由載人飛船搭乘航天員對(duì)長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的空間實(shí)驗(yàn)室或者空間站密封艙內(nèi)的空氣、結(jié)構(gòu)壁面進(jìn)行微生物采樣，并及時(shí)用無(wú)菌自封袋封存以避免污染?？梢圆捎迷谲夎b定或者待載人飛船軌道艙返回地面后進(jìn)行鑒定。

一般而言，在軌鑒定法原位性好、樣本不易受污染，但同時(shí)也受在軌鑒定條件限制。下行后鑒定法鑒定手段多，但存在時(shí)間長(zhǎng)、易受污染、微生物傳代多等缺點(diǎn)。因此，兩種方法的應(yīng)用需統(tǒng)籌考慮。

2.2 地面 AIT 廠房微生物采樣及菌種鑒定

在軌采集微生物樣本及菌種的機(jī)會(huì)畢竟有限，因此需要開(kāi)展地面AIT廠房微生物采樣及菌種分析，進(jìn)行對(duì)比分析和補(bǔ)充。

一般選取載人航天器總裝測(cè)試廠房及發(fā)射場(chǎng)各存放廠房，在靠近載人航天器的地方及載人航天器密封艙內(nèi)進(jìn)行采樣，采樣后可及時(shí)進(jìn)行分析化驗(yàn)。

2.3 優(yōu)勢(shì)菌種篩選

在完成在軌和地面微生物采樣及菌種鑒定后，要確定載人航天器艙內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種，作為空間微生物防控的基礎(chǔ)。優(yōu)勢(shì)微生物菌種的確定準(zhǔn)則應(yīng)考慮以下因素：

1）數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)?？臻g環(huán)境下，載人航天器密封艙內(nèi)的電離輻射強(qiáng)度約為地面時(shí)的120倍[4]，因此優(yōu)勢(shì)微生物菌種應(yīng)該是能在這樣的環(huán)境下大量存在的菌株。

2）種類上具有代表性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌中球菌以金黃色葡萄球菌、微球菌屬等為最多；桿菌中以微桿菌屬、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌等為最多；真菌中以曲霉屬、青霉屬等為最多。建議細(xì)菌中選擇金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌，真菌中選擇黑曲霉、球毛殼霉、雜色曲霉、白色念珠菌等[5]作為代表菌種。

3 空間環(huán)境下微生物對(duì)材料的腐蝕研究

3.1 空間環(huán)境對(duì)微生物腐蝕能力的影響

研究表明，空間環(huán)境中的微重力、電磁輻射等會(huì)使微生物的自體性質(zhì)發(fā)生不可逆的變化，這種誘變效應(yīng)不僅表現(xiàn)為生理生化特性的改變，還表現(xiàn)為微生物腐蝕特性的改變[6]。因此需要開(kāi)展空間環(huán)境下，特別是微重力、電磁輻射條件下微生物對(duì)材料的腐蝕機(jī)理研究[7]。

3.2 預(yù)估載人航天器密封艙內(nèi)輻射劑量

長(zhǎng)期在軌航天器密封艙內(nèi)的輻射劑量可通過(guò)以下步驟進(jìn)行預(yù)估，如圖2所示。

1）根據(jù)空間站軌道參數(shù)計(jì)算隨時(shí)間變化的軌道高度、地理經(jīng)緯度，再將軌道地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地磁坐標(biāo)系；

2）通過(guò)集成的銀河宇宙射線模型、輻射帶捕獲粒子模型和太陽(yáng)高能粒子模型，計(jì)算空間站軌道上不同帶電粒子成分的日平均粒子能譜；

3）根據(jù)空間站密封艙的材料選擇和艙內(nèi)設(shè)備布局方案，建立艙體的質(zhì)量屏蔽模型，最終等效為不同位置上的等效鋁材料厚度；

4）可采用Monte-Carlo方法模擬入射粒子在密封艙屏蔽材料中的輸運(yùn)過(guò)程，建立粒子在材料中的輸運(yùn)模型，據(jù)此獲得艙內(nèi)的輻射粒子成分和能譜分布[4]；

5）計(jì)算三維屏蔽狀態(tài)下，空間站密封艙內(nèi)的輻射劑量水平。

圖2 密封艙內(nèi)輻射劑量預(yù)估流程Fig.2 Flow chart of interior radiation dose prediction for sealed cabin

3.3 空間環(huán)境模擬技術(shù)研究

為了滿足在地面進(jìn)行空間微生物腐蝕試驗(yàn)和研究的需要，須研制能模擬空間微重力和電磁輻射的空間環(huán)境模擬裝置[8]。一般來(lái)說(shuō)，可以使用回轉(zhuǎn)式的裝置模擬空間微重力效應(yīng)，使用電磁發(fā)射裝置模擬空間電磁輻射效應(yīng)。

3.4 模擬空間環(huán)境下微生物腐蝕研究

材料抗微生物腐蝕試驗(yàn)包括抗細(xì)菌試驗(yàn)和抗霉菌試驗(yàn)。按照國(guó)軍標(biāo)《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》（GJB 150.10A—2009）、《抗菌塑料 抗菌性能試驗(yàn)方法和抗菌效果》（QB/T 2591—2003）以及 《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià)：第3部分 振蕩法》（GB/T 20944.3—2008），將優(yōu)勢(shì)菌種接種在擬選用的載人航天器材料上，并利用地面試驗(yàn)設(shè)備模擬長(zhǎng)期空間環(huán)境，完成材料抗優(yōu)勢(shì)菌種腐蝕試驗(yàn)[9]及評(píng)價(jià)。如白梵露等[10]從高分子聚合物、橡膠類、織物類、纖維類、氧化物類幾種材料中選擇了器上總使用量超過(guò)1 kg或使用面積累積超過(guò)1 m2的材料和關(guān)鍵部位的非金屬材料，以及密封艙主要金屬結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了微生物腐蝕試驗(yàn)。

4 空間材料抗菌涂層處理及評(píng)價(jià)

對(duì)于必須使用但耐腐蝕性不滿足要求的材料，還要對(duì)其表面進(jìn)行抗菌涂層處理。一般可采用納米抗菌劑制成的抗菌涂層，比如四針狀氧化鋅晶須（T-ZnO）表面原位合成納米銀和納米銅涂層——此2種涂層都有很好的抗菌活性[11]。采用3.4節(jié)所述試驗(yàn)方法對(duì)納米復(fù)合抗菌劑、納米雜化抗菌材料進(jìn)行抗腐蝕性評(píng)價(jià)。

5 微生物控制技術(shù)

5.1 密封艙環(huán)境控制要求

對(duì)載人航天器密封艙內(nèi)的溫濕度和通風(fēng)環(huán)境進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)低溫結(jié)露和通風(fēng)不暢的區(qū)域，也是空間微生物防控的有效手段[12]。主要要求如下：

1）對(duì)艙內(nèi)易結(jié)露的區(qū)域進(jìn)行防結(jié)露設(shè)計(jì)，避免局部濕度增大導(dǎo)致微生物大面積滋生[13]；

2）艙內(nèi)航天員活動(dòng)區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能確保密封艙內(nèi)各個(gè)位置通風(fēng)換氣良好，并能有效過(guò)濾、殺滅空氣中的微生物；

3）對(duì)密封艙內(nèi)液體工質(zhì)進(jìn)行微生物控制設(shè)計(jì)，避免工質(zhì)回路滋生微生物。

5.2 總裝及運(yùn)輸控制要求

總裝及運(yùn)輸過(guò)程是向密封艙內(nèi)帶入微生物的主要來(lái)源，因此需要對(duì)其過(guò)程進(jìn)行專門(mén)的微生物控制。主要要求包括：

1）載人航天器總裝階段，應(yīng)對(duì)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)和設(shè)備表面進(jìn)行酒精擦拭消毒；航天器出廠或封艙前，應(yīng)使用潔凈氣源對(duì)艙內(nèi)氣體進(jìn)行整艙置換，置換后艙門(mén)應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

2）載人航天器運(yùn)輸過(guò)程中，運(yùn)輸包裝箱內(nèi)部環(huán)境潔凈度應(yīng)達(dá)到ISO 8級(jí)，同時(shí)應(yīng)為正壓和密封設(shè)計(jì)，并將包裝箱內(nèi)相對(duì)濕度控制在60%以下。

5.3 在軌控制要求

載人航天器在軌應(yīng)配置消毒產(chǎn)品，定期或者視情況對(duì)密封艙內(nèi)結(jié)構(gòu)壁面和設(shè)備表面進(jìn)行清潔。載人航天器用消毒產(chǎn)品應(yīng)該能對(duì)艙內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌種具有較強(qiáng)的殺滅能力，且對(duì)人體無(wú)毒害，對(duì)載人航天器常用材料無(wú)腐蝕[14]。一般來(lái)說(shuō)，可選用雙鏈復(fù)合季銨鹽類消毒產(chǎn)品。

6 結(jié)束語(yǔ)

空間微生物防控技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)載人航天器長(zhǎng)壽命、高可靠性、高安全性的必要途徑。本文開(kāi)展了載人航天器空間微生物防控技術(shù)體系的研究，明確了構(gòu)成體系的項(xiàng)目，包括空間微生物菌種的鑒定、微生物對(duì)材料的腐蝕機(jī)理、空間微生物防護(hù)材料選擇以及微生物控制技術(shù)的內(nèi)容，可以作為開(kāi)展載人航天器空間微生物防控相關(guān)工作的參考。

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