基于代謝模擬的環(huán)控生保系統(tǒng)性能試驗方法研究

馮紅旗，劉力濤,2，彭 卓，楊京松，卞 強,2，李 森

(1.中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094； 2. 中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程重點實驗室，北京100094)

1 引言

環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)(環(huán)控生保系統(tǒng))在載人航天器密封艙內(nèi)創(chuàng)造一個接近地面大氣的生存環(huán)境，提供航天員生命活動必需的物質(zhì)條件，與航天員在太空的生存密切相關(guān)。為確保飛行過程中可靠運行，保障航天員安全、健康、高效工作，載人飛行前必須對環(huán)控生保系統(tǒng)經(jīng)過充分的地面試驗驗證[1]。

密封艙代謝模擬試驗是評價環(huán)控生保系統(tǒng)性能的重要方法之一，試驗中人體代謝負(fù)荷通過代謝模擬設(shè)備進行模擬，人體代謝負(fù)荷模擬方法是試驗研究的重要內(nèi)容。試驗負(fù)荷為真實人體代謝負(fù)荷，代謝模擬試驗的主要優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)試驗負(fù)荷的量化控制，負(fù)荷參數(shù)調(diào)節(jié)方便，滿足環(huán)控生保系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入工況和極限工作能力的驗證，并且不受人的耐受因素對試驗時間和試驗條件的制約。

前期神舟載人飛船環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗中，模擬了耗氧、產(chǎn)熱、產(chǎn)濕和CO2排放等4項人體代謝負(fù)荷[2-3]，由于試驗周期短，不需要考慮長期試驗的累積誤差，因此模擬方法簡單、設(shè)備運行自動化程度較低，耗氧模擬過程中對密封艙內(nèi)環(huán)境條件影響較大。

長期飛行任務(wù)的環(huán)控生保系統(tǒng)以再生生保為主要技術(shù)特征，一方面系統(tǒng)運行時間顯著增加，航天員單次在軌駐留時間半年以上、間斷駐留時間長達數(shù)年，因此地面驗證試驗對人體代謝負(fù)荷模擬方法要求較高，以減少長期試驗的累積誤差和模擬過程對密封艙環(huán)境條件的干擾。另一方面，為實現(xiàn)水的再生循環(huán)，再生生保中包括了水處理和尿處理功能，為驗證相應(yīng)的功能，需提供相應(yīng)的代謝負(fù)荷模擬。

基于上述試驗需求，需建立適用于長期飛行任務(wù)的環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗方法，解決前期人體代謝負(fù)荷模擬精度不高和真實性較差等不適于長期試驗的問題，新增微量有害氣體、冷凝水和尿液等代謝模擬項目。

國際空間站美國艙段模擬試驗艙配置了人體代謝模擬裝置、污染物注入裝置和污水收集與供給實驗室，提供耗氧、產(chǎn)濕、CO2排出、微量有害氣體注入、冷凝水和尿液等人體代謝產(chǎn)物，用于支持開展環(huán)控生保簡化集成試驗(Simplified Integrated Test，SIT)、環(huán)控生保代謝控制試驗(Metabolic Control Test，MET)和長時間代謝控制試驗(Extended Duration Metabolic Control Test，EMCT)[4]。

本文為滿足長期載人飛行任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)地面驗證試驗需求，提出一種新的代謝模擬試驗方案，優(yōu)化和改進代謝模擬方法，開展環(huán)控生保系統(tǒng)集成性能試驗，檢驗優(yōu)化和改進后代謝模擬試驗方法的有效性。

2 代謝模擬試驗方案

代謝模擬試驗旨在驗證密封艙內(nèi)的氧分壓、CO2分壓、溫度、濕度、微量有害氣體等大氣環(huán)境控制能力，以及再生生保系統(tǒng)的電解制氧、CO2去除、微量有害氣體去除、尿處理和水處理等功能。

代謝模擬試驗中，通過代謝模擬設(shè)備向環(huán)控生保系統(tǒng)提供人體代謝負(fù)荷，由環(huán)控生保系統(tǒng)對人體代謝負(fù)荷進行控制和處理，根據(jù)控制結(jié)果來評價環(huán)控生保系統(tǒng)的工作性能。代謝模擬設(shè)備提供的人體代謝負(fù)荷包括耗氧、CO2排出、產(chǎn)濕、產(chǎn)熱、微量有害氣體排出、冷凝水和尿液等7項。

代謝模擬試驗方案如圖1所示。試驗中人體對氧氣的消耗通過耗氧模擬單元消耗掉密封艙內(nèi)空氣中的氧氣來實現(xiàn)，耗氧模擬單元在消耗氧氣的同時電解制氧裝置產(chǎn)生氧氣，通過密封艙氧分壓的變化趨勢來判斷電解制氧裝置的產(chǎn)氧能力和氧分壓控制能力。通過CO2供應(yīng)單元從密封艙外部向艙內(nèi)供應(yīng)CO2氣體來模擬人體排放的CO2，供應(yīng)到艙內(nèi)的CO2由CO2去除裝置予以去除，通過艙內(nèi)CO2分壓變化趨勢來判斷CO2去除裝置的工作能力。微量有害氣體模擬單元向密封艙內(nèi)注入人體釋放以及艙內(nèi)材料釋放的有害氣體形成有害氣體負(fù)荷，定期采樣分析或在線監(jiān)測有害氣體濃度，評估微量有害氣體去除裝置對微量有害氣體的控制能力。產(chǎn)濕模擬單元向艙內(nèi)提供人體產(chǎn)生的濕氣，產(chǎn)熱模擬單元模擬人體的發(fā)熱并與艙內(nèi)設(shè)備產(chǎn)熱共同構(gòu)成艙內(nèi)熱負(fù)荷，溫濕度控制系統(tǒng)對空氣進行降溫除濕的同時，產(chǎn)生冷凝水，冷凝水提供給水處理裝置進行處理，生產(chǎn)出可用飲用的凈化水。尿液由艙外收集并供應(yīng)給尿處理裝置，生產(chǎn)出的尿蒸餾水提供給水處理裝置，生產(chǎn)出可供飲用的凈化水。凈化水提供給電解制氧裝置用作生產(chǎn)氧氣，氧氣再供應(yīng)到密封艙內(nèi)。

圖1 代謝模擬試驗方案Fig.1 Scheme of metabolic simulation test

環(huán)控生保系統(tǒng)代謝模擬試驗是一種物理模型試驗，最基本的試驗條件是需要一個密封艙，密封艙具有與真實載人艙相近的內(nèi)部構(gòu)造、氣體容積以及絕熱、密封、氣體流動等試驗邊界。物理模型試驗需要幾何相似、物理相似和動力相似[5]。密封艙內(nèi)部構(gòu)造與真實載人艙相近，保證了物理模型試驗的幾何相似。密封艙艙體絕熱設(shè)計、密封設(shè)計保證了熱邊界和密封邊界等物理相似。氣體流動保證地面重力試驗與微重力飛行空氣強迫對流換熱和物質(zhì)交換的相似性，氣體容積保證密封艙內(nèi)空氣通風(fēng)循環(huán)效率的相似性。

密封艙內(nèi)安裝被研究對象即上天飛行狀態(tài)的整套環(huán)控生保系統(tǒng)，配套相應(yīng)的試驗保障設(shè)備包括測控系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等，提供測控通信、真空環(huán)境和熱量排散等功能，配套代謝模擬設(shè)備提供試驗負(fù)荷輸入。

3 代謝模擬方法

本研究包括耗氧、CO2代謝排出、產(chǎn)熱、產(chǎn)濕、微量有害氣體釋放、冷凝水和尿液等人體代謝物質(zhì)和能量的模擬方法，每種模擬方法通過獨立的模塊設(shè)備來實現(xiàn)，各個模塊設(shè)備可獨立使用，也可以聯(lián)合使用，提供人體單一代謝物或者多種代謝物的模擬。

3.1 人體耗氧

3.1.1 模擬方法

密封艙內(nèi)人體耗氧模擬實質(zhì)上是氣體分離的過程，即把氧氣從空氣中分離出來并排出艙外或消耗掉，使空氣中的氧氣按照人體消耗速率定量減少。早期采用的人體耗氧模擬方法是化學(xué)反應(yīng)法和抽氣補氮法[6-7]。國外曾經(jīng)通過燃燒和氧化有機物或無機物的化學(xué)反應(yīng)，達到模擬人體耗氧的目的，但是此過程難以精確控制化學(xué)反應(yīng)速率，影響模擬精度。抽氣補氮法，即抽取一定量的密封艙空氣，再向艙內(nèi)注入損失的氮氣，保證艙內(nèi)壓力基本穩(wěn)定，該方法的缺點是抽出來的氣體中包括氧氣和氮氣以外，還含有CO2氣體、微量有害氣體和水氣等，另外抽氣-補氣過程還帶來熱量的交換，長期試驗累積誤差是顯著的。

馮紅旗等于2014年研制成功沸石分子篩人體耗氧模擬單元[8]，主要性能如下：

1)具有模擬2人～5人的耗氧能力，最大氧氣消耗量為每天2500 L；

2)進氣氧濃度19%～25%，耗氧模擬單元排氣口富氧氣體氧濃度不低于93%；

3)耗氧模擬過程對密封艙CO2濃度無明顯影響；

4)耗氧模擬過程對密封艙微量有害氣體濃度無明顯影響。

在耗氧模擬單元實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)密封艙總壓和氧分壓呈現(xiàn)周期性的波動，總壓波動幅度約為±0.2 kPa，氧分壓波動幅度約為±0.05 kPa。分析認(rèn)為，耗氧模擬過程中從密封艙內(nèi)的引氣量和回氣量均較大，密封艙內(nèi)的氣體隨著引氣和回氣而出現(xiàn)周期性的增多和減少，造成壓力波動。這種波動雖然不改變總壓的整體變化趨勢，但是會導(dǎo)致試驗分析出現(xiàn)偏差，尤其是在總壓和氧分壓的控制帶邊界上出現(xiàn)錯誤控制。

為了解決耗氧模擬過程中密封艙總壓和氧分壓波動的現(xiàn)象，進行了相應(yīng)的改進，將一組壓縮機改為三組壓縮機，三組壓縮機相互獨立，優(yōu)化了引氣關(guān)鍵工作參數(shù)，選取合理的空氧比指標(biāo)，結(jié)合PSA變壓吸附的特點，將空氧比確定為12～14，得出適當(dāng)?shù)囊龤饬?，解決了原耗氧模擬單元引氣量大而造成密封艙總壓和氧分壓波動大的現(xiàn)象。圖2和圖3分別表示了耗氧模擬單元改進前和改進后的密封艙總壓變化趨勢。

圖2 耗氧模擬單元改進前的總壓曲線Fig.2 Total pressure curve before improvement of oxygen consumption simulation unit

圖3 耗氧模擬單元改進后的總壓曲線Fig.3 Total pressure curve after improvement of oxygen consumption simulation unit

3.1.2 模擬結(jié)果

試驗過程中，分別按照3人(75 L/h)、4人(99.5 L/h)和5人(124 L/h)等不同代謝水平模擬了人體耗氧量，耗氧模擬單元出口富氧氣體氧氣濃度控制結(jié)果如圖4所示，氧濃度控制在93%以上，穩(wěn)定在94.5%左右，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，為電解制氧裝置性能和氧分壓控制能力的評價提供了驗證條件。

圖4 耗氧模擬單元出口氧濃度Fig.4 Oxygen concentration in outlet of oxygen consumption simulation unit

3.2 人體CO2代謝

3.2.1 模擬方法

人體CO2代謝模擬的常規(guī)方法是通過CO2高壓氣瓶向密封艙內(nèi)注入，本試驗研究仍采用這種方法。人體的CO2代謝量小，CO2流量控制精度是關(guān)鍵。為減小長期試驗的CO2流量累積誤差，影響試驗結(jié)果，本次試驗采用了流量驅(qū)動和質(zhì)量反饋的閉環(huán)控制方法，提高了CO2模擬精度。根據(jù)試驗要求，最大CO2模擬量為6人代謝量，選用了精度為0.4%讀數(shù)+0.2%滿量程的ALICAT流量控制器來設(shè)定和控制CO2的排放量，同時在CO2氣瓶底部安裝精密電子秤，實時監(jiān)測氣瓶重量變化，利用氣瓶重量變化來校準(zhǔn)CO2流量。

CO2注入管道在密封艙內(nèi)的布置方案，主要考慮了兩點，一是CO2排氣口多點設(shè)置，模擬多人在不同位置的CO2排放；二是CO2排氣口設(shè)置在通風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口，使高濃度的CO2及時擴散，避免CO2聚集。

3.2.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗中，分別按照3人(63.7 L/h)、4人(85.5 L/h)和6人(107.3 L/h)等不同代謝水平模擬了CO2代謝量。圖5是4人平均水平的CO2代謝量控制情況，設(shè)定值85.5 L/h，最小流量84.7 L/h，最大流量85.8 L/h，誤差控制在±1%內(nèi)，為CO2去除裝置的性能評價提供了高精度驗證條件。

圖5 人體CO2代謝模擬控制結(jié)果Fig.5 Control result of simulated human metabolic CO2

3.3 人體代謝產(chǎn)熱

3.3.1 模擬方法

密封艙內(nèi)設(shè)備工作過程中的熱量、艙內(nèi)外環(huán)境溫差導(dǎo)致的艙壁漏熱以及人體代謝產(chǎn)熱，構(gòu)成了密封艙內(nèi)熱量的主要來源[9]，其中人體代謝產(chǎn)熱采用模擬的手段實現(xiàn)。

在人體產(chǎn)熱模擬方面，前期研制的產(chǎn)熱模擬設(shè)備，以模擬人體產(chǎn)熱總量為主，直接在金屬表面上粘貼薄膜加熱片，加熱面熱流密度大、熱量集中，產(chǎn)熱模擬設(shè)備加熱不均勻、溫度范圍不合理。加熱設(shè)備周圍局部空氣溫度偏高，艙內(nèi)空氣溫度不均勻，強化了地面試驗中自然對流的作用，影響地面重力試驗溫度場控制試驗的精度。

東華大學(xué)研制了適用于艙外航天服試驗的暖體假人，暖體假人能夠模擬人體產(chǎn)熱和皮膚溫度[10]，但是該暖體假人采用了無骨架銅殼分體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作難度大。

本研究中，采用了人體假人的產(chǎn)熱模擬方式，選擇與人體比例接近的假人，在假人表面均勻纏繞電熱絲，給電熱絲提供直流電壓實現(xiàn)產(chǎn)熱。假人框架材料采用玻璃鋼，加熱絲材料選用Cr20Ni80，Cr20Ni80電熱絲具有耐高溫、導(dǎo)熱性能好、延展性好的特點，使用壽命長，滿足長期試驗需求。

假人最大發(fā)熱量350 W，供電電壓80 V。為保證假人表面溫度的均勻性，在電熱絲表面覆蓋絕緣層。通過測試，模擬人體平均產(chǎn)熱量150 W時，假人表面溫度為32℃～33℃，模擬人體中度活動產(chǎn)熱量270 W時，假人表面溫度為40℃～41℃，假人表面溫度與真實人體表面溫度接近，表面溫度均勻。

3.3.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗中，人體假人的加熱功率在0～280 W之間設(shè)定。圖6表示了設(shè)定發(fā)熱量為250 W的穩(wěn)定情況，約800 s后發(fā)熱量穩(wěn)定，穩(wěn)定后最大偏差為-3.5 W，誤差±1.4%，滿足試驗要求。

圖6 人體產(chǎn)熱模擬控制結(jié)果Fig.6 Control result of simulated human heat production

3.4 人體代謝產(chǎn)濕

3.4.1 模擬方法

密封艙濕度控制及除濕過程是長期載人飛行中水循環(huán)再生功能的重要環(huán)節(jié)，因此除濕能力是環(huán)控生保系統(tǒng)的重要研究課題。人體代謝產(chǎn)濕的特點是產(chǎn)濕量小、波動大，單人產(chǎn)濕速率在50 g/h～150 g/h范圍內(nèi)變化。

前期濕度控制試驗研究中曾采用過電加熱加濕和超聲波加濕兩種方式，電加熱加濕法在加濕的同時會給密封艙內(nèi)帶來額外的熱量，同時蒸汽溫度較高，水蒸氣易在冷壁面上結(jié)露，加濕效果差，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

超聲波加濕是一種等焓加濕[11]，等焓加濕過程中液態(tài)水滴汽化時需要從周圍空氣中吸熱，人體平均和中度活動的產(chǎn)濕速率分別為75 g/h、150 g/h，其汽化需要吸收的熱量分別為47 W、94 W，按照2人中度和1人平均的產(chǎn)濕負(fù)荷模式，從空氣中吸收的總熱量為235 W。密封艙容積按照160 m3計算，空氣質(zhì)量約為200 kg，235 W的熱量會造成空氣溫度下降約為4.2℃，空氣溫度下降幅度較大。因此需要根據(jù)產(chǎn)濕負(fù)荷的大小，補充相應(yīng)的熱量，防止空氣溫度下降。

前期產(chǎn)濕模擬單元均采用了開環(huán)控制加濕速率的方案，即由定量泵向超聲波加濕器內(nèi)供水，由稱重傳感器監(jiān)測加濕器內(nèi)水量的變化，供水速率由定量泵控制，供水速率準(zhǔn)確，但是供水速率與超聲波加濕器霧化速率動態(tài)匹配性差，調(diào)節(jié)后的穩(wěn)定時間長，不利于長期試驗。

本研究的產(chǎn)濕模擬單元主體結(jié)構(gòu)為超聲波加濕器，產(chǎn)濕速率指標(biāo)為185 g/h，采用了閉環(huán)控制產(chǎn)濕速率的方案，提高了控制精度。在上位計算機中設(shè)定產(chǎn)濕速率U0，以精密電子秤作為測量元件，監(jiān)測超聲波加濕器重量的變化，通過重量隨時間的變化速率求得實際產(chǎn)濕速率U，以U為反饋，通過比較環(huán)節(jié)，確定U與設(shè)定值U0的偏差e，該偏差信號進入控制器，使控制器輸出控制信號，控制信號作用在執(zhí)行器上，改變數(shù)字電位器的位數(shù)，調(diào)節(jié)超聲波加濕陣子頻率，從而控制產(chǎn)濕速率與設(shè)定值一致。產(chǎn)濕模擬單元的控制邏輯如圖7所示。

圖7 產(chǎn)濕速率控制邏輯 Fig.7 Control logic of humidity production rate

為保證產(chǎn)濕速率穩(wěn)定和產(chǎn)濕控制精度，需要精確控制超聲波加濕器水槽的水位，同時也為適應(yīng)長期試驗需求、減少人工補水的工作量和人工補水過程帶來的誤差，設(shè)計了自動補水功能，能夠自動、連續(xù)地向加濕器水槽中補水，保證合理的水位。水槽中設(shè)置了液位開關(guān)，當(dāng)水位低于下限時，補水電磁閥打開，水箱中的純凈水自動流入水槽中，當(dāng)達到水位上限時，自動關(guān)閉補水電磁閥，通過液位開關(guān)的控制使水槽內(nèi)的水位變化范圍為1 cm，保證產(chǎn)濕速率穩(wěn)定。

3.4.2 模擬結(jié)果

代謝模擬試驗中，產(chǎn)濕速率設(shè)定范圍為50 g/h～180 g/h。圖8為設(shè)定值155 g/h的穩(wěn)定情況，運行約900 s后穩(wěn)定在設(shè)定加濕速率，波動幅度在±2%以內(nèi)，產(chǎn)濕模擬過程穩(wěn)定時間短、產(chǎn)濕精度高，滿足試驗要求。

圖8 人體代謝產(chǎn)濕模擬控制結(jié)果Fig.8 Control result of simulated human metabolic humidity

3.5 微量有害氣體

3.5.1 模擬方法

載人航天器密封艙內(nèi)的微量有害氣體由非金屬材料通過擴散、蒸發(fā)和氧化降解等方式，以及人體代謝及廢棄物釋放而產(chǎn)生[12]。有害氣體必須予以及時去除以保障航天員的健康安全，在空間站等長期載人飛行任務(wù)中，有害氣體的凈化尤為重要。

為評價環(huán)控生保微量有害氣體去除能力，需要向密封艙內(nèi)注入規(guī)定種類和規(guī)定速率的污染物氣體，模擬密封艙內(nèi)材料和人體釋放的微量有害氣體。選擇了14種典型的污染物作為模擬對象，具有污染物種類多、物理化學(xué)特性差異大、注入速率調(diào)節(jié)范圍寬等難點，實現(xiàn)難度較大。

對于液態(tài)污染物，前期采用過蠕動泵+微孔膜+加熱蒸發(fā)的方案，其優(yōu)點是可連續(xù)注入，但在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)其濃度平衡時間長、操作復(fù)雜，穩(wěn)定性、重復(fù)性和調(diào)節(jié)性能較差，不適應(yīng)長期連續(xù)使用。對于氣態(tài)污染物，目前常用的方法是使用標(biāo)氣瓶來產(chǎn)生穩(wěn)定濃度的污染氣體，但其缺點是難以維持長時間的試驗，此外每次更換標(biāo)氣瓶，其發(fā)生濃度均需要較長時間才能達到穩(wěn)定。

國際空間站微量有害去除氣體系統(tǒng)污染物控制試驗中，采用注射泵注入液態(tài)污染物，采用蠕動泵注入氣態(tài)污染物，具備注入8種污染物的能力。俄羅斯微量污染物控制試驗注入系統(tǒng)，可注入氣態(tài)污染物和液態(tài)污染物，氣態(tài)污染物為與空氣或氮氣的混合氣體，儲存在鋼瓶中主要缺點是混合氣體中污染物濃度較低，長期試驗時混合氣體消耗量大。液態(tài)污染物由柱塞泵輸入到加熱容器形成氣態(tài)物質(zhì)后再注入到密閉實驗艙中。

本試驗研究中，為了適應(yīng)長期測試，將14種污染物分為3類，即氣態(tài)污染物、水溶性污染物和油性污染物，氣態(tài)污染物采用純氣氣瓶和流量控制器的方案直接向密封艙內(nèi)注入。水性污染物和油性污染物分別采用定量環(huán)-載氣驅(qū)動-加熱蒸發(fā)的方案，定量環(huán)控制注入量，載氣作為驅(qū)動氣體從密封艙內(nèi)取氣，加熱環(huán)節(jié)使液態(tài)污染物及時汽化，防止冷凝聚集，從而實現(xiàn)了高精度動態(tài)模擬多組分低濃度微量有害氣體的功能。

本研究中的微量氣體注入單元可實現(xiàn)動態(tài)定量注入和靜態(tài)定量注入兩種工作模式，滿足不同的試驗需求。動態(tài)定量注入是按照一定的產(chǎn)生速率均勻向密封艙內(nèi)注入微量有害氣體。靜態(tài)定量注入是按照規(guī)定注入量一次性向密封艙內(nèi)注入有害氣體并在規(guī)定時間內(nèi)達到平衡。

3.5.2 模擬結(jié)果

選取了一氧化碳、甲苯和乙醛分別作為氣體污染物、油性污染物質(zhì)和水溶性污染物的代表，進行注入精度的測試，結(jié)果見表1。

表1 污染物注入速率測試結(jié)果

經(jīng)過測試，氣體注入精度±3%，油性污染物注入精度±6.7%，水溶性污染物注入精度±7.6%，注入精度滿足試驗要求。

3.6 冷凝水

3.6.1 模擬方法

冷凝水水質(zhì)對真實有效考核水處理系統(tǒng)的運行性能極其關(guān)鍵。真實的冷凝水來自于人體代謝的濕氣，冷凝水中含有人體代謝的有機物和無機物，同時包含有密封艙空氣中溶解于水的物質(zhì)，因此真實冷凝水的成分非常復(fù)雜。

前期的代謝模擬試驗中，采取了兩種方式提供冷凝水。一種是參考國外載人飛行中冷凝水水質(zhì)模型配置的冷凝水，包含醇類、酸類等12種有機污染物，NH3、NaCl等4種無機污染物，理化指標(biāo)包括pH、電導(dǎo)率、總有機碳和氨氮含量等4種。第二種方式是代謝模擬試驗中空氣降溫除濕過程中收集的冷凝水，這種冷凝水來自于超聲波加濕蒸汽，加濕用水為飲用純凈水。

3.6.2 模擬結(jié)果

本次代謝模擬試驗使用了第二種冷凝水。加濕用飲用純凈水的pH為6.62，電導(dǎo)率為2.85 μs/cm，總有機碳為0.21 mg/L，比較潔凈。在加濕和冷凝過程中由于吸收了密封艙內(nèi)空氣中和吸水材料中的部分物質(zhì)，冷凝水的成分發(fā)生了較大變化，冷凝水的主要成分檢測結(jié)果：pH為6.04，電導(dǎo)率為85 μs/cm～102 μs/cm，總有機碳為49 mg/L～95 mg/L，全鹽量為50 mg/L～60 mg/L，溶解性總固體為57 mg/L～61 mg/L。與載人飛行試驗的冷凝水成分進行比較，代謝模擬試驗冷凝水的電導(dǎo)率、總有機碳、溶解性總固體和全鹽量等指標(biāo)比載人飛行冷凝水小2～5倍，差別較大，主要原因是代謝模擬試驗的冷凝水缺少人體代謝的物質(zhì)。冷凝水成分的差異給水處理裝置性能考核帶來一定的偏差，后續(xù)需開展冷凝水水質(zhì)模型的研究，提供成分真實合理的冷凝水，滿足水處理功能長期驗證試驗的需求。

3.7 尿液

3.7.1 模擬方法

代謝模擬試驗中尿處理裝置使用的尿液為地面收集的真實尿液。通常情況下人體尿液中含有一定量的Ca2+，而微重力環(huán)境下由于骨質(zhì)流失，尿液中的Ca2+濃度會進一步增加，驗證尿處理功能時需考慮Ca2+濃度增加的情況[13]。為真實考核尿處理裝置的性能，需模擬在軌飛行尿液中的Ca2+含量，代謝模擬試驗中通過向收集到的尿液中添加氯化鈣的方式增加Ca2+的濃度，濃度控制在200 mg/L～280 mg/L。

為模擬在軌飛行尿液的理化性能，向收集的尿液中添加純凈水和尿預(yù)處理劑。添加純凈水的目的是模擬在軌收集尿液時的尿沖洗水，使尿液的濃度真實。尿預(yù)處理劑具有殺菌消毒和防止沉淀物產(chǎn)生的作用，能夠保持尿液儲存過程中物理化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，添加了尿預(yù)處理劑的尿液pH要求為1～2。

3.7.2 模擬結(jié)果

對收集的真實尿液添加氯化鈣和尿預(yù)處理劑后進行了指標(biāo)測試，結(jié)果為：pH為1.85，Ca2+濃度為230 mg/L，模擬結(jié)果滿足試驗要求。

3.8 代謝模擬試驗實施情況

利用代謝模擬試驗方法和研制的代謝模擬設(shè)備，先后開展了3次代謝模擬試驗(環(huán)控生保系統(tǒng)集成性能試驗)，持續(xù)時間分別為408 h、432 h和739 h，驗證了環(huán)控生保系統(tǒng)設(shè)計方案，研究了密封艙總壓、氧分壓、CO2分壓、溫度、濕度和微量有害氣體等與人生存、生活密切相關(guān)的大氣環(huán)境參數(shù)控制能力，研究了不同空氣溫度、濕度、大氣壓力下的電解制氧性能、CO2去除性能、微量有害氣體去除性能、水處理性能和尿處理性能等，研究了環(huán)控生保系統(tǒng)與各種環(huán)境參數(shù)之間的相互影響作用等。

4 討論

針對長期載人飛行環(huán)控生保系統(tǒng)性能、壽命和可靠性等方面的考核需求，代謝模擬試驗的作用越來越突顯，有必要進一步研究和優(yōu)化試驗方法，使試驗邊界和試驗負(fù)荷更為真實、有效，更好地滿足環(huán)控生保系統(tǒng)的驗證需求，初步考慮在以下兩方面進行深入研究。

4.1 冷凝水水質(zhì)模型改進

比對代謝模擬試驗冷凝水和在軌飛行冷凝水成分，代謝模擬試驗收集到的冷凝水缺少人體代謝的有機物和無機物，因而比較潔凈，不利于水處理裝置工作性能的評價。為了真實有效地檢驗水處理性能，有必要配置接近于真實成分的冷凝水，用于水處理裝置的性能測試，初步設(shè)想如下：

1)對代謝模擬試驗收集的冷凝水進行調(diào)配，添加無機物和有機物。初步確定添加硝酸鈉和硫酸鉀，增加冷凝水中的硝酸鹽、電導(dǎo)率、溶解性總固體和全鹽量等指標(biāo)，電導(dǎo)率達到200 μs/cm～500 μs/cm。添加乙醇、乙酸和苯甲醇等有機物，使總有機碳達到220 mg/L～350 mg/L，通過無機物和有機物的添加，使冷凝水成分和指標(biāo)與在軌飛行冷凝水接近。

2)國際空間站美國艙段在開展水再生與管理系統(tǒng)(WRM)地面試驗時，所使用的冷凝水由人體代謝產(chǎn)生，志愿者在一個相對封閉的環(huán)境中運動，人體代謝的濕氣通過冷凝熱交換器冷凝并收集，在收集到的冷凝水中添加一種配置的模擬溶液，使其符合預(yù)期的國際空間站冷凝水成分。

目前我們正在策劃建立一個類似的冷凝水收集間，配備跑步機等運動器材，安裝溫濕度控制系統(tǒng)和冷凝水收集系統(tǒng)，組織志愿者在收集間內(nèi)運動，收集人體產(chǎn)生的冷凝水并提供給水處理裝置使用。根據(jù)收集到的冷凝水成分，確定是否添加相關(guān)無機物和有機物，使其更加符合在軌飛行冷凝水的成分。

兩種冷凝水各有優(yōu)點，第一種獲取相對方便，第二種的成分更為真實，需根據(jù)不同的試驗?zāi)康拇_定選擇哪種冷凝水模型。

4.2 微量有害氣體負(fù)荷模擬

代謝模擬試驗中是按照給定的人體微量有害氣體產(chǎn)生速率將其注入到密封艙內(nèi)的，密封艙內(nèi)有害氣體產(chǎn)生速率為材料釋放疊加了模擬人體釋放，通常達不到最高允許濃度(SMAC)，考核不到微量有害氣體最大去除能力。后續(xù)代謝模擬試驗可以提高微量有害氣體的注入速率，使其濃度達到SMAC水平，在此濃度水平下考核微量有害氣體去除功能的最大能力。

5 結(jié)論

1)提出了環(huán)控生保系統(tǒng)人體代謝模擬試驗方法，滿足長期飛行任務(wù)環(huán)控生保系統(tǒng)性能驗證，該方法通過了多次地面試驗的檢驗，證明試驗方法合理有效。

2)通過關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進，有效減少了耗氧模擬過程對密封艙內(nèi)環(huán)境的影響；采用質(zhì)量反饋閉環(huán)控制方案以及產(chǎn)濕模擬自動補水方案，顯著提高了CO2模擬和產(chǎn)濕模擬的精度；采用玻璃鋼假人纏繞加熱絲的方案模擬人體產(chǎn)熱，結(jié)構(gòu)簡單、假人表面溫度均勻性好；分別采用純氣氣瓶-流量控制器方案和液態(tài)污染物的定量環(huán)-載氣驅(qū)動-加熱蒸發(fā)的方案，高精度模擬了14種微量有害氣體；采用在地面收集的尿液中添加氯化鈣和尿預(yù)處理劑的方法，模擬了在軌飛行的尿液成分。

3)討論了冷凝水代謝模型和微量有害氣體去除能力試驗的改進方法，可以提高模擬結(jié)果的真實性和試驗有效性。