侯倩（航天恒星科技有限公司）

環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)（ECLSS，簡(jiǎn)稱為環(huán)控生保分系統(tǒng)）是載人航天器所獨(dú)有和必需的一個(gè)最重要分系統(tǒng)。環(huán)控生保分系統(tǒng)應(yīng)對(duì)人類在空間特殊環(huán)境的生存需求，通過大氣控制、溫度控制、供應(yīng)和再循環(huán)、水再循環(huán)、食物供應(yīng)、廢物清除、火災(zāi)等應(yīng)急措施的解決，為載人航天器上航天員的正常生活、工作、身體健康和生命安全提供關(guān)鍵性保障。該分系統(tǒng)研究涵蓋物理、化學(xué)、材料、生物、機(jī)電等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，它從最初的非再生式儲(chǔ)存系統(tǒng)，到物化再生式生保系統(tǒng)，目前已逐漸向生態(tài)、循環(huán)的受控生保系統(tǒng)發(fā)展。

縱觀美俄空間站環(huán)控生保技術(shù)的發(fā)展歷程，其研發(fā)路線為：基礎(chǔ)研究-原理樣機(jī)-工程樣機(jī)-地面驗(yàn)證-飛行試驗(yàn)驗(yàn)證-裝站工作，也就是說新技術(shù)實(shí)現(xiàn)在軌工程應(yīng)用前都有一個(gè)在軌飛行試驗(yàn)的過程。

1 環(huán)控生保系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

環(huán)控生保系統(tǒng)的研究階段

國(guó)外環(huán)控生保分系統(tǒng)經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。

第一代生保系統(tǒng)為非再生式儲(chǔ)存式生保系統(tǒng)，即食物、氧氣、水從地面上隨飛行器帶入太空，這種一次性消耗的模式不能滿足載人航天長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離、多人次駐足太空的需要。

第二個(gè)階段為物化再生式生保系統(tǒng)。美國(guó)、俄羅斯從20世紀(jì)50年代就開始了相關(guān)研究，其主要特點(diǎn)是在空間載人航天器上實(shí)現(xiàn)消耗量最大的氧氣和水的再生循環(huán)利用，而食物完全由地面補(bǔ)給，航天員生活產(chǎn)生的糞便及廢棄物隨運(yùn)輸飛船或航天飛機(jī)一同返回地面后進(jìn)行消毒處理。

第三階段是閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)（CLESS）。物化再生式生保系統(tǒng)解決了航天員在太空生存所需的空氣、水的基本問題，但系統(tǒng)中食物、氮?dú)獾任镔|(zhì)仍需地面運(yùn)輸，成本高，效率低，需占用空間站載重量和存儲(chǔ)資源。研究生態(tài)、可循環(huán)的閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)已成為美、俄等航天技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家的研究重點(diǎn)。它利用綠色植物和微生物等生物組分來生產(chǎn)食物、處理廢物，同時(shí)再生空氣和水，在有限的密閉空間內(nèi)建立一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其中的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)，滿足人類在宇宙空間長(zhǎng)時(shí)間飛行或外星球建立基地長(zhǎng)期生活的需要。目前，基于微生物的受控生保系統(tǒng)已成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。

2 “國(guó)際空間站”環(huán)控生保情況介紹

俄羅斯和平號(hào)空間站和正在服役的“國(guó)際空間站”均采用物化再生式生保系統(tǒng)?！皣?guó)際空間站”中的生保系統(tǒng)支持將尿液轉(zhuǎn)化為飲用水，并能將CO2中50%的O還原為O2。下面著重介紹“國(guó)際空間站”的環(huán)控生保系統(tǒng)。

針對(duì)大氣控制、供應(yīng)和再循環(huán)問題，俄羅斯的電解（Elektron）氧生成器通過將水分解為氫氣和氧氣（電解）來生成氧氣。必要時(shí)將會(huì)點(diǎn)燃固體燃料氧生成器或氧燭來產(chǎn)生更多的氧氣。壓力控制組件（泵和閥門系統(tǒng)）將以正確的百分比混合氮?dú)夂脱鯕?，監(jiān)控空氣壓力，并在必要時(shí)為空間站減壓以防止壓力過高，或在緊急情況下滅火。CO2清除組件（一系列特殊材料制成的層）將吸收CO2并排放到外太空。另外，備用化學(xué)CO2消除罐可以通過使CO2與氫氧化鋰反應(yīng)而將其清除。微量污染控制系統(tǒng)將過濾艙內(nèi)空氣，以清除因泄漏、溢出與放氣而排出的微量氣味和揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)，還將使用作為備用設(shè)施的有害雜質(zhì)過濾器?？臻g站和加熱系統(tǒng)將控制整個(gè)空間站內(nèi)的濕度和空氣流通。最后，主要成分分析儀將會(huì)不斷檢測(cè)艙內(nèi)氣體的數(shù)量和類型，并控制大氣供應(yīng)和再循環(huán)系統(tǒng)。

除空氣之外，水是“國(guó)際空間站”最重要的物質(zhì)?？臻g站上嚴(yán)格節(jié)約用水，沒有長(zhǎng)時(shí)間奢侈的淋浴。實(shí)際上，大多數(shù)航天員都通過海綿擦洗進(jìn)行洗浴。水回收和管理子系統(tǒng)會(huì)從各種來源收集、再循環(huán)和分配水，包括：水池、尿（來自空間站上的航天員員和實(shí)驗(yàn)室中的動(dòng)物）、航天服污水、加熱和冷卻系統(tǒng)、艙內(nèi)空氣（航天員和實(shí)驗(yàn)室中的動(dòng)物呼出的濕氣）、航天飛機(jī)和燃料電池。水回收和管理子系統(tǒng)包括各種冷凝器、過濾器和水凈化器。水將用于飲用和冷卻電氣系統(tǒng)。水回收和管理子系統(tǒng)不是百分之百有效，而且水在通過Elektron氧生成器、氣閘和CO2清除系統(tǒng)時(shí)會(huì)流失一部分，因此需要定期從地球上補(bǔ)充水；不過該系統(tǒng)大大減少需要從地球上運(yùn)來的水量。

“國(guó)際空間站”必須保持清潔，因?yàn)槠〉幕覊m和碎片可能會(huì)造成危險(xiǎn)。清潔、飲食、工作和個(gè)人衛(wèi)生都會(huì)產(chǎn)生廢物。進(jìn)行普通的全面清潔時(shí)，航天員會(huì)使用各種抹布（濕的、干的、織物、具有清潔功能的和用于消毒的）、清潔劑和濕/干真空吸塵器清潔各個(gè)表面、過濾器及自身。垃圾將整理成袋并放入進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船中，然后送回地球進(jìn)行處理。來自衛(wèi)生間的固體廢物經(jīng)過壓縮、干燥后放入袋中，也帶回地球處理（焚燒）。從固體廢物回收的水經(jīng)過處理和凈化后飲用。

在應(yīng)急措施上，“國(guó)際空間站”設(shè)計(jì)了火災(zāi)探測(cè)和滅火子系統(tǒng)，其中包括：每個(gè)艙中的區(qū)域煙塵探測(cè)器、每個(gè)電子設(shè)備支架上的煙塵探測(cè)器、每個(gè)艙中的警報(bào)器和警報(bào)燈、無毒便攜式滅火器[基于CO2（來自美國(guó)）或氮化合物（來自俄羅斯）的泡沫或液體滅火器]、個(gè)人呼吸器（每個(gè)乘員都有面具和氧氣瓶）。滅火后，大氣控制系統(tǒng)會(huì)過濾空氣以消除微粒和有毒物質(zhì)。

3 國(guó)外對(duì)閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)的研究情況

俄羅斯對(duì)閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)研究最初的切入點(diǎn)是研究?jī)森h(huán)節(jié)系統(tǒng)中水的凈化和空氣再生問題。因藻類有凈化空氣的作用，于1965年進(jìn)行了首次“人、藻類”密閉系統(tǒng)試驗(yàn)。之后，又逐步加入高等植物、微生物，到1972年俄羅斯生物物理研究所建造了容積為315m3的供3人試驗(yàn)的地基模擬系統(tǒng)，其中水和氣體實(shí)現(xiàn)了完全循環(huán)，部分食物實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)再生。為了提高系統(tǒng)閉環(huán)性，針對(duì)植物不可食部分，俄羅斯進(jìn)行了多個(gè)解決方案和技術(shù)研究，包括化學(xué)方法、生物方法、燃燒處理和2003年提出的類土壤基質(zhì)處理法。類土壤基質(zhì)處理法因可將生物處理中的有害物質(zhì)有效凈化而備受青睞。

火星農(nóng)場(chǎng)概念圖

歐洲航天局（ESA）也進(jìn)行了大量的閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)研究，其研究思路是在部分閉合的物化再生式生保技術(shù)基礎(chǔ)上，逐步將空氣、水、食物和廢物回路閉合起來。研制利用微生物分解廢物的生物反射器，為植物提供CO2、氮化合物和礦物質(zhì)。真菌培養(yǎng)、小動(dòng)物培養(yǎng)和微藻培養(yǎng)可單獨(dú)進(jìn)行，最后在高等植物栽培艙內(nèi)進(jìn)行高等植物栽培試驗(yàn)和人與動(dòng)植物整合試驗(yàn)。

美國(guó)航空航天局（NASA）大規(guī)模閉合受控生態(tài)生保系統(tǒng)研究始于20世紀(jì)70年代后期，曾進(jìn)行了以高等植物為重點(diǎn)，結(jié)合藻類、微生物、小動(dòng)物，進(jìn)行物化再生式生保技術(shù)的物質(zhì)閉合循環(huán)試驗(yàn)。其發(fā)展思路是，首先在地面建立實(shí)用的生保實(shí)驗(yàn)室，積累連續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再逐步擴(kuò)大到空間多人的生保試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用生物衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站進(jìn)行了空間生保技術(shù)試驗(yàn)。美國(guó)于21世紀(jì)初開始實(shí)施“先進(jìn)生保計(jì)劃”，其目的是為未來長(zhǎng)期空間飛行提供生命保障，利用該系統(tǒng)在空間飛行期間所有生保物資都可進(jìn)行循環(huán)和再利用。美國(guó)約翰遜航天中心設(shè)計(jì)和建設(shè)了該計(jì)劃的核心部件—行星生物再生式生保系統(tǒng)試驗(yàn)綜合裝置，它具有密封的內(nèi)部環(huán)境，可以保障4人乘員組進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1年多的實(shí)驗(yàn)。它由生物和物化系統(tǒng)整合而成，可以進(jìn)行全部所需的大氣再生、水循環(huán)、生物量生產(chǎn)、食品加工、固體廢物處理、微量污染物控制和熱控等。同時(shí)，通過空間站搭載實(shí)驗(yàn)的方式，開展了大量空間生態(tài)生命科學(xué)試驗(yàn)。

4 國(guó)外在物化生保系統(tǒng)和受控生保系統(tǒng)研究中的驗(yàn)證情況

俄羅斯環(huán)控生保技術(shù)在軌驗(yàn)證情況

（1）冷凝水處理技術(shù)

俄羅斯在“禮炮”系列空間站上開始進(jìn)行冷凝水處理系統(tǒng)部分回收和凈化冷凝廢水的在軌飛行試驗(yàn)，到禮炮-4空間站運(yùn)行時(shí)，冷凝廢水凈化系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。具體試驗(yàn)情況如下：l975年冷凝水處理系統(tǒng)在禮炮-4上工作65天，1977-1981年在禮炮-6上工作570天，l982-l986年在禮炮-7上工作743天。

該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后直接在和平號(hào)空間站上應(yīng)用。從1986年3月l6日-1999年8月28日共回收冷凝再生水14t，空間站將近50%的水來自冷凝廢水的再生。

（2）電解制氧技術(shù)

俄羅斯研制的流動(dòng)堿性電解制氧系統(tǒng)從1987年作為實(shí)驗(yàn)件開始在和平號(hào)空間站開始進(jìn)行在軌飛行試驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)證后，從1989年開始作為裝站設(shè)備為航天員主份供氧。2000年，該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后裝備在“國(guó)際空間站”俄羅斯星辰號(hào)服務(wù)艙內(nèi)，為其建造立下了汗馬功勞。

（3）CO2去除技術(shù)

俄羅斯對(duì)真空解吸固態(tài)胺CO2去除技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，固態(tài)胺吸附技術(shù)首先在和平號(hào)空間站進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)，并作為主份的CO2去除裝置工作。2000年，該系統(tǒng)裝備在“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段應(yīng)用。

（4）尿處理技術(shù)

俄羅斯早期采用膜滲透燕發(fā)技術(shù)方案，具有空間站長(zhǎng)期飛行試驗(yàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該系統(tǒng)自1990年1月安裝在和平號(hào)空間站開始進(jìn)行飛行試驗(yàn)，截止到l994年2月，共從尿（含預(yù)處理劑）中回收水3550kg。其回收的水主要用于電解制氧。

為解決和平號(hào)空間站中使用的尿收集處理系統(tǒng)的高能耗缺點(diǎn)，“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段開發(fā)了新的多級(jí)旋轉(zhuǎn)蒸餾器技術(shù)。由于該技術(shù)尚未完成在軌飛行驗(yàn)證，因此，目前該系統(tǒng)還未在“國(guó)際空間站”上實(shí)際運(yùn)行。

（5）微量有害氣體去除技術(shù)

微量有害氣體去除技術(shù)在空間站進(jìn)行了充分的飛行驗(yàn)證。禮炮-7的微量有害氣體去除系統(tǒng)驗(yàn)證1個(gè)獨(dú)立的活性炭配上催化劑凈化罐和5個(gè)KO2配上活性炭?jī)艋薜募夹g(shù)。

和平號(hào)空間站的微量有害氣體凈化系統(tǒng)采用了再生與非再生相結(jié)合的方法控制座艙大氣中的微量有害氣體，利用催化氧化的方法消除CO和H2，用活性炭去除各類揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)，其中吸附大分子量各類揮發(fā)性有機(jī)物的活性炭和吸收酸性、堿性無機(jī)氣體的浸漬炭由于用量最少且難再生，對(duì)其不進(jìn)行再生處理。而對(duì)吸附小分子量各類揮發(fā)性有機(jī)物的活性炭用熟真空的方法進(jìn)行再生處理，反復(fù)利用。經(jīng)飛行試驗(yàn)表明，該技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)期控制艙內(nèi)的微量有害氣體水平是有效的。

“國(guó)際空間站”俄羅斯艙段沿用了和平號(hào)微量有害氣體凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，并于2003年3月24日增加了專門用于處理CH4的高溫催化氧化裝置。

美國(guó)環(huán)控生保技術(shù)在軌驗(yàn)證情況

（1）冷凝水處理技術(shù)

美國(guó)的冷凝水處理系統(tǒng)采用催化氧化的方案。該系統(tǒng)于2008年隨航天飛機(jī)運(yùn)到“國(guó)際空間站”美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙，開展在軌飛行試驗(yàn)；完成所有的在軌試驗(yàn)后，于2010年轉(zhuǎn)入節(jié)點(diǎn)-3艙，正式裝站應(yīng)用。

（2）電解制氧技術(shù)

美國(guó)的電解制氧系統(tǒng)于2006年7月由航天飛機(jī)帶到“國(guó)際空間站”美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙，開始進(jìn)行在軌飛行試驗(yàn)，針對(duì)在軌試驗(yàn)的問題，進(jìn)行了改進(jìn)，最終在2010年1月轉(zhuǎn)入到節(jié)點(diǎn)-3艙，正式裝站應(yīng)用。

（3）CO2去除技術(shù)

美國(guó)在“天空實(shí)驗(yàn)室”的生命保障系統(tǒng)中對(duì)分子篩CO2去除技術(shù)進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，并獲得了良好的CO2凈化效果。2001年2月，英國(guó)的四床分子篩CO2去除裝置在“國(guó)際空間站”裝站應(yīng)用。

（4）尿處理技術(shù)

美國(guó)空間站尿處理技術(shù)采用蒸氣壓縮蒸餾（VCD）的技術(shù)方案，該技術(shù)的研究開發(fā)經(jīng)歷了幾十年的歷程，在實(shí)現(xiàn)“國(guó)際空間站”應(yīng)用前，首先對(duì)核心的旋轉(zhuǎn)鼓（DA）在航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證；2008年，整個(gè)系統(tǒng)隨航天飛機(jī)發(fā)射進(jìn)入美國(guó)實(shí)驗(yàn)艙，進(jìn)行在軌飛行驗(yàn)證；完成所有的試驗(yàn)后，與2010年轉(zhuǎn)入3號(hào)節(jié)點(diǎn)艙正式應(yīng)用。

“國(guó)際空間站”主要的動(dòng)植物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)裝置

（5）微量有害氣體去除技術(shù)

“天空實(shí)驗(yàn)室”對(duì)微量有害氣體的再生吸咐凈化進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，具體內(nèi)容是將活性炭置于分子篩床內(nèi)，載人飛行期間活性炭可與分子篩一起進(jìn)行再生。在此基礎(chǔ)上，國(guó)際空間站進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)，采用高溫催化氧化與吸附凈化技術(shù)相結(jié)合的方法，凈化艙內(nèi)有害氣體。該裝置在2001年裝備在美國(guó)艙段應(yīng)用。

受控生態(tài)生保系統(tǒng)關(guān)鍵功能部件空間飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

受控生態(tài)生保系統(tǒng)主要通過高等植物和微藻為乘員生產(chǎn)食物、氧氣和水，并去除乘員產(chǎn)生的CO2等氣體；通過飼養(yǎng)動(dòng)物為乘員提供動(dòng)物蛋白；通過微生物的分解作用，將系統(tǒng)內(nèi)的廢物轉(zhuǎn)化為可再用的物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的完全閉合循環(huán)。因此，該系統(tǒng)主要有植物/藻類培養(yǎng)裝置（子系統(tǒng)）、動(dòng)物培養(yǎng)裝置（子系統(tǒng)）、微生物廢水/廢物處理裝置等組成。

目前，美、俄等國(guó)利用和平號(hào)空間站、航天飛機(jī)以及“國(guó)際空間站”開展了受控生態(tài)生保系統(tǒng)動(dòng)植物培養(yǎng)裝置（或子系統(tǒng)）的空間飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?？臻g飛行實(shí)驗(yàn)主要目的是考察生物（包括動(dòng)物、植物、藻類和微生物等）在空間的適應(yīng)能力，以及動(dòng)物飼養(yǎng)、植物/藻類培養(yǎng)、微生物處理廢物等裝置在空間運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，為將來長(zhǎng)期飛行任務(wù)中的空間站、月球/火星基地上建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

在和平號(hào)空間站上，俄羅斯研制成SVET空間溫室，成功進(jìn)行了小蘿卜、大白菜和小麥等多種蔬菜/糧食作物的栽培試驗(yàn)，其中已經(jīng)對(duì)小麥進(jìn)行了連續(xù)三代從種子到種子的栽培。美國(guó)和俄羅斯的裝置已經(jīng)安裝在“國(guó)際空間站”上，進(jìn)行了小麥、甘藍(lán)和豌豆等幾種作物的栽培試驗(yàn)研究，并獲得了作物完整的生長(zhǎng)周期循環(huán)。

在“國(guó)際空間站”上，美、俄、歐、日等航天大國(guó)和組織為各自的艙段研制成各種類型的動(dòng)植物培養(yǎng)裝置。一方面可利用這些裝置進(jìn)行動(dòng)植物試驗(yàn)研究，為開展生命科學(xué)研究提供良好的試驗(yàn)平臺(tái)；另一方面，通過這些研究為未來空間站建成受控生態(tài)生保系統(tǒng)奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

5 國(guó)外環(huán)控生保系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)航空航天局于2010年10月發(fā)布了《空間技術(shù)發(fā)展路線圖草案—人類健康生活支持和居住系統(tǒng)（HLHS）》。草案提出了近地軌道以外的航天任務(wù)中需要面臨的五大需求，包括高可靠、自供給、后勤最小化需求，為乘員提供執(zhí)行任務(wù)及突發(fā)情況時(shí)的保護(hù)以應(yīng)對(duì)空間特殊環(huán)境的需求，應(yīng)對(duì)乘員生理、心理健康問題，對(duì)航天器火情、再生系統(tǒng)等安全監(jiān)測(cè)和應(yīng)急需求；對(duì)空間輻射及其他健康危險(xiǎn)要素需制定防護(hù)和減緩措施。

該路線圖將人類健康生活支持和居住系統(tǒng)分為包括環(huán)控生保分系統(tǒng)在內(nèi)的5個(gè)分系統(tǒng)，按照從地面驗(yàn)證到空間驗(yàn)證的發(fā)展思路。其中，環(huán)控生保系統(tǒng)解決航天器空氣再生、水再生和管理、廢物管理、食物生產(chǎn)的問題。到2030年要建立一個(gè)超過95%的氧氣由植物釋放，超過98%的水由生態(tài)系統(tǒng)再生，超過95%的資源可回收，具備食物自產(chǎn)能力的綠色生態(tài)的受控生保系統(tǒng)。

美國(guó)航空航天局提出未來深空探測(cè)要求生保系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)有三點(diǎn)：①采用自主監(jiān)測(cè)的高可靠性的、易維護(hù)的流程和集成系統(tǒng)；②增加自給自足，啟用高度可靠的手段恢復(fù)生命支持物質(zhì)，如氧氣、水和食物；③最小化的物流供應(yīng)，以減少整體備件質(zhì)量。

因此，環(huán)控生保系統(tǒng)需要解決4個(gè)問題：大規(guī)模氧氣再生和存儲(chǔ)、水循環(huán)和管理、固體廢物最小化和可循環(huán)利用、自主補(bǔ)給和清潔衛(wèi)生的閉環(huán)居住環(huán)境。圍繞這4個(gè)問題，美國(guó)航空航天局在草案中提出了解決辦法，其下屬的艾姆斯研究中心、肯尼迪航天中心、約翰遜航天中心等研究機(jī)構(gòu)開展了相應(yīng)研究。

在氧氣再生問題上，航空航天局研究通過提高排氣通道中動(dòng)態(tài)機(jī)電機(jī)械設(shè)備以及組件（包括閥門、壓縮機(jī)等）的可靠性，避免吸附劑、熱交換器涂料隨時(shí)間推移的關(guān)鍵性能損失，以提高系統(tǒng)可靠性和氧氣再生率。提高氧氣再生設(shè)備的控制能力，研究氧氣高壓液化技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧氣高密度存儲(chǔ)，滿足未來覆蓋行星基地表面的需要。艾姆斯研究中心2012年研究出一種固態(tài)吸附技術(shù)實(shí)現(xiàn)CO2的分離和壓縮，其研究的變溫吸附壓縮機(jī)未來可替代現(xiàn)在空間站生保系統(tǒng)中的機(jī)械壓縮機(jī)，能為飛船運(yùn)輸節(jié)省大約900kg/年的載重量。

氣相催化氨去除系統(tǒng)

廢物氧化/焚化系統(tǒng)

在水循環(huán)的解決方案上，由于廢水物理、化學(xué)和微生物的復(fù)雜及多變性，與氧氣再生類似，美國(guó)航空航天局提出研究提高動(dòng)態(tài)機(jī)電設(shè)備（包括真空管、抽水機(jī)、氣體/液體分離器）和靜態(tài)材料（吸附劑、催化劑、膜）的可靠性及穩(wěn)定性，保護(hù)設(shè)備免受雙向生理和化學(xué)結(jié)垢、氣態(tài)污染物（例如氨）釋放的影響，并開發(fā)從更多的潛在廢水源的水再生技術(shù)。2012年美國(guó)航空航天局艾姆斯生命科學(xué)部宣布研究出氣相催化氨去除（VPCAR）系統(tǒng)，這是一種單步的水回收系統(tǒng)，3年內(nèi)無需消耗品或維護(hù)，比目前“國(guó)際空間站”使用的最先進(jìn)的水回收系統(tǒng)先進(jìn)很多。

在固體廢物管理上，美國(guó)航空航天局考慮通過水再生、空氣再生等其他子系統(tǒng)對(duì)資源進(jìn)行檢索和重用，通過耗材、航天器材料的預(yù)先選擇，原料制造有價(jià)值的產(chǎn)品比如防輻射材料、燃料的原料等。該局設(shè)計(jì)的可生物降解材料能顯著提高資源恢復(fù)并減少殘留。艾姆斯中心開發(fā)的廢物氧化/焚化系統(tǒng)在約翰遜航天中心經(jīng)過高級(jí)生命支持（ALS）系統(tǒng)第三階段長(zhǎng)達(dá)91天的集成系統(tǒng)測(cè)試，焚燒爐中的所有痕量污染氣體成分明顯低于航天器的最大允許濃度（SMAC）值，這是首次在閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)試中采用的廢物處理技術(shù)。艾姆斯研究中心還研究采用碳納米管捕獲微量污染物，并將它們轉(zhuǎn)換成有用的產(chǎn)品（如氮氧化物轉(zhuǎn)化成N2和O2），具有卓越的痕量污染物控制能力。

在以往的居住系統(tǒng)中，衣物和消耗品都是從地面運(yùn)輸?shù)?，不滿足可靠性、質(zhì)量、體積和自主性的要求。為了應(yīng)對(duì)深空飛行模式，必須建立閉合系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)部分循環(huán)。通過基因工程提高植物收獲指數(shù)、蛋白質(zhì)、維生素含量，創(chuàng)造高效、量大的作物。美國(guó)科學(xué)家克里斯?布朗使用納米技術(shù)和生物技術(shù)開發(fā)了可編程植物。航空航天局正在研究解決用于糧食生產(chǎn)的照明技術(shù)，包括發(fā)光二級(jí)管或太陽光的捕獲技術(shù)等，并在約翰遜航天中心構(gòu)建了太空農(nóng)場(chǎng)模型。如果在太空中建立一個(gè)“溫室”，光源需要盡可能高效，以減少能源需求。在居住系統(tǒng)的清潔問題上，尿液預(yù)處理和衛(wèi)生清潔劑等必須符合水回收技術(shù)，未來將研究碎屑收集設(shè)備、表面清潔系統(tǒng)、基于包裝材料的儲(chǔ)存技術(shù)、抗菌防腐恢復(fù)控制、火災(zāi)后處理等先進(jìn)技術(shù)。

美國(guó)航空航天局還提出深空探測(cè)的環(huán)控生保技術(shù)可以用于地球環(huán)境的改善和保護(hù)上，可應(yīng)用的領(lǐng)域包括：空氣污染控制技術(shù)、CO2去除和封存技術(shù)、廢水處理至飲用水標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的環(huán)保檢測(cè)技術(shù)、替代能源的生產(chǎn)（如生物燃料）、減少?gòu)U物和副產(chǎn)品發(fā)電、電源效率最大化、先進(jìn)的食品生產(chǎn)技術(shù)。

除美國(guó)航空航天局外，俄羅斯研制的環(huán)控生保分系統(tǒng)的閉合性也很高 ,但目前其內(nèi)部生產(chǎn)的食物大多是植物性的，不能滿足全營(yíng)養(yǎng)的要求，還需要每天從系統(tǒng)外為每人提供30g的蛋白質(zhì)食物。因此，今后的任務(wù)是在系統(tǒng)中飼養(yǎng)動(dòng)物以提供動(dòng)物蛋白質(zhì)。如果能夠把動(dòng)物蛋白的生產(chǎn)過程和尿的處理過程結(jié)合起來，可能是比較理想的。目前，俄羅斯專家提出在系統(tǒng)內(nèi)加一個(gè)小咸水湖來養(yǎng)魚，同時(shí)將水中一部分鹽提取出來，這些措施都可以大大提高系統(tǒng)的閉合性。

6 我國(guó)環(huán)控生保系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和差距分析

我國(guó)從1968年就開始了曙光號(hào)飛船環(huán)控生保系統(tǒng)的預(yù)先研究、總體研究和關(guān)鍵設(shè)備的研究，以及系統(tǒng)地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。1992年我國(guó)正式啟動(dòng)載人航天工程，環(huán)控生保技術(shù)進(jìn)入工程研制階段。經(jīng)過“神舟”載人飛行任務(wù)的考核，我國(guó)已突破了座艙大氣壓力控制、大氣凈化、大氣溫濕度控制、大氣通風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)，并就火災(zāi)應(yīng)急、壓力應(yīng)急、著陸應(yīng)急狀態(tài)下的關(guān)鍵問題進(jìn)行了攻關(guān)。

面向未來載人深空探測(cè)需求，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)也在積極研究受控生保系統(tǒng)技術(shù)。2012年12月，我國(guó)首次受控生態(tài)生保地面集成試驗(yàn)取得成功。30天的試驗(yàn)由2名飛行員在密閉試驗(yàn)艙中，通過艙內(nèi)種植36m2的食用蔬菜及微生物，達(dá)成O2、CO2、水等物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡。

但是，與美、俄等國(guó)相比，我國(guó)環(huán)控生保技術(shù)仍存在較大差距。未來，按照載人航天發(fā)展路線圖，規(guī)劃我國(guó)環(huán)控生保系統(tǒng)發(fā)展，在空間站上實(shí)現(xiàn)物化再生式生保系統(tǒng)的工程應(yīng)用，應(yīng)依托空間站優(yōu)勢(shì)，研究受控生保系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)提升我國(guó)空間話語權(quán)，加速載人航天工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)乃至行星基地建設(shè)具有重要意義。