唐永康，高 峰?，楊京松，蘇煥煥

（1.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室，北京100193；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司機械產(chǎn)品事業(yè)部，北京100094）

1 引言

植物是受控生態(tài)生保系統(tǒng)（Controlled Ecolog?ical Life Support System，CELSS）中的關(guān)鍵生物部件，研究植物在特定人工生態(tài)環(huán)境（如低壓和低光等）中的生理生態(tài)特性，對于降低CELSS系統(tǒng)能耗、更好地發(fā)揮生物部件的功能有重要意義［1］。

月球表面的大氣環(huán)境極為惡劣，如高宇宙輻射、高真空（10－10～ 10－12Pa），以及極端的高溫（127℃）或低溫（－183℃）。因此，將來在月球上建立低壓CELSS并在其中培養(yǎng)植物，可以減少系統(tǒng)的質(zhì)量［2］，降低系統(tǒng)內(nèi)外壓差和結(jié)構(gòu)難度［3］，減少系統(tǒng)的氣體泄漏和消耗［4］。一般研究均認為，在月球基地建立的CELSS所采用的大氣總壓應(yīng)該在54 kPa～30 kPa范圍比較適合［3］。同時，考慮到人生存需要的大氣環(huán)境條件，在月球基地建立的CELSS應(yīng)該是低壓（54 kPa～30 kPa）、高氧（如 21 kPa～30 kPa氧分壓）和高 CO2（如0.8 kPa）環(huán)境［5］。 因此，非常有必要研究低壓、高氧和高CO2環(huán)境條件下植物的生長發(fā)育（如氣體交換）特性，從而掌握相關(guān)的植物培養(yǎng)技術(shù)措施，為乘員提供充足的食物、氧氣和水等生保物資。

目前，國內(nèi)外建立了多臺低壓植物試驗裝置，如中國研制成低壓植物培養(yǎng)裝置，開展了50 kPa壓力下小麥生長發(fā)育研究［6］；美國研制了低壓栽培艙，開展了10 kPa壓力下生菜生長性能試驗［7］；加拿大也利用受控環(huán)境研究裝置研究了不同壓力下生菜葉片的CO2交換特性和蒸騰特性［8］；日本研制成低壓栽培裝置，開展了水稻在不同壓力下的種子萌發(fā)特性研究［9］。這些裝置主要是用于開展低大氣總壓（低壓）和低氧分壓植物培養(yǎng)試驗，沒有開展過低壓高氧試驗研究。

鑒于開展低壓高氧植物試驗的必要性，本文針對低壓高氧植物培養(yǎng)裝置的特殊要求，主要從裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計，耐壓和高透光率有機材料的篩選，低壓大氣環(huán)境中氮氣、氧氣和CO2分壓組成的調(diào)節(jié)等方面優(yōu)化設(shè)計，研制小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置（Small?scale Low Pressure Vegetable?cultivating Fa?cility，SLPVF），并開展蔬菜類作物低壓高氧試驗研究，為將來建立低壓 CELSS系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2 主要技術(shù)指標

本文擬研制三套小型低壓蔬菜栽培裝置，每套裝置均能進行低（常）壓和高氧蔬菜培養(yǎng)試驗?；诤罄m(xù)將要開展的研究對本裝置容積、培養(yǎng)面積、大氣環(huán)境條件（總壓、氧分壓、CO2分壓、溫濕度）和光照條件等的要求，通過綜合分析和考量，該裝置的主要技術(shù)指標和性能要求設(shè)計如表1所示。

表1 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indexes of small?scale low pres?sure vegetable?cultivating facility

3 系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計

所設(shè)計的裝置主要包括以下5個系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、溫濕度與通風控制系統(tǒng)、大氣總壓與分壓控制系統(tǒng)、植物培養(yǎng)系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)，其基本組成如圖1所示。

3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

主要用于提供密閉培養(yǎng)室供蔬菜生長，同時也用于安裝、固定其它各系統(tǒng)，布置氣路和液路管道。通過綜合考慮整個裝置的結(jié)構(gòu)和布局方式以及低壓裝置的技術(shù)特點和要求，先后設(shè)計和完成了小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置的主體結(jié)構(gòu)，主要包含培養(yǎng)室、基座、有機玻璃罩和支撐架，如圖2所示。培養(yǎng)室用于構(gòu)建一個封閉的環(huán)境，主要包括基座和有機玻璃罩?；鶠椴讳P鋼圓桶狀，采用304不銹鋼焊接制成，桶壁厚5 mm，法蘭厚20 mm，桶壁圓周分布各傳感器接口、氣源接口等。底部設(shè)有1個法蘭，可固定熱交換器（冷凝器）。有機玻璃罩壁厚10 mm，有效球直徑690 mm。桶壁、法蘭和有機玻璃罩厚度數(shù)據(jù)均根據(jù)系統(tǒng)控制的最低壓力（10 kPa）對厚度的要求計算所得。支撐架用于支撐整個裝置，由鋁型材搭建而成。頂端用于安裝光源系統(tǒng)，中部用于放置培養(yǎng)室，下部主要用于安裝營養(yǎng)液輸送設(shè)備和大氣總壓和分壓系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備。

圖2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計及實物圖Fig.2 Design drawing and physical picture of struc?tural system in SLPVF

3.2 溫濕度與通風系統(tǒng)

主要用于控制培養(yǎng)室內(nèi)的溫度在15～35℃之間，滿足植物生長對溫度的需求，包括溫度控制、濕度控制和通風組成。溫度控制主要是通過冷凝熱交換技術(shù)實現(xiàn)。軸流風扇將培養(yǎng)室內(nèi)熱量帶到位于培養(yǎng)室中部的柱狀熱交換器上，通過制冷回路將熱量帶到培養(yǎng)室外制冷機組，最后排到室外，從而將栽培室內(nèi)的溫度控制在15～35℃范圍之間。因為培養(yǎng)室溫度總是趨于增加，所以該系統(tǒng)只有冷凝降溫設(shè)計，沒有設(shè)置加熱；系統(tǒng)的除濕主要通過降溫過程來實現(xiàn)，而系統(tǒng)加濕主要是通過超聲波加濕來實現(xiàn)；系統(tǒng)的通風是通過培養(yǎng)室柱狀熱交換器頂部的軸流風扇將空氣由四周向中間匯集，如此往復來實現(xiàn)空氣的循環(huán)流動，保證培養(yǎng)室不同部位溫濕度和大氣成份分布均勻。

3.3 大氣總壓與分壓控制系統(tǒng)

大氣總壓主要是通過壓力傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)的壓力，通過程序軟件來控制真空電磁閥（電磁閥與真空緩沖罐連接，真空泵一直維持真空緩沖罐的壓力），從而達到控制氣體總壓（10～101 kPa）的目的。氧分壓控制（2～50 kPa）主要是通過氧化鋯氧傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)的氧分壓，當氧分壓高于（或低于）設(shè)定值時，供氮（或氧）電磁閥打開，向培養(yǎng)室內(nèi)加氮（或氧）以稀釋（或增加）氧氣，從而達到降低（或增加）氧分壓的目的。CO2分壓控制（0.035 ～2 kPa）與氧分壓相似，主要是通過傳感器測量培養(yǎng)室內(nèi)CO2分壓，當CO2分壓低于設(shè)定值時直接通過供CO2電磁閥向培養(yǎng)室內(nèi)加氣，系統(tǒng)在光照條件下，CO2分壓趨于下降，所以當CO2分壓高于設(shè)定值時（黑暗）一般不進行控制。乙烯氣體去除采用化學去除方法—高錳酸鉀氧化法，即采用商品化的乙烯去除劑，以保證將培養(yǎng)室內(nèi)的乙烯氣體濃度控制在50 ppb以下。系統(tǒng)中的總壓和不同分壓值是根據(jù)開展植物需要的大氣環(huán)境來確定的。

3.4 植物培養(yǎng)系統(tǒng)

植物培養(yǎng)系統(tǒng)主要由營養(yǎng)儲箱、蠕動泵、電磁閥、培養(yǎng)盤、營養(yǎng)液滴頭、培養(yǎng)基質(zhì)、發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）光源，以及培養(yǎng)蔬菜需要的陶瓷基質(zhì)和營養(yǎng)液組成。培養(yǎng)基質(zhì)為多孔陶瓷顆粒，是蔬菜根系生長的介質(zhì)和支撐物，并能貯藏和通過毛細作用傳導一定的水分和養(yǎng)分。培養(yǎng)盤容納栽培基質(zhì)，種植植物，其栽培面積約0.25 m2。水分養(yǎng)分供給設(shè)備由營養(yǎng)液儲液箱、蠕動泵、電磁閥、管路和營養(yǎng)液滴頭組成。營養(yǎng)液供應(yīng)數(shù)量通過植物生長需要和蠕動泵控制。LED光源采用15%藍色LED和85%紅色LED（基于葉菜類蔬菜對紅光和藍光的需求確定），在鋁基板上均勻分布，以保證蔬菜植株能接受相同的光照。LED燈的開啟和關(guān)閉是通過測控軟件直接控制，以實現(xiàn)不同的光周期滿足植物生長的需要。整個LED光源可以上下移動，以滿足不同試驗研究對光照強度的需要。

3.5 測量與控制系統(tǒng)

主要用于采集并儲存栽培裝置的各項傳感器數(shù)據(jù)，并根據(jù)控制流程進行程序控制。系統(tǒng)由測控軟件、測量傳感器、控制繼電器、數(shù)據(jù)采集及I／O模塊等組成。采用LabView軟件編寫程序，具有溫濕度和通風控制、大氣總壓和分壓控制、營養(yǎng)液輸送控制、光周期控制等功能，既可自動運行，也可手動操作。所有測量的參數(shù)數(shù)據(jù)和圖表均實時存儲并可及時查看。

通過以上設(shè)計，研制完成的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置如圖3所示。

圖3 研制完成的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置Fig.3 External view of the small?scale low pressure vegetable?cultivating facility

4 試驗驗證

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

測試培養(yǎng)室的承壓能力、系統(tǒng)的大氣泄漏率、氣體成份控制、溫濕度控制和植物培養(yǎng)是否滿足試驗要求，收集數(shù)據(jù)，積累試驗經(jīng)驗，以此來進一步改進和完善小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置。

4.2 試驗方法和步驟

驗證試驗主要是圍繞結(jié)構(gòu)試驗、大氣總壓與分壓試驗、植物培養(yǎng)試驗和溫濕度試驗來展開。

1）結(jié)構(gòu)試驗

將有機玻璃罩固定并密封，將大氣壓力（絕壓）值設(shè)定并控制到10 kPa，觀察測試大氣總壓變化，記錄有機玻璃罩承壓狀況。

2）大氣總壓與分壓試驗

首先，通過真空泵將裝置內(nèi)的大氣壓力降至相應(yīng)壓力值，停止抽氣，記錄總壓壓力變化，計算大氣泄漏率。然后，在真空罐中通入純氧氣（1個大氣壓力），逐漸降低真空罐中氧氣壓力，測試氧傳感器電壓輸出與氧分壓的關(guān)系。結(jié)束后，在真空罐中通入定量CO2，加入高純氮來創(chuàng)造特定總壓環(huán)境，記錄不同條件下CO2真實值和傳感器測量值。最后，設(shè)定一定的目標總壓、氧分壓和CO2分壓，觀察記錄裝置的自動控制情況。

3）植物培養(yǎng)試驗

用光合有效輻射儀測量LED燈光合有效輻射強度（燈正下方20 cm），并計算有機玻璃的透光率。 在三種總壓（101 kPa、54 kPa和30 kPa）環(huán)境條件下開展植物培養(yǎng)試驗，通過植物生長狀態(tài)判斷裝置的植物培養(yǎng)能力。

4）溫濕度試驗

在植物培養(yǎng)試驗過程中，同步測試裝置的溫濕度控制系統(tǒng)性能。試驗按白天和夜間兩種狀態(tài)進行。

4.3 試驗結(jié)果

4.3.1 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)試驗

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)試驗主要測試該裝置承受負壓能力，即通過真空泵抽負壓，來試驗其耐負壓能力。負壓試驗結(jié)果表明培養(yǎng)室（有機玻璃）能承受10 kPa的負壓，有機玻璃完好無損，滿足設(shè)計指標要求，如圖4所示。

圖4 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置負壓試驗圖Fig.4 Pressure resisting ability of SLPVF

4.3.2 大氣總壓與分壓試驗

漏率測試結(jié)果表明，三套小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置（整體）在不同壓力條件下的大氣平均泄漏率為：5 kPa：1.1 × 10－2Pa·m3／s；30 kPa：3.7 ×10－3Pa·m3／s；54 kPa：3.0 × 10－3Pa·m3／s。 滿足技術(shù)指標要求和試驗研究需要。

傳感器測試方面，圖5（a）中可以看出，氧分壓與氧傳感器的電壓輸出的相關(guān)性非常高（R2＝0.998），表明氧化鋯傳感器不受總壓的影響。同時，根據(jù)試驗結(jié)果，作圖得出了不同低壓下（30 kPa和10 kPa）CO2的校正方程，如圖5（b）所示。

圖6是小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置大氣總壓（30 kPa）、氧分壓 （21 kPa） 和 CO2分壓（0.05 kPa）的控制曲線。總壓降低時，氧分壓和CO2分壓均隨之下降。當總壓降低到30 kPa時，氧分壓和 CO2分壓分別約為 6.2 kPa和0.003 kPa。測控系統(tǒng)開始控制氧氣氣瓶和CO2氣瓶，向培養(yǎng)室添加氧氣和CO2，直至將氧分壓或CO2分壓控制到設(shè)定值。從圖中可以看出，測控系統(tǒng)能將大氣總壓、氧分壓和CO2分壓控制在設(shè)定范圍之內(nèi)。

4.3.3 植物培養(yǎng)試驗

光合有效輻射值測量結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在裝置1、裝置2和裝置3的培養(yǎng)室中部（位置3）光照強度較強（燈下20 cm處測量），而四周相對較弱，但每個培養(yǎng)盒上方的平均光強均比較一致，三套裝置中LED燈光合有效輻射值平均為364 μmol·m－2·s－1。 當蓋上有機玻璃玻璃罩時，其透光率平均為97.2%（三套裝置平均值）。

圖5 不同壓力下氧和CO2的測量曲線Fig.5 O2 and CO2 measurement curves under different total pressure conditions

圖6 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置總壓和分壓試驗圖Fig.6 Curves of total pressure and partial pressure in SLPVF

表2 小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置LED燈光合有效輻射測量Table 2 The testing of photosynthesis active radiation of LED in SLPVF（μmol·m －2·s－1）

圖7為萵苣植株在三種不同總壓條件下的生長狀況。 處理 101／21（圖 7a）、54／21（圖 7b）和30／21（圖 7c）分別表示 101 kPa、54 kPa 和30 kPa總壓，以及21 kPa氧分壓?？梢钥吹?，不同壓力條件下，兩種萵苣植株在定植后培養(yǎng)第10天的生長狀態(tài)均正常。培養(yǎng)結(jié)束時（第10天），分析測試裝置內(nèi)的大氣乙烯濃度為31 ppb。

圖7 小型低壓蔬菜裝置中萵苣植株生長狀態(tài)Fig.7 The growth status of lettuce in SLPVF

植物培養(yǎng)系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，所選用的光源能達到設(shè)計指標和試驗需要，營養(yǎng)液輸送和萵苣植株在該系統(tǒng)中生長正常，大氣環(huán)境參數(shù)均控制在合理范圍內(nèi)，乙烯去除劑能將植物累積產(chǎn)生的乙烯濃度控制設(shè)計范圍內(nèi)。

4.3.4 溫濕度與通風試驗

圖8為針對白天和晚上兩種狀態(tài)，裝置內(nèi)溫濕度控制曲線圖。從圖中可以看出，該裝置能將培養(yǎng)室內(nèi)（有植物生長）低壓條件下的大氣溫濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)：23.5～24.5℃，濕度 55%～65%（白天狀態(tài)）；14.5 ～15.5℃，濕度 55% ～65%（晚上狀態(tài)）。常壓條件下小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置同樣能將培養(yǎng)室的大氣溫濕度控制在設(shè)定范圍內(nèi)。另外，由于環(huán)境因素對裝置的溫濕度控制有一定的影響，所以需要將房間溫度控制在一定的范圍內(nèi)（如22℃）。

圖8 裝置溫濕度控制曲線Fig.8 Temperature and relative humidity control in SLPVF

4.4 討論

1）裝置結(jié)構(gòu)形式

驗證試驗結(jié)果表明，該裝置具有較強的耐負壓能力。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，為充分利用空間，同時降低裝置復雜程度和內(nèi)部的熱負荷，裝置采用圓弧狀有機玻璃作為受光面，并把LED光源設(shè)置在裝置的外上方。這雖然減少了裝置的復雜程度，降低了裝置的重量，但也一定程度上增加了裝置內(nèi)外的熱交換量。

2）總壓和分壓控制

在進行大氣總壓和分壓控制時，應(yīng)綜合考慮傳感器反應(yīng)時間、裝置的容積、氣體的供氣流量，才能精確控制大氣總壓和分壓。傳感器反應(yīng)時間通常為10～20 s左右，如果氣瓶供氣流量太大，將使大氣總壓和分壓嚴重超范圍；氣瓶供氣流量太小則使系統(tǒng)的反應(yīng)時間過長，從而對溫濕度等系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使電磁閥長時間處于通電狀態(tài)，增加安全隱患。所以，應(yīng)根據(jù)計算以及實際的試驗，來調(diào)節(jié)氣瓶供氣閥流量，并在培養(yǎng)室內(nèi)通風風扇聯(lián)合作用下，可保證大氣總壓和分壓控制的速度和精確度符合試驗要求。

3）植物培養(yǎng)

為最大限度利用植物培養(yǎng)空間，充分吸收利用LED的光能，每一株植株之間的間隙較小，裝置內(nèi)培養(yǎng)的植株沒有田間的植株粗壯，但單位時間、空間和能耗條件下，裝置內(nèi)的植株的生物產(chǎn)率更高，達到 6.75 g／m2／kw／d。 此外，本次植物培養(yǎng)試驗主要為驗證裝置在不同低壓環(huán)境下的植物培養(yǎng)性能（不是為比較不同處理下植物的生長差異），不同裝置之間除總壓不同外，氧分壓和CO2分壓等其他參數(shù)均完全一致。而低壓環(huán)境中，影響植物生長的關(guān)鍵參數(shù)主要是氧分壓和CO2分壓，因此三套裝置中植物的生長無顯著性差異。

5 結(jié) 論

本文研制的小型低壓蔬菜培養(yǎng)裝置運行穩(wěn)定，各項環(huán)境參數(shù)控制精確，可以為蔬菜提供在低壓環(huán)境條件下適宜的生長條件。由于該裝置主要用于地面模擬試驗研究，對于空間微重力環(huán)境條件考慮較少，如果在空間條件下應(yīng)用，還需對裝置進一步工程化改造?？傊?，該裝置已完全滿足目前地面模擬試驗研究的需求，可以用于后續(xù)開展相應(yīng)的試驗研究工作。

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