第一篇 绪论
第1章 概念、构成、原理与应用
随着美国、俄罗斯、欧洲航天局(European Space Agency， ESA)、日本等国家或航天组织提出并实施载人登月和载人火星飞行并建立地外星球基地的计划，受控生态生保技术受到国际航天界的日益重视。本章主要就受控生态生保系统的概念、受控生态生保系统与其他相关载人航天器生保系统的异同、受控生态生保系统需要主要开展的相关研究任务及其在未来载人深空探测和月球 /火星等地外星球表面驻留等载人航天环境控制与生命保障中的作用及意义等进行简要介绍。
1.1 背景分析
开展长期载人航天、载人深空探测和地外星球 (如月球和火星 )的定居与开发等是我国未来航天事业发展的必然方向。诚然，在月球甚至火星上建立家园或基地是我们中国人乃至全人类的千年梦想，这不仅是为了满足人们的好奇心和求知欲，而且具有重大而深远的政治、军事、科技和经济意义，即能够极大地彰显国力，并实现开疆拓土、地外移民、能源开发、特殊材料制备、科学探索和太空旅游等(MacElroy and Averner， 1978)。目前，不仅美国和俄罗斯等国家提出 2030年前后的载人登月计划，我国也正式提出 2030年实现载人探月，长远目标则是建立月球科考站和月球基地，并作为前哨为载人登火和建立火星基地奠定基础。
就目前的航天技术发展水平来看，人类并非不能登上月球或火星 (事实上，美国在 20世纪 60～70年代“阿波罗”计划期间已经多次登上月球 )，而关键问题是无法长期驻留，其重要瓶颈就是无法实现食物等生保物资的持久供应。因此，要实现这一目标，其首要条件之一就是建立与之相适应的环境控制与生命保障系统 (简称环控生保系统 )。该系统必须能够利用有限的资源就地持续再生航天员生活所需的食物、氧气和水等全部最基本的生保物资，而从地面补给不仅运费惊人，从技术上也难以实现。事实上，能否成功建立相应的环控生保系统是开展月球定居与开发以及载人火星飞行与表面驻留的重要瓶颈因素之一 (Gitelson， 1992; Wheeler， 2017)。
目前，应用于载人航天的环境控制生命保障系统，包括非再生式生命保障系统(non-regenerative life support system， NLSS)和物理 /化学再生式生命保障系统 (physical-chemical life support system， PCLSS)两种类型。非再生式生命保障系统又被称为储存式生命保障系统、开环生命保障系统或第一代生命保障系统，即航天员生存所需的氧气、水和食物均通过运输飞船或航天飞机从地面补给。该生命保障系统适合于短期载人飞行，而在中长期载人飞行中这样做势必会导致后勤保障费用十分昂贵，这不仅在技术上有一定难度，而且其安全可靠性也没有保证。物理化学再生式生命保障系统又被称为半储存式生命保障系统、半闭环生命保障系统或第二代生命保障系统。尽管该系统通过物化方法能够再生氧气和水，但无法再生食物而必须予以补给。物理化学再生式生命保障系统适合于空间站等中长期低地球轨道的载人飞行，而在长期载人飞行中这样做同样会面临食物的后勤补给费用昂贵、技术难度大和安全可靠性不高等难题。因此，基于此分析，必须在空间基地发展能够就地同时再生食物、氧气和水的高级环控生保系统，即受控生态生命保障系统(Olson et al.， 1984)。
1.2 基本概念
20世纪 80年代初，美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration， NASA)最先提到受控生态生命保障系统 (controlled ecological life support system， CELSS)这一概念名称。受控生态生命保障系统，又被称为密闭生态生命保障系统(closed ecological life support system， CELSS)、生物再生生命保障系统(bio-regenerative life support system， BLSS)、生物生命保障系统 (biological life support system， BLSS)，简称受控生态生保系统。不久之后， NASA将受控生态生保系统改称为高级生保系统(advanced life support system， ALSS)。另外，受控生态生保系统又被俗称为太空农场(space farm)或太空农业 (space agriculture)。作者认为，受控生态生保系统相比其他名称，能够较为准确地反映该技术的学科特点和内在本质，因此在本书中统一采用受控生态生保系统这一名称，简称 CELSS。
CELSS是基于月球或火星等地外星球表面环境特点而人工建造的密闭微生态循环系统，其以空间科学、生物学、生态学和环境科学等多种学科为依据，以地球生物圈的基本原理为参考，以植物的光合作用为出发点，通过利用各种先进技术，合理、高效、可控地组合和运用“生产者 (植物/藻类/动物)”、“消费者 (人/动物)”和“分解者 (微生物 /物化降解技术 )”之间的食物链关系，实现系统中有限资源的重复再生利用，从而为长期空间飞行或地外星球驻留人员持续提供氧气 (O2)、水和食物等生保物资，因此它是一种全封闭、基本自给自足和自主物质循环的生命保障系统。在该系统中，植物通过光合作用将光能 (来自太阳光或光电转换)转化成化学能储存在有机物中，为异养生物 (人和动物 )提供食物和 O2，同时又将异养生物排出的二氧化碳(CO2)和其他废物转化成上述有用产品，由此构成系统的碳循环和氧循环；植物通过根系吸收和叶片的蒸腾作用实现水的净化而参与系统的水循环；系统中的微生物对废气、废水及动植物的不可食用部分以及人及动物的排泄物等进行降解和矿化处理(mineralization)，从而为植物提供养料，为动物提供部分食品，使废物得到再生利用，由此建立起一个由植物、动物、微生物、人以及一些必要的有机与无机环境构成的物质和能量不断循环与更新的人工密闭生态系统(图 1.1)(MacElroy and Bredt， 1984)。
图 1.1 CELSS基本工作原理示意图
另外，受到航天器发射大小及重量、地外星球表面环境严酷和原位资源匮乏等条件限制，故而对 CELSS提出了极高要求，这样对其必须辅助以其他必要的工程技术手段来确保系统中物质流能够高速率、高闭合度、高效率和高安全可靠性地运行。可采用的工程技术手段，包括针对载人飞船的非再生式生命保障系统和针对空间站的物理化学再生式生命保障系统，主要在于促进系统中大气、水和固体废物的加速再生循环与利用。因此，CELSS又被称为非携带式生命保障系统、闭环生命保障系统或第三代生命保障系统(Barta and Henninger， 1994)。未来飞行任务中不同航天器及地外星球基地生保系统设计特征如表 1.1所示。
表 1.1 未来飞行任务中不同航天器及地外星球基地生保系统设计特征所用技术 非再生式生命保障技术 物理化学再生式生命保障技术 受控生态生命保障技术 受控生态生命保障技术由此可见，CELSS既是涉及多学科综合与交叉的多元生物系统，同时也是多种技术门类并存而异常复杂的多元工程系统，需要解决涉及生态与环境工程、光电、信息和高端自动化控制等大量关键技术和科学问题。
1.3 基本理论和原则要求
1.3.1 生态学和生态系统理论
生态学和生态系统理论原理对于研究航天器生命保障系统中生物和非生物部件之间的物质和能量交换过程至关重要。《韦氏词典》(Merriam-Webster Dictionarg)将生态学定义为“处理生物群体与其环境之间关系的科学(science that deals with the relationships between groups of living things and their environments)”，而把生态系统定义为“作为一个生态单元发挥作用的有机体及其环境的群落复合体(complex of a community of organisms and its environment functioning as an ecological unit)”。另一种生态系统的定义是“包含有机体及其生存环境的结构和功能整体，在其中持续进行生物材料和能量交换，以保障自主系统实现可持续运行”(Eckart， 1996)。
按照上述定义，用于空间生命保障的生物系统应属于生态系统 (ecological system或 ecosystem)。事实上，可以将航天器居住舱认为是乘员的生态系统，其在航天器环境中进行能量或物质交换。生态系统具有自然和人工边界，其对于能量和物质(包括水和气等)的恒流量( constant flux)是开放的。生物部件包括自养型 (生产者 )和异养型 (消费者或分解者 )。栖息地是物种的居住地，而小生境是物种的工作或“施动”场所。假如多物种完成同样的工作，则会导致出现功能冗余。多样性是指系统中所存在物种的多样化。许多生态学家推测在生态系统中物种的多样性会促进系统运行的稳定性。假如这一理论成立，那么多样性对于空间 CELSS是一种重要的设计考虑因素。另外已知，促使生态系统运行的非生命过程是能量流和物质循环，例如碳、氮和磷等物质在非生物和生物部件之间通过生物地球化学循环过程进行反复再生。1840年，德国化学家利比希(Baron Justus von Liebig， 1803～1873)在其所著的《化学在农业和生理学上的应用》一书中，分析了土壤与植物生长的关系，认为每种植物都需要一定种类和数量的营养元素，并阐明在植物生长所必需的元素中，供给量最少 (即与需求量相差较大 )的元素决定着植物的产量。例如，假如土壤中的氮、钾、磷可分别维持 250kg、350kg、500kg的产量，则植物的实际产量只能最终达到 250kg。若多施一倍的氮，则产量将停留在 350kg，因为这时的产量受到了钾的限制。利比希指出：任何生长因子的存在量低于某种生物所需要的最小量时，这种因子即成为决定该物种生存或分布的根本限制因子。这就是利比希最小因子定律 (Liebig’s law of the minimum)。这样，即导致形成动力学平衡条件，从长期看来，流入与流出会达到平衡，并能够承受该环境条件下的各种扰动作用(Eckart， 1996)。
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