随着我国航天技术的飞速发展,载人航天任务时限不断延长,固体废弃物处理已成为亟待解决的突出问题.本文分析了不同航天任务中固体废弃物的构成特点和成分差异,并与地面生活垃圾的组成进行比较,阐释了航天废弃物的元素组成特点,结合对国外长期航天任务废弃物处理方案的剖析,归纳提出了适合中长期航天任务实施的固体废弃物处理方案和管理策略,以期对我国中长期航天任务中固体废弃物的再生循环利用和合理处置方式的选择提供有价值的参考.

目的 观察4名参试乘员在受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CLESS)平台内工作和生活180 d的听觉生理学变化规律.方法 通过测量CLESS系统中各个舱段的噪声声压级、分布状况和乘员个人噪声暴露剂量,评估噪声暴露水平.在舱内,利用便携式设备对乘员的听力水平变化进行动态跟踪分析,获得乘员听觉生理的变化规律和趋势,评估180 d持续密闭环境对乘员听力水平的影响.结果 180 d密闭环境条件下采用便携式设备测试听力,满足了长期航天密闭条件下的乘员听力监测需求;CLESS平台工作的噪声水平下,180 d内舱内乘员听力水平基本稳定,试验第5个月开始个别乘员单耳听力有3个以上频率段发生10 dB以上的下降.结论 180 d密闭环境噪声下,个别乘员听力水平在后期有下降趋势.

目的 了解受控生态生保系统下长期生存对乘员体表微生物种群状况的影响.方法 利用地面密闭舱4人180天实验,分别于实验前、进舱后30天、60天、90天、120天、150天及撤离前,对4名乘员的体表(包括额头、耳后、肘窝、腋窝,腹股沟)进行采样,采用16S rDNA V3-V4区的Illumina高通量测序技术,并进行生物信息学分析,包括群落结构、多样性、主坐标及物种丰度分析.结果 肘窝和前额菌群多样性显著高于其他体表位置.体表菌属主要分属放线菌门、厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门等.在属水平,5个部位优势菌属为棒状杆菌和葡萄球菌,此外丙酸杆菌属在额头和耳后两位置也占优势比例.主坐标分析结果显示在属水平,肘窝在构成上有独立性,腋下和腹股沟菌群结构相似,额头和耳后菌群结构相似.与进舱前比较,乘员在进舱后第1个月菌群变化明显,之后逐渐恢复稳态.结论 人体在不同体表位置菌群多样性不同;菌群结构在门水平差异小,但在属水平不同部位菌群结果有所差异.受控生态生保系统密闭环境作为应激因素可影响体表菌群结构.

目的 面向星球基地生命保障系统的工程应用需求,探索物化再生生保与生物再生生保技术的整合方法,考察多乘员、中长期受控生态生保系统运行规律.方法 设计并建成具备环境控制、物质循环以及应急生保功能的大型密闭生态循环系统试验平台,并通过拟人试验(40 d)与载人试验(180 d)的流程设计,量化考核物质循环从物化再生逐渐过渡到生物再生并维持平衡的协同匹配规律.结果 220 d的全封闭试验期间,密闭系统内环境参数控制在安全水平,基本实现人和植物生存环境的独立有效控制;载人试验期间物质流循环总体平稳,实现大气和水的100％ 再生,食物闭合度达到55％,同时可资源化固废回用率达到87.7％.结论 验证了受控生态生保系统全流程构建模式,积累了建设和运行经验,为后续工程化应用研究提供了借鉴和参考.

4人180天受控生态生保系统集成试验是针对深空探测后续长期载人航天任务需求开展的关键技术预先性研究.该试验以未来月球或火星航天员基地受控生态生保系统的研制及其工程化为任务背景,在中国航天员科研训练中心长期实验室研究和初步系统集成试验研究的基础上开展的由4人乘组参与的集成要素多、封闭时间长、物质闭合度高的受控生态生保系统集成技术试验.试验系统引入受控生态概念,以生物再生为主要技术特征,有机融合物化再生技术和基础性环境控制技术,构建成适合多乘员长时间驻留的第三代载人航天环境控制与生命保障的试验系统.本文概述了试验平台基本情况、志愿者乘组情况、试验项目设置、试验条件控制、试验基本结果等内容,并初步讨论了受控生态生保系统集成试验的科学目标与未来发展前景.

目的 制定科学合理的营养保障措施,探讨受控生态密闭系统环境下营养代谢变化规律.方法 招募4名受试者进入密闭舱开展180天受控生态环境实验,实验期间分别收集4名受试者的晨尿.运用高分辨质谱(UHPLC-Q/Exactive)检测尿液中的小分子代谢物,建立偏最小二乘判别分析模型筛选密闭环境下显著变化的代谢物,研究受控生态密闭系统环境对人体营养代谢的影响,并通过代谢通路分析识别密闭环境下的代谢变化.结果 共有70个小分子代谢物发生了显著的变化,反映了密闭环境下对人体蛋白分解、能量代谢、脂质氧化、肠道菌群结构等的影响.结论 长期受控生态密闭系统环境下人体小分子营养代谢产物发生了变化,需要有针对性的采取营养防护措施.

目的 在中国文化背景下探讨长期封闭隔离环境中个体情绪和认知水平适应进程阶段变化的特征.方法 以1名女性和3名男性乘员组成的4人乘组为对象,测试其在密闭隔离环控生保舱中生活、工作180天过程中焦虑和抑郁症状、正负情绪成分和应急决策能力的变化情况.结果 乘组正负情绪成分随实验进程呈现相似的波动趋势,其中负性成分之间显著正相关,正性成分有力—好动与抑郁症状显著负相关(P＜0.05).愤怒—敌意变化差异显著(P＜0.05),但与情绪症状得分相关不显著.应急决策能力与情绪变化在相应的时间区间存在对应波动,其中过分自信/信心不足变化差异显著(P＜0.05).结论 与美、俄不同,中国乘组ICE环境情绪症状可能受愤怒因子影响较少.情绪和认知的适应进程可辨识出两对应变化的特征阶段.

目的 利用“绿航星际”4人180天受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)试验平台,研究小麦在受控生态生保系统中的生长发育动态和生物学特性,为小麦植物部件在该系统的工程应用积累数据.方法 对小麦(Wt03)全生育期不同生长天数的重要性状和生物量积累情况进行动态监测,并比较小麦在受控生态环境下与大田的生物学特性差异,全面观察和记录小麦在CELSS中的生长发育特性.结果 从移栽后15 d到85 d,小麦的总生物量积累从209.15 g/m2增长到2379.59 g/m2,收获可食部分干重13.41 g/(m2·d).相比大田环境,小麦在受控生态环境下的生育期相对缩短,其性状上株高明显变矮,单稳重下降,但旗叶变大,单株有效穗增多,产量比大田提高53％.结论 该小麦品种在密闭系统中有良好的适应性,产量较高,适合用作受控生态生保系统生物部件.

长时间、远距离、多乘员的载人飞行或星球基地驻留任务中,会产生大量的固体废物.固体废物的稳定化、安全化及资源化处理是载人航天环控生保系统面临的重要挑战,对于保障航天员安全,提高系统物质闭合度、降低地面物资补给,以及减少太空垃圾产生等具有重要意义.本文对载人航天任务背景下国内外固体废物收集、压缩、干燥、氧化、热解、气化及生物处理等技术研究进展进行了综述,对各项技术的适应性进行了初步分析,力求为我国后续开展固体废物处理研究提供借鉴和参考.

目的 设计并验证满足受控生态生保系统集成试验中大气、水以及食物循环需求的植物部件,探索多种高等植物高效生产模式,评估植物连续生产能力.方法 以人的营养需求为基础,设计植物栽培面积及种类;通过2人30天CELSS试验平台筛选出适应密闭环境的植物种类,在“绿航星际”-4人180天CELSS集成试验中对植物的生长及生产能力进行验证.结果 筛选出25种适应CELSS的植物并优化了栽培条件,评估和比较了不同类植物的生产能力及收获指数,部分粮食及油料作物产量未达预期.结论 设计并验证了植物部件在CELSS中的长期运行能力,证明平衡阶段195.36m2可以满足该系统中乘员55％的食物需求,其中28.5m2的种植面积可以完全满足4人对新鲜蔬果的需求.