生命保障從深空到深海

董琛

從深空到深海，中國力量正在立體地重塑世界科技格局。

全世界正在掀起新一輪深空探測熱潮，

進行載人深空探測，并建立永久性月球、火星基地，

首先必須建立與之相適應的空間生命保障系統和技術。

空間生命保障是在太空環境中為航天員提供維持生命必需的

物質和各類生活支持設施，

解決在太空飛行條件下，航天員飲水、

進食和處理個人衛生所遇到的特殊困難，保證人的正常生理活動的技術。

總體來說，空間生命保障技術分為三類：

非再生式生命保障技術，物理/化學再生式生命保障技術，

生物再生式生命保障技術。

這三類空間生命保障技術，具體采用哪一類生命保障技術，

與飛行任務的具體要求、任務時間、離地球距離、乘員組人數、

技術難度和經費條件等密切相關，

需要在技術、經濟分析的基礎上做出決定。

深空探測的生命保障技術

現今國際主要使用的航天器內生命保障系統基本都采用了物理/化學再生式生命保障技術，它是維持載人航天器密閉艙內大氣環境組成穩定，保障航天員安全、生活和工作的綜合設備系統。

一般一個太空乘員每天需要消耗總重約5公斤的氧氣、水和食物。與此同時，他將排泄出多種代謝終產物。每次飛行任務都需要按照消耗狀況安排儲備。另外，必要廢物的數量和種類會根據任務持續時間而不同，如果任務時間超過一周，就要考慮毛發、指甲、皮膚碎屑和其他生理廢物。太空中的其他環境因素，比如輻射、重力、噪音、震動和照明，盡管不像代謝參數變化對人產生反應那樣迅速，也都會影響人的生理反應。

當今仍在軌運行的國際空間站（International Space Station，ISS，美國、俄羅斯等十多個國家一起參與運行）是一個在近地軌道上運行的科研設施。環境控制和生命保障系統是空間站各系統中較為復雜的一個，系統方案的選擇是否合理、正確，將直接影響到別的系統和整個空間站的功耗、成本和質量，也將影響到地面后勤保障系統的補給周期和補給量。

現行國際空間站是半密閉式系統，使水和氧氣形成閉合回路，系統無需補給這些消耗性物質，僅對航天員供應含水食物和補給艙體泄漏損失所消耗的氣體，在系統設計上主要解決艙內大氣的再生和廢水的回收處理。氣體的再生技術是將空間站內航天員代謝產生的二氧化碳進行收集和濃縮，供給“薩巴蒂爾反應系統”進行加氫還原成水，水再供給電解系統進行電解產氧；廢水的回收處理技術是將空間站內大氣中的冷凝水、航天員生活用水和生理廢水進行回收處理，電解水產生的氧氣供給航天員呼吸消耗，產生的氫氣可供給“薩巴蒂爾反應系統”進行還原反應。

值得一提的是，“生物再生式生命保障技術”是當今世界上最先進的閉環回路生命保障技術，是未來月球、火星基地等載人深空探測所需的技術之一，且由于其難度和復雜性高而優先級最高。“建成具有自主知識產權的生物再生式生命保障系統，解決建立月球基地生態環境中的關鍵性理論與技術問題，為建立火星長期居住基地解決生態生命保障問題”是我國空間科技發展的戰略目標之一。

生物再生式生命保障技術實際上是一套整合的系統，是基于生態系統原理將生物技術與工程控制技術有機結合，構建由植物、動物、微生物組成的人工生態系統。水和食物這些人類生活所必需的物質可在系統內循環再生，并為乘員提供類似于地球生物圈的生態環境。人進入這個人工生態系統中，成為生態系統的消費者鏈環同時發揮控制者的功能，構成閉合人工生態系統。

我國從20世紀90年代中期開始進行生物再生式生命保障技術方面的探索性研究，以北京航空航天大學為代表的一些大學和研究機構在有關的國際調研分析和關鍵單元技術的研究上開展了大量工作。2013年，北京航空航天大學建立了我國第一個、世界第三個空間基地生命保障地基綜合實驗裝置“月宮一號”，并于2014年5月成功完成了首次長期高閉合度集成實驗，密閉實驗持續了105天。2016年12月，中國航天員科研訓練中心和深圳太空科技南方研究院主導，16個國內外單位共同參與的“綠航星際”4人180天受控生態生保系統集成試驗（“太空180”大科學試驗）圓滿完成，深化了中國對于第三代航天環控生保系統的認識。“月宮一號”和“太空180”大科學試驗的成功，標志著中國航天的深空生命保障技術已經開始處于國際領先水平了。

未來的深海空間站

浩瀚無垠的天空和深不見底的大海，人類到底對哪一個了解更少呢？估計答案會出乎很多人的意料，其實我們對海洋遠比不上對太空的了解。

深海空間站代表了海洋領域的前沿核心技術，人類在太空建立的空間站始于1971年，前蘇聯成功發射升空的“禮炮一號”，它是人類歷史上首個空間站，現行的國際空間站是人類歷史上第9個載人的空間站。深海空間站屬于深海（目前定義為500米）裝備的范疇，深海裝備由于要適應其所處的深海復雜、嚴酷環境，在技術發展上與其他海洋裝備相比有許多特異之處。軍、民用深海裝備在技術發展上各有側重，同時，許多深海裝備技術呈現出良好的軍、民共用性。近年來，軍、民用領域對深海裝備技術日益增長的需求以及深海裝備技術良好的軍、民共用性，極大地促進了深海裝備技術的發展，使深海裝備技術成為當前及未來較長一段時期非常值得關注的前沿技術領域。目前幾個大國都在研究，這是國家科技發展水平、生產力水平的重要標志。

以美國為例，其深海空間站計劃源自康涅狄格州的國家水下研究中心，目前正在醞釀世界上第一個深海生活/工作實驗室——海洋大氣海底綜合研究基地。該海洋基地計劃成為世界上第一個深海研究設備，它將處于水下139.7米的大陸架上，占地2580平方米。結構上分為三部分：水上的上層建筑部分、中部和海底基地，通過一個水密的柱式電梯往返實驗室和居室之間。海底居住地將有一個高壓艙室，壓力等于外部水壓，這樣人員在返回住處時就不需要重新調整壓差了。此外，在2000年，俄羅斯發布了本國深海空間站的民用建設計劃，但其針對性比較單一，主要針對于北冰洋的石油開采。

“蛟龍”多次下水探海的成功，標志著中國是繼美、法、俄、日后，第五個掌握大深度載人深潛技術的國家。發展深海空間站是各個國家都想投入巨資研究的，美國和前蘇聯在上個世紀就積極展開類似研究，不過當時的目的可不是為了和平利用海洋，而是如打撈核潛艇的殘骸等不想讓別人知道的東西。深海空間站的難度絕不亞于太空空間站。比如，航天員可以借助航天服從太空空間站自由出入，而如何從海底空間站自由進出，就是一個棘手的問題。幾千米深的地方壓力非常大，可能有幾百個大氣壓，海底空間站可以建成球形或者橢球形承壓，但是空間站的艙門要承受那么大的氣壓，無論從承壓和密閉性上來講，都很難達到。此外，要在水下長期駐留，艙段的設計、材料選擇、通訊、動力等各方面都存在著巨大的技術障礙，美國和蘇聯當時都花費了上百億美金，相當于現在的千億美金。可見要研發這樣一種深海空間站，挑戰之大。

中國要建立自己的深海空間站，目標是在2020年～2030年間，建成中國的250噸級的深海空間站，這一深海研究基地將會是我們未來深海潛航員們的家。在我們已經完成了35噸級深海有人工作站和“蛟龍號”7000米級水下探測器的研制后，現在要建設的250噸級別深海空間站將會保障30人在水下1000米的深度工作至少60天。地球70%的海洋深度都是在1000米～2000米范圍內，這樣一種深海空間站基本滿足我們現有的要求。

責任編輯：張蕾磊