載人航天器密封艙微生物防控技術體系框架研究概述

伊 佳，魏傳鋒，張蘭濤，曲 溪，白梵露

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

我國載人航天工程“三步走”已進入空間站階段，其一大顯著特點就是支持連續不間斷載人駐留和試驗。載人航天器密封艙是一個相對狹小的密閉空間，為保證航天員在艙內能夠正常生活和工作，須提供100 kPa左右的總壓、21 kPa左右的氧分壓、23 ℃左右的溫度和30%～70%的相對濕度等環境條件。這些適宜人生活的條件，同時也是微生物生長繁殖的有利條件[1]。這些微生物會附著在艙內設備上，形成難去除的生物膜，在幾年內腐蝕各類設備，使航天器整個平臺存在癱瘓風險，大大縮短航天器的在軌使用壽命。從“和平號”空間站和國際空間站研制經驗看，均發生過較為嚴重的微生物問題[2-3]。

因此，我國必須深入開展載人航天器空間微生物防控技術的研究。其中首要是開展空間微生物防控體系研究的探索，從系統層面明確載人航天器空間微生物防控技術體系構成和工作內容，作為載人航天器空間微生物防控技術研究的參考。

1 載人航天器密封艙微生物防控技術體系主要研究內容

載人航天器空間微生物防控體系研究包括：空間微生物菌種庫的構建，空間環境下微生物對材料的腐蝕機理研究，載人航天用材料篩選和評價，空間材料抗菌涂層研究，以及密封艙內微生物控制技術等方面，如圖1所示。具體內容如下：

圖1 載人航天器空間微生物防控技術體系研究內容Fig.1 Tree structures of space microbe control and protection system for manned spacecrafts

1）開展空間微生物菌種的鑒定，建立載人航天器艙室內微生物菌種庫，以用于開展下一步的研究。完成總裝測試廠房微生物和在軌微生物鑒定和對比分析，確定我國載人航天器艙室中的優勢微生物菌種。

2）在模擬空間環境下，利用在軌下行菌種和地面同源菌種同時進行材料的腐蝕性試驗，闡明微生物對航天材料的腐蝕規律和機理。

3）根據微生物對航天材料的腐蝕規律，開展適合載人航天器艙室內長期使用的材料篩選和評價研究，構建航天器艙內材料數據庫。

4）研究開發針對于必須使用但耐腐蝕性不滿足要求的材料表面進行抗菌涂層處理的方法和技術。

5）研究建立地面階段和在軌階段微生物控制的方案、技術、設備，建立載人航天器密封艙微生物防控技術體系。

2 空間微生物菌種的分析鑒定

2.1 在軌微生物樣本采集及菌種鑒定

利用載人航天飛行機會，由載人飛船搭乘航天員對長期在軌運行的空間實驗室或者空間站密封艙內的空氣、結構壁面進行微生物采樣，并及時用無菌自封袋封存以避免污染。可以采用在軌鑒定或者待載人飛船軌道艙返回地面后進行鑒定。

一般而言，在軌鑒定法原位性好、樣本不易受污染，但同時也受在軌鑒定條件限制。下行后鑒定法鑒定手段多，但存在時間長、易受污染、微生物傳代多等缺點。因此，兩種方法的應用需統籌考慮。

2.2 地面 AIT 廠房微生物采樣及菌種鑒定

在軌采集微生物樣本及菌種的機會畢竟有限，因此需要開展地面AIT廠房微生物采樣及菌種分析，進行對比分析和補充。

一般選取載人航天器總裝測試廠房及發射場各存放廠房，在靠近載人航天器的地方及載人航天器密封艙內進行采樣，采樣后可及時進行分析化驗。

2.3 優勢菌種篩選

在完成在軌和地面微生物采樣及菌種鑒定后，要確定載人航天器艙內優勢菌種，作為空間微生物防控的基礎。優勢微生物菌種的確定準則應考慮以下因素：

1）數量上占優勢。空間環境下，載人航天器密封艙內的電離輻射強度約為地面時的120倍[4]，因此優勢微生物菌種應該是能在這樣的環境下大量存在的菌株。

2）種類上具有代表性。經實驗檢測發現，細菌中球菌以金黃色葡萄球菌、微球菌屬等為最多；桿菌中以微桿菌屬、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌等為最多；真菌中以曲霉屬、青霉屬等為最多。建議細菌中選擇金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、枯草芽孢桿菌，真菌中選擇黑曲霉、球毛殼霉、雜色曲霉、白色念珠菌等[5]作為代表菌種。

3 空間環境下微生物對材料的腐蝕研究

3.1 空間環境對微生物腐蝕能力的影響

研究表明，空間環境中的微重力、電磁輻射等會使微生物的自體性質發生不可逆的變化，這種誘變效應不僅表現為生理生化特性的改變，還表現為微生物腐蝕特性的改變[6]。因此需要開展空間環境下，特別是微重力、電磁輻射條件下微生物對材料的腐蝕機理研究[7]。

3.2 預估載人航天器密封艙內輻射劑量

長期在軌航天器密封艙內的輻射劑量可通過以下步驟進行預估，如圖2所示。

1）根據空間站軌道參數計算隨時間變化的軌道高度、地理經緯度，再將軌道地理坐標系轉換為地磁坐標系；

2）通過集成的銀河宇宙射線模型、輻射帶捕獲粒子模型和太陽高能粒子模型，計算空間站軌道上不同帶電粒子成分的日平均粒子能譜；

3）根據空間站密封艙的材料選擇和艙內設備布局方案，建立艙體的質量屏蔽模型，最終等效為不同位置上的等效鋁材料厚度；

4）可采用Monte-Carlo方法模擬入射粒子在密封艙屏蔽材料中的輸運過程，建立粒子在材料中的輸運模型，據此獲得艙內的輻射粒子成分和能譜分布[4]；

5）計算三維屏蔽狀態下，空間站密封艙內的輻射劑量水平。

圖2 密封艙內輻射劑量預估流程Fig.2 Flow chart of interior radiation dose prediction for sealed cabin

3.3 空間環境模擬技術研究

為了滿足在地面進行空間微生物腐蝕試驗和研究的需要，須研制能模擬空間微重力和電磁輻射的空間環境模擬裝置[8]。一般來說，可以使用回轉式的裝置模擬空間微重力效應，使用電磁發射裝置模擬空間電磁輻射效應。

3.4 模擬空間環境下微生物腐蝕研究

材料抗微生物腐蝕試驗包括抗細菌試驗和抗霉菌試驗。按照國軍標《軍用裝備實驗室環境試驗方法》（GJB 150.10A—2009）、《抗菌塑料 抗菌性能試驗方法和抗菌效果》（QB/T 2591—2003）以及 《紡織品 抗菌性能的評價：第3部分 振蕩法》（GB/T 20944.3—2008），將優勢菌種接種在擬選用的載人航天器材料上，并利用地面試驗設備模擬長期空間環境，完成材料抗優勢菌種腐蝕試驗[9]及評價。如白梵露等[10]從高分子聚合物、橡膠類、織物類、纖維類、氧化物類幾種材料中選擇了器上總使用量超過1 kg或使用面積累積超過1 m2的材料和關鍵部位的非金屬材料，以及密封艙主要金屬結構材料進行了微生物腐蝕試驗。

4 空間材料抗菌涂層處理及評價

對于必須使用但耐腐蝕性不滿足要求的材料，還要對其表面進行抗菌涂層處理。一般可采用納米抗菌劑制成的抗菌涂層，比如四針狀氧化鋅晶須（T-ZnO）表面原位合成納米銀和納米銅涂層——此2種涂層都有很好的抗菌活性[11]。采用3.4節所述試驗方法對納米復合抗菌劑、納米雜化抗菌材料進行抗腐蝕性評價。

5 微生物控制技術

5.1 密封艙環境控制要求

對載人航天器密封艙內的溫濕度和通風環境進行控制，避免出現低溫結露和通風不暢的區域，也是空間微生物防控的有效手段[12]。主要要求如下：

1）對艙內易結露的區域進行防結露設計，避免局部濕度增大導致微生物大面積滋生[13]；

2）艙內航天員活動區通風系統應能確保密封艙內各個位置通風換氣良好，并能有效過濾、殺滅空氣中的微生物；

3）對密封艙內液體工質進行微生物控制設計，避免工質回路滋生微生物。

5.2 總裝及運輸控制要求

總裝及運輸過程是向密封艙內帶入微生物的主要來源，因此需要對其過程進行專門的微生物控制。主要要求包括：

1）載人航天器總裝階段，應對艙內結構和設備表面進行酒精擦拭消毒；航天器出廠或封艙前，應使用潔凈氣源對艙內氣體進行整艙置換，置換后艙門應處于關閉狀態。

2）載人航天器運輸過程中，運輸包裝箱內部環境潔凈度應達到ISO 8級，同時應為正壓和密封設計，并將包裝箱內相對濕度控制在60%以下。

5.3 在軌控制要求

載人航天器在軌應配置消毒產品，定期或者視情況對密封艙內結構壁面和設備表面進行清潔。載人航天器用消毒產品應該能對艙內優勢菌種具有較強的殺滅能力，且對人體無毒害，對載人航天器常用材料無腐蝕[14]。一般來說，可選用雙鏈復合季銨鹽類消毒產品。

6 結束語

空間微生物防控技術的應用是實現載人航天器長壽命、高可靠性、高安全性的必要途徑。本文開展了載人航天器空間微生物防控技術體系的研究，明確了構成體系的項目，包括空間微生物菌種的鑒定、微生物對材料的腐蝕機理、空間微生物防護材料選擇以及微生物控制技術的內容，可以作為開展載人航天器空間微生物防控相關工作的參考。

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