基于蒙特卡羅方法的航天器再生式水資源流轉模擬

唐斌，卞強,2，劉力濤,2，楊潤澤，胡清華，王棟

（1.中國航天員科研訓練中心，北京 100094；2.中國航天員科研訓練中心人因工程重點實驗室,北京 100094）

引言

環(huán)境控制與生命保障分系統(tǒng)（Environmental Control and Life Support System，ECLSS，簡稱為環(huán)控生保分系統(tǒng)）為失重狀態(tài)的密閉空間提供可維持人類生活和工作的宜居環(huán)境，是載人航天極具特色的重要分系統(tǒng)。環(huán)控生保技術分為三類：非再生的儲存式生保、物化再生式生保、受控生態(tài)式生保[1]。目前中國空間站采用物化再生式生保與非再生式生保相結合的技術路線，其中物化再生技術屬于空間站驗證的關鍵技術之一，在長期在軌駐留的載人飛行任務中發(fā)揮著重要的作用。

物化再生主要分為兩類，一類是氣體類的再生，一類是水資源的再生。水資源是否能夠正常的再生和流轉，關乎航天員是否能夠在軌按計劃執(zhí)行長期駐留任務。因此，建立一個有效、準確的水資源流轉模型，可以在任務之前對任務期間的水資源流轉情況進行預測，提前上行合理數量的物資（主要是空水箱和上行水）。在任務執(zhí)行過程中，用實際數據對模型進行校準，實現任務的實時評估。

水資源流轉可以通過基于原理的方式建模，但水資源流轉涉及到的環(huán)節(jié)較多，特別是航天員的人體代謝部分，由于不同乘組的個體差異、在軌活動量差異、飲食量差異，建模較為困難。獲取大量的地面試驗數據、在軌數據之后，可以認為水資源流轉的不同環(huán)節(jié)的流轉節(jié)律都是符合特定分布的隨機數據，基于蒙特卡羅的建模方法，提供了將復雜問題簡化的最佳思路。蒙特卡羅模擬是通過對隨機變量進行數理統(tǒng)計及假定分布概率從而求解獲取預測值的方法。

圖1 航天器水資源流轉示意圖

1 水資源流轉模型

水資源的流轉環(huán)節(jié)包括：人體代謝、廢水收集、廢水處理、再生水分配、再生水使用，涉及到大小便收集、冷凝水收集、水處理、尿處理、飲水供應、電解制氧、人體消耗和代謝等多個環(huán)節(jié)。

1.1 水箱模型

為了提高系統(tǒng)可靠性，降低模塊之間的耦合，航天器與水資源相關的幾個大環(huán)節(jié)之間并沒有通過管路直接相連，而是通過水箱來進行水資源傳遞或儲存。

水箱分為兩類，一類是硬殼水箱，具有硬質外殼和軟質內囊，同時具有氣路和液路兩組出入口；一類是軟式水箱，僅有液路的出入口。兩類水箱的有效容積不同，使用場景也不同。

航天器首輪乘組上天之前，會在航天器提前預置一部分空硬殼水箱、空軟式水箱、滿的上行水，作為整站水資源的啟動物資以及應急物資。隨著駐留時間的增加，艙內水資源再生系統(tǒng)可以利用硬殼水箱和軟水箱持續(xù)收集廢水并產生再生水，維持乘組的正常生理和生活用水。

當本輪乘組撤離之前，將本次產生的再生水存儲好，留給下輪乘組使用；將壽命到期的水箱或裝有準備廢棄的水的水箱搬運至貨運飛船，并隨著貨運飛船再入大氣銷毀。下輪乘組執(zhí)行任務前，會有相應的貨運飛船先行帶著物資對航天器進行補給，物資中就包括水箱和水資源。

1.2 人體代謝和廢水產生

人體除了直接飲用水以外，還會通過食物攝入水，或由食物轉化為水。航天器航天員食用的食品中大概有46 %是水，直接加熱食用的食品中的水含量更是高達88 %，國際空間站水資源回收率為93 %，如果考慮食品中的水，回收率可以上升到98 %[2]。

航天食品中的碳水化合物、脂肪和蛋白質提供了身體代謝所必須的能量。其中碳水化合物和脂肪在體內可以完全氧化成水和二氧化碳，但蛋白質在體內不能完全氧化，產生一些不能繼續(xù)被分解利用的含氮化合物（如尿素、肌酐和尿酸等）。根據中國的飲食特點，中國航天員的食品中谷類（米、面、雜糧）占主食的大部分，谷類食品中碳水化合物占（70～80）%。因此，攝入的食品也會有相當一部分轉化為水，通過尿液和體液蒸發(fā)的形式排出體外，再收集成為廢水。

在地面，研究者對人體代謝所需要的水資源進行了評估[3]，每人的飲用水為1.86 kg/d，食物復水0.72 kg/d，食物含水0.5 kg/d，代謝產生水0.34 kg/d。代謝產生的尿液1.5 kg/d，呼吸及出汗1.83 kg/d。但實際上由于個體、活動量、環(huán)境差異，攝入水和代謝排出水的差異可達3.5 L[4]。

影響人體代謝的因素很多，但基本可以認為：人體排出的廢水要遠遠大于攝入的水。人體代謝的模型異常復雜，因此在其他環(huán)節(jié)數據可以支撐起整個水資源模型的情況下，將整個人體代謝作為黑盒進行模擬，最后再將模擬結果與實際數據對比驗證。

1.3 廢水收集

廢水收集包括兩類，一類是尿液收集，一類是冷凝水收集。

人體代謝產生的尿液以及衛(wèi)生水會進入大小便收集裝置，并由其收集到尿液收集水箱中。尿液收集采用硬殼水箱，設計為主備份兩個，防止尿液收集滿且未處理完時影響上廁所。

人體代謝產生的汗液會蒸發(fā)到艙內形成濕氣，艙內濕巾擦拭身體或設備后也會產生濕氣。艙內的濕氣通過冷凝的方式形成冷凝水，再收集到冷凝水收集水箱。冷凝水收集水箱同尿液收集水箱一樣，采用硬殼水箱并設計有主備份。

1.4 廢水處理

當前中國空間站的廢水處理包括尿處理裝置和水處理裝置。尿處理裝置將尿液蒸餾形成尿蒸餾水，水處理負責處理尿蒸餾水以及收集到的冷凝水，最終形成凈化后可飲用級別的再生水[5]。

尿處理采用蒸氣壓縮蒸餾的技術方案，隨著蒸餾尿液的增加，系統(tǒng)內部的尿液濃度會逐漸增加形成尿殘液，排放的殘液無法再次利用，會儲存在軟式水箱并準備廢棄。尿液的回收率大于80 %[6]。

水處理采用中溫催化氧化技術方案，可以將進入系統(tǒng)的污水（包括冷凝水和尿蒸餾水）處理成為再生水，再生水使用軟式水箱進行存儲，水回收率不低于95 %[6]。

1.5 再生水分配

水管理裝置負責將軟水箱中的干凈水補充到硬殼水箱，包括：飲用水水箱、衛(wèi)生水水箱以及電解補水水箱。其中飲用水水箱安裝在水管理裝置內部，另外預留有一個補水工位，當衛(wèi)生水需要補水或電解制氧裝置需要補水時，將各自的硬殼水箱搬運至補水工位，通過水輸送泵補水。當給補水工位補水時，三通管道會同時給飲用硬殼水箱補水。

1.6 再生水使用

再生水使用分為三類：航天員飲用及食品復水、大小便沖洗使用、電解制氧使用。

航天員通過水管理裝置內部的飲用水硬殼水箱取水，用于直接飲用或食品復水食用，也可以通過該方式將再生水用于生活中的其他用途。衛(wèi)生水水箱在水管理處補充滿水后，搬運至大小便收集裝置，在航天員大小便結束時用于裝置的管路清洗。電解制氧通過電解的方式，將再生水轉化為氧氣和氫氣，其中氧氣釋放在艙內，用于維持航天員在軌正常生存。

2 模型算法

建立模型的兩個關鍵點：一是建立各個水資源相關流轉環(huán)節(jié)的處理邏輯，包括環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間的水資源傳遞邏輯、環(huán)節(jié)內部的水資源消耗或補給邏輯；二是生成與真實數據分布相同的隨機數，用于描述各個環(huán)節(jié)消耗或產生水資源的量。

2.1 算法流程圖

根據水資源流轉的規(guī)律和特點，構造蒙特拉羅估算模型。模型算法流程如圖2。

圖2 算法流程圖

其中電解耗水、衛(wèi)生水耗水、收集小便、尿處理處理尿液、冷凝水收集、水處理處理污水、航天員飲水，均使用符合各自節(jié)律的隨機數，以模擬在軌使用水量的不確定性。

水箱壽命到期的更換判斷邏輯及操作包括：電解補水水箱更換、衛(wèi)生水水箱更換、尿液收集水箱更換、尿處理硬殼殘液箱更換、水管理入口軟水箱壽命到期更換、水管理硬殼飲水水箱更換。

水箱流轉過程中的更換包括：尿處理軟式殘液箱更換（兩次排殘液后需更換）、水處理出口軟水箱更換（水處理兩次污水處理后需更換）、水管理入口軟水箱更換（軟水箱空后需更換）。

為了物盡所用，也為了防止再生水存儲時間過長而未使用，因此水箱更換的邏輯：

1）水箱壽命超標時，從上行水箱物資庫、臨時存儲物資庫中尋找空且使用次數最多的水箱，以達到水箱盡可能充分的利用的目的；

2）當需要使用干凈水時，有限取用最早生成的再生水，最后再取用上行水；

3）若水處理同時需要處理尿蒸餾水和冷凝水時，優(yōu)先處理尿蒸餾水。

2.2 初始條件

初始條件包括：

1）初始化上行水箱物資庫，包括硬殼水箱、空軟式水箱、滿軟式水箱（上行水）；

2）電解補水水箱、衛(wèi)生水水箱、尿處理硬殼殘液箱、尿處理尿蒸餾水箱、水管理飲用水水箱均為初始化時取用硬殼水箱進行組裝，電解補水水箱和飲用水水箱為滿，其余初始化時均為空。

2.3 耗水及產水速率隨機模擬

每次迭代時的水資源消耗或產生的量是不確定的，需要模擬符合真實數據分布的隨機數。

這里需要確定的隨機數包括：小便量、冷凝水量、飲水量、衛(wèi)生水量、電解耗水量、尿液處理量、污水處理量。另外還有幾個水量，由于處理時間很短，本模型不再進行分成多次進行隨機模擬，而是在當前迭代過程中直接完成，包括：尿處理排殘液、水管理對硬殼水箱補水。

以尿液收集為例，收集每箱尿液的收集時間，通過KS估計不同方差下的正態(tài)分布擬合的P-Value，如圖3所示。最優(yōu)估計方差為0.614。

圖3 乘組尿液收集速率及方差估計

同樣方法對冷凝水收集速率、電解水消耗速率進行估計。數據如表1。

表1 尿液收集、冷凝水收集及電解水消耗方差估計

為防止衛(wèi)生水水箱空而影響航天員上廁所，因此衛(wèi)生水并不是等到水箱空了之后再去補水，而是采用每周定期補水。由于飲用水水箱補水、衛(wèi)生水補水、電解補水共用補水管路，因此無法直接獲取到飲用水水箱補水節(jié)律，平均飲水量按照地面試驗的1.86 kg/人天來估算。

2.4 模擬結果

以0.1天為一個迭代量，迭代90天，用于模擬乘組的90天駐留任務。駐留任務共模擬1 000次，對1 000次的駐留任務的水資源使用和消耗情況進行統(tǒng)計，其中上限和下限分別對應于1 000次模擬中的最大值和最小值。

經過表2比對，該模型的模擬數據上下限能夠覆蓋乘組的實際數據，該方法有效。

表2 模擬數據與實際數據比對

3 結論

本文采用了蒙特拉羅方法對航天器水資源進行建模和仿真估計，避開了人體代謝的復雜模型，通過實際數據對水資源其余環(huán)節(jié)的流轉速率進行估算，仿真結果與實際數據相符，該方法可以實現航天器水資源流轉的模擬，可以模擬不同乘組、不同代謝、不同駐留周期的水資源使用情況。通過該方法，可以對后續(xù)任務的上行物資規(guī)劃提出建議、對航天器駐留能力提出評估意見。