空间生物再生生命保障系统技术发展构想.PDF

空间生物再生生命保障系统技术发展构想 刘 红 北京航空航天大学生物与医学工程学院，100191 摘 要：生物再生生命保障系统是月球基地、载人登陆火星和火星基地等长时间 远距离的载人航天活动的关键技术。本文介绍了生物再生生命保障系统的基本概 念，对生物再生生命保障系统技术国内外研究现状和发展趋势进行了分析，提出 了生物再生生命保障系统技术发展的方向和目标，给出了生物再生生命保障系统 技术发展的技术体系，设计了生物再生生命保障系统技术的发展路线图，为我国 生物再生生命保障系统技术的规划发展提供参考。 关键词：生物再生生命保障系统，载人航天，星球基地，发展规划 1．前言 空间技术的发展已经解决了将人类送入太空的问题。但是，怎样支持人类在 太空长达数月甚至数年的长期生活，使那些离开土生土长的地球的人们在空间健 康生活下去？ 生物再生生命保障系统（BLSS ）是目前世界上最先进的闭环回路生命保障 技术，人类要实现在外太空长期生存必须依靠该技术。 生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System ，BLSS ），国内 也称之为受控生态生命保障系统（Controlled Ecological Life Support System ， CELSS ），但是CELSS 实际上是美国的一个BLSS 地基实验系统的名称。 BLSS 是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植 物、动物、微生物组成的人工生态系统。水和食物这些人类生活所必需的物质可 在系统内循环再生，并为乘员提供类似于地球生物圈的生态环境。人进入这个人 工生态系统中，成为生态系统的消费者链环同时发挥控制者的功能，构成闭合人 工生态系统（Man-made Closed Ecological Systems, MCES ）。 1 图1 生物再生生命保障系统原理 2 ．生物再生生命保障系统技术国内外发展趋势分析 BLSS 是人类进行月球基地等长时间远距离空间活动必须的生命保障技术， 是长期载人航天活动的关键技术，因此美俄日以及欧洲等航天大国和组织均投入 大量人力物力开展此项研究工作，先后建立了不同类型的BLSS 实验研究装置或 系统，开展了大量的地面模拟实验研究。 2.1 前苏联/俄罗斯 在60 年代初期，位于莫斯科的俄罗斯科学院生物医学问题研究所(IBMP)在 国际上首先组织了专门的部门开展封闭BLSS 设计和空间应用研究。该研究所利 用单细胞藻类进行了世界上第一次BLSS 实验，在5m3 密闭舱内实现了“人与微 藻”系统的气体90% 自循环，同时发现系统内部的CO 、CH 浓度和微生物数量 2 4 [1] 比较稳定 。但是由于藻类的蛋白组成不合理以及核酸含量太高，不能满足航天 3 员的膳食需求，研究转向了高等植物，建立了 15m 地基综合实验系统(Ground Experimental Complex)用以研究“藻-高等植物-人” 闭合系统的气体、水、食物循 [2] 环再生 。由于BLSS 的闭合度必须经过宇航员空间在轨飞行尝试，因此IBMP 后期的研究工作任务侧重在轨飞行条件下BLSS 的生物单元研究。 BLSS 系统的研究任务由俄罗斯科学院西伯利亚分院生物物理研究所(IBP) 承担。他们建造了世界上第一座用于研究 BLSS 的大型地基综合实验装置 [3] 3 ——BIOS 系统 。该系统最初仅由一个12m 的舱室构成，内部装有一个 18 L 的 藻类培养反应器用于空气再生，主要进行的是气体循环封闭实验，实验过程中需 要的水和食物全部由外界提供并预先储藏