生命保障从深空到深海

董琛

从深空到深海，中国力量正在立体地重塑世界科技格局。

全世界正在掀起新一轮深空探测热潮，

进行载人深空探测，并建立永久性月球、火星基地，

首先必须建立与之相适应的空间生命保障系统和技术。

空间生命保障是在太空环境中为航天员提供维持生命必需的

物质和各类生活支持设施，

解决在太空飞行条件下，航天员饮水、

进食和处理个人卫生所遇到的特殊困难，保证人的正常生理活动的技术。

总体来说，空间生命保障技术分为三类：

非再生式生命保障技术，物理/化学再生式生命保障技術，

生物再生式生命保障技术。

这三类空间生命保障技术，具体采用哪一类生命保障技术，

与飞行任务的具体要求、任务时间、离地球距离、乘员组人数、

技术难度和经费条件等密切相关，

需要在技术、经济分析的基础上做出决定。

深空探测的生命保障技术

现今国际主要使用的航天器内生命保障系统基本都采用了物理/化学再生式生命保障技术，它是维持载人航天器密闭舱内大气环境组成稳定，保障航天员安全、生活和工作的综合设备系统。

一般一个太空乘员每天需要消耗总重约5公斤的氧气、水和食物。与此同时，他将排泄出多种代谢终产物。每次飞行任务都需要按照消耗状况安排储备。另外，必要废物的数量和种类会根据任务持续时间而不同，如果任务时间超过一周，就要考虑毛发、指甲、皮肤碎屑和其他生理废物。太空中的其他环境因素，比如辐射、重力、噪音、震动和照明，尽管不像代谢参数变化对人产生反应那样迅速，也都会影响人的生理反应。

当今仍在轨运行的国际空间站（International Space Station，ISS，美国、俄罗斯等十多个国家一起参与运行）是一个在近地轨道上运行的科研设施。环境控制和生命保障系统是空间站各系统中较为复杂的一个，系统方案的选择是否合理、正确，将直接影响到别的系统和整个空间站的功耗、成本和质量，也将影响到地面后勤保障系统的补给周期和补给量。

现行国际空间站是半密闭式系统，使水和氧气形成闭合回路，系统无需补给这些消耗性物质，仅对航天员供应含水食物和补给舱体泄漏损失所消耗的气体，在系统设计上主要解决舱内大气的再生和废水的回收处理。气体的再生技术是将空间站内航天员代谢产生的二氧化碳进行收集和浓缩，供给“萨巴蒂尔反应系统”进行加氢还原成水，水再供给电解系统进行电解产氧；废水的回收处理技术是将空间站内大气中的冷凝水、航天员生活用水和生理废水进行回收处理，电解水产生的氧气供给航天员呼吸消耗，产生的氢气可供给“萨巴蒂尔反应系统”进行还原反应。

值得一提的是，“生物再生式生命保障技术”是当今世界上最先进的闭环回路生命保障技术，是未来月球、火星基地等载人深空探测所需的技术之一，且由于其难度和复杂性高而优先级最高。“建成具有自主知识产权的生物再生式生命保障系统，解决建立月球基地生态环境中的关键性理论与技术问题，为建立火星长期居住基地解决生态生命保障问题”是我国空间科技发展的战略目标之一。

生物再生式生命保障技术实际上是一套整合的系统，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。

我国从20世纪90年代中期开始进行生物再生式生命保障技术方面的探索性研究，以北京航空航天大学为代表的一些大学和研究机构在有关的国际调研分析和关键单元技术的研究上开展了大量工作。2013年，北京航空航天大学建立了我国第一个、世界第三个空间基地生命保障地基综合实验装置“月宫一号”，并于2014年5月成功完成了首次长期高闭合度集成实验，密闭实验持续了105天。2016年12月，中国航天员科研训练中心和深圳太空科技南方研究院主导，16个国内外单位共同参与的“绿航星际”4人180天受控生态生保系统集成试验（“太空180”大科学试验）圆满完成，深化了中国对于第三代航天环控生保系统的认识。“月宫一号”和“太空180”大科学试验的成功，标志着中国航天的深空生命保障技术已经开始处于国际领先水平了。

未来的深海空间站

浩瀚无垠的天空和深不见底的大海，人类到底对哪一个了解更少呢？估计答案会出乎很多人的意料，其实我们对海洋远比不上对太空的了解。

深海空间站代表了海洋领域的前沿核心技术，人类在太空建立的空间站始于1971年，前苏联成功发射升空的“礼炮一号”，它是人类历史上首个空间站，现行的国际空间站是人类历史上第9个载人的空间站。深海空间站属于深海（目前定义为500米）装备的范畴，深海装备由于要适应其所处的深海复杂、严酷环境，在技术发展上与其他海洋装备相比有许多特异之处。军、民用深海装备在技术发展上各有侧重，同时，许多深海装备技术呈现出良好的军、民共用性。近年来，军、民用领域对深海装备技术日益增长的需求以及深海装备技术良好的军、民共用性，极大地促进了深海装备技术的发展，使深海装备技术成为当前及未来较长一段时期非常值得关注的前沿技术领域。目前几个大国都在研究，这是国家科技发展水平、生产力水平的重要标志。

以美国为例，其深海空间站计划源自康涅狄格州的国家水下研究中心，目前正在酝酿世界上第一个深海生活/工作实验室——海洋大气海底综合研究基地。该海洋基地计划成为世界上第一个深海研究设备，它将处于水下139.7米的大陆架上，占地2580平方米。结构上分为三部分：水上的上层建筑部分、中部和海底基地，通过一个水密的柱式电梯往返实验室和居室之间。海底居住地将有一个高压舱室，压力等于外部水压，这样人员在返回住处时就不需要重新调整压差了。此外，在2000年，俄罗斯发布了本国深海空间站的民用建设计划，但其针对性比较单一，主要针对于北冰洋的石油开采。

“蛟龙”多次下水探海的成功，标志着中国是继美、法、俄、日后，第五个掌握大深度载人深潜技术的国家。发展深海空间站是各个国家都想投入巨资研究的，美国和前苏联在上个世纪就积极展开类似研究，不过当时的目的可不是为了和平利用海洋，而是如打捞核潜艇的残骸等不想让别人知道的东西。深海空间站的难度绝不亚于太空空间站。比如，航天员可以借助航天服从太空空间站自由出入，而如何从海底空间站自由进出，就是一个棘手的问题。几千米深的地方压力非常大，可能有几百个大气压，海底空间站可以建成球形或者椭球形承压，但是空间站的舱门要承受那么大的气压，无论从承压和密闭性上来讲，都很难达到。此外，要在水下长期驻留，舱段的设计、材料选择、通讯、动力等各方面都存在着巨大的技术障碍，美国和苏联当时都花费了上百亿美金，相当于现在的千亿美金。可见要研发这样一种深海空间站，挑战之大。

中国要建立自己的深海空间站，目标是在2020年～2030年间，建成中国的250吨级的深海空间站，这一深海研究基地将会是我们未来深海潜航员们的家。在我们已经完成了35吨级深海有人工作站和“蛟龙号”7000米级水下探测器的研制后，现在要建设的250吨级别深海空间站将会保障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米范围内，这样一种深海空间站基本满足我们现有的要求。

责任编辑：张蕾磊