载人航天器密封舱微生物防控技术体系框架研究概述

伊 佳，魏传锋，张兰涛，曲 溪，白梵露

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

我国载人航天工程“三步走”已进入空间站阶段，其一大显著特点就是支持连续不间断载人驻留和试验。载人航天器密封舱是一个相对狭小的密闭空间，为保证航天员在舱内能够正常生活和工作，须提供100 kPa左右的总压、21 kPa左右的氧分压、23 ℃左右的温度和30%～70%的相对湿度等环境条件。这些适宜人生活的条件，同时也是微生物生长繁殖的有利条件[1]。这些微生物会附着在舱内设备上，形成难去除的生物膜，在几年内腐蚀各类设备，使航天器整个平台存在瘫痪风险，大大缩短航天器的在轨使用寿命。从“和平号”空间站和国际空间站研制经验看，均发生过较为严重的微生物问题[2-3]。

因此，我国必须深入开展载人航天器空间微生物防控技术的研究。其中首要是开展空间微生物防控体系研究的探索，从系统层面明确载人航天器空间微生物防控技术体系构成和工作内容，作为载人航天器空间微生物防控技术研究的参考。

1 载人航天器密封舱微生物防控技术体系主要研究内容

载人航天器空间微生物防控体系研究包括：空间微生物菌种库的构建，空间环境下微生物对材料的腐蚀机理研究，载人航天用材料筛选和评价，空间材料抗菌涂层研究，以及密封舱内微生物控制技术等方面，如图1所示。具体内容如下：

图1 载人航天器空间微生物防控技术体系研究内容Fig.1 Tree structures of space microbe control and protection system for manned spacecrafts

1）开展空间微生物菌种的鉴定，建立载人航天器舱室内微生物菌种库，以用于开展下一步的研究。完成总装测试厂房微生物和在轨微生物鉴定和对比分析，确定我国载人航天器舱室中的优势微生物菌种。

2）在模拟空间环境下，利用在轨下行菌种和地面同源菌种同时进行材料的腐蚀性试验，阐明微生物对航天材料的腐蚀规律和机理。

3）根据微生物对航天材料的腐蚀规律，开展适合载人航天器舱室内长期使用的材料筛选和评价研究，构建航天器舱内材料数据库。

4）研究开发针对于必须使用但耐腐蚀性不满足要求的材料表面进行抗菌涂层处理的方法和技术。

5）研究建立地面阶段和在轨阶段微生物控制的方案、技术、设备，建立载人航天器密封舱微生物防控技术体系。

2 空间微生物菌种的分析鉴定

2.1 在轨微生物样本采集及菌种鉴定

利用载人航天飞行机会，由载人飞船搭乘航天员对长期在轨运行的空间实验室或者空间站密封舱内的空气、结构壁面进行微生物采样，并及时用无菌自封袋封存以避免污染。可以采用在轨鉴定或者待载人飞船轨道舱返回地面后进行鉴定。

一般而言，在轨鉴定法原位性好、样本不易受污染，但同时也受在轨鉴定条件限制。下行后鉴定法鉴定手段多，但存在时间长、易受污染、微生物传代多等缺点。因此，两种方法的应用需统筹考虑。

2.2 地面 AIT 厂房微生物采样及菌种鉴定

在轨采集微生物样本及菌种的机会毕竟有限，因此需要开展地面AIT厂房微生物采样及菌种分析，进行对比分析和补充。

一般选取载人航天器总装测试厂房及发射场各存放厂房，在靠近载人航天器的地方及载人航天器密封舱内进行采样，采样后可及时进行分析化验。

2.3 优势菌种筛选

在完成在轨和地面微生物采样及菌种鉴定后，要确定载人航天器舱内优势菌种，作为空间微生物防控的基础。优势微生物菌种的确定准则应考虑以下因素：

1）数量上占优势。空间环境下，载人航天器密封舱内的电离辐射强度约为地面时的120倍[4]，因此优势微生物菌种应该是能在这样的环境下大量存在的菌株。

2）种类上具有代表性。经实验检测发现，细菌中球菌以金黄色葡萄球菌、微球菌属等为最多；杆菌中以微杆菌属、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌等为最多；真菌中以曲霉属、青霉属等为最多。建议细菌中选择金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草芽孢杆菌，真菌中选择黑曲霉、球毛壳霉、杂色曲霉、白色念珠菌等[5]作为代表菌种。

3 空间环境下微生物对材料的腐蚀研究

3.1 空间环境对微生物腐蚀能力的影响

研究表明，空间环境中的微重力、电磁辐射等会使微生物的自体性质发生不可逆的变化，这种诱变效应不仅表现为生理生化特性的改变，还表现为微生物腐蚀特性的改变[6]。因此需要开展空间环境下，特别是微重力、电磁辐射条件下微生物对材料的腐蚀机理研究[7]。

3.2 预估载人航天器密封舱内辐射剂量

长期在轨航天器密封舱内的辐射剂量可通过以下步骤进行预估，如图2所示。

1）根据空间站轨道参数计算随时间变化的轨道高度、地理经纬度，再将轨道地理坐标系转换为地磁坐标系；

2）通过集成的银河宇宙射线模型、辐射带捕获粒子模型和太阳高能粒子模型，计算空间站轨道上不同带电粒子成分的日平均粒子能谱；

3）根据空间站密封舱的材料选择和舱内设备布局方案，建立舱体的质量屏蔽模型，最终等效为不同位置上的等效铝材料厚度；

4）可采用Monte-Carlo方法模拟入射粒子在密封舱屏蔽材料中的输运过程，建立粒子在材料中的输运模型，据此获得舱内的辐射粒子成分和能谱分布[4]；

5）计算三维屏蔽状态下，空间站密封舱内的辐射剂量水平。

图2 密封舱内辐射剂量预估流程Fig.2 Flow chart of interior radiation dose prediction for sealed cabin

3.3 空间环境模拟技术研究

为了满足在地面进行空间微生物腐蚀试验和研究的需要，须研制能模拟空间微重力和电磁辐射的空间环境模拟装置[8]。一般来说，可以使用回转式的装置模拟空间微重力效应，使用电磁发射装置模拟空间电磁辐射效应。

3.4 模拟空间环境下微生物腐蚀研究

材料抗微生物腐蚀试验包括抗细菌试验和抗霉菌试验。按照国军标《军用装备实验室环境试验方法》（GJB 150.10A—2009）、《抗菌塑料 抗菌性能试验方法和抗菌效果》（QB/T 2591—2003）以及 《纺织品 抗菌性能的评价：第3部分 振荡法》（GB/T 20944.3—2008），将优势菌种接种在拟选用的载人航天器材料上，并利用地面试验设备模拟长期空间环境，完成材料抗优势菌种腐蚀试验[9]及评价。如白梵露等[10]从高分子聚合物、橡胶类、织物类、纤维类、氧化物类几种材料中选择了器上总使用量超过1 kg或使用面积累积超过1 m2的材料和关键部位的非金属材料，以及密封舱主要金属结构材料进行了微生物腐蚀试验。

4 空间材料抗菌涂层处理及评价

对于必须使用但耐腐蚀性不满足要求的材料，还要对其表面进行抗菌涂层处理。一般可采用纳米抗菌剂制成的抗菌涂层，比如四针状氧化锌晶须（T-ZnO）表面原位合成纳米银和纳米铜涂层——此2种涂层都有很好的抗菌活性[11]。采用3.4节所述试验方法对纳米复合抗菌剂、纳米杂化抗菌材料进行抗腐蚀性评价。

5 微生物控制技术

5.1 密封舱环境控制要求

对载人航天器密封舱内的温湿度和通风环境进行控制，避免出现低温结露和通风不畅的区域，也是空间微生物防控的有效手段[12]。主要要求如下：

1）对舱内易结露的区域进行防结露设计，避免局部湿度增大导致微生物大面积滋生[13]；

2）舱内航天员活动区通风系统应能确保密封舱内各个位置通风换气良好，并能有效过滤、杀灭空气中的微生物；

3）对密封舱内液体工质进行微生物控制设计，避免工质回路滋生微生物。

5.2 总装及运输控制要求

总装及运输过程是向密封舱内带入微生物的主要来源，因此需要对其过程进行专门的微生物控制。主要要求包括：

1）载人航天器总装阶段，应对舱内结构和设备表面进行酒精擦拭消毒；航天器出厂或封舱前，应使用洁净气源对舱内气体进行整舱置换，置换后舱门应处于关闭状态。

2）载人航天器运输过程中，运输包装箱内部环境洁净度应达到ISO 8级，同时应为正压和密封设计，并将包装箱内相对湿度控制在60%以下。

5.3 在轨控制要求

载人航天器在轨应配置消毒产品，定期或者视情况对密封舱内结构壁面和设备表面进行清洁。载人航天器用消毒产品应该能对舱内优势菌种具有较强的杀灭能力，且对人体无毒害，对载人航天器常用材料无腐蚀[14]。一般来说，可选用双链复合季铵盐类消毒产品。

6 结束语

空间微生物防控技术的应用是实现载人航天器长寿命、高可靠性、高安全性的必要途径。本文开展了载人航天器空间微生物防控技术体系的研究，明确了构成体系的项目，包括空间微生物菌种的鉴定、微生物对材料的腐蚀机理、空间微生物防护材料选择以及微生物控制技术的内容，可以作为开展载人航天器空间微生物防控相关工作的参考。

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