载人航天任务固废处理技术初筛评价方法研究

张良长，武重阳，艾为党∗，张春艳，张 平，杨国威

（1.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094；2.深圳市太空科技南方研究院，深圳518117）

1 引言

随着载人航天朝着多乘员、长时间、远距离的空间飞行乃至地外星球基地的方向发展，任务过程中固体废物的数量、种类越来越多，固体废物在轨收集、处理处置以及资源化回收利用的作用也逐渐凸显。受限于空间条件的特殊约束，现有地面固废技术水平难以满足载人航天任务固废处理的技术需求，亟须对不同任务场景下固废处理技术展开前瞻性、系统性的研究开发［1］。如何从现有种类繁多的地面固体废物处理技术中筛选载人航天适用性技术就成为首要问题［2］，需针对不同任务场景下的固废特点和处理需求，建立一套较为完备量化评价方法，对现有技术做出适用性评价和考量，从而为我国载人航天任务环控生保系统中固体废物处理技术选型提供参考。

载人航天环控生保系统技术的定量评价方法主要有等效系统质量法（Equivalent System Mass，ESM）和全生命周期评价方法（Life Cycle Cost，LCC）。其中 ESM方法于1998年正式发展形成［3］，常用于高级生命保障系统的效益评估及技术选型［4］，其缺点在于只能定量评价发射成本，不包括前期的技术开发成本，以及后期的运行成本。LCC方法包含了上述成本的定量评价，曾用于国际空间站［5］。上述两种方法都是考核成本的定量评价手段，没有包括如技术性能、风险、安全性、可靠性等指标，其评价结果的应用范围也有局限性；同时，采用ESM或LCC评价方法进行技术评价时，需要相对完备的工程化试验结果与数据作为支撑，而目前我国的载人航天固废处理技术尚处在初级开发阶段，相关工程化试验数据匮乏。因此，有必要提供一种综合程度相对更高的，适用于ESM或LCC定量评估之前的固废处理技术初筛评价方法，用于现阶段我国载人航天固废处理技术初步筛选。

针对上述问题，本文提出一种固废处理技术综合性初步筛选（Comprehensive Preliminary Selection，CPS）评价方法，兼顾技术性能、技术水平、等效质量以及安全可靠性的因素，针对尚停留在基础研究或原理样机开发阶段的技术手段进行初步筛选，并对筛选出的技术进行进一步的技术开发，提升技术水平之后，再通过ESM或LCC的方法做效益分析。旨在既避免ESM评价方法的片面性，又能弥补LCC评价方法的时效性缺陷。

2 初筛评价方法

本文提出的固废处理技术选择流程及总体架构如图1所示。

图1 固体废物处理技术筛选流程示意图Fig.1 Diagram of screening process for solid waste treatment technology

2.1 评价指标选择及归一化处理

本评价方法的技术指标在等效系统质量相关指标的基础上，增加技术性能、技术成熟度以及安全可靠性等指标。具体指标名称及代号如表1所示。

表1 固废处理技术评价指标选择Table 1 Indicators selection for solid waste treatment technology evaluation

其中p、r、v、m以及Ct为等效系统质量考核指标，Vr、Wr、Mr为技术性能类考核指标。表1中技术成熟度参照NASA采用的9个级别（Technology Readiness Level，TRL），TRL1 为发现基本原理，TRL2为阐明技术概念，TRL3为关键技术或功能实验验证，TRL4为实验室环境下部件功能验证，TRL5为其他相关环境下部件功能验证，TRL6为空间或地面条件下系统模型演示验证，TRL7为空间条件下系统模型演示验证，TRL8为实际系统构建并完成飞行前测试与验证，TRL9为实际系统成功应用于实际飞行任务［1］。

设定各项固废处理技术的各项指标值为fi，其中f代表技术指标（如能耗p，物耗r等），i代表某项技术（如固废厌氧处理技术、固废热解技术），具体数学符号定义如表2所示。

表2 固废处理技术评价指标代号列表Table 2 Indicators’code list for solid waste treatment technology evaluation

技术指标归一化处理的目的在于消除各指标之间量纲的差别［6］，是后续建立综合的定量评价指标的基础。归一化处理的方法为以各参比技术中最高技术指标值为基准，对该项指标的所有技术指标值按统一数值标准“1”进行重新赋值，如式（1）、（2）所示。当数值最大代表性能最好时（如物质回收率等），采用式（1）计算；当数值最小代表性能最好时（如能耗，物耗等），采用式（2）

计算。

重新赋值之后，得到技术指标的归一化处理结果如表3所示。

2.2 各项技术指标权重分析

不同技术指标在不同的应用场景的重要性或定量评估时所占的权重会有所不同。在初步筛选固废处理技术环节，本文针对空间站任务场景以及未来星球基地任务场景的固废处理需求和要求［2］，分别进行技术指标权重评估。评估方法采用专家问卷调查方式进行，由深入了解两种应用场景下的固废处理需求和要求的领域内专家对各项技术指标权重按照10分制的规则（权重最低得分为1.0，最高得分为10.0）进行评分。然后对所得评分结果进行甄别，剔除离群值。最后对入选的所有专家评分结果求平均，即得到式（3）所示该项指标分别在空间和受控条件下的权重值。

式中j代表空间站或星球基地应用场景，k代表不同的专家。计算所得各项技术指标权重如表4所示。

表4 固废处理技术指标权重分析表Table 4 Index weight analysis of solid waste treatment technology

2.3 综合定量评价指标计算

在各项指标归一化处理和权重分析赋值的基础上，对某项固废处理技术进行综合定量评价。综合定量评价指标计算公式如式（4），即对归一化指标与指标权重的乘积加和得到综合定量评价指标。

3 评价方法应用示例

本文就国内外固废处理技术进行了调研，依据本文所提技术指标体系，选取指标数据相对齐全的技术作为本文定量筛选的目标，定量比较所选取的各项固体废物处理技术在不同任务场景下的适应性。得到各处理技术的评价指标统计表5。由于各文献均未给出乘员操作时长和技术安全可靠性的数据，对于乘员操作时长和安全可靠性均作归一化来处理，各项技术指标归一化处理结果如表6所示。本文就固体废物处理技术指标权重向10位领域内有工程经验的专家征询了意见，结果如表7、8所示。

表5 固废处理技术评价指标数值统计数据表Table 5 Evaluation indexes statistics of solid waste treatment technologies

表6 技术指标归一化处理结果Table 6 Normalized processing results of technical indicators

表7 空间站固废处理技术指标权重调查结果Table 7 Weight evaluation results of solid waste treatment technical indicators for the space station

表8 星球基地固废处理技术指标权重调查结果Table 8 Weight evaluation results of solid waste treatment technical indicators for the planetary base

根据公式（3）计算出空间站以及星球基地条件下固废处理技术指标权重，如下表9所示。

表9 固废处理技术指标权重计算结果Table 9 Index weight calculation results of solid waste treatment technology

如表9所示，空间站条件下的技术成熟度、安全可靠性、重量以及物耗权重较高；而星球基地条件下的技术成熟度、安全可靠性、水分回收率、以及物质回收率占据最高权重。由此可知，除了技术成熟度和安全可靠性这两个硬性指标外，空间站条件下的等效系统质量相关指标的权重要大于减容、物质回收等性能指标权重；而星球基地条件下的物质回收指标权重要大于传统的等效系统质量指标。这个结果与理论预期相符，对于长时间运行的星球基地受控生态生保系统而言，物质回收的长期积累量会抵消甚至高于基础的系统等效质量。

根据公式（5）、公式（6）计算得到各项技术的综合定量评价指标如表10所示。

由以上结果可以看出，在两个典型的不同的任务场景下各项技术的综合评价结果不同。柔性膜粪便收集技术在空间站条件下综合评价结果为56.58，而在星球基地条件下为51.82，这说明该项技术更适用于空间站。实际情况也是如此，在时间短、乘员少且失重状态下的载人驻留任务中乘员粪便采用柔性膜粪便收集技术，而在星球基地任务中则适宜采用集成大便收集与处理于一体的技术，如厌氧或好氧堆肥技术。

表10 空间站及星球基地条件下各项技术综合评价指标结果Table 10 Comprehensive evaluation results for the space station and planetary base scenarios

由计算结果可知，在空间站条件下最合适的固体废物处理技术为热熔压缩技术，综合评价最高为66.55，其次为焚烧技术、湿式催化氧化技术、机械压缩技术和闭环微波干燥技术。在星球基地条件下最合适的固废处理技术为焚烧技术，其次为热熔压缩技术、湿式催化氧化技术、厌氧堆肥技术和闭环空气干燥技术。

需要注意的是，由于不同任务场景下环控生保系统的构成不同、所处环境不同（如失重和低重力环境），会导致固废产物类别、处理需求和要求、以及约束条件发生变化，在进行技术选择时需加以考虑。此外，在实际应用中单一的处理技术无法适应多种固废的处理需求，需要多种处理功能技术的协同组合。比如在绿航星际4人180天试验中采用了闭环空气干燥、粉碎、焚烧及好氧堆肥4种技术共同完成乘员粪便以及植物不可食部的处理［11］。在类似组合处理技术的选择时，可以应用本文方法在同一功能的固废处理技术中进行适用性排序和选择。

4 结论

本文针对不同载人航天任务固废处理需求，初步开发了一套固废处理技术定量评价方法，用于空间站和星球基地任务场景的固废处理技术筛选，获得初步筛选结果，供不同任务场景下的固废处理技术选择提供参考和借鉴。评价方法适用于尚停留在基础研究或原理样机开发阶段的技术手段初步选择，其技术指标涵盖能耗、物耗、大小、重量、乘员工作时间、减容率、水分回收率、物质回收率、技术成熟度、安全可靠性等。评价方法的初步应用结果表明，对于空间站任务场景而言，最合适的固体废物处理技术为热熔压缩技术，其次为焚烧技术、湿式催化氧化技术、机械压缩技术和闭环微波干燥技术；星球基地任务条件下最合适的固废处理技术为焚烧技术，其次为热熔压缩技术、湿式催化氧化技术、厌氧堆肥技术和闭环空气干燥技术。下一步将通过深化理论分析、拓展拓宽专家样本库等手段提升筛选方法的可靠性和实用价值。