基于代谢模拟的环控生保系统性能试验方法研究

冯红旗，刘力涛,2，彭 卓，杨京松，卞 强,2，李 森

(1.中国航天员科研训练中心，北京 100094； 2. 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室，北京100094)

1 引言

环境控制与生命保障系统(环控生保系统)在载人航天器密封舱内创造一个接近地面大气的生存环境，提供航天员生命活动必需的物质条件，与航天员在太空的生存密切相关。为确保飞行过程中可靠运行，保障航天员安全、健康、高效工作，载人飞行前必须对环控生保系统经过充分的地面试验验证[1]。

密封舱代谢模拟试验是评价环控生保系统性能的重要方法之一，试验中人体代谢负荷通过代谢模拟设备进行模拟，人体代谢负荷模拟方法是试验研究的重要内容。试验负荷为真实人体代谢负荷，代谢模拟试验的主要优点是能够实现试验负荷的量化控制，负荷参数调节方便，满足环控生保系统标准输入工况和极限工作能力的验证，并且不受人的耐受因素对试验时间和试验条件的制约。

前期神舟载人飞船环控生保系统代谢模拟试验中，模拟了耗氧、产热、产湿和CO2排放等4项人体代谢负荷[2-3]，由于试验周期短，不需要考虑长期试验的累积误差，因此模拟方法简单、设备运行自动化程度较低，耗氧模拟过程中对密封舱内环境条件影响较大。

长期飞行任务的环控生保系统以再生生保为主要技术特征，一方面系统运行时间显著增加，航天员单次在轨驻留时间半年以上、间断驻留时间长达数年，因此地面验证试验对人体代谢负荷模拟方法要求较高，以减少长期试验的累积误差和模拟过程对密封舱环境条件的干扰。另一方面，为实现水的再生循环，再生生保中包括了水处理和尿处理功能，为验证相应的功能，需提供相应的代谢负荷模拟。

基于上述试验需求，需建立适用于长期飞行任务的环控生保系统代谢模拟试验方法，解决前期人体代谢负荷模拟精度不高和真实性较差等不适于长期试验的问题，新增微量有害气体、冷凝水和尿液等代谢模拟项目。

国际空间站美国舱段模拟试验舱配置了人体代谢模拟装置、污染物注入装置和污水收集与供给实验室，提供耗氧、产湿、CO2排出、微量有害气体注入、冷凝水和尿液等人体代谢产物，用于支持开展环控生保简化集成试验(Simplified Integrated Test，SIT)、环控生保代谢控制试验(Metabolic Control Test，MET)和长时间代谢控制试验(Extended Duration Metabolic Control Test，EMCT)[4]。

本文为满足长期载人飞行任务环控生保系统地面验证试验需求，提出一种新的代谢模拟试验方案，优化和改进代谢模拟方法，开展环控生保系统集成性能试验，检验优化和改进后代谢模拟试验方法的有效性。

2 代谢模拟试验方案

代谢模拟试验旨在验证密封舱内的氧分压、CO2分压、温度、湿度、微量有害气体等大气环境控制能力，以及再生生保系统的电解制氧、CO2去除、微量有害气体去除、尿处理和水处理等功能。

代谢模拟试验中，通过代谢模拟设备向环控生保系统提供人体代谢负荷，由环控生保系统对人体代谢负荷进行控制和处理，根据控制结果来评价环控生保系统的工作性能。代谢模拟设备提供的人体代谢负荷包括耗氧、CO2排出、产湿、产热、微量有害气体排出、冷凝水和尿液等7项。

代谢模拟试验方案如图1所示。试验中人体对氧气的消耗通过耗氧模拟单元消耗掉密封舱内空气中的氧气来实现，耗氧模拟单元在消耗氧气的同时电解制氧装置产生氧气，通过密封舱氧分压的变化趋势来判断电解制氧装置的产氧能力和氧分压控制能力。通过CO2供应单元从密封舱外部向舱内供应CO2气体来模拟人体排放的CO2，供应到舱内的CO2由CO2去除装置予以去除，通过舱内CO2分压变化趋势来判断CO2去除装置的工作能力。微量有害气体模拟单元向密封舱内注入人体释放以及舱内材料释放的有害气体形成有害气体负荷，定期采样分析或在线监测有害气体浓度，评估微量有害气体去除装置对微量有害气体的控制能力。产湿模拟单元向舱内提供人体产生的湿气，产热模拟单元模拟人体的发热并与舱内设备产热共同构成舱内热负荷，温湿度控制系统对空气进行降温除湿的同时，产生冷凝水，冷凝水提供给水处理装置进行处理，生产出可用饮用的净化水。尿液由舱外收集并供应给尿处理装置，生产出的尿蒸馏水提供给水处理装置，生产出可供饮用的净化水。净化水提供给电解制氧装置用作生产氧气，氧气再供应到密封舱内。

图1 代谢模拟试验方案Fig.1 Scheme of metabolic simulation test

环控生保系统代谢模拟试验是一种物理模型试验，最基本的试验条件是需要一个密封舱，密封舱具有与真实载人舱相近的内部构造、气体容积以及绝热、密封、气体流动等试验边界。物理模型试验需要几何相似、物理相似和动力相似[5]。密封舱内部构造与真实载人舱相近，保证了物理模型试验的几何相似。密封舱舱体绝热设计、密封设计保证了热边界和密封边界等物理相似。气体流动保证地面重力试验与微重力飞行空气强迫对流换热和物质交换的相似性，气体容积保证密封舱内空气通风循环效率的相似性。

密封舱内安装被研究对象即上天飞行状态的整套环控生保系统，配套相应的试验保障设备包括测控系统、真空系统和制冷系统等，提供测控通信、真空环境和热量排散等功能，配套代谢模拟设备提供试验负荷输入。

3 代谢模拟方法

本研究包括耗氧、CO2代谢排出、产热、产湿、微量有害气体释放、冷凝水和尿液等人体代谢物质和能量的模拟方法，每种模拟方法通过独立的模块设备来实现，各个模块设备可独立使用，也可以联合使用，提供人体单一代谢物或者多种代谢物的模拟。

3.1 人体耗氧

3.1.1 模拟方法

密封舱内人体耗氧模拟实质上是气体分离的过程，即把氧气从空气中分离出来并排出舱外或消耗掉，使空气中的氧气按照人体消耗速率定量减少。早期采用的人体耗氧模拟方法是化学反应法和抽气补氮法[6-7]。国外曾经通过燃烧和氧化有机物或无机物的化学反应，达到模拟人体耗氧的目的，但是此过程难以精确控制化学反应速率，影响模拟精度。抽气补氮法，即抽取一定量的密封舱空气，再向舱内注入损失的氮气，保证舱内压力基本稳定，该方法的缺点是抽出来的气体中包括氧气和氮气以外，还含有CO2气体、微量有害气体和水气等，另外抽气-补气过程还带来热量的交换，长期试验累积误差是显著的。

冯红旗等于2014年研制成功沸石分子筛人体耗氧模拟单元[8]，主要性能如下：

1)具有模拟2人～5人的耗氧能力，最大氧气消耗量为每天2500 L；

2)进气氧浓度19%～25%，耗氧模拟单元排气口富氧气体氧浓度不低于93%；

3)耗氧模拟过程对密封舱CO2浓度无明显影响；

4)耗氧模拟过程对密封舱微量有害气体浓度无明显影响。

在耗氧模拟单元实际使用过程中，发现密封舱总压和氧分压呈现周期性的波动，总压波动幅度约为±0.2 kPa，氧分压波动幅度约为±0.05 kPa。分析认为，耗氧模拟过程中从密封舱内的引气量和回气量均较大，密封舱内的气体随着引气和回气而出现周期性的增多和减少，造成压力波动。这种波动虽然不改变总压的整体变化趋势，但是会导致试验分析出现偏差，尤其是在总压和氧分压的控制带边界上出现错误控制。

为了解决耗氧模拟过程中密封舱总压和氧分压波动的现象，进行了相应的改进，将一组压缩机改为三组压缩机，三组压缩机相互独立，优化了引气关键工作参数，选取合理的空氧比指标，结合PSA变压吸附的特点，将空氧比确定为12～14，得出适当的引气量，解决了原耗氧模拟单元引气量大而造成密封舱总压和氧分压波动大的现象。图2和图3分别表示了耗氧模拟单元改进前和改进后的密封舱总压变化趋势。

图2 耗氧模拟单元改进前的总压曲线Fig.2 Total pressure curve before improvement of oxygen consumption simulation unit

图3 耗氧模拟单元改进后的总压曲线Fig.3 Total pressure curve after improvement of oxygen consumption simulation unit

3.1.2 模拟结果

试验过程中，分别按照3人(75 L/h)、4人(99.5 L/h)和5人(124 L/h)等不同代谢水平模拟了人体耗氧量，耗氧模拟单元出口富氧气体氧气浓度控制结果如图4所示，氧浓度控制在93%以上，稳定在94.5%左右，满足设计指标要求，为电解制氧装置性能和氧分压控制能力的评价提供了验证条件。

图4 耗氧模拟单元出口氧浓度Fig.4 Oxygen concentration in outlet of oxygen consumption simulation unit

3.2 人体CO2代谢

3.2.1 模拟方法

人体CO2代谢模拟的常规方法是通过CO2高压气瓶向密封舱内注入，本试验研究仍采用这种方法。人体的CO2代谢量小，CO2流量控制精度是关键。为减小长期试验的CO2流量累积误差，影响试验结果，本次试验采用了流量驱动和质量反馈的闭环控制方法，提高了CO2模拟精度。根据试验要求，最大CO2模拟量为6人代谢量，选用了精度为0.4%读数+0.2%满量程的ALICAT流量控制器来设定和控制CO2的排放量，同时在CO2气瓶底部安装精密电子秤，实时监测气瓶重量变化，利用气瓶重量变化来校准CO2流量。

CO2注入管道在密封舱内的布置方案，主要考虑了两点，一是CO2排气口多点设置，模拟多人在不同位置的CO2排放；二是CO2排气口设置在通风系统出风口，使高浓度的CO2及时扩散，避免CO2聚集。

3.2.2 模拟结果

代谢模拟试验中，分别按照3人(63.7 L/h)、4人(85.5 L/h)和6人(107.3 L/h)等不同代谢水平模拟了CO2代谢量。图5是4人平均水平的CO2代谢量控制情况，设定值85.5 L/h，最小流量84.7 L/h，最大流量85.8 L/h，误差控制在±1%内，为CO2去除装置的性能评价提供了高精度验证条件。

图5 人体CO2代谢模拟控制结果Fig.5 Control result of simulated human metabolic CO2

3.3 人体代谢产热

3.3.1 模拟方法

密封舱内设备工作过程中的热量、舱内外环境温差导致的舱壁漏热以及人体代谢产热，构成了密封舱内热量的主要来源[9]，其中人体代谢产热采用模拟的手段实现。

在人体产热模拟方面，前期研制的产热模拟设备，以模拟人体产热总量为主，直接在金属表面上粘贴薄膜加热片，加热面热流密度大、热量集中，产热模拟设备加热不均匀、温度范围不合理。加热设备周围局部空气温度偏高，舱内空气温度不均匀，强化了地面试验中自然对流的作用，影响地面重力试验温度场控制试验的精度。

东华大学研制了适用于舱外航天服试验的暖体假人，暖体假人能够模拟人体产热和皮肤温度[10]，但是该暖体假人采用了无骨架铜壳分体结构，结构复杂，制作难度大。

本研究中，采用了人体假人的产热模拟方式，选择与人体比例接近的假人，在假人表面均匀缠绕电热丝，给电热丝提供直流电压实现产热。假人框架材料采用玻璃钢，加热丝材料选用Cr20Ni80，Cr20Ni80电热丝具有耐高温、导热性能好、延展性好的特点，使用寿命长，满足长期试验需求。

假人最大发热量350 W，供电电压80 V。为保证假人表面温度的均匀性，在电热丝表面覆盖绝缘层。通过测试，模拟人体平均产热量150 W时，假人表面温度为32℃～33℃，模拟人体中度活动产热量270 W时，假人表面温度为40℃～41℃，假人表面温度与真实人体表面温度接近，表面温度均匀。

3.3.2 模拟结果

代谢模拟试验中，人体假人的加热功率在0～280 W之间设定。图6表示了设定发热量为250 W的稳定情况，约800 s后发热量稳定，稳定后最大偏差为-3.5 W，误差±1.4%，满足试验要求。

图6 人体产热模拟控制结果Fig.6 Control result of simulated human heat production

3.4 人体代谢产湿

3.4.1 模拟方法

密封舱湿度控制及除湿过程是长期载人飞行中水循环再生功能的重要环节，因此除湿能力是环控生保系统的重要研究课题。人体代谢产湿的特点是产湿量小、波动大，单人产湿速率在50 g/h～150 g/h范围内变化。

前期湿度控制试验研究中曾采用过电加热加湿和超声波加湿两种方式，电加热加湿法在加湿的同时会给密封舱内带来额外的热量，同时蒸汽温度较高，水蒸气易在冷壁面上结露，加湿效果差，影响试验结果的准确性。

超声波加湿是一种等焓加湿[11]，等焓加湿过程中液态水滴汽化时需要从周围空气中吸热，人体平均和中度活动的产湿速率分别为75 g/h、150 g/h，其汽化需要吸收的热量分别为47 W、94 W，按照2人中度和1人平均的产湿负荷模式，从空气中吸收的总热量为235 W。密封舱容积按照160 m3计算，空气质量约为200 kg，235 W的热量会造成空气温度下降约为4.2℃，空气温度下降幅度较大。因此需要根据产湿负荷的大小，补充相应的热量，防止空气温度下降。

前期产湿模拟单元均采用了开环控制加湿速率的方案，即由定量泵向超声波加湿器内供水，由称重传感器监测加湿器内水量的变化，供水速率由定量泵控制，供水速率准确，但是供水速率与超声波加湿器雾化速率动态匹配性差，调节后的稳定时间长，不利于长期试验。

本研究的产湿模拟单元主体结构为超声波加湿器，产湿速率指标为185 g/h，采用了闭环控制产湿速率的方案，提高了控制精度。在上位计算机中设定产湿速率U0，以精密电子秤作为测量元件，监测超声波加湿器重量的变化，通过重量随时间的变化速率求得实际产湿速率U，以U为反馈，通过比较环节，确定U与设定值U0的偏差e，该偏差信号进入控制器，使控制器输出控制信号，控制信号作用在执行器上，改变数字电位器的位数，调节超声波加湿阵子频率，从而控制产湿速率与设定值一致。产湿模拟单元的控制逻辑如图7所示。

图7 产湿速率控制逻辑 Fig.7 Control logic of humidity production rate

为保证产湿速率稳定和产湿控制精度，需要精确控制超声波加湿器水槽的水位，同时也为适应长期试验需求、减少人工补水的工作量和人工补水过程带来的误差，设计了自动补水功能，能够自动、连续地向加湿器水槽中补水，保证合理的水位。水槽中设置了液位开关，当水位低于下限时，补水电磁阀打开，水箱中的纯净水自动流入水槽中，当达到水位上限时，自动关闭补水电磁阀，通过液位开关的控制使水槽内的水位变化范围为1 cm，保证产湿速率稳定。

3.4.2 模拟结果

代谢模拟试验中，产湿速率设定范围为50 g/h～180 g/h。图8为设定值155 g/h的稳定情况，运行约900 s后稳定在设定加湿速率，波动幅度在±2%以内，产湿模拟过程稳定时间短、产湿精度高，满足试验要求。

图8 人体代谢产湿模拟控制结果Fig.8 Control result of simulated human metabolic humidity

3.5 微量有害气体

3.5.1 模拟方法

载人航天器密封舱内的微量有害气体由非金属材料通过扩散、蒸发和氧化降解等方式，以及人体代谢及废弃物释放而产生[12]。有害气体必须予以及时去除以保障航天员的健康安全，在空间站等长期载人飞行任务中，有害气体的净化尤为重要。

为评价环控生保微量有害气体去除能力，需要向密封舱内注入规定种类和规定速率的污染物气体，模拟密封舱内材料和人体释放的微量有害气体。选择了14种典型的污染物作为模拟对象，具有污染物种类多、物理化学特性差异大、注入速率调节范围宽等难点，实现难度较大。

对于液态污染物，前期采用过蠕动泵+微孔膜+加热蒸发的方案，其优点是可连续注入，但在实际使用过程中，发现其浓度平衡时间长、操作复杂，稳定性、重复性和调节性能较差，不适应长期连续使用。对于气态污染物，目前常用的方法是使用标气瓶来产生稳定浓度的污染气体，但其缺点是难以维持长时间的试验，此外每次更换标气瓶，其发生浓度均需要较长时间才能达到稳定。

国际空间站微量有害去除气体系统污染物控制试验中，采用注射泵注入液态污染物，采用蠕动泵注入气态污染物，具备注入8种污染物的能力。俄罗斯微量污染物控制试验注入系统，可注入气态污染物和液态污染物，气态污染物为与空气或氮气的混合气体，储存在钢瓶中主要缺点是混合气体中污染物浓度较低，长期试验时混合气体消耗量大。液态污染物由柱塞泵输入到加热容器形成气态物质后再注入到密闭实验舱中。

本试验研究中，为了适应长期测试，将14种污染物分为3类，即气态污染物、水溶性污染物和油性污染物，气态污染物采用纯气气瓶和流量控制器的方案直接向密封舱内注入。水性污染物和油性污染物分别采用定量环-载气驱动-加热蒸发的方案，定量环控制注入量，载气作为驱动气体从密封舱内取气，加热环节使液态污染物及时汽化，防止冷凝聚集，从而实现了高精度动态模拟多组分低浓度微量有害气体的功能。

本研究中的微量气体注入单元可实现动态定量注入和静态定量注入两种工作模式，满足不同的试验需求。动态定量注入是按照一定的产生速率均匀向密封舱内注入微量有害气体。静态定量注入是按照规定注入量一次性向密封舱内注入有害气体并在规定时间内达到平衡。

3.5.2 模拟结果

选取了一氧化碳、甲苯和乙醛分别作为气体污染物、油性污染物质和水溶性污染物的代表，进行注入精度的测试，结果见表1。

表1 污染物注入速率测试结果

经过测试，气体注入精度±3%，油性污染物注入精度±6.7%，水溶性污染物注入精度±7.6%，注入精度满足试验要求。

3.6 冷凝水

3.6.1 模拟方法

冷凝水水质对真实有效考核水处理系统的运行性能极其关键。真实的冷凝水来自于人体代谢的湿气，冷凝水中含有人体代谢的有机物和无机物，同时包含有密封舱空气中溶解于水的物质，因此真实冷凝水的成分非常复杂。

前期的代谢模拟试验中，采取了两种方式提供冷凝水。一种是参考国外载人飞行中冷凝水水质模型配置的冷凝水，包含醇类、酸类等12种有机污染物，NH3、NaCl等4种无机污染物，理化指标包括pH、电导率、总有机碳和氨氮含量等4种。第二种方式是代谢模拟试验中空气降温除湿过程中收集的冷凝水，这种冷凝水来自于超声波加湿蒸汽，加湿用水为饮用纯净水。

3.6.2 模拟结果

本次代谢模拟试验使用了第二种冷凝水。加湿用饮用纯净水的pH为6.62，电导率为2.85 μs/cm，总有机碳为0.21 mg/L，比较洁净。在加湿和冷凝过程中由于吸收了密封舱内空气中和吸水材料中的部分物质，冷凝水的成分发生了较大变化，冷凝水的主要成分检测结果：pH为6.04，电导率为85 μs/cm～102 μs/cm，总有机碳为49 mg/L～95 mg/L，全盐量为50 mg/L～60 mg/L，溶解性总固体为57 mg/L～61 mg/L。与载人飞行试验的冷凝水成分进行比较，代谢模拟试验冷凝水的电导率、总有机碳、溶解性总固体和全盐量等指标比载人飞行冷凝水小2～5倍，差别较大，主要原因是代谢模拟试验的冷凝水缺少人体代谢的物质。冷凝水成分的差异给水处理装置性能考核带来一定的偏差，后续需开展冷凝水水质模型的研究，提供成分真实合理的冷凝水，满足水处理功能长期验证试验的需求。

3.7 尿液

3.7.1 模拟方法

代谢模拟试验中尿处理装置使用的尿液为地面收集的真实尿液。通常情况下人体尿液中含有一定量的Ca2+，而微重力环境下由于骨质流失，尿液中的Ca2+浓度会进一步增加，验证尿处理功能时需考虑Ca2+浓度增加的情况[13]。为真实考核尿处理装置的性能，需模拟在轨飞行尿液中的Ca2+含量，代谢模拟试验中通过向收集到的尿液中添加氯化钙的方式增加Ca2+的浓度，浓度控制在200 mg/L～280 mg/L。

为模拟在轨飞行尿液的理化性能，向收集的尿液中添加纯净水和尿预处理剂。添加纯净水的目的是模拟在轨收集尿液时的尿冲洗水，使尿液的浓度真实。尿预处理剂具有杀菌消毒和防止沉淀物产生的作用，能够保持尿液储存过程中物理化学状态稳定，添加了尿预处理剂的尿液pH要求为1～2。

3.7.2 模拟结果

对收集的真实尿液添加氯化钙和尿预处理剂后进行了指标测试，结果为：pH为1.85，Ca2+浓度为230 mg/L，模拟结果满足试验要求。

3.8 代谢模拟试验实施情况

利用代谢模拟试验方法和研制的代谢模拟设备，先后开展了3次代谢模拟试验(环控生保系统集成性能试验)，持续时间分别为408 h、432 h和739 h，验证了环控生保系统设计方案，研究了密封舱总压、氧分压、CO2分压、温度、湿度和微量有害气体等与人生存、生活密切相关的大气环境参数控制能力，研究了不同空气温度、湿度、大气压力下的电解制氧性能、CO2去除性能、微量有害气体去除性能、水处理性能和尿处理性能等，研究了环控生保系统与各种环境参数之间的相互影响作用等。

4 讨论

针对长期载人飞行环控生保系统性能、寿命和可靠性等方面的考核需求，代谢模拟试验的作用越来越突显，有必要进一步研究和优化试验方法，使试验边界和试验负荷更为真实、有效，更好地满足环控生保系统的验证需求，初步考虑在以下两方面进行深入研究。

4.1 冷凝水水质模型改进

比对代谢模拟试验冷凝水和在轨飞行冷凝水成分，代谢模拟试验收集到的冷凝水缺少人体代谢的有机物和无机物，因而比较洁净，不利于水处理装置工作性能的评价。为了真实有效地检验水处理性能，有必要配置接近于真实成分的冷凝水，用于水处理装置的性能测试，初步设想如下：

1)对代谢模拟试验收集的冷凝水进行调配，添加无机物和有机物。初步确定添加硝酸钠和硫酸钾，增加冷凝水中的硝酸盐、电导率、溶解性总固体和全盐量等指标，电导率达到200 μs/cm～500 μs/cm。添加乙醇、乙酸和苯甲醇等有机物，使总有机碳达到220 mg/L～350 mg/L，通过无机物和有机物的添加，使冷凝水成分和指标与在轨飞行冷凝水接近。

2)国际空间站美国舱段在开展水再生与管理系统(WRM)地面试验时，所使用的冷凝水由人体代谢产生，志愿者在一个相对封闭的环境中运动，人体代谢的湿气通过冷凝热交换器冷凝并收集，在收集到的冷凝水中添加一种配置的模拟溶液，使其符合预期的国际空间站冷凝水成分。

目前我们正在策划建立一个类似的冷凝水收集间，配备跑步机等运动器材，安装温湿度控制系统和冷凝水收集系统，组织志愿者在收集间内运动，收集人体产生的冷凝水并提供给水处理装置使用。根据收集到的冷凝水成分，确定是否添加相关无机物和有机物，使其更加符合在轨飞行冷凝水的成分。

两种冷凝水各有优点，第一种获取相对方便，第二种的成分更为真实，需根据不同的试验目的确定选择哪种冷凝水模型。

4.2 微量有害气体负荷模拟

代谢模拟试验中是按照给定的人体微量有害气体产生速率将其注入到密封舱内的，密封舱内有害气体产生速率为材料释放叠加了模拟人体释放，通常达不到最高允许浓度(SMAC)，考核不到微量有害气体最大去除能力。后续代谢模拟试验可以提高微量有害气体的注入速率，使其浓度达到SMAC水平，在此浓度水平下考核微量有害气体去除功能的最大能力。

5 结论

1)提出了环控生保系统人体代谢模拟试验方法，满足长期飞行任务环控生保系统性能验证，该方法通过了多次地面试验的检验，证明试验方法合理有效。

2)通过关键参数优化和结构改进，有效减少了耗氧模拟过程对密封舱内环境的影响；采用质量反馈闭环控制方案以及产湿模拟自动补水方案，显著提高了CO2模拟和产湿模拟的精度；采用玻璃钢假人缠绕加热丝的方案模拟人体产热，结构简单、假人表面温度均匀性好；分别采用纯气气瓶-流量控制器方案和液态污染物的定量环-载气驱动-加热蒸发的方案，高精度模拟了14种微量有害气体；采用在地面收集的尿液中添加氯化钙和尿预处理剂的方法，模拟了在轨飞行的尿液成分。

3)讨论了冷凝水代谢模型和微量有害气体去除能力试验的改进方法，可以提高模拟结果的真实性和试验有效性。