太空基地受控生态生命保障系统理论设计

继成功实施载人空间交会对接和建立空间站之后，在几十年内开展载人登月和登火并建立月球前哨和火星基地等是未来我国乃至国际航天事业发展的重大战略目标。建立月球或火星基地是开展有人月球或火星科考、天文观测、科学试验和战略资源开发等的重要保障条件，这对人类开发空间资源和扩大生存空间等具有重要意义。然而，50 年前人类已踏上了月球，但至今无法在那里长期驻留，更不用说火星了。其根本原因是缺乏相应的生存保障条件，即乘员在当地无法获取长期生存所需的食物、氧气和水等基本保障物资。目前国际上一致认为，建立受控生态生命保障系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS，简称受控生态生保系统）是解决这一难题的根本途径。
受控生态生保系统是一项异常复杂的人工密闭生态系统，是以地球生态学、环境工程学和空间生命科学等基础科学为依据，以地球生物圈的基本原理为参考，组织和协调系统中“生产者（植物和藻类）”“消费者（人和动物）”与“分解者（主要是微生物）”三者之间的相互作用关系，实现系统内物质的定向转化和循环利用，持续生产乘员生存所需的食物、氧气和水等全部基本的生保物资，从而实现系统的长期高效、平衡、稳定及安全可靠运行和基本自给自足。
本人从20 世纪90 年代中期开始至今，二十多年来一直在中国航天员科研训练中心（前称为航天医学工程研究所）从事受控生态生命保障技术研究工作，先后组织开展了模拟空间环境条件下的植物（含低压）/微藻等培养、废水/废物/废气处理及其资源化循环利用、系统集成中的物质流调控、系统建设概念研究及物质流调控分析计算等研究，在相关领域取得了一些阶段性研究成果。近年来，很想编撰总结国内外在这一领域的研究进展情况，但迟迟未能实现而一直拖延至今。
本书的主要特点是紧紧围绕受控生态生保系统这一主题，从其概念设计研究入手，全面、系统地介绍了当前其概念研究的发展水平。在书中，先后介绍了受控生态生保系统的基本概念、作用意义、总体设计思想、舱体和植物栽培等各大相关分系统当前的概念研究情况、重要进展、建设与运行思路、当前存在的主要问题和倾向性看法，并较为详细地介绍了系统中及系统与外界之间的接口匹配关系、系统可靠性设计分析、系统大小/质量/功耗/占用乘员时间等要素的等效系统质量分析、可靠性设计整体评价情况及风险和故障模式分析等，并提出了未来该技术的发展方向思考。通过以上介绍，希望能够给读者展示一个月球或火星基地受控生态生保系统所应当具备的真实状态，并希望回答如何进行系统构建、部署、初期运行和长远运行等关键技术问题。然而，受控生态生保系统中的有些关键技术，例如植物光照技术或舱内压力制度等，当前仍处于探索阶段，尚无定论，只是有一些倾向性的认识和看法。因此，还有待相关关键技术进一步发展完善后，才能对个别的技术路线做出选择，但这也可能会较大地影响整个系统中很多子系统是否需要重新设计的问题。
本书主要由本人执笔编写与统稿，曾固副研究员负责编写了第15 章可靠性与安全性保障措施。在撰写过程中，得到了中国航天员科研训练中心领导、研究室领导和项目组同事的热情鼓励与支持，在此一并表示衷心感谢！另外，向项目组的傅岚研究员、周抗寒研究员、艾为党研究员、唐永康副研究员、吉定豪博士、张良长博士、刘相博士以及沈蕴赜同志等同事表示衷心感谢！此外，需要特别感谢吉定豪博士，他在本书编写过程中提供了大量宝贵的外文资料；特别感谢曾固副研究员、傅长宏高级工程师和毛瑞鑫同志，他们在全书的绘图和审校等方面付出了大量辛苦，给予了很大支持。感谢合肥高新区太空科技研究中心所给予的大力支持和帮助，尤其要感谢王鹏、熊姜玲和王振三位工程设计人员。后，衷心感谢家人多年来的默默关心、牵挂与支持！
本书在编写与统稿过程中，难免会有疏漏和不足之处，敬请有关专家和读者批评指正，多提宝贵意见！
本书得到国家出版基金的全力资助，在此表示特别感谢！

建立月球或火星温室是未来实现长期月球或火星驻留与开发所的生命保障条件。目前国际上关于月球或火星温室的建设方案尚未完全达成共识，但已有倾向性意见。本书就月球或火星温室的基本建筑结构设计要求和思路、本体柔性透明结构、光照、温控、植物栽培、原位资源利用、作物品种筛选与食谱设计等技术难点或关键点进行了详细讲解，并就当前其地面样机研制与验证进展情况进行介绍。本书将专业与科普知识相结合，使之尽量融会贯通、通俗易懂。本书可供科研院所和大专院校作为科研和教学参考用书，也可供供对航天爱好者尤其是对星球温室或太空农场感兴趣的广大航天爱好者阅读。

建立月球或火星温室是未来实现长期月球或火星驻留与开发所的生命保障条件。目前国际上关于月球或火星温室的建设方案尚未完全达成共识，但已有倾向性意见。本书就月球或火星温室的基本建筑结构设计要求和思路、本体柔性透明结构、光照、温控、植物栽培、原位资源利用、作物品种筛选与食谱设计等技术难点或关键点进行了详细讲解，并就当前其地面样机研制与验证进展情况进行介绍。本书将专业与科普知识相结合，使之尽量融会贯通、通俗易懂。本书可供科研院所和大专院校作为科研和教学参考用书，也可供供对航天爱好者尤其是对星球温室或太空农场感兴趣的广大航天爱好者阅读。

郭双生
男，1964年8月出生，博士，现任中国航天员科研训练中心研究员，北京航空航天大学和西北工业大学兼职教授和博士生导师，中国空间科学学会空间生命专业委员会委员，Space: Science & Technology期刊编委。1993年以来，一直从事载人航天受控生态生命保障技术研究，承担了多项和省部级科研技术试验项目，在受控生态生命保障系统集成技术领域取得重要突破。发表学术论文100余篇，获得国家发明专利近20项，获得省部级科学技术进步奖10余项，出版专著2部，参加编写专著5部。

第1 章 绪论 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 001

第2 章 总体设计边界条件与要求 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 019

第3 章 舱体结构单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 037

第4 章 植物栽培单元 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 075

第5 章 植物光照单元 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 097

第6 章 动物/微藻/食用菌培养单元 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 129

第7 章 大气管理单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 145

第8 章 水管理单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 169

第9 章 食物管理单元 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 187

第10 章 废物管理单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 223

第11 章 原位资源利用单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 247

第12 章 能源供应单元 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 269

第13 章 远程监控与专家支持单元••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 283

第14 章 系统接口关系与整体结构优化评价 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 301

第15 章 系统可靠性与安全性保障措施 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 323

第16 章 系统运输、部署和运行措施 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 337

第17 章 地面关键技术验证简况 ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 357

第18 章 未来重点发展方向分析
主要参考文献
索引

建立月球或火星温室是未来实现长期月球或火星驻留与开发所的生命保障条件。目前国际上关于月球或火星温室的建设方案尚未完全达成共识，但已有倾向性意见。本书就月球或火星温室的基本建筑结构设计要求和思路、本体柔性透明结构、光照、温控、植物栽培、原位资源利用、作物品种筛选与食谱设计等技术难点或关键点进行了详细讲解，并就当前其地面样机研制与验证进展情况进行介绍。本书将专业与科普知识相结合，使之尽量融会贯通、通俗易懂。本书可供科研院所和大专院校作为科研和教学参考用书，也可供供对航天爱好者尤其是对星球温室或太空农场感兴趣的广大航天爱好者阅读。

郭双生
男，1964年8月出生，博士，现任中国航天员科研训练中心研究员，北京航空航天大学和西北工业大学兼职教授和博士生导师，中国空间科学学会空间生命专业委员会委员，Space: Science & Technology期刊编委。1993年以来，一直从事载人航天受控生态生命保障技术研究，承担了多项和省部级科研技术试验项目，在受控生态生命保障系统集成技术领域取得重要突破。发表学术论文100余篇，获得国家发明专利近20项，获得省部级科学技术进步奖10余项，出版专著2部，参加编写专著5部。