各航天大国都有载人航天计划,目的就是要把人类送到太空去。

文章作者:管理一号 | 2019-06-25
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现在,太空探求正如火如荼,各航天大国都有载人航天计划,目的就是要把人类送到太空去。人类要进入太空,首要得了解太空。人在太空中是没方法生计的,不只是因为真空环境,其他还有很强的国际射线。当太阳照射到物体表面的时分,温度或许高抵达一两百度甚至更高;温度低的时分或许低至零下七八十度,甚至更低。在这样的环境,不采用方法人类是无法生计的。

 

人类怎样完结在太空中长时间生计?

人类在太空怎样可以生计下来呢?首要要有一个密闭舱的系统,这个密闭舱系统要可以很好的防辐射,并在里面制造一个适合的空气压力,什么叫适合?就像地球的大气压就是适合的。还要有适合的温度湿度, 60%左右的湿度是比较适合的,我们制造了适合的湿度,然后在里面还要制造空气流速,这个是非常重要的。那问题来了,在家不开电扇的时分,我们也活的挺好的,为什么要在太空中要制造适合的空气流速呢?因为在太空中微重力的条件下,空气不对流,假定不人为的搅动空气,空气是中止的,完全赖浓度的差异来进行对流,速度是很慢的。假定这样,待在一个当地不动就会被憋死,因为头部周围的二氧化碳浓度会特别高,然后导致二氧化碳中毒,所以空气的流速是很重要的。

太空舱是一个封闭的系统,空气污染物很简略累积。密闭舱里有许多材料,这些材料会发作许多污染物,这类污染物占一大部分,也有许多污染物来源于人类自身。我们人在活着的过程中,每时每刻都在开释污染物,大约有两三百种,人在密闭舱系统里会把自己毒死,所以必定要进行空气净化。

人类怎样完结太空长时间生计

上图中,蓝的一圈是环境保证,有了环境保证我们在这儿大约可以待一段时间,但是待不长。因为我们还缺许多物质,就是里面绿的这一圈,它会提招供活着需求的空气、食物、水,并把发作的废物进行有用的处理和处置,这套系统叫物质条件保证系统。有了环境、物质,我们在里面可以活下来了。但是因为太空跟地上不同很大,重力有差异,辐射会更强,还有封闭的环境比较狭窄,我们或许会郁闷,甚至会郁闷,所以我们还要处理人的生理、心思健康调控的问题。

三大系统保证太空中人类的安全

这样我们就构成三大系统:舱室环境控制系统、生命保证系统、健康保证系统。我们团队研讨的主题就是生命保证系统,是这儿边最凌乱和最重要的系统。假定现在我要把你送到太空,假定只允许你带一种物质,你要带什么?

地球上一切的物质随意带,包括金刚钻、蓝宝石、红宝石、豪华包都可以带,那你选择带什么呢?有人说带水、氧气、3D打印,我们的主见是不一样的。我们要看人在太空中,对人最重要的物质是什么?没有氧气我们能活多长时间,一般是3-5分钟,对我们第一重要的是氧气。

接下来是水,假定没有水能活多长时间?大约能活三五天。对我们来说第二重要的是水。

第三重要的就是食物。这样我们就知道了关于人来说,最重要的是氧气、水和食物。在地球上最重要的是不要钱的,比如说氧气,没有人说你今天呼吸了多少氧气,在嘴上设备一个计量器,喘了多少氧气要计费。我们要知道,廉价的东西不等于不名贵,最重要、最名贵的东西是不要钱的。

生命保证系统

接下来就要进行废物处理了,因为我们吃了、喝了、喘气了必定会有废物发作。比如人会排泄,有粪便、尿液,还有许多卫生废水。其实还有一种废物,我们往常没有太注意到,就是二氧化碳。

假定我们注重新闻会听到许多,地球温室效应的首恶巨恶是二氧化碳,所以我们都很敌视它。那么二氧化碳真的一无是处吗?二氧化碳有什么用呢?二氧化碳有非常重要的作用——光合作用。地球上光合作用最主要的材料就是二氧化碳,没有二氧化碳我们是没有方法活下去的,因为光合作用发作了氧气、发作了食物,我们才华活下来。因此可以说地球上假定没有二氧化碳,地球上几乎一切的生命都将不复存在,所以二氧化碳是很重要的,并不是一无是处。一切都是辩证的,没有必定好的东西,也没有必定坏的东西,我们要用辩证的思想去考虑问题。

我们给人供应氧气、水和食物,并且对它发作的废物进行有用的处理和处置,这个系统就是满意人在太空中生计所需求物质的一套生命保证系统。生命保证的方法有许多种,最简略的方法也就是现在一些飞船的方法,我们叫携带式,就是所需求的东西都带着,比如氧气、水、食物都带着,然后对它发作的废物打包存起来,二氧化碳用一些吸附剂吸附,然后去除掉,这就是携带式。

来核算一下需求带多少物资,假定一名航天员,身高170厘米,体重70公斤,男性,在中等劳动强度下,稍微干一点轻体力活,再做一些脑力劳动,这样一个人需求的热量是2800千卡/天,这种条件下他每天需求吸收0.83公斤氧气,开释出0.95公斤二氧化碳,需求15公斤的水。其实15公斤水是很少的,在上海日子,日常每人每天消耗应120-150公斤左右的水,宇航员也就差不多非常之一,现已很节省了,冻干食物0.65公斤,估计是16.4公斤/天。

那么去太空、月球、火星探求,或许不只这么多。假定待一年就需求6吨,把这些东西运到天上就要算一算花多少钱。这是送一个人到近地轨道空间站所需求花的钱,保存估计360 000 000人民币,要送到月球的费用是3600 000 000人民币,多了一个0,要送到火星是36 000 000 000人民币,再加一个0。即使有钱,在技术上估计也是不或许的。比如要去火星,那边说缺物资了,还要等发射窗口,你或许要等一年,一年往后或许现已变成木乃伊了,因为火星上是真空的环境,一旦物资消耗完了,在真空环境里很快就变成木乃伊了。所以从技术上也是很难完结的,那怎样办呢,我们有必要要用其他技术来处理,我们有必要要原位循环再生。

生物再生生命保证系统:太空长时间住留探求不可或缺

生物再生生命保证系统

近地轨道空间站是怎样原位循环再生的呢?是用物理化学再生的方法。从上图可以看出,可以把很大一部分氧气和水循环再生。仔细看就会发现,人消耗氧气,发作二氧化碳,二氧化碳会被收集、浓缩,然后进入反应器,一起进入反应器的还有水电解发作的氢气,二氧化碳就会被复原生成水,净化之后可以给人喝,当然人发作的尿液也会被收集然后净化。

现在国际空间站上,可以再生50%的氧气,再生75%的水,食物完全是从地上携带来供应的。所以这样一套系统,很显然不适合我们在月球或许在火星上长时间住留,那么怎样办呢?

关于国际来说,地球是特别渺小的,它特别像一个球形的飞船,千千万万的生命日子在地球这个球形飞船上面,那么这些生命是怎样活下来的?地球上的氧气够支撑地球上的生物活大约两千年,而我们地球上的生命现已接连了几十万年,即使关于人类来说,从有文字记载初步,到现在现已有1万多年了。这就有一个悖论,一方面资源非常有限,其他一方面物种的生命是无限接连的。那么地球怎样处理这个悖论呢?就是地球的生物圈。

地球生物圈有一个物质循环,它生成凌乱的生态系统网络,使地球上的物质可以一贯循环再生,因此完结了生命在地球上的永续存在。所以我们就要向地球学习,人类要进入太空,到地外去流浪,到地外去探求,就要学习地球的生态系统。在更小的飞船里面构建一个生态系统,用这样的生态系统来循环再生人们需求的氧气、水和食物,把废物进行处理和循环再运用,这就是生物再生生命保证系统。

它可以给人供应一个类似于地球生态的环境,可以在保证物质需求的一起,让我们心境愉悦,远比现在的空间站里愉悦许多,空间站就像一个收容所。地球生态系统没有主人,地球上一切的生物都是这个生态系统中的一个链环,地球的生态系统也不是盘绕着人构建的。生物再生生命保证系统跟它有很大的差异,它是完全盘绕人的需求来构建的,并且是由人控制的,所以人是这儿的操作和控制者,因此这个系统被认为是国际上最先进的闭环回路生命保证技术,是载人深空勘探有必要的要害技术。

我的团队是从2004年初步这项研讨的,到现在现已完结了国际上时间最长,闭合度最高的长时间有人密闭实验。通过15年的时间,我们先通过引入技术,学习国外的一些先进经验,但可学习的东西并不是许多。我们通过15年的学习和更多的自主研讨,从无到有建立了自主知识产权的生物再生生命保证系统理论和技术系统。

生物再生生命保证系统方向研讨发展

六大要害技术,助力月宫一号完结物质循环和系统平衡

我们建立了地基实验系统,因为我们研讨许多技术、理论、方法要把它集成在地基实验系统中进行演示、验证以及进一步研讨和打开。月宫一号,是由一个概括舱、两个植物舱组成。地上面积160平方米,总的体积是500立方米。概括舱里面有人的居住空间,还有洗漱等日子有必要的空间,更重要的是里面有废物处理室,在这儿边处理三大废水,包括尿液、卫生废水和空气冷凝水,处理各种固体废弃物包括人排泄的固体粪便,秸秆以及在这儿边培养的黄粉虫发作的粪,还有日子废物等。在植物舱里面培养各种作物,包括粮食作物、蔬菜作物和生果。之所以设置两个舱有多种考虑,会有一个互为冗余,互为备份的考虑。因为不同的植物需求的环境条件是不一样的,我们在里面做各种切开,完结更符合植物生长需求的环境条件。

月宫一号的中心是物质循环和系统的平衡。这儿涉及到六大要害技术,包括在这样狭窄、密闭、资源受限的环境里怎样培养动植物,怎样对废物进行高效的处理等,在系统层级包括系统的规划、作业以及调控。我们盘绕这些打开了许多的研讨作业。

月宫一号的中心与要害技术

在这些研讨的基础上,我们集成建立了月宫一号系统。我们在2014年做了月宫105实验,做了105天,那个时分里面培养了21种作物。有人问为什么种21种,我们要保证营养健康,从营养学的角度有一个要求,应该尽或许的多样性,这个多样性有一个最小的规范,应该吃植物性的食物不少于21种,这样才使我们营养均衡,每种食物所含的营养不一样,多种组合才华满意我们的需求。所以往常我们要食物多样化,不能挑食,21种是最最底子的要求,当时因为资源的束缚,所以我们就设置了21种作物。

一起在这儿进行动物的培养,这也是我们的立异之点。我们选择出了黄粉虫,然后用秸秆通过生物转化来培养黄粉虫,它是给人供应动物性蛋白和动物性油的。一起选择出来适合在密闭系统培养的微生物,来进行废物处理。这是系统中的物质循环,通过这个物质循环,我们完结了闭合度97%,这在当时2014年现已是国际上最高的闭合度,氧气和水是百分之百循环再生,食物再生55%,当时初度完结了人—植物—动物—微生物构成的四生物链环系统。而在我们之前,俄罗斯和美国他们只是做到了人和植物的两生物链环,而我们做到了四生物链环。

月宫365实验:国际上时间最长的BLSS地基模仿实验

105天实验之后,通过了晋级和打开,又做了月宫365实验。那么为什么我们做了月宫105实验又要做月宫365实验?前面做月宫105实验我们是榜初度做这个实验,主要是演示验证我们前期建立的理论方法和技术是否可行,向哪个方向进一步打开。在这之后我们要考虑一个非常重要的问题,就是我们在太空中建立了这样一个生物系统,这是一个系统,但是来的人是不一样的,我们不或许把一批航天员,送到月球上,然后待一辈子,是不能的。必定会有乘员组换班,一旦涉及到乘员组换班就会涉及到人与人之间的差异,不同的人代谢水平是不一样的,消耗是不一样的。但是生物系统只需一个,要让这个生物系统习气不同代谢水平的乘员组,换班一起在那个当地待许多人,会有很高的系统冲击。要满意在任何情况下都可以平稳的作业,都可以安稳、平衡,月宫365实验最主要是研讨这样一个生物系统怎样支撑不同代谢水平的乘员组,怎样让它完结平衡。

“月宫365” 实验“

因此这次的规划跟前次是不一样的,我们有两组乘员,分三个阶段值班。第一组值第一班,60天,第二组来换班,他们会有一个奉告,之后第一组出去,第二组留下来再值200天班,200天满后,第一组又回来换班奉告,之后第二组出去,第一组留下来,再值105天班,这是365天,所以叫月宫365实验。

但我们还要研讨一个问题,这是有预谋的,当时没有奉告他们,当时说只做365天,快要到365有利地势他们都很激动,马上就可以出舱了,然后我们奉告他们对不住,因为任务的需求你们还要再待5天,这叫非预期加班。就是让他们心思发作很大的不坚定,很不满意,为什么我们该回去还不让回去,会很不高兴,很愤怒,然后很郁闷,我们要研讨他是怎样愤慨,怎样郁闷的,怎样让他不郁闷,怎样来调解,因此又加了5天,所以加起来是370天。

我们还做了许多糟蹋:停电了、设备坏了,各种冲击,来应战系统的安稳性。月宫365实验我们培养了35种作物,包括粮食、蔬菜、生果,几乎往常吃到和吃不到的,在这儿边都有,最诱人的生果是草莓。这儿边除了植物以外,黄粉虫还在,废物处理的微生物还在那里,除此之外增加了植物益生菌,运用秸秆培养蘑菇,给人供应一部分蘑菇蛋白。这样就形成了凌乱的四生物链环系统。完结了系统闭合度98%,氧气和水百分之百循环再生,食物再生83%。

系统中对植物的培养跟地球上不一样,我们叫阶梯半接连培养,一起可以拍到十张甚至三十张植物的相片。为什么这样做?跟我们人的呼吸消耗的氧气和植物资氧匹配不到一起是有联络的,因此有必要阶梯半接连培养才华完结气体的安稳。我们会发现,地球南半球和北半球气候是互补的,一起还有大气环流,东半球和西半球日夜是互补的,有这样的大气环流,实时把气体进行混合,这样就使得我们在冬季消耗的氧气发作了二氧化碳绵绵不断地送到南半球,而南半球绵绵不断把氧气送过来,反之亦然。白日晚上也是这样替换的。

 

地球从规划上就是全球一体化的,假定割裂开来,比如说在美国处于晚上的时分,我们把阀门关上,他们或许就会憋死。假定南半球、北半球中心垒一堵墙或许在南半球进入冬季的时分,他们也会憋死。

我们还要做一个非常重要的作业,就是做空间搭载,规划一个小型系统,搭载月球火星勘探器,进入太空,通过六合对比获得校正参数,校正我们地上大系统的参数,通过校正后我们就可以把系统运用到地外,比如说月球、火星以及星际飞船上。

未来太空旅游就可以用到这样一个可以持续保证生计的生命保证系统,在这样诱人的环境里面来日子作业。这个技术也可以用到地上,比如地球上的一些极点环境,包括高原、沙漠以及水下、地下这样一些场合。

从科学上来说,我们要向天然学习,有许多值得我们学习的东西,我们要不停地去查询、去学习,才华够进行原始立异。

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