摘要：为进行受控生态生保系统试验研究，研制了地面模拟实验装置。该装置由主机、氧气和二氧化碳测控系统、植物栽培系统和整机数据管理系统组成。栽培室内胆为镜面不锈钢结构，其有效容积1.8m³,有效栽培面积1.2m²;采用电子荧光灯作光源和聚乙烯醇缩甲醛材料作根基质;栽培室内的温度、相对湿度、氧气浓度、二氧化碳浓度、光周期和光强度等环境参数和营养液的pH值、电导率、溶解氧、储箱液位和供液流量等参数均实行自动调控，并通过上位机实施定期的动态巡检、采集、储存和打印。联合调试和初步植物栽培实验的结果证明该设备的性能达到了最初的设计要求，能够满足今后空间植物栽培或其它生物培养地面模拟实验研究的需要。

中图分类号：Q693文献标识码：A

文章编号：1002-0837(2000)01-0019-06

Development of a Ground-based Experimental Facility for Space Cultivation of Higher Plant

GUO Shuang-sheng,WANG Pu-xiu,HOU Ji-dong,AI Wei-dang,CHAO Zhao-gang

(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)

abstract：A ground-based experimental facility was developed for conducting initial ground-based simulation study of Controlled Ecological Life Support System (CELSS).The facility is composed of a main chamber,O₂ and CO₂ composition control subsystems,plant cultivation subsystem and whole data management subsystem.The growth room,being composed of a inner wall of mirror-face stainless steel,holds a volume of 1.8 m³ and a growing area of 1.2 m²;electronic fluorescent lamps were used as lighting sources and polyvinyl formal was used for root matrixes;the environmental parameters of the growing room such as temperature,relative humidity,O₂ concentration,CO₂ concentration,lighting period and irradiance intensity and the nutrient parameters such as pH,electrical conductivity,dissolved oxygen concentration,liquid level of nutrient storage tank and flow rate of nutrient were all controlled automatically;all of the above-mentioned parameters can be inspected,collected,stored and printed regularly and dynamically.The results of a combined debugging and preliminary plant cultivation verified that the technical target of the faci-lityhad reached its initial design requirements,it can be used to conduct ground-based simulation studies of space cultivation of higher plants.

Key words:test equipment;ground tests;closed ecological systems;exobiology;plant cultivation

研究受控生态生保系统的目的在于实现未来长时间、远距离和多乘员空间探险活动航天员的生命保障。该研究分为地面模拟和空间飞行两种试验方法，高等植物是其核心环节。国外自60年代后期至今已建立起多种空间高等植物栽培的地面模拟设备^［1～3］。我们也已选出拟用在该系统中的几种高等植物^［4］，并研制了空间高等植物栽培地面模拟设备，为进行高等植物在密闭环境中不同光源、光强度、光周期、温度、相对湿度、大气组分、营养成分、栽培密度和栽培方式下生长、发育和繁殖等规律的研究提供了条件，也为进行大型地面模拟和空间飞行试验打下了基础。

技术指标与性能要求

(1) 主机外廓尺寸:2200mm×1000mm×1950mm;

(2) 栽培室尺寸:1600mm×750mm×1500mm×1500mm;

(3) 大气温度:5～40℃,控制精度±1℃,均匀度2℃;

(4) 大气相对湿度:30%～90%，控制精度±3%;

(5) 大气风速:0.1～0.5m/s,可调,不均匀性≤0.2 m/s;

(6) 大气压力:100±5kPa,大气泄漏率≤25%总体积/天;

(7) 大气O₂浓度:15%～25%,控制精度±2%;

(8) 大气CO₂浓度:350～10000μmol·mol^-1,控制精度±1.0%FS;

(9) 大气O₂分离量测定:应具O₂分离量定量功能;

(10)大气CO₂添加量测定:应具CO₂添加量定量功能;

(11)光波长:350～750nm;

(12)光合有效辐射:0～100μmol.m^-2.s^-1PPF(光合成光子通量,灯 管下50 cm处)，分级可调;

(13)光周期:0～24h,连续任意可调;

(14)营养液pH值:4.5～7.0,控制精度±0.5;

(15)营养液电导率:0.5～10mS/cm,控制精度±0.1mS/cm;

(16)营养液溶氧浓度:25%～50%,控制精度±0.5%;

(17)营养液温度:5～40℃，测量精度±1℃;

(18)营养液储液箱和集液箱液位:自动控制;

(19)气液路接口配置:主机栽培室应留出气路接头、液路接头和电缆接头若干个;

(20)保护与报警设置:主机应设置栽培室超温、制冷系统超压、压缩机过载、加湿水盘断水、整机漏电等保护和报警设备;

(21)防护能力:系统应防腐、防锈、防渗、防漏、防有害气体挥发;

(22)整机数据管理系统功能:应具有系统运行状态监控与报警、各参数数据采集、图形显示、实时打印与存储功能。

系统构成与工作原理

按照上述技术指标和性能要求，确定该装置由主机、氧气和二氧化碳测控系统、植物栽培系统和整机数据管理系统共4个部分组成。

主机即该装置的主体，由箱体、温湿度控制、通风控制、压力测量、光照控制和报警保护等6个部分组成。

箱体采用卧式分体结构，制冷机组置于箱体外部。植物栽培室占据主机箱的主体部位，内胆由镜面不锈钢板制成。舱门采用磁条和凸轮压杆紧闭机构关闭，以便加强舱门的密封性。箱体的基本结构如图1所示。

温湿度控制通过制冷、加热和加湿3大系统来实现。加湿采用表面蒸发式方法，避免常规电加热蒸汽加湿系统中存在滞后的弊病，以提高加湿系统的可控性及稳定性。采用双回路可编程温湿度控制器分别测量和控制栽培室的温度和相对湿度。温度和湿度控制采用平衡调温调湿方式实现。可将温度、湿度和光照周期控制设定值偶联在一起进行多个组合的程序控制。此外可进行定值控制，并与程序控制可相互转换。

图1空间高等植物栽培地面实验装置主机示意图

Fig.1Schematic diagram of the Ground-based Experimental Facility for Space Cultivation of Higher Plant 通过双笔记录仪动态描绘温度和相对湿度的变化曲线。该仪表同时具有超温保护功能，即通过拨盘方式设定某一值，当栽培室温度超过这一设定值时出现超温报警，主机随即断电，从而避免因故障原因引起室温超限而对植物和栽培试验箱可能造成的损坏。压缩机组和制冷系统分别设置过载保护器和超压保护器，一旦压缩机组负荷超限或制冷系统压力超限，则分别报警，主机随即断电。加湿系统设置断水保护。当加湿水盘水位超低时，加湿器则停止工作，直至加湿水盘水位高于低水位设定值时加湿器才又重新开始工作。

风速通过变频调速器调节风机转动速率而自动调节。光照全部采用高效电子荧光灯照明。设4个灯组,均匀安装于箱体顶部。通过温湿度控制器(设定4个灯组的光照时间,它们可以同步开/关,也可以异步开/关)和PLC(驱动接触继电器的开/关）,进行光周期和光照强度的自动程序控制。另外，也可通过手动开关来进行光照周期和强度的控制。

氧气和二氧化碳测控系统该系统由O₂分离、CO₂添加和测控单元3部分组成，其部组件和工作流程如图2所示。

当高等植物栽培室中的O₂含量高于控制上限设定值时，O₂分离系统启动。富O₂气体被空压机压入吸附塔内的氧分子筛床，O₂穿过氧分子筛进入O₂贮箱而N₂被分子筛吸附，后者随后被解附送回高等植物栽培室。当栽培室中的O₂含量低于控制下限设定值时，O₂分离系统关闭。利用湿式气体流量计连续检测分离出来的总O₂量，从而计算出总O₂分离量。当栽培室中的CO₂含量低于控制下限设定值时，CO₂添加系统启动,控制器开启CO₂添加阀，向栽培室供应CO₂，当浓度达到控制上限设定值时，关闭添加电磁阀。利用湿式气体流量计连续检测添加进去的