0 引 言
受控生态生保系统（Controlled Ecological Life Support System，CELSS）是开展长期载人航天和地外驻留所必需的生命保障系统。该系统以生物再生技术为核心，有机融合物化再生技术和基础环境控制非再生技术，通过植物、微藻、动物和微生物等各功能单元的协同运作，维持与人相关的物质流和能量流平衡，从而创造适合人生存和工作的人工环境[1]。
在空间站，CELSS能从供应新鲜果蔬、吸收CO2、释放O2、提高物质闭合度等方面补充或拓展环控生保系统的功能。其在轨验证的必要性体现在以下四个方面：（1）生物部件的生长特性需在轨验证；（2）生物部件的高效培养/活性维持需在轨验证；（3）生物部件与环境间的物质交互需在轨验证；（4）在轨验证结果可以支撑后续空间站拓展舱和月球/火星基地生物部件的功能应用。
本文梳理了空间站CELSS技术验证总体方案，在分析国际空间站研究进展的基础上，明确了第一阶段植物高效培养验证方案，并开展了地面预先试验验证，筛选出适宜的作物品种，验证了气雾培养及微生物控制技术。
1 CELSS验证总体设计
1.1 需求分析
作为第三代环境控制与生命保障系统，CELSS在月球或火星基地实际应用前，需要提前利用空间站平台解决应用过程中可能面临的关键科学问题，如生物部件的生长繁育特性、系统内物质流循环规律等。同时，还需开展关键技术在轨验证，如生物部件生长要素高效供给和废物/水生物处理系统构建与稳定运行等，以建立小型密闭CELSS（实现生物功能模块在轨集成验证），并探寻系统内物质循环流动规律和调控方法。同时，还需推进系统在轨应用，为航天员提供一定量的新鲜蔬菜和水果，吸收部分CO2，并再生部分O2。
1.2 约束条件
基于空间站资源条件和CELSS技术验证的需求，主要约束条件如下：（1）质量≤140 kg，总体积≤0.5个空间站标准机柜，功耗≤290 W；（2）相关接口（包括机械、供电、信息和散热等）满足空间站标准化和通用化要求；（3）生物部件验证需充分考虑生物安全，采取技术措施将其控制在安全和合理的范围内。
1.3 研究目标
建设并运行核心生物功能模块，为航天员提供新鲜果蔬，完成部分CO2吸收与O2再生。开展植物培养、废物/水生物处理、动物培养、藻类培养等关键技术研究，探讨各生物部件在失重条件下的生长发育规律与物质交互特性，解决生物部件功能实现过程中的迭代繁育与稳定维持等关键科学问题，以及微重力环境下的三相流管理等工程问题，为载人月球探测CELSS建设提供技术储备。
拟达到的技术指标如下：（1）果蔬生产能力≥21.5 g（FW）（kW·h）−1 m−2d−1，藻蛋白生产能力≥0.4 g（DW）（kW·h）−1 d−1L−1，二氧化碳吸收能力≥12.0 g（kW·h）−1 m−2d−1。（2）废物处理能力。生物质固体废弃物减重率≥50%。（3）废水处理能力。总有机碳≤50 mg/L，氨氮≤60 mg/L。
1.4 系统构成
在轨验证的CELSS构成原理如图1 所示。该系统通过生物功能单元的功能实现，创造出适宜人生存和工作的微型人工环境。在此系统中，植物、微藻、动物是系统中食物生产的最主要来源，而微生物和动物则在系统物质循环（固体废弃物和废水处理）中发挥着重要的作用。
1.5 研究流程
CELSS技术的验证流程按照地面单项关键技术研究、生物功能模块构建及在轨验证和迭代优化的顺序，各功能模块采用串行交替验证的方式开展在轨验证，具体步骤如下：
（1）关键技术验证。突破植物栽培、废物生物处理、动物饲养、微藻培养和废水生物处理等关键技术。
（2）模块构建与验证。逐步依次构建植物培养、废物生物处理、动物饲养、微藻培养、废水生物处理各个生物模块，验证其生产能力或处理能力。
（3）模块运行与优化。持续开展模块长期运行试验，为航天员提供蔬菜和水果。持续开展模块的维护、维修和升级完善。
第一阶段拟先开展植物培养验证。
2 植物培养验证方案
2.1 研究概况
空间植物气雾培养的关键难点在于营养液雾化后定时/定量喷施于植物根部，植物根区气/液自动分离，营养液回收和循环利用等方面。基于此，本文总结出空间植物高效培养的几项关键技术，并据此开展验证方案的研究。
2.2 研究方案
首先，基于应用目标，开展空间站微重力环境中植物气雾高效培养关键技术（关键技术1）攻关（见图2 ），解决微重力环境下植物培养技术难题。其次，开展新鲜果蔬的低消耗和高效率生产和评价（关键技术2），植物在轨照料模式验证，以及基于植物培养的大气再生能力与效率研究（关键技术3）。第三，同步研制植物栽培装置，开展环境试验和性能验证研究。验证内容包括新型植物气雾高效栽培、新鲜果蔬高效生产与评价、基于植物培养的大气再生能力与效率、不同类植物在轨照料模式和植物装置研制与性能试验。
2.2.1 地面研究
首先，开展技术调研与论证，制定地面研究方案。然后，利用1∶1组合体综合性能验证平台等地面试验系统，开展单项关键技术性能验证试验，包括植物气雾高效栽培、果蔬的低消耗和高效率生产、大气再生能力与效率，为植物栽培装置研制奠定基础。其次，在植物培养模块研制后，开展植物栽培装置性能验证。接着，进行植物培养管理模式验证。最后，在地面试验基础上，进行在轨搭载试验。
2.2.2 装置研制
在地面关键技术研究基础上，开展植物栽培装置研制。该装置分为4个主要区域：光源区主要为植物提供照明；栽培区为植物提供生长空间；根区用于布局植物根部相关的气雾培养设备；设备区主要用于安装布局相关设备（见图3 ）。装置的进出风口均设置散热风扇和高效过滤器，以确保空气洁净。此外，装置通过供/回水泵以喷雾形式输送和循环植物所需的营养液。装置的气体循环采用交换式和封闭式两种模式，其中交换式是装置的长时间工作状态。该装置主要由箱体、发光二极管（Light Emitting Diode，LED）光源、测量与控制组件、水气分离器、传感器组件等部件构成。
2.2.3 在轨验证
首先，在轨运行植物栽培装置上开展不同类植物的周期性培养；其次，验证植物气雾栽培技术，并进行果蔬生产与品质评价等方面试验；然后，基于获得植物生长CO2/O2代谢模型的需求，开展大气再生技术验证，测量植物的气体交换特性，包括CO2的吸收和O2的释放；最后，开展植物在轨照料和操作验证。
在轨验证期间，计划开展五次试验，具体安排如下：（1）第一批次开展叶菜类（30~40天）的培养验证；（2）第二批次开展根茎类植物（30~40天）的培养验证；（3）第三批次开展果实类植物（100~120天）的培养验证；（4）第四批次开展粮食类植物（100~120天）的培养验证；（5）第五批次开展第二代粮食类植物（100~120天）的培养验证。
拟实现的主要技术指标包括：（1）新鲜果蔬的生产能力≥100.0 g（FW）m−2d−1；（2）植物生长旺盛期二氧化碳的吸收能力≥20.0 gm−2d−1。
3 地面预先验证
3.1 验证平台
利用组合体综合试验平台和植物栽培装置[14]及植物气雾培养试验装置（见图4 ），开展植物气雾培养及微生物控制预先试验。该平台模拟了空间站大气环境条件，具体参数设置如下：（1）舱内总压93~97 kPa；（2）氧分压20.5~22.0 kPa；（3）CO2分压0.30~0.50 kPa（平均值约0.35 kPa）；（4）温度23~25°C；（5）湿度40%~60%。
3.2 品种筛选
3.2.1 筛选原则
基于CELSS候选作物品种库，并结合CELSS技术验证约束条件，筛选出果蔬类作物作为试验对象，同时兼顾粮食类作物。初步计划选择四类植物用于在轨培养，分别是叶菜类、根茎类、果实类和粮食类。
3.2.2 筛选指标
（1）种子萌发。包衣前/包衣后发芽率≥80%；在介质中出苗率≥50%；
（2）植株生长。叶类/根类生长期30~50天；果实类/粮食类生长期60~120天；生产效率≥100 g（FW）m−2d−1。
3.2.3 种子萌发
3.3 气雾培养
开展了多种植物的气雾培养试验以验证其可行性。采用定时气雾喷施和回收系统，实现了营养液供应与循环利用。在试验中，生菜完成了整个30天的全周期培养，番茄成功开花结果，而小麦则顺利实现了抽穗、结籽、成熟和收获（见图6 ）。不同品种的生菜实现了平均108.77 g（FW）m−2d−1的生产效率。
3.4 微生物控制
预先在装置内培养两种生菜（“生菜王”和“美罗”），待生菜生长至第33天旺盛期时，开展微生物控制试验。试验设置三种工况：装置密闭无气体交换、装置气体交换且进出口设置高效过滤器、装置进行气体交换但进出口不设高效过滤器。试验结果表明：
（1）在密闭、高温（28℃）和高湿（>90%）条件下，装置内部的细菌（59 CFU/m3）和真菌（18 CFU/m3）数量显著增加，但未对组合体平台微生物产生显著影响；
（2）当切换为密闭加过滤器后，出气口细菌（29 CFU/m3）和真菌（18 CFU/m3）浓度均低于同时间段舱内水平，显著减少了装置微生物释放；
（3）在开放且未加装过滤器时，装置内细菌（80 CFU/m3）和真菌（85 CFU/m3）的平均浓度高于组合体内部水平，但未对组合体内微生物水平产生影响。
4 结 语
本文开展了在中国空间站开展CELSS技术验证的总体设计，制定了具体的技术验证流程和在轨验证方案。基于空间植物高效培养的关键点和难点，明确了植物培养验证的研究流程、验证内容和实施方案。通过开展地面预试验，筛选出适宜的作物品种，并验证了气雾培养及微生物控制技术。该研究结果为后续空间CELSS技术验证的实施提供了可靠的方案支持。