CN108012910B - 人、鱼、红萍载人试验装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人、鱼、红萍载人试验装置及工作方法，包括由前、后、左、右侧板及顶棚组成的舱体，所述舱体各侧板分别由双面附膜彩钢板拼接组装而成，且舱体的各侧板下端分别套置有与地基相连接的槽铝，所述顶棚由夹角为钝角的两斜板组成，所述斜板由彩钢瓦楞板拼接而成，所述舱体内位于顶棚下侧设置有吊顶，所述吊顶由夹角为钝角的两第二斜板组成。不仅机构简单，而且方便用于地面模拟研究，同时气密性测试方法简便。
Description
技术领域：
本发明涉及人、鱼、红萍载人试验装置及工作方法。
背景技术：
受控生态生命保障系统（简称CELSS），是人类开展未来长时间、远距离、多乘员载人航天活动可以信赖的先进系统。它即实现对氧气、水和食物的循环再生，满足航天员对氧气、水和食物的需求，又可实现对其所产生的废水和废物的净化及循环利用，对系统中的空气污染物进行有效的净化，保障航天员的健康和工作效率。受控生态生命保障系统是人类建立永久性空间站、太空远航、月球移民的必要条件。
目前还没有一套较为完整的载人试验装置，以进行可行性试验。
发明内容：
本发明的目的在于提供人、鱼、红萍载人试验装置及工作方法，该载人试验装置设计合理，有利于方便在地面进行可行性试验。
本发明人、鱼、红萍载人试验装置，其特征在于，包括由前、后、左、右侧板及顶棚组成的舱体，所述舱体各侧板分别由双面附膜彩钢板拼接组装而成，且舱体的各侧板下端分别套置有与地基相连接的槽铝，所述顶棚由夹角为钝角的两斜板组成，所述斜板由彩钢瓦楞板拼接而成，所述舱体内位于顶棚下侧设置有吊顶，所述吊顶由夹角为钝角的两第二斜板组成，在舱体内设有红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池，所述鱼类养殖池设在循环水池旁边，鱼类养殖池的溢流水路通往循环水池，所述循环水池内设有输水泵，所述输水泵的出水管路通往红萍栽培床，所述红萍栽培床的排水管路通入鱼类养殖池中。
进一步的，上述循环水池的上部设有水消毒过来装置，在循环水池输水泵的出水管路上设有可调式流量阀；所述红萍栽培床上具有多层红萍栽培盘，自上而下各层红萍栽培盘的水路串联，在红萍栽培盘底面设有电子荧光灯以为红萍提供光照。
进一步的，上述舱体相邻两侧板的连接端面分别呈45°并配合形成90°夹角，且相邻两侧板的配合端面的缝隙内现场嵌填有发泡保温材料，相邻两侧板形成的外侧拐角处铆接有角铝，相邻两侧板形成的内侧拐角处扣接有弧形板，所述角铝及弧形板与两侧板分别经密封胶勾缝。
进一步的，上述左侧板和右侧板的上部分别设置有与其相配合形成插接空间的第二角铝，所述第二斜板的外端嵌入插接空间，所述插接空间内填充有发泡保温材料，所述第二角铝与第二斜板的上侧面之间的缝隙填充有密封胶，所述第二斜板的下侧面与左侧板或右侧板的内侧面形成的拐角处扣置有第二弧形板；所述槽铝与各侧板的下端部之间填充有密封胶，所述两第二斜板的内侧端上表面经第三角铝相连接，两第二斜板之间的缝隙内填充有发泡保温材料。
进一步的，上述前、后侧板的上部分别设置有与其固定连接并用于第二斜板的前侧端或后侧端嵌入的第二槽铝，所述第二槽铝与前侧板或后侧板相配合的上侧缝隙填充有密封胶，所述第二斜板与前侧板或后侧板相配合形成的下侧拐角处设置有第三弧形板，所述密封胶为丁基密封胶，所述发泡保温材料为发泡胶。
进一步的，上述舱体内后部并排设置有门厅及与门厅相连通的缓冲厅，所述缓冲厅后侧设置有与其相连通的居住间，所述居住间的旁侧设置有设备间，所述舱体的前部设置有植物栽培室，红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池即设在植物栽培室内。
进一步的，上述后侧板上设置有通入门厅的净化门，所述门厅与缓冲间之间设置有第一密闭门，门厅与设备间之间设置有传递窗，所述缓冲间于居住间之间设置有第二密闭门，所述植物栽培室与居住间及设备间之间分别经玻璃板隔断，植物栽培室与居住之间设置有第一推拉门，植物培养室与设备间之间设置有第二推拉门，所述第一密闭门与第二密闭门上分别设置有氯丁海绵橡胶密封条。
进一步的，上述舱体内设有温度、湿度、氧气、二氧化碳检测计，所需的环境因子控制为充分条件，试验舱内气流温度为18℃～27℃，控制精度±0.5℃；相对湿度为45％～85％，控制精度±3％，舱内90%的气流速度处于0.11～0.18 m/s范围，同时最低速度应大于≥0.05 m/s，最高速度低于≤0.33 m/s ；噪音＜75dB。
本发明人、鱼、红萍载人试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）预先在植物栽培室内的红萍栽培床上种植红萍，在鱼类养殖池内养殖鱼类，连接红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池的循环管路，
2）进行密封性试验，具体步骤如下：
a、将人、鱼、红萍载人试验装置的所有的门关闭，所有管线也密封，仅留一个进风口与一鼓风机的出口相连；
b、将一微压差计安装在进风口的安全阀上，然后开启一与鼓风机相连接的空压机，向人、鱼、红萍载人试验装置内充气，压力稍大于限度值时停止充气；
c、当舱内压力恢复到限度值时开始记录压力随时间的变化关系，直至人、鱼、红萍载人试验装置内外压力一致；
d、将记录结果绘制成人、鱼、红萍载人试验装置压力变化曲线，重复测试几次，比较每次结果是否一致，并求出气密系数，气密系数值越小，表明气密性能越好；
保证气密系数小于0.07后进行舱内环境参数测试：把该装置保证通风状态下所有门开启5小时，然后关闭，在关闭24小时内，没隔一小时测量舱内温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量，以及鱼类养殖池中的温度、含氧量参数，温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量变化值没有超过关舱前参数的0.05%即为种植的红萍、养鱼数量满足无人测试的要求。
进一步的，进行密封性试验中每间隔15min，测试1次舱内大气压力；第4步结束后再采用气体丰度法检测装置验证人、鱼、红萍载人试验装置的气密性。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1）密闭实验舱属暗型，不受地球表面昼夜和太阳能辐射的影响，实验系统与自然环境隔绝，内部实现空气、水的闭式循环，舱内植物所需的光照也全部靠人工光源调控，有利于模拟空间昼夜规律；
2）舱体采用双面附膜彩钢板材料，该材料具备良好的隔热保温性能，材质轻，稳定性好，不变形，易于加工与安装；尤其是该材料不吸潮，有利于舱内冷凝水的收集和循环使用；
3）舱体设计遵循严格的气密性为基本原则，侧板与地基、侧板与侧板、侧板与吊顶、吊顶与吊顶之间都设置多重防泄漏结构；
4）舱体的顶高与肩高相差500mm，即吊顶有10°的斜度，显示较好的稳定性；同时，冷凝水不会集结在吊顶上，避免连续水滴对舱内植物的损伤；
5）舱体外部的钢结构框架将确保舱体的整体稳定性，可抵御强台风和冰雹的袭击。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的图1的A区放大图；
图3为本发明的图1的B区放大图；
图4为本发明的图1的C区放大图；
图5为本发明的图1的D区放大图；
图6为本发明的图1的E区放大图；
图7为本发明的人、鱼、红萍载人试验装置平面结构示意图；
图8为本发明的人、鱼、红萍载人试验装置内大气压力随时间变化情况表；
图9为本发明的人、鱼、红萍载人试验装置气密性性能曲线图；
图10为本发明的气体丰度法检测装置结构示意图；
图11为本发明的人、鱼、红萍载人试验装置内C3H8浓度测定结果表；
图12为本发明的人、鱼、红萍载人试验装置内C3H8浓度变化曲线图；
图13是本发明植物栽培室的剖面图；
图中：a-前侧板 c-左侧板 d-右侧板 1-槽铝 2-顶棚 2a-斜板 2b-斜板2c-夹角 3-吊顶 3a-第二斜板 3b-第二斜板 3c-夹角 4-发泡保温材料 5-角铝6-弧形板 7-密封胶 8-第二角铝 9-第二弧形板 10-第三角铝 11-第二槽铝 12-第三弧形板 13-门厅 14-缓冲厅 15-居住间 16-设备间 16a-配电箱 16b-空调主机17-植物栽培室 18-净化门 19-第一密闭门 20-传递窗 21-第二密闭门 22-玻璃板23-第一推拉门 24-第二推拉门 25-地基 26-控制箱 27-三防灯 28-轴流风机 31-压力钢瓶 32-减压阀 33-第一阀门 34-第一软管 35-第二软管 36-第二阀门 37-循环泵 38-第三阀门。
具体实施方式:
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图12
一种人、鱼、红萍载人试验装置，包括由前侧板a、后侧板、左侧板c、右侧板b及顶棚组成的舱体A，所述舱体各侧板分别由宽度S＝100mm的双面附膜彩钢板拼接组装而成，且舱体的各侧板下端分别套置有与地基25相连接的槽铝1，所述顶棚2由夹角为钝角的两斜板2a、2b组成，所述斜板由宽度S＝50mm的彩钢瓦楞板拼接而成，所述舱体内位于顶棚下侧设置有吊顶3，所述吊顶由夹角为钝角的两第二斜板3a、3b组成，所述第二斜板由宽度S＝150mm的双面附膜彩钢板拼接组成，所述顶棚由50mm×50mm×3mm方管焊接制作的钢结构框架支承；各侧板也置于舱体的整体框架内部；
在舱体A内设有红萍栽培床A1、鱼类养殖池A2和循环水池A3，所述鱼类养殖池A2设在循环水池A3旁边，鱼类养殖池A2的溢流水路A7通往循环水池A3，所述循环水池内设有输水泵A4，所述输水泵A4的出水管路通往红萍栽培床A1，所述红萍栽培床的排水管路通入鱼类养殖池A2中。
循环水池的上部设有水消毒过来装置A5，在循环水池输水泵的出水管路上设有可调式流量阀A6；所述红萍栽培床上具有多层红萍栽培盘A8，自上而下各层红萍栽培盘的水路串联，在红萍栽培盘底面设有电子荧光灯以为红萍提供光照。在舱体A内还设有蔬菜栽培架A9。
本实施例中，所述顶棚的夹角2c为130°，所述吊顶的夹角3c为160°，吊顶有10°的斜度，显示较好的稳定性；同时，冷凝水不会集结在吊顶上，避免连续水滴对舱内植物的损伤。
本实施例中，所述舱体相邻两侧板的连接端面分别呈45°并配合形成90°夹角，且相邻两侧板的配合端面的缝隙内现场嵌填有发泡保温材料4，相邻两侧板形成的外侧拐角处铆接有角铝5，相邻两侧板形成的内侧拐角处扣接有弧形板6，所述角铝及弧形板与两侧板分别经密封胶7勾缝，以保证密封效果。
本实施例中，所述左侧板和右侧板的上部分别设置有与其相配合形成插接空间的第二角铝8，所述第二斜板的外端嵌入插接空间，所述插接空间内填充有发泡保温材料4，所述第二角铝与第二斜板的上侧面之间的缝隙填充有密封胶7，所述第二斜板的下侧面与左侧板或右侧板的内侧面形成的拐角处扣置有第二弧形板9。
本实施例中，所述槽铝与各侧板的下端部之间填充有密封胶7，所述两第二斜板的内侧端上表面经呈钝角的第三角铝10相连接，两第二斜板之间的缝隙内填充有发泡保温材料4。
本实施例中，所述前、后侧板的上部分别设置有与其固定连接并用于第二斜板的前侧端或后侧端嵌入的第二槽铝11，所述第二槽铝与前侧板或后侧板相配合的上侧缝隙填充有密封胶7，所述第二斜板与前侧板或后侧板相配合形成的下侧拐角处设置有第三弧形板12。
本实施例中，所述密封胶为丁基密封胶，所述发泡保温材料为发泡胶。丁基密封胶是一种以丁基橡胶为基质的单组份中性密封胶，具有极佳的耐老化、耐腐蚀、耐氧化等性能，对于界面形变的适应性很强，尤其是防水、密封、耐候追随性能最为突出。因此，对彩钢板咬口、开孔、搭接等部位起到密封保护作用。
本实施例中，所述舱体内后部并排设置有门厅13及与门厅相连通的缓冲厅14，所述门厅与缓冲间通过双面附膜彩钢板隔断。所述缓冲厅前侧设置有与其相连通的居住间15，所述居住间的旁侧设置有设备间16，所述舱体的后部设置有植物栽培室17，所述植物栽培室内设置有控制箱26、三防灯27及轴流风机28，所述居住间内还设置有可视探头，所述设备间内设置有配电箱16a和空调主机16b。
本实施例中，所述后侧板上设置有通入门厅的净化门18，所述门厅与缓冲间之间设置有第一密闭门19，门厅与设备间之间设置有气路接头、液路接头和传递窗20，分别用于试验取样和临时物质供给。所述缓冲间于居住间之间设置有第二密闭门21，所述植物栽培室与居住间及设备间之间分别经玻璃板22隔断，植物栽培室与居住之间设置有第一推拉门23，植物培养室与设备间之间设置有第二推拉门24，所述第一密闭门与第二密闭门上分别设置有氯丁海绵橡胶密封条，通过螺栓强制紧定，确保密闭舱的气密性。所述第一、第二推拉门分别为玻璃推拉门。
舱体A内设有温度、湿度、氧气、二氧化碳检测计，所需的环境因子控制为充分条件，试验舱内气流温度为18℃～27℃，控制精度±0.5℃；相对湿度为45％～85％，控制精度±3％，舱内90%的气流速度处于0.11～0.18 m/s范围，同时最低速度应大于≥0.05 m/s，最高速度低于≤0.33 m/s ；噪音＜75dB。
本发明人、鱼、红萍载人试验装置的工作方法，包括以下步骤：
1）预先在植物栽培室内的红萍栽培床上种植红萍，在鱼类养殖池内养殖鱼类，连接红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池的循环管路，
2）进行密封性试验，具体步骤如下：
a将人、鱼、红萍载人试验装置的第二密闭门关闭，所有管线也密封，仅留一个进风口与一鼓风机的出口相连；
b将一微压差计安装在进风口的安全阀上，然后开启一与鼓风机相连接的空压机，向人、鱼、红萍载人试验装置内充气，压力稍大于限度值时停止充气；
c当舱内压力恢复到限度值时开始记录压力随时间的变化关系（参见图8），直至人、鱼、红萍载人试验装置内外压力一致；
d将记录结果绘制成人、鱼、红萍载人试验装置压力变化曲线（参见图9），重复测试几次，比较每次结果是否一致，并通过公式公式：
求出气密系数，式中
为t分钟后舱内压力(Pa)；
为t=0时舱内的压力，即限度压力；将实际测得的
、t 代入式中，即可求出气密系数ζ，这个值越小，表明气密性能越好。以气密系数ζ≤0.07为合格。
保证气密系数小于0.07后进行舱内环境参数测试：把该装置保证通风状态下所有门开启5小时，然后关闭，在关闭24小时内，没隔一小时测量舱内温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量，以及鱼类养殖池中的温度、含氧量参数，温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量变化值没有超过关舱前参数的0.05%即为种植的红萍、养鱼数量满足无人测试的要求。
本实施例中，测试开始后，每间隔15min，测试1次舱内大气压力，1h内，压力从50Pa下降至20Pa，且下降幅度随时间而减少。根据公式计算，每间隔15min的气密系数ζ分别为0.024，0.020，0.011和0.006，均＜0.07，判定合格。1h后，舱内大气压力基本恒定为20Pa，气密系数ζ为0。由此可见，密闭舱气密性符合设计要求。
为了进一步验证舱体的气密性，通过气体丰度法检测装置进行测试气密性，所述气体丰度法检测装置包括压力钢瓶31，所述压力钢瓶经减压阀32与第一阀门33相连接，所述第一阀门泵经第一软管34通入密闭实验舱内，所述密闭实验舱还设置有输出的第二软管35，所述第二软管经第二阀门36与循环泵37相连接，所述循环泵的输出端经第三阀门38与第一软管相连接。
所述第一阀门为SRG541型低压调压阀，旨在降低输气压力。循环泵采用ACO-004型电磁式空气泵，流量60L/min。所述第二软管的进气段式设置于密闭实验舱的中心位置。第一软管穿过密闭实验舱的墙体，墙体内设置有穿墙连接管，双面密封可靠，确保测试的准确性。
利用植物光合作用微型密闭试验舱，添加C3H8气体，通过测定舱内C3H8浓度，验证其可行性。C3H8气体添加浓度为1％时，用气相色谱仪测定C3H8浓度的数据比较稳定；微型密闭舱内设置一定的水体表面，随着时间推移，C3H8浓度不变。这说明采用C3H8进行受控密闭舱的气密性试验是可行的，C3H8气体添加浓度应掌握在1％左右，既可靠又安全。
通过压力钢瓶相密闭实验舱内添加丙烷气体，根据预备试验结果，加气时间8h后，关闭阀门c。试验初期，每间隔4h，测定1次舱内C3H8浓度，而后，每天测定1次，试验持续7天。
为了确保测定的数据均是密闭实验舱内中心位置大气的C3H8浓度，每次测定前1min，打开循环泵及第二、第三阀门，取样后，关闭循环泵及相关阀门。测定仪器采用GC4000型气相色谱仪。
受控密闭舱气密性试验开始后，随着C3H8气体的添加，舱内C3H8浓度相应上升。但是，上升速率明显滞后于C3H8气体实际添加速率，这是受被添加气体的扩散影响。由于C3H8属于可燃气体，安全起见试验全过程受控密闭舱断电，空调系统和轴流风机都无法运行，故C3H8扩散速率较慢。C3H8气体持续添加8h，停止加气时，舱内C3H8浓度仅为0.583%；试验24h时，舱内C3H8浓度上升至0.967%；32 h时，上升至1.023%，并达到预期浓度。而后，试验持续到168h（7天），舱内C3H8浓度始终保持在1.007%~1.037%范围内（参见图11、图12）。这说明密闭舱内的大气与舱外大气没有进行交流，从而验证了受控密闭舱的气密性是好的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的人、鱼、红萍载人试验装置及其气密性测试方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (2)
1.一种人、鱼、红萍载人试验装置的工作方法，其特征在于，所述人、鱼、红萍载人试验装置包括由前、后、左、右侧板及顶棚组成的舱体，所述舱体各侧板分别由双面附膜彩钢板拼接组装而成，且舱体的各侧板下端分别套置有与地基相连接的槽铝，所述顶棚由夹角为钝角的两斜板组成，所述斜板由彩钢瓦楞板拼接而成，所述舱体内位于顶棚下侧设置有吊顶，所述吊顶由夹角为钝角的两第二斜板组成，在舱体内设有红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池，所述鱼类养殖池设在循环水池旁边，鱼类养殖池的溢流水路通往循环水池，所述循环水池内设有输水泵，所述输水泵的出水管路通往红萍栽培床，所述红萍栽培床的排水管路通入鱼类养殖池中；所述循环水池的上部设有水消毒过来装置，在循环水池输水泵的出水管路上设有可调式流量阀；所述红萍 栽培床上具有多层红萍栽培盘，自上而下各层红萍栽培盘的水路串联，在红萍栽培盘底面设有电子荧光灯以为红萍提供光照；所述舱体相邻两侧板的连接端面分别呈45°并配合形成90°夹角，且相邻两侧板的配合端面的缝隙内现场嵌填有发泡保温材料，相邻两侧板形成的外侧拐角处铆接有角铝，相邻两侧板形成的内侧拐角处扣接有弧形板，所述角铝及弧形板与两侧板分别经密封胶勾缝；所述左侧板和右侧板的上部分别设置有与其相配合形成插接空间的第二角铝，所述第二斜板的外端嵌入插接空间，所述插接空间内填充有发泡保温材料，所述第二角铝与第二斜板的上侧面之间的缝隙填充有密封胶，所述第二斜板的下侧面与左侧板或右侧板的内侧面形成的拐角处扣置有第二弧形板；所述槽铝与各侧板的下端部之间填充有密封胶，所述两第二斜板的内侧端上表面经第三角铝相连接，两第二斜板之间的缝隙内填充有发泡保温材料；所述前、后侧板的上部分别设置有与其固定连接并用于第二斜板的前侧端或后侧端嵌入的第二槽铝，所述第二槽铝与前侧板或后侧板相配合的上侧缝隙填充有密封胶，所述第二斜板与前侧板或后侧板相配合形成的下侧拐角处设置有第三弧形板，所述密封胶为丁基密封胶，所述发泡保温材料为发泡胶；所述舱体内后部并排设置有门厅及与门厅相连通的缓冲厅，所述缓冲厅后侧设置有与其相连通的居住间，所述居住间的旁侧设置有设备间，所述舱体的前部设置有植物栽培室，红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池即设在植物栽培室内；所述后侧板上设置有通入门厅的净化门，所述门厅与缓冲间之间设置有第一密闭门，门厅与设备间之间设置有传递窗，所述缓冲间于居住间之间设置有第二密闭门，所述植物栽培室与居住间及设备间之间分别经玻璃板隔断，植物栽培室与居住之间设置有第一推拉门，植物培养室与设备间之间设置有第二推拉门，所述第一密闭门与第二密闭门上分别设置有氯丁海绵橡胶密封条；
工作方法包括以下步骤：
1）预先在植物栽培室内的红萍栽培床上种植红萍，在鱼类养殖池内养殖鱼类，连接红萍栽培床、鱼类养殖池和循环水池的循环管路，
2）进行密封性试验，具体步骤如下：
a、将人、鱼、红萍载人试验装置的所有的门关闭，所有管线也密封，仅留一个进风口与一鼓风机的出口相连；
b、将一微压差计安装在进风口的安全阀上，然后开启一与鼓风机相连接的空压机，向人、鱼、红萍载人试验装置内充气，压力稍大于限度值时停止充气；
c、当舱内压力恢复到限度值时开始记录压力随时间的变化关系，直至人、鱼、红萍载人试验装置内外压力一致；
d、将记录结果绘制成人、鱼、红萍载人试验装置压力变化曲线，重复测试几次，比较每次结果是否一致，并求出气密系数，气密系数值越小，表明气密性能越好；
保证气密系数小于0.07后进行舱内环境参数测试：把该装置保证通风状态下所有门开启5小时，然后关闭，在关闭24小时内，每隔一小时测量舱内温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量，以及鱼类养殖池中的温度、含氧量参数，温度、湿度、含氧量、二氧化碳含量变化值没有超过关舱前参数的0.05%即为种植的红萍、养鱼数量满足无人测试的要求。
2.根据权利要求1所述一种人、鱼、红萍载人试验装置的工作方法，其特征在于，进行密封性试验中每间隔15min，测试1次舱内大气压力；第4步结束后再采用气体丰度法检测装置验证人、鱼、红萍载人试验装置的气密性。
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