CN110077631B - 一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于航天生命保障技术领域，公开了一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统，主要用于失重环境下的微型生态系统运行实验。本发明主要包括植物区1、动物区2、固废区3、水箱区4、电控区5。植物区1中可种植植物以产生氧气供动物区2、固废区3中生物利用；动物区2中可饲养动物，固废区3中可接种微生物处理固体废弃物，均可产生二氧化碳供植物区1中植物利用；水箱区4可为植物提供水分并实现系统水循环；电控区5可监测系统内各分区的各种物理化学指标及参数并进行控制，同时为植物提供光照，保证装置正常运行。本发明结构简单，自动化程度高，可用于研究空间环境特殊条件对陆生生态系统整体以及各生物链环的影响。

Description

一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置

技术领域

本发明提出一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其可在宇宙飞船、空间站等在轨飞行器上实现搭载实验。同时亦可实现各生物模块的独立运行，以对系统各参数进行研究。本发明结构紧凑，分区完整，空间利用率高，自动化程度高，可以实时研究空间环境特殊条件(微重力、弱磁场、长期低剂量辐射)对陆生生态系统整体以及各生物链环的影响。

背景技术

随着人类航天事业的飞速发展，人类对地外星球的探索范围不断扩大。建立月球基地、载人登陆火星已成为目前主要研究任务，为了实现人类在地外长期自治生存这一目标，就必须开展相应的生命保障系统的研究。

目前针对生命保障系统的实验主要是在地面进行，其可实现系统内水、氧气以及部分的循环再生，能够构建类似于地球生态系统的生存环境。而目前用于空间搭载的装置主要针对植物、微生物、动物等单一生物链环开展研究，对于生态系统级别的研究较少，且均为水生生态系统。·目前还未进行过微型陆生生态系统的空间搭载和研究。

本专利提出的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，能够用于研究空间环境条件下，微生态系统内各生物链环的变化情况以及生态系统运行情况，从而提供陆生生态系统在空间环境下运行的矫正参数。同时，此装置还可用于低重力环境下的陆生生态系统运行的研究，将有利于进一步拓展人类在生态学领域的认知。

发明内容

本发明的目的是构建一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，实现在微重力以及低重力的空间环境条件下，一个完整的陆生生态系统的正常运行。

为了实现以上目的，涉及发明了此种微型陆生生态系统实验装置，包括植物区1，动物区2、固废区3、水箱区4、电控区5；亦包括发明外部组件，即植物区气密门6、气密门视窗7、气密门把手8、电控区盖板9、气密板10、显示屏11、外部主体结构12。其中植物区气密门6在封闭并利用气密门把手8锁定后可保证植物区气密，气密门视窗7则可实现肉眼观察植物生长的功能；气密板10包含动物区2、固废区3、水箱区4的三个独立气密门，在封闭后可保证各分区的气密性；电控区盖板9可打开便于检修，四周有格栅便于通风散热；显示屏11可实时显示装置内部各参数的动态变化，其大小约为5英寸；外部主体结构为装置主要部分，可保证装置内部温度保持恒定。

所述植物区1由植物区通风孔15、气压传感器16、植物区摄像头17、植物区综合传感器18、散热风扇19、毛细冷凝管20、植物定植板21、雾培喷口阵列22组成。植物通风孔15共有四个，两两分别连通动物区2、固废区3，以实现气体交换的目的；气压传感器16可实时监测装置内部的气压；植物区摄像头17可实时监测植物生长状态并拍照记录；植物区综合传感器18共有两组，可实时监测植物区的温湿度及二氧化碳浓度；散热风扇19共有两个，可实现植物区的温度调节，并通过内部冷却装置实现水汽的冷凝，经由毛细冷凝管20的毛细效应定向输送至水箱区4，同时其也可以实现植物区1内部的气体循环，保障气体混合均匀，不会出现局部浓度过大的情况；植物定植板21含有透气不透水的薄膜，以保证植物根系能够正常呼吸且不会让水散逸；雾培喷口阵列22可实现对单株植物根系的喷雾，可在微重力环境下为植物提供养分，供给其生长；植物定植篮49可插入植物定植板21中以固定植物。

所述电控区5由气体采样嘴13、密闭灯板14、气泵23、手动开关24、光纤导光阵列25、中控系统板26、灯板散热风扇27、灯板散热板28组成。气体采样嘴共有4个，分别可以采集四个植物区通风孔15所对应的管道中的气体实现采样；密闭灯板14可为植物提供光照，具备LED/自然光两种发光模式；气泵23含有四个气泵，分别可以实现四个植物区通风孔15的通风；手动开关24含有4组，可以分别实现对气泵23的手动启停；光纤导光阵列25可将自然光通过光纤导入密闭灯板14实现自然光发光；中控系统板26负责装置整体的运行，同时也实现环境参数监测、数据储存、数据可视化功能；灯板散热板28可将密闭灯板14发出的热量经由灯板散热风扇27散逸，保证密闭灯板14的正常运行。

所述动物区2由氧气传感器29、动物区通风孔30、动物区摄像头31、动物区综合传感器32、透明培养皿33组成。氧气传感器29可测定动物区氧气浓度；动物区通风孔30有两个，分别经由两个气泵23与两个植物区通风孔15相连；动物区摄像头31可监测动物生长情况；动物区综合传感器32共有两组，可实时监测动物区的温湿度及二氧化碳浓度；透明培养皿33可培养动物。

所述固废区3由固废区通风孔34、固废区综合传感器35、固废区摄像头36、固废发酵罐37、自控温电热套38、质量传感器39组成。固废区通风孔34有两个，分别由两个气泵23与两个植物区通风孔15相连；固废区综合传感器35可实时监测固废区的温度及二氧化碳浓度；固废区摄像头36可实时监测固废区运行状况；固废发酵罐37可实现固废的处理；自控温电热套可令固废发酵罐37保持设定温度；质量传感器39可测定固废质量变化。

所述水箱区4由气水分离器40、水循环泵41、营养液配液泵42、水配液泵43、回流泵44、高压泵45、浓缩营养液贮箱46、贮水箱47、配液罐48组成。气水分离器40可实现水气分离；水循环泵41可将气水分离器40产生液体输入至贮水箱47；营养液配液泵42可将浓缩营养液贮箱46中的营养液输入至配液罐48；水配液泵43可将贮水箱中的水输入至配液罐48；回流泵44可回流配液罐48中的液体；高压泵45可将配液罐48中的液体泵入雾培喷口阵列22；配液罐48可进行液体的混合。

本发明的优点在于：

1、本发明利用气培法栽培植物，可在微重力环境下为植物提供营养物质，且操作简单，便于维护；

2、本发明可在微重力条件下实现植物营养的按需供给，提高营养物质和水分的利用率；

3、本发明可实现水在系统内的循环，大大减少补给需求；

4、本发明中具有大量环境监测传感器，可实时监测微生态系统各项环境参数；

5、本发明可根据环境监测数据实现自主环境控制，高度自动化；

6、本发明所使用灯板可实现LED/外部光切换，可实现节约能源、对比人工光源与自然光源效应的目的；

7、本发明结构小巧，空间利用率高，便于航天发射；

8、本发明具有触控显示屏，可直观展示各项环境参数以及各分区实时影像状态；

9、本发明各部件可独立运行，便于研究各分区在空间环境下的效应。

附图说明

图1为本发明的整体外观结构图；

图2为本发明的外设指示图；

图3与图4分别为本发明去掉外设后，植物区及电控区结构图；

图5为本发明去掉外设后，动物区、固废区、水箱区结构图；

图中：

1-植物区 2-动物区 3-固废区 4-水箱区

5-电控区 6-植物区气密门 7-气密门视窗 8-气密门把手

9-电控区盖板 10-气密板 11-显示屏 12-外部主体结构

13-气体采样嘴 14-密闭灯板 15-植物区通风孔 16-气压传感器

17-植物区摄像头 18-植物区综合传感器 19-散热风扇

20-毛细冷凝管 21-植物定植板 22-雾培喷口阵列 23-气泵

24-手动开关 25-光纤导光阵列 26-中控系统板 27-灯板散热风扇

28-灯板散热板 29-氧气传感器 30-动物区通风孔 31-动物区摄像头

32-动物区综合传感器 33-透明培养皿 34-固废区通风孔

35-固废区综合传感器 36-固废区摄像头 37-固废发酵罐

38-自控温电热套 39-质量传感器 40-气水分离器 41-水循环泵

42-营养液配液泵 43-水配液泵 44-回流泵 45-高压泵

46-浓缩营养液贮箱 47-贮水箱 48-配液罐 49-植物定植篮

50-薄膜

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，装置各分区由植物区1、动物区2、固废区3、水箱区4、电控区5组成。植物区1中种植有植物可以为动物区2及固废区3中的动物及微生物的呼吸提供氧气，而动物区2中饲养的动物则可以为植物区1中植物的光合作用提供二氧化碳原料，固废区3中存在的微生物同样可以为植物区1提供二氧化碳，水箱区4则可以为植物提供生长所必需的水分及营养物质，电控区5可以为植物区1中植物生长提供光源，且可以实现对微生态系统实现环境调控，以实现生态系统稳定运行的目的。各个分区有机结合，形成微生态系统的整体构成。

为更好地说明装置各区域运行原理，将装置分为分区外设备及分区内设备。如图2所示，装置的外设包括植物区气密门6、气密门视窗7、气密门把手8、电控区盖板9、气密板10、显示屏11、外部主体结构12。外部主体结构12由含保温材料的304不锈钢制成，具有良好的生物相容性，且可以保证装置内部温度不会随着外部温度变化而发生剧烈变化，同时各分区之间也不会因为温度差异而发生明显的传热现象。整个装置整体保持气密，其原理在于植物区1具有植物区气密门6，在锁定之后可以保证植物区正面范围气密，利用气密门把手8可以保证气密门不能够轻易打开，气密门视窗7则可以使操作人员用肉眼观察植物生长情况，同时可以起到一定的心理调适作用，气密门主体亦采用隔热材料制成，可以阻隔热量。植物区顶部有一密闭灯板14，可保证植物区顶部范围的气密性。电控区盖板9可以实现电控区5内主要元件的保护，同时可以实现开启与锁定功能，其周围有栅格可以实现通风，以保证内部器件不会因为过热而发生故障。气密板10为动物区2、固废区3、水箱区4三块隔热气密板的总称，在安装并锁定之后，动物区2、固废区3、水箱区4将保证气密。

植物区1内部含有植物区通风孔15，共有四个，分别两两与动物区2内的动物区通风孔30，固废区3内的固废区通风孔34相连，通过四个气泵23实现气体输送。气泵23可由手动开关24强制手动启停，此种设计可以通过手动启停气泵的方式实现各分区内部气体的采样，并可通过4个气体采样嘴13分别导出并收集。

植物区1内部含有植物区综合传感器18。相应的，动物区2内部亦含有动物区综合传感器32，固废区3内部亦含有固废区综合传感器35，以实时监测各生物分区的各项环境数据。植物区综合传感器18与动物区综合传感器32可实时监测植物区1与动物区2内的二氧化碳含量及温湿度，固废区综合传感器35仅能监测固废区内的二氧化碳含量及温度。特别的，植物区1内部额外含有气压传感器16，动物区2内部额外含有氧气传感器29，以分别监测舱室总体气压以及动物区2氧气含量；这些数据将直接传输至电控区5中的中控系统板26集中处理，并显示于显示屏11上，可以让操作人员观察到微生态系统各环境数据；同时，中控系统板26将通过负反馈调节的方式，依据内部设定程序，集中通过各个分区的各种器件进行环境控制，以达到微生态系统稳定运行的目的。此外，植物区1内含有植物区摄像头17,动物区2内含有动物区摄像头31,固废区3内含有固废区摄像头36，实时观测植物、动物、固废发酵罐37的运行情况，操作人员可以通过简单的操作调取各摄像头当前所拍摄到的画面。

植物区1中，位于底部的植物定植板21以下的部分为植物根系范围，植物定植板21下部有雾培喷口阵列22，可以通过雾培的方式在微重力环境下为植物提供养分；植物定植篮49可安装于植物定植板21的小直径孔洞中(图中全部已安装就位)，植物定植板21的大直径孔洞上有透气不透水的薄膜50以实现植物根区透气隔水的目的。

动物区2中，动物培养于透明培养皿33中，培养皿顶端有刻线，可以通过动物区摄像头31进行观察比照，直观展示出动物生长状况。

固废区3中，固体废弃物及微生物置于固废发酵罐37中，其顶端一系列通风管可以实现与外界气体的交换。在固废发酵罐37的周围有自控温电热套38，可以通过中控系统板26实现温度设定，从而通过调节电热套温度的办法来调控发酵罐温度，保证其稳定运行。固废发酵罐底部有质量传感器39，可以监测固体废弃物发酵情况。

水箱区4主要提供植物所需的营养物质与水分。贮水箱47与浓缩营养液贮箱46分别存有水以及浓缩营养液，通过位于中控系统板26预设的程序定时定量进行混合。在混合指令发出后，水配液泵43与营养液配液泵42启动，将水及营养液分别从贮水箱47余浓缩营养液贮箱46抽取，并输送至配液罐48中，利用回流泵44实现充分混合。混合液经过高压泵45输入至雾培喷口阵列22实现喷雾，为植物提供养分。植物利用蒸腾作用产生的水蒸气将通过散热风扇19实现冷却，并利用毛细冷凝管20实现冷凝回流。回流的冷凝水将通过气水分离器40实现对残余气体的排除以及过滤，经由水循环泵41导回至贮水箱47中，由此实现微重力环境下的水循环。

电控区5中，密闭灯板14的温度由灯板散热板28传输至灯板散热风扇27进行散逸，从而防止灯板因为过热而烧毁；同时密闭灯板14可通过光纤导光阵列25实现自然光的导入。

Claims (6)

1.一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：包括植物区(1)、动物区(2)、固废区(3)、水箱区(4)、电控区(5)；利用带视窗(7)及把手(8)的气密门(6)、气密板(10)以及外部主体结构(12)实现装置整体的气密，保证系统与外界进行隔离，同时具有显示屏(11)可实现数据的可视化；

所述植物区(1)由植物区通风孔(15)、气压传感器(16)、植物区摄像头(17)、植物区综合传感器(18)、散热风扇(19)、毛细冷凝管(20)、植物定植板(21)、雾培喷口阵列(22)、植物定植篮(49)组成；

所述植物区(1)底部含有植物定植板(21)，植物定植篮(49)安装在植物定植板(21)的孔洞中，所述植物定植板(21)下有雾培喷口阵列(22)，雾培喷口阵列(22)与水箱区(4)内的配液罐(48)连通，并由水箱区(4)内的高压泵(45)输送营养液；

所述植物区(1)气密门正对壁面上设有散热风扇(19)以及毛细冷凝管(20)，其中毛细冷凝管(20)紧贴植物区(1)的壁面，散热风扇安置于毛细冷凝管(20)外部，位于气密门(6)与毛细冷凝管(20)之间；毛细冷凝管(20)与气水分离器(40)连通；

所述植物区(1)经由设置在侧壁上的四个植物区通风孔(15)，分别与动物区(2)、固废区(3)实现气体连通，其中两个植物区通风孔(15)与两个动物区通风孔(30)连通，另外两个植物区通风孔(15)与两个固废区通风孔(34)连通，每个连通的通风孔通道上均设置有一个气泵(23)；动物区(2)、固废区(3)、水箱区(4)互不连通，电控区(5)与各个分区均无物质交换关系；

所述动物区(2)由氧气传感器(29)、动物区通风孔(30)、动物区摄像头(31)、动物区综合传感器(32)、透明培养皿(33)组成；透明培养皿(33)安置于动物区底部，其它组件安置于动物区顶部；

所述固废区(3)由固废区通风孔(34)、固废区综合传感器(35)、固废区摄像头(36)、固废发酵罐(37)、自控温电热套(38)、质量传感器(39)组成；固废发酵罐(37)安装在质量传感器(39)之上，安装有自控温电热套(38)，固废发酵罐(37)有一根导气管与一个固废区通风孔(34)连通，植物区(1)的空气可经气泵(23)直接进入固废发酵罐(37)；

所述水箱区(4)由气水分离器(40)、水循环泵(41)、营养液配液泵(42)、水配液泵(43)、回流泵(44)、高压泵(45)、浓缩营养液贮箱(46)、贮水箱(47)、配液罐(48)组成；浓缩营养液贮箱(46)中的浓缩营养液以及贮水箱(47)中的水经营养液配液泵(42)、水配液泵(43)注入配液罐(48)，并利用回流泵(44)实现混合，利用高压泵(45)实现加压导入雾培喷口阵列(22)；气水分离器(40)与贮水箱(47)相连。

2.如权利要求1所述的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：植物区(1)内的植物区综合传感器(18)及植物区摄像头(17)可实现植物区(1)内环境的监测以及数据传输，植物区(1)内植物蒸腾作用产生的水汽通过散热风扇(19)导入毛细冷凝管(20)冷凝，通过毛细作用导入至气水分离器(40)；利用植物定植板(21)实现植物在微重力环境下的固定，利用雾培方法实现植物在微重力环境下的营养输送；同时植物定植板(21)具有φ≈30mm以及φ≈40mm的两种孔径，30mm孔径可用于安装植物定植篮(49)，40mm孔径有透气不透水的薄膜在实现根区与外界大气的连通作用同时，防止水蒸气散逸。

3.如权利要求1所述的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：动物区(2)内的氧气传感器(29)、动物区综合传感器(32)及动物区摄像头(31)可实现动物区(2)内环境的监测以及数据传输，透明培养皿(33)上有刻度便于辨识。

4.如权利要求1所述的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：固废区综合传感器(35)及固废区摄像头(36)可实现固废区(3)内环境的监测以及数据传输，外置的自控温电热套(38)可实现自动控温，质量传感器(39)可监测固废发酵罐(37)运行过程中的质量变化。

5.如权利要求1所述的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：冷凝水可在水箱区(4)进行回收，通过气水分离器与水循环泵(41)泵回贮水箱，实现水的循环利用。

6.如权利要求1所述的一种可在微重力环境下运行的微型陆生生态系统实验装置，其特征在于：电控区(5)由气体采样嘴(13)、密闭灯板(14)、气泵(23)、手动开关(24)、光纤导光阵列(25)、中控系统板(26)、灯板散热风扇(27)、灯板散热板(28)组成；气泵(23)可实现各区域之间的气体流通且可利用手动开关(24)手动关闭，拥有气体采样嘴(13)从而具备采样功能，密闭灯板(14)具有LED/自然光双功能，其中自然光功能的实现利用光纤导光阵列(25)实现，中控系统板(26)可对环境数据进行分析从而实现环境调控，亦可实现数据储存。

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