CN110178715A - 适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法，适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置包括定植单元(100)、雾化单元(200)、营养液供给单元(300)和控制单元(400)；定植单元(100)包括定植单元壳体(101)、风道(102)、离心风机(103)和导流罩(104)；雾化单元(200)与所述定植单元(100)通过所述扇形通道(105)连通；所述雾化单元(200)产生的细雾通过所述细雾出口(201)进入到所述风道(102)。优点为：本装置面向长期太空生存植物雾培的研究和应用，实现适用多重力条件、可靠性高的营养液供给调控及雾化，进而保证植株正常生长。

Description

适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法

技术领域

本发明属于空间植物栽培技术领域，具体涉及一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法。

背景技术

随着航天技术的发展，太空微重力条件及月面、火星表面低重力条件为植物的重力效应研究提供了基础，国内外已经有多台植物栽培装置被人们发射至地外用于植物生理、遗传实验研究。在根部营养液供给方式上，目前地外植物栽培装置通常采用一次性基质栽培的方式，具有可靠、方便的特点，在植物生长发育、遗传变异等方面取得了许多有价值的研究结果。例如专利CN108633718A公开了一种微重力环境下植物水分循环利用的装置，使用了多孔吸水材料作为培养基质。随着载人航天的发展，急需进行适应长期太空生存的植物栽培研究。一方面，可为人员提供足够的新鲜植物性食物、以及足够的氧气及二氧化碳交换处理能力；另一方面，需要实现多代植株的长周期连续栽培，以便适应长期太空生存。在长周期连续栽培中，为防止基质中微生物及病菌残留，基质需要更换和处理，同时对于地下可食植物的根部尺寸变化及清洗问题，基质栽培也遇到了困难。与之相比，气雾无基质栽培(雾培)能够极好避免这些问题，可实现根区营养液与空气的充分混合，是未来长期太空生存植物栽培发展的重要方向。

目前在地面上应用成熟的营养液雾化手段主要有高压喷嘴雾化、超声雾化等手段。对于高压喷嘴雾化，高压喷嘴通道尺寸一般较小，并且回收营养液需再次经过高压泵进行加压，在此过程中，植物残根、营养液成分沉淀等极易造成高压喷嘴堵塞、高压泵磨损，造成可靠性降低，而空间装置对可靠性要求极高，因此现有的高压喷嘴雾化手段凸显不足。

而超声雾化不需小尺寸通道、也不需高压泵加压，对植物残根、营养液沉淀等容纳程度大大提高，是地外植物雾培营养液供给极具前景的手段。然而，却不能将地面栽培装置直接移植至空间，原因在于，与地面相比，地外重力条件多变。地面的重力水平一般认为是1g，与之相比，近地轨道重力水平可达到10^-3-10^-4g，月球表面约为1/6g，火星表面约为1/3g。多重力条件使得气液分离无法自然进行，直接移植的地面超声雾化器将无法工作。因此，目前迫切需要解决这一技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法，可有效解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，包括定植单元(100)、雾化单元(200)、营养液供给单元(300)和控制单元(400)；

所述定植单元(100)包括定植单元壳体(101)、风道(102)、离心风机(103)和导流罩(104)；所述定植单元壳体(101)为腔体结构，所述定植单元壳体(101)的侧壁设置若干个用于固定植株(500)根部的定植孔(1011)，通过所述定植孔(1011)，使所述植株(500)的根部穿过所述定植孔(1011)而延伸到所述定植单元壳体(101)的腔体内部；所述定植单元壳体(101)的轴线位置安装所述风道(102)；所述风道(102)的一端安装所述离心风机(103)；所述离心风机(103)的外围安装所述导流罩(104)；所述定植单元壳体(101)的远离所述离心风机(103)的一端开设扇形通道(105)；

所述雾化单元(200)固定于所述定植单元(100)的远离所述离心风机(103)的一端；所述雾化单元(200)与所述定植单元(100)通过所述扇形通道(105)连通；所述雾化单元(200)具有进液端和细雾出口(201)；所述细雾出口(201)与所述风道(102)的一端连通，在所述离心风机(103)的作用下，所述雾化单元(200)产生的细雾通过所述细雾出口(201)进入到所述风道(102)；

所述营养液供给单元(300)包括营养液储存箱(301)、水储存箱(302)、pH调节液储存箱(303)、液位传感器(304)、pH值传感器(305)和电导率传感器(306)；所述营养液储存箱(301)的出液口通过第一蠕动泵(D1)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述水储存箱(302)的出液口通过第二蠕动泵(D2)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述pH调节液储存箱(303)的出液口通过第三蠕动泵(D3)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述液位传感器(304)、所述pH值传感器(305)和所述电导率传感器(306)均安装于所述雾化单元(200)的内部；

所述控制单元(400)分别与所述离心风机(103)、所述雾化单元(200)、所述第一蠕动泵(D1)、所述第二蠕动泵(D2)、所述第三蠕动泵(D3)、所述液位传感器(304)、所述pH值传感器(305)和所述电导率传感器(306)电连接。

优选的，所述定植单元壳体(101)的侧壁以及远离所述离心风机(103)的下端面之间相交的位置，设置圆角结构(106)。

优选的，所述扇形通道(105)设置于所述定植单元壳体(101)的下端面，并且，所述扇形通道(105)从外侧向内侧，其通道直径逐渐缩小。

优选的，所述导流罩(104)包括导流罩主体(1041)、长导流叶片(1042)和短导流叶片(1043)；

所述导流罩主体(1041)的中心位置安装所述离心风机(103)；以所述离心风机(103)为中心，向外辐射发散间隔布置所述长导流叶片(1042)和所述短导流叶片(1043)；所述长导流叶片(1042)和所述短导流叶片(1043)均倾斜设置，与径向的夹角为60°～90°。

优选的，所述雾化单元(200)包括雾化单元壳体(202)、旋转轴(203)、旋转轴驱动电机(204)、旋转盘(205)和超声雾化器(206)；

所述雾化单元壳体(202)为腔体结构，在所述雾化单元壳体(202)的轴线位置安装所述旋转轴(203)；所述旋转轴(203)为中空结构，所述旋转轴(203)的侧壁开设与所述雾化单元壳体(202)的内腔连通的细雾进口(2031)，所述旋转轴(203)的一端形成所述细雾出口(201)，并且，所述细雾出口(201)通过轴承(207)与所述风道(102)的远离所述离心风机(103)的一端连通；所述旋转轴(203)的外面套设安装多个不同高度的所述旋转盘(205)；所述旋转轴驱动电机(204)驱动所述旋转轴(203)转动，进而带动所述旋转盘(205)旋转；所述雾化单元壳体(202)的靠下的内壁面固定安装所述超声雾化器(206)，所述超声雾化器(206)的振动膜(2061)朝向所述雾化单元壳体(202)的内腔。

优选的，所述营养液储存箱(301)的设置数量为两个，分别为第一营养液储存箱(301A)和第二营养液储存箱(301B)。

本发明还提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，在空间放置适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，具体放置方法为：

如果空间重力水平为10^-3g～1g时，则使营养液供给调控雾化的装置的轴线沿重力方向放置，并使雾化单元(200)位于定植单元(100)的下方，使定植单元(100)的离心风机(103)位于定植单元壳体(101)的内腔顶部；

如果空间重力水平低于10^-3g，则沿任意方向放置营养液供给调控雾化的装置；

步骤2，控制单元(400)与上位机(600)通信连接，控制单元(400)接收所述上位机(600)的开始运行指令，其中，所述开始运行指令中携带有需要雾培的植株属性以及重力水平状态；

所述控制单元(400)解析所述开始运行指令，得到所述植株属性以及重力水平状态；

步骤3，所述控制单元(400)根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的工作运行时间参数、植株属性和重力水平状态关系的第一控制谱，得到与植株属性以及重力水平状态对应的以下工作运行时间参数：工作周期T_t、旋转盘工作时长T_A、旋转盘工作后停止时间T_Af和超声雾化器工作时长T_U；其中，T_A大于T_U；旋转盘工作状态与离心风机(103)的工作状态完全一致；

步骤4，所述控制单元(400)根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的离心风机转速n_C、植株属性和重力水平状态关系的第二控制谱，确定与植株属性以及重力水平状态对应的离心风机转速n_C；

所述控制单元(400)根据重力水平状态和确定的离心风机转速n_C，查询预建立的旋转盘转速n_A、重力水平状态和离心风机转速n_C关系的第三控制谱，确定与重力水平状态和离心风机转速n_C对应的旋转盘转速n_A；

步骤5，在工作周期T_t开始时，所述控制单元(400)首先进行以下两个操作：

1)所述控制单元(400)通过pH值传感器(305)获取所述雾化单元(200)内液体的实际pH值，如果实际pH值小于pH值下限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第三蠕动泵(D3)，从而使pH调节液储存箱(303)所储存的pH调节液泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的pH，直到达到pH值上限；如果实际pH值不小于pH值下限，则不动作；

2)所述控制单元(400)通过电导率传感器(306)获取所述雾化单元(200)内液体的实际电导率，如果实际电导率低于电导率下限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第一蠕动泵(D1)，从而使营养液储存箱(301)所储存的营养液泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率高于电导率上限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第二蠕动泵(D2)，从而使水储存箱(302)所储存的水泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率位于电导率下限和电导率上限之间，则不动作；

步骤6，然后，所述控制单元(400)同时向旋转轴驱动电机(204)和离心风机(103)发送启动指令，使旋转轴(203)带动旋转盘(205)开始旋转，并使离心风机(103)同时运行，并同时开始计时；

对于旋转盘(205)，在旋转盘(205)旋转过程中，所述控制单元(400)通过液位传感器(304)获取所述雾化单元(200)内液体的实际液位，如果实际液位小于液位下限，则所述控制单元(400)发送指令，同时启动第一蠕动泵(D1)和第二蠕动泵(D2)，使营养液储存箱(301)所储存的营养液和水储存箱(302)所储存的水按比例补充到所述雾化单元(200)的内部，直到所述雾化单元(200)内的液位达到设定值；如果实际液位不小于液位下限，则不动作；

步骤7，在旋转盘(205)旋转过程中，旋转盘(205)的旋转运动将产生稳定液面，同时，稳定的液面集聚在雾化单元壳体(202)的侧壁和底壁的相交位置，而远离雾化单元壳体(202)的轴线位置，从而使超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内；

步骤8，当超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内时，所述控制单元(400)向超声雾化器(206)发送启动指令，使超声雾化器(206)开始工作，并同时开始计时，当超声雾化器(206)的工作时长达到T_U时，使超声雾化器(206)停止工作；

步骤9，在超声雾化器(206)停止工作时，此时旋转盘(205)和离心风机(103)仍然继续在工作，当旋转盘(205)和离心风机(103)的工作时长达到T_A时，发送指令，使旋转盘(205)和离心风机(103)停止工作；当旋转盘(205)和离心风机(103)停止工作的时间达到T_Af时，执行步骤10；

步骤10，所述控制单元(400)查询所述上位机(600)是否下达状态更新指令，如果没有状态更新指令，则进一步查询雾化单元(200)的当前工作次数，如果小于N_A，则重复步骤6-步骤9，继续在本工作周期中进行操作；否则，代表本工作周期结束，重复步骤5-步骤9，继续下一工作周期中的操作；如果有状态更新指令，则接收新的状态更新参数，包括：植株属性、重力水平状态；再以新的状态更新参数作为查询值，重复步骤3-步骤9。

优选的，所述植株属性包括植株种类和植株生长阶段。

优选的，所述超声雾化器(206)、所述旋转盘(205)和所述离心风机(103)的工作逻辑为：

1)在初始时，植株根部粘附大液滴，并且，植株根部已吸收大液滴中的营养物质，使大液滴为无用的大液滴；

所述控制单元(400)首先启动旋转盘(205)和离心风机(103)，工作一定时间后，旋转盘(205)的旋转运动产生稳定液面，使超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内；

2)然后，在旋转盘(205)和离心风机(103)持续工作的过程中，启动超声雾化器(206)；

一方面，当所述旋转盘(205)按旋转盘转速n_A旋转时，在离心加速度的作用下，雾化单元(200)的壁面附着的及空间悬浮的大液滴流向旋转盘(205)外缘及腔体壁面附近，而空气流向旋转盘(205)中心及旋转轴(203)附近，实现不依靠重力的气液分离；

另一方面，当超声雾化器(206)工作时，产生微米级细雾，由于微米级细雾直径很小，空气流动产生的拖曳力远大于离心力，所以，微米级细雾将被空气携带，并通过旋转轴(203)的细雾进口(2031)进入到旋转轴(203)的内部，再进一步流入到定植单元(100)的风道(102)中；

由于定植单元(100)的离心风机(103)按离心风机转速n_C旋转，驱动风道(102)中的微米级细雾向上轴向流动，再通过导流罩(104)的作用，由轴向流动转为径向旋流流动；

3)循环风输送的旋流流动的微米级细雾作用于植株根部，由于微米级细雾的粘附力大于循环风的驱动力，因此，微米级细雾置换粘附在根部的大液滴，使原粘附在根部的大液滴脱除植株根部，而微米级细雾粘附在植株根部，向植株根部供给营养；当微米级细雾粘附在植株根部后，会逐渐凝聚为新的大液滴；

4)当供给的微米级细雾的量达到要求时，停止超声雾化器(206)；

在超声雾化器(206)停止后，旋转盘(205)和离心风机(103)继续工作一段时间，在此时间段中，离心风机(103)继续产生循环风，用于吹除植株根部所粘附的粘附力小的新的大液滴，而使粘附力大的新的大液滴仍然粘附在植株根部，一方面，防止植株根部缺氧，另一方面，也保证植株根部表面仍然存在营养液供给；

5)当旋转盘(205)和离心风机(103)继续工作时长达到要求时，停止旋转盘(205)和离心风机(103)，系统静置一定时间，使植株根部与粘附的营养液进行物质交换，达到系统静置时间后，进入下一个循环。

本发明提供的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法具有以下优点：

本装置面向长期太空生存植物雾培的研究和应用，实现适用多重力条件、可靠性高的营养液供给调控及雾化，进而保证植株正常生长。

附图说明

图1为本发明提供的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的整体结构图；

图2为图1沿A-A剖视图；

图3为本发明提供的导流罩的立体图；

图4为本发明提供的雾化单元的旋转盘、超声雾化器，定植单元的离心风机和营养液供给单元的工作时序图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法，适用于太空失重、月球表面、火星表面等地外多重力条件下植物的雾培，以供多重力下植物科学、生态科学等研究，也可为密闭环境内人员，如宇航员，提供氧气和新鲜食物。具体的，本装置面向长期太空生存植物雾培的研究和应用，实现适用多重力条件、可靠性高的营养液供给调控及雾化。

参考附图，本发明提供的一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，包括定植单元100、雾化单元200、营养液供给单元300和控制单元400。

其中，定植单元100为柱形腔体结构，轴线具有中空轴结构形式的风道，风道的一端装有离心风机。雾化单元200安装在定植单元100的另一端，并与定植单元100相连通。营养液供给单元300储存营养液、水和pH调节液，通过管路与雾化单元200相连通；液体仅从雾化单元200单向流向雾化单元200；

控制单元400接收设置在雾化单元200、营养液供给单元300的传感器信号，并发送指令到营养液供给单元300和雾化单元200。

如果空间重力水平为10^-3g～1g时，则使营养液供给调控雾化的装置的轴线沿重力方向放置，图1中的700指向的箭头方向即为重力方向。并使雾化单元200位于定植单元100的下方，使定植单元100的离心风机103位于定植单元壳体101的内腔顶部；

如果空间重力水平低于10^-3g，则沿任意方向放置营养液供给调控雾化的装置。

下面对定植单元100、雾化单元200、营养液供给单元300和控制单元400分别详细介绍：

(一)定植单元100

定植单元100为柱形腔体结构，定植单元100用于栽培植物，对植物根部提供固定作用，植物根系位于定植单元100的腔体内部。

参考图1，定植单元100包括定植单元壳体101、风道102、离心风机103和导流罩104；

定植单元壳体101为腔体结构，定植单元壳体101的侧壁设置若干个用于固定植株500根部的定植孔1011，通过定植孔1011，使植株500的根部穿过定植孔1011而延伸到定植单元壳体101的腔体内部；定植单元壳体101的轴线位置安装风道102；风道102的一端安装离心风机103；离心风机103的外围安装导流罩104；定植单元壳体101的远离离心风机103的一端开设扇形通道105。

导流罩104的作用为：使微米级细雾由轴向流动转为径向旋流流动，从而加大对植株根部的吹除作用。

参考图2和图3，导流罩104包括导流罩主体1041、长导流叶片1042和短导流叶片1043；导流罩主体1041的中心位置安装离心风机103；以离心风机103为中心，向外辐射发散间隔布置长导流叶片1042和短导流叶片1043；长导流叶片1042和短导流叶片1043均倾斜设置，与径向的夹角为60°～90°。

定植单元壳体101的侧壁以及远离离心风机103的下端面之间相交的位置，设置圆角结构106。扇形通道105设置于定植单元壳体101的下端面，并且，扇形通道105从外侧向内侧，其通道直径逐渐缩小。

本发明中，圆角结构106和扇形通道105的作用为：

由于定植单元下端面与侧壁之间为圆角结构，下端面开有扇形通道，所以，定植单元通过扇形通道与雾化单元8连通。一方面，通过圆角结构，使粘附到定植单元壁面的液滴具有向扇形通道流动的趋势；另一方面，空气经过扇形通道由定植单元流向雾化单元8时，在扇形通道部位，流通面积缩小，流速加快，粘附在定植单元下端面的液体被吸附至气流中，与空气混合形成气液混合物，进入雾化单元8。

(二)雾化单元200

雾化单元200固定于定植单元100的远离离心风机103的一端；雾化单元200与定植单元100通过扇形通道105连通；雾化单元200具有进液端和细雾出口201；细雾出口201与风道102的一端连通，在离心风机103的作用下，雾化单元200产生的细雾通过细雾出口201进入到风道102；

雾化单元200的具体结构为：雾化单元200包括雾化单元壳体202、旋转轴203、旋转轴驱动电机204、旋转盘205和超声雾化器206；

雾化单元壳体202为腔体结构，在雾化单元壳体202的轴线位置安装旋转轴203；旋转轴203为中空结构，旋转轴203的侧壁开设与雾化单元壳体202的内腔连通的细雾进口2031，旋转轴203的一端形成细雾出口201，并且，细雾出口201通过轴承207与风道102的远离离心风机103的一端连通；旋转轴203的外面套设固定安装多个不同高度的旋转盘205，例如，可安装4个不同高度的旋转盘205；旋转轴驱动电机204驱动旋转轴203转动，进而带动旋转盘205旋转；雾化单元壳体202的靠下的内壁面固定安装超声雾化器206，超声雾化器206的振动膜2061朝向雾化单元壳体202的内腔。

雾化单元200的工作原理为：

当雾化单元200的旋转盘205在某一转速旋转时，在离心加速度的作用下，壁面附着的及空间悬浮的大液滴流向旋转盘205外缘及腔体壁面附近，而空气流向旋转盘205中心及旋转轴203附近，实现了不依靠重力的气液分离。

当超声雾化器206工作时，产生微米级细雾，由于细雾直径很小，空气流动产生的拖曳力远大于离心力，因此，细雾将被空气携带，并进入到旋转轴203。当定植单元风道端部的离心风机103工作时，抽取细雾及空气混合物，供给植物根系。一部分细雾被植物根系吸收，另一部分细雾未被植物吸收，集聚成较大液滴，在空气流动驱动下，重新回流至雾化单元200。

(三)营养液供给单元300

营养液供给单元300包括营养液储存箱301、水储存箱302、pH调节液储存箱303、液位传感器304、pH值传感器305和电导率传感器306；其中，实际应用中，营养液储存箱301的设置数量可以为两个，分别为第一营养液储存箱301A和第二营养液储存箱301B。第一营养液储存箱301A和第二营养液储存箱301B储存两种不同成份的营养液。

营养液储存箱301的出液口通过第一蠕动泵D1连通到雾化单元200的进液端；水储存箱302的出液口通过第二蠕动泵D2连通到雾化单元200的进液端；pH调节液储存箱303的出液口通过第三蠕动泵D3连通到雾化单元200的进液端；液位传感器304、pH值传感器305和电导率传感器306均安装于雾化单元200的内部；

(四)控制单元400

控制单元400分别与离心风机103、雾化单元200、第一蠕动泵D1、第二蠕动泵D2、第三蠕动泵D3、液位传感器304、pH值传感器305和电导率传感器306电连接。

控制单元400在雾化单元设置液位传感器、pH值传感器和电导率传感器。当液位传感器检测到实际液位小于液位下限时，控制单元发送指令，控制营养液供给单元的蠕动泵运行，通过连接管路补充营养液和水至液位上限。当pH值传感器检测到液体pH值小于pH值下限时，控制单元发送指令，控制营养液供给单元的蠕动泵运行，通过连接管路补充pH调节液至pH值上限。当电导率传感器检测到液体电导率值升高或降低时，控制单元发送指令，控制营养液供给单元的蠕动泵运行，通过连接管路补充水或营养液至电导率值中间值。

控制单元400用于发送指令控制营养液供给单元和雾化单元周期循环工作。在一个工作周期T_t内，雾化单元200的旋转盘、超声雾化器和定植单元的离心风机工作N_A次，营养液供给单元工作一次。雾化单元的旋转盘工作时长T_A，T_A后跟随停止时间T_Af。定植单元的离心风机工作时长也为T_A。雾化单元的超声雾化器工作时长T_U，T_U小于T_A。营养液供给单元工作时长T_B。T_A、N_A、T_U由植株种类、植株生长阶段、重力水平确定，控制谱存储在控制单元内。控制单元400具体控制逻辑在下面的方法中介绍。

本发明还提供一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的方法，包括以下步骤：

步骤1，在空间放置适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，具体放置方法为：

如果空间重力水平为10^-3g～1g时，则使营养液供给调控雾化的装置的轴线沿重力方向放置，并使雾化单元200位于定植单元100的下方，使定植单元100的离心风机103位于定植单元壳体101的内腔顶部；

如果空间重力水平低于10^-3g，则沿任意方向放置营养液供给调控雾化的装置；

步骤2，控制单元400与上位机600通信连接，控制单元400接收上位机600的开始运行指令，其中，开始运行指令中携带有需要雾培的植株属性以及重力水平状态；其中，植株属性包括植株种类和植株生长阶段。

控制单元400解析开始运行指令，得到植株属性以及重力水平状态；

步骤3，控制单元400根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的工作运行时间参数、植株属性和重力水平状态关系的第一控制谱，得到与植株属性以及重力水平状态对应的以下工作运行时间参数：工作周期T_t、旋转盘工作时长T_A、旋转盘工作后停止时间T_Af和超声雾化器工作时长T_U；其中，T_A大于T_U；旋转盘工作状态与离心风机103的工作状态完全一致；

步骤4，控制单元400根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的离心风机转速n_C、植株属性和重力水平状态关系的第二控制谱，确定与植株属性以及重力水平状态对应的离心风机转速n_C；

控制单元400根据重力水平状态和确定的离心风机转速n_C，查询预建立的旋转盘转速n_A、重力水平状态和离心风机转速n_C关系的第三控制谱，确定与重力水平状态和离心风机转速n_C对应的旋转盘转速n_A；

由此可见，离心风机的离心风机转速n_C可调，n_C由植株种类、植株生长阶段、重力水平确定，控制谱存储在控制单元内。

旋转盘的旋转盘转速n_A可调，n_A由定植单元离心风机转速n_C和重力水平确定，控制谱存储在控制单元内。

具体的，当位于常重力1g条件时，营养液将在重力作用下附着在超声雾化器的振动膜上，雾化单元旋转盘转速n_A最低。

当位于微重力条件(小于10^-3-10^-4g)时，营养液将无法依靠重力作用附着在超声雾化器的振动膜上，需依靠离心力驱动，雾化单元的旋转盘转速n_A最高。

当位于低重力条件(如月球表面约为1/6g，火星表面约为1/3g)时，营养液将部分依靠重力作用附着在超声雾化器的振动膜上，但对于尺寸较小的液滴，需依靠离心力驱动，雾化单元的旋转盘转速n_A适中。

当位于重力变化条件时，如地月转运，当位于地面时，地球表面为常重力1g条件，当进入轨道后，处于微重力条件，当位于月面时，月球表面约为1/6g。雾化单元的旋转盘转速n_A进行模式切换。

步骤5，在工作周期T_t开始时，控制单元400首先进行以下两个操作：

1)控制单元400通过pH值传感器305获取雾化单元200内液体的实际pH值，如果实际pH值小于pH值下限，则控制单元400发送指令，启动第三蠕动泵D3，从而使pH调节液储存箱303所储存的pH调节液泵送到雾化单元200内部，调节雾化单元200内部液体的pH，直到达到pH值上限；如果实际pH值不小于pH值下限，则不动作；

2)控制单元400通过电导率传感器306获取雾化单元200内液体的实际电导率，如果实际电导率低于电导率下限，则控制单元400发送指令，启动第一蠕动泵D1，从而使营养液储存箱301所储存的营养液泵送到雾化单元200内部，调节雾化单元200内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率高于电导率上限，则控制单元400发送指令，启动第二蠕动泵D2，从而使水储存箱302所储存的水泵送到雾化单元200内部，调节雾化单元200内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率位于电导率下限和电导率上限之间，则不动作；

步骤6，然后，控制单元400同时向旋转轴驱动电机204和离心风机103发送启动指令，使旋转轴203带动旋转盘205开始旋转，并使离心风机103同时运行，并同时开始计时；

对于旋转盘205，在旋转盘205旋转过程中，控制单元400通过液位传感器304获取雾化单元200内液体的实际液位，如果实际液位小于液位下限，则控制单元400发送指令，同时启动第一蠕动泵D1和第二蠕动泵D2，使营养液储存箱301所储存的营养液和水储存箱302所储存的水按比例补充到雾化单元200的内部，直到雾化单元200内的液位达到设定值；如果实际液位不小于液位下限，则不动作；

步骤7，在旋转盘205旋转过程中，旋转盘205的旋转运动将产生稳定液面，同时，稳定的液面集聚在雾化单元壳体202的侧壁和底壁的相交位置，而远离雾化单元壳体202的轴线位置，从而使超声雾化器206沉浸在稳定液面之内；

具体的，超声雾化器206工作时，需沉浸在稳定液面之内，为实现这个功能，雾化单元内设置旋转盘。

步骤8，当超声雾化器206沉浸在稳定液面之内时，控制单元400向超声雾化器206发送启动指令，使超声雾化器206开始工作，并同时开始计时，当超声雾化器206的工作时长达到T_U时，使超声雾化器206停止工作；

步骤9，在超声雾化器206停止工作时，此时旋转盘205和离心风机103仍然继续在工作，当旋转盘205和离心风机103的工作时长达到T_A时，发送指令，使旋转盘205和离心风机103停止工作；当旋转盘205和离心风机103停止工作的时间达到T_Af时，执行步骤10；

步骤10，控制单元400查询上位机600是否下达状态更新指令，如果没有状态更新指令，则进一步查询雾化单元200的当前工作次数，如果小于N_A，则重复步骤6-步骤9，继续在本工作周期中进行操作；否则，代表本工作周期结束，重复步骤5-步骤9，继续下一工作周期中的操作；如果有状态更新指令，则接收新的状态更新参数，包括：植株属性、重力水平状态；再以新的状态更新参数作为查询值，重复步骤3-步骤9。

在上述过程中，超声雾化器206、旋转盘205和离心风机103的工作逻辑为：

1)在初始时，植株根部粘附大液滴，并且，植株根部已吸收大液滴中的营养物质，使大液滴为无用的大液滴；

控制单元400首先启动旋转盘205和离心风机103，工作一定时间后，旋转盘205的旋转运动产生稳定液面，使超声雾化器206沉浸在稳定液面之内；

2)然后，在旋转盘205和离心风机103持续工作的过程中，启动超声雾化器206；

一方面，当旋转盘205按旋转盘转速n_A旋转时，在离心加速度的作用下，雾化单元200的壁面附着的及空间悬浮的大液滴流向旋转盘205外缘及腔体壁面附近，而空气流向旋转盘205中心及旋转轴203附近，实现不依靠重力的气液分离；

另一方面，当超声雾化器206工作时，产生微米级细雾，由于微米级细雾直径很小，空气流动产生的拖曳力远大于离心力，所以，微米级细雾将被空气携带，并通过旋转轴203的细雾进口2031进入到旋转轴203的内部，再进一步流入到定植单元100的风道102中；

由于定植单元100的离心风机103按离心风机转速n_C旋转，驱动风道102中的微米级细雾向上轴向流动，再通过导流罩104的作用，由轴向流动转为径向旋流流动；

3)循环风输送的旋流流动的微米级细雾作用于植株根部，由于微米级细雾的粘附力大于循环风的驱动力，因此，微米级细雾置换粘附在根部的大液滴，使原粘附在根部的大液滴脱除植株根部，而微米级细雾粘附在植株根部，向植株根部供给营养；当微米级细雾粘附在植株根部后，会逐渐凝聚为新的大液滴；

4)当供给的微米级细雾的量达到要求时，停止超声雾化器206；

在超声雾化器206停止后，旋转盘205和离心风机103继续工作一段时间，在此时间段中，离心风机103继续产生循环风，用于吹除植株根部所粘附的粘附力小的新的大液滴，而使粘附力大的新的大液滴仍然粘附在植株根部，一方面，防止植株根部缺氧，另一方面，也保证植株根部表面仍然存在营养液供给；

所以，需要清除根系多余营养液时，超声雾化器停止工作，定植单元通过离心风机旋转，驱动空气沿中空结构轴向流动，在定植单元端部翻折，并在导流罩导流叶片的作用下，空气形成旋流流动。在旋流空气吹除作用下，粘附在植物根系的多余营养液脱落形成液滴。液滴随旋流空气运动，一部分液滴在离心力作用下运动到壁面，并由壁面流向定植单元端面，另一部分液滴悬浮在旋流空气中，直接流向定植单元端面。

5)当旋转盘205和离心风机103继续工作时长达到要求时，停止旋转盘205和离心风机103，系统静置一定时间，使植株根部与粘附的营养液进行物质交换，达到系统静置时间后，进入下一个循环。

本发明提供的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置及方法具有以下优点：

本装置面向长期太空生存植物雾培的研究和应用，实现适用多重力条件、可靠性高的营养液供给调控及雾化，进而保证植株正常生长。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，包括定植单元(100)、雾化单元(200)、营养液供给单元(300)和控制单元(400)；

所述定植单元(100)包括定植单元壳体(101)、风道(102)、离心风机(103)和导流罩(104)；所述定植单元壳体(101)为腔体结构，所述定植单元壳体(101)的侧壁设置若干个用于固定植株(500)根部的定植孔(1011)，通过所述定植孔(1011)，使所述植株(500)的根部穿过所述定植孔(1011)而延伸到所述定植单元壳体(101)的腔体内部；所述定植单元壳体(101)的轴线位置安装所述风道(102)；所述风道(102)的一端安装所述离心风机(103)；所述离心风机(103)的外围安装所述导流罩(104)；所述定植单元壳体(101)的远离所述离心风机(103)的一端开设扇形通道(105)；

所述雾化单元(200)固定于所述定植单元(100)的远离所述离心风机(103)的一端；所述雾化单元(200)与所述定植单元(100)通过所述扇形通道(105)连通；所述雾化单元(200)具有进液端和细雾出口(201)；所述细雾出口(201)与所述风道(102)的一端连通，在所述离心风机(103)的作用下，所述雾化单元(200)产生的细雾通过所述细雾出口(201)进入到所述风道(102)；

所述营养液供给单元(300)包括营养液储存箱(301)、水储存箱(302)、pH调节液储存箱(303)、液位传感器(304)、pH值传感器(305)和电导率传感器(306)；所述营养液储存箱(301)的出液口通过第一蠕动泵(D1)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述水储存箱(302)的出液口通过第二蠕动泵(D2)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述pH调节液储存箱(303)的出液口通过第三蠕动泵(D3)连通到所述雾化单元(200)的进液端；所述液位传感器(304)、所述pH值传感器(305)和所述电导率传感器(306)均安装于所述雾化单元(200)的内部；

所述控制单元(400)分别与所述离心风机(103)、所述雾化单元(200)、所述第一蠕动泵(D1)、所述第二蠕动泵(D2)、所述第三蠕动泵(D3)、所述液位传感器(304)、所述pH值传感器(305)和所述电导率传感器(306)电连接。

2.根据权利要求1所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，所述定植单元壳体(101)的侧壁以及远离所述离心风机(103)的下端面之间相交的位置，设置圆角结构(106)。

3.根据权利要求1所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，所述扇形通道(105)设置于所述定植单元壳体(101)的下端面，并且，所述扇形通道(105)从外侧向内侧，其通道直径逐渐缩小。

4.根据权利要求1所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，所述导流罩(104)包括导流罩主体(1041)、长导流叶片(1042)和短导流叶片(1043)；

所述导流罩主体(1041)的中心位置安装所述离心风机(103)；以所述离心风机(103)为中心，向外辐射发散间隔布置所述长导流叶片(1042)和所述短导流叶片(1043)；所述长导流叶片(1042)和所述短导流叶片(1043)均倾斜设置，与径向的夹角为60°～90°。

5.根据权利要求1所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，所述雾化单元(200)包括雾化单元壳体(202)、旋转轴(203)、旋转轴驱动电机(204)、旋转盘(205)和超声雾化器(206)；

所述雾化单元壳体(202)为腔体结构，在所述雾化单元壳体(202)的轴线位置安装所述旋转轴(203)；所述旋转轴(203)为中空结构，所述旋转轴(203)的侧壁开设与所述雾化单元壳体(202)的内腔连通的细雾进口(2031)，所述旋转轴(203)的一端形成所述细雾出口(201)，并且，所述细雾出口(201)通过轴承(207)与所述风道(102)的远离所述离心风机(103)的一端连通；所述旋转轴(203)的外面套设安装多个不同高度的所述旋转盘(205)；所述旋转轴驱动电机(204)驱动所述旋转轴(203)转动，进而带动所述旋转盘(205)旋转；所述雾化单元壳体(202)的靠下的内壁面固定安装所述超声雾化器(206)，所述超声雾化器(206)的振动膜(2061)朝向所述雾化单元壳体(202)的内腔。

6.根据权利要求1所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，其特征在于，所述营养液储存箱(301)的设置数量为两个，分别为第一营养液储存箱(301A)和第二营养液储存箱(301B)。

7.一种权利要求1-6任一项所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在空间放置适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置，具体放置方法为：

如果空间重力水平为10^-3g～1g时，则使营养液供给调控雾化的装置的轴线沿重力方向放置，并使雾化单元(200)位于定植单元(100)的下方，使定植单元(100)的离心风机(103)位于定植单元壳体(101)的内腔顶部；

如果空间重力水平低于10^-3g，则沿任意方向放置营养液供给调控雾化的装置；

步骤2，控制单元(400)与上位机(600)通信连接，控制单元(400)接收所述上位机(600)的开始运行指令，其中，所述开始运行指令中携带有需要雾培的植株属性以及重力水平状态；

所述控制单元(400)解析所述开始运行指令，得到所述植株属性以及重力水平状态；

步骤3，所述控制单元(400)根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的工作运行时间参数、植株属性和重力水平状态关系的第一控制谱，得到与植株属性以及重力水平状态对应的以下工作运行时间参数：工作周期T_t、旋转盘工作时长T_A、旋转盘工作后停止时间T_Af和超声雾化器工作时长T_U；其中，T_A大于T_U；旋转盘工作状态与离心风机(103)的工作状态完全一致；

步骤4，所述控制单元(400)根据植株属性以及重力水平状态，查询预建立的离心风机转速n_C、植株属性和重力水平状态关系的第二控制谱，确定与植株属性以及重力水平状态对应的离心风机转速n_C；

所述控制单元(400)根据重力水平状态和确定的离心风机转速n_C，查询预建立的旋转盘转速n_A、重力水平状态和离心风机转速n_C关系的第三控制谱，确定与重力水平状态和离心风机转速n_C对应的旋转盘转速n_A；

步骤5，在工作周期T_t开始时，所述控制单元(400)首先进行以下两个操作：

1)所述控制单元(400)通过pH值传感器(305)获取所述雾化单元(200)内液体的实际pH值，如果实际pH值小于pH值下限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第三蠕动泵(D3)，从而使pH调节液储存箱(303)所储存的pH调节液泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的pH，直到达到pH值上限；如果实际pH值不小于pH值下限，则不动作；

2)所述控制单元(400)通过电导率传感器(306)获取所述雾化单元(200)内液体的实际电导率，如果实际电导率低于电导率下限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第一蠕动泵(D1)，从而使营养液储存箱(301)所储存的营养液泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率高于电导率上限，则所述控制单元(400)发送指令，启动第二蠕动泵(D2)，从而使水储存箱(302)所储存的水泵送到所述雾化单元(200)内部，调节所述雾化单元(200)内部液体的电导率，直到使电导率达到电导率中间值；如果实际电导率位于电导率下限和电导率上限之间，则不动作；

步骤6，然后，所述控制单元(400)同时向旋转轴驱动电机(204)和离心风机(103)发送启动指令，使旋转轴(203)带动旋转盘(205)开始旋转，并使离心风机(103)同时运行，并同时开始计时；

对于旋转盘(205)，在旋转盘(205)旋转过程中，所述控制单元(400)通过液位传感器(304)获取所述雾化单元(200)内液体的实际液位，如果实际液位小于液位下限，则所述控制单元(400)发送指令，同时启动第一蠕动泵(D1)和第二蠕动泵(D2)，使营养液储存箱(301)所储存的营养液和水储存箱(302)所储存的水按比例补充到所述雾化单元(200)的内部，直到所述雾化单元(200)内的液位达到设定值；如果实际液位不小于液位下限，则不动作；

步骤7，在旋转盘(205)旋转过程中，旋转盘(205)的旋转运动将产生稳定液面，同时，稳定的液面集聚在雾化单元壳体(202)的侧壁和底壁的相交位置，而远离雾化单元壳体(202)的轴线位置，从而使超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内；

步骤8，当超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内时，所述控制单元(400)向超声雾化器(206)发送启动指令，使超声雾化器(206)开始工作，并同时开始计时，当超声雾化器(206)的工作时长达到T_U时，使超声雾化器(206)停止工作；

步骤9，在超声雾化器(206)停止工作时，此时旋转盘(205)和离心风机(103)仍然继续在工作，当旋转盘(205)和离心风机(103)的工作时长达到T_A时，发送指令，使旋转盘(205)和离心风机(103)停止工作；当旋转盘(205)和离心风机(103)停止工作的时间达到T_Af时，执行步骤10；

步骤10，所述控制单元(400)查询所述上位机(600)是否下达状态更新指令，如果没有状态更新指令，则进一步查询雾化单元(200)的当前工作次数，如果小于N_A，则重复步骤6-步骤9，继续在本工作周期中进行操作；否则，代表本工作周期结束，重复步骤5-步骤9，继续下一工作周期中的操作；如果有状态更新指令，则接收新的状态更新参数，包括：植株属性、重力水平状态；再以新的状态更新参数作为查询值，重复步骤3-步骤9。

8.根据权利要求7所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的方法，其特征在于，所述植株属性包括植株种类和植株生长阶段。

9.根据权利要求7所述的适用地外植物雾培的营养液供给调控雾化的装置的方法，其特征在于，所述超声雾化器(206)、所述旋转盘(205)和所述离心风机(103)的工作逻辑为：

1)在初始时，植株根部粘附大液滴，并且，植株根部已吸收大液滴中的营养物质，使大液滴为无用的大液滴；

所述控制单元(400)首先启动旋转盘(205)和离心风机(103)，工作一定时间后，旋转盘(205)的旋转运动产生稳定液面，使超声雾化器(206)沉浸在稳定液面之内；

2)然后，在旋转盘(205)和离心风机(103)持续工作的过程中，启动超声雾化器(206)；

一方面，当所述旋转盘(205)按旋转盘转速n_A旋转时，在离心加速度的作用下，雾化单元(200)的壁面附着的及空间悬浮的大液滴流向旋转盘(205)外缘及腔体壁面附近，而空气流向旋转盘(205)中心及旋转轴(203)附近，实现不依靠重力的气液分离；

另一方面，当超声雾化器(206)工作时，产生微米级细雾，由于微米级细雾直径很小，空气流动产生的拖曳力远大于离心力，所以，微米级细雾将被空气携带，并通过旋转轴(203)的细雾进口(2031)进入到旋转轴(203)的内部，再进一步流入到定植单元(100)的风道(102)中；

由于定植单元(100)的离心风机(103)按离心风机转速n_C旋转，驱动风道(102)中的微米级细雾向上轴向流动，再通过导流罩(104)的作用，由轴向流动转为径向旋流流动；

3)循环风输送的旋流流动的微米级细雾作用于植株根部，由于微米级细雾的粘附力大于循环风的驱动力，因此，微米级细雾置换粘附在根部的大液滴，使原粘附在根部的大液滴脱除植株根部，而微米级细雾粘附在植株根部，向植株根部供给营养；当微米级细雾粘附在植株根部后，会逐渐凝聚为新的大液滴；

4)当供给的微米级细雾的量达到要求时，停止超声雾化器(206)；

在超声雾化器(206)停止后，旋转盘(205)和离心风机(103)继续工作一段时间，在此时间段中，离心风机(103)继续产生循环风，用于吹除植株根部所粘附的粘附力小的新的大液滴，而使粘附力大的新的大液滴仍然粘附在植株根部，一方面，防止植株根部缺氧，另一方面，也保证植株根部表面仍然存在营养液供给；

5)当旋转盘(205)和离心风机(103)继续工作时长达到要求时，停止旋转盘(205)和离心风机(103)，系统静置一定时间，使植株根部与粘附的营养液进行物质交换，达到系统静置时间后，进入下一个循环。