CN111869481A - 月面极端环境用的植物培养单元及其构成的栽培系统 - Google Patents

月面极端环境用的植物培养单元及其构成的栽培系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于月面极端环境的模块化植物栽培系统，其中的太阳能电池片阵列、补光LED阵列固定在上盖板的内侧，上盖板通过转轴与密封容器连接，所述植物培养单元为若干个，置于密封容器内，蓄电池、换热器置于密封容器内，蓄电池连接稳压模块，稳压模块连接若干个植物培养单元，换热器连接供液管路，封容器侧面连接通风管路。本发明在月面极端环境下形成独立的小环境，具备月昼、月夜生存能力，内部的温度、压力满足植物的生长的需求，并具有模块化、可扩展能力，为未来月面长期驻留任务提供支撑。

Description

月面极端环境用的植物培养单元及其构成的栽培系统
技术领域
本发明属于深空探测原位资源利用技术领域，具体涉及一种在月面极端环境下培育植物的培养单元，同时也涉及一种用于月面极端环境下植物培养单元构成的栽培系统，该系统能够对植物生长状态进行实时监测、存储。
背景技术
在未来有人深空探测、长期驻留任务中，如何充分利用原位资源是优化任务成本、降低发射次数、延长任务自持时间的关键技术之一。目前，载人航天任务中，氧气、氮气均从地球携带，在轨道上通过氢氧化锂、固态胺摇摆床等技术吸收航天员呼出的二氧化碳，NASA亦在研究通过膜上电解技术实现二氧化碳到氧气的无耗材反应；另一方面，对于水资源，通过从地球携带大量水，对部分生活用水回收、重复利用以实现减小水资源消耗的目的；对于食物问题，是制约长距离有人深空探测的主要问题之一，各国均在空间站上开展了蔬菜的种植研究。当前，技术方案通常是通过空间站电池板发电，并在舱内使用LED发光对蔬菜进行培育。在此过程中，由于需要经历“光->电->光”的多次转换，其对能量的利用率较低。
针对未来长期有人的月球基地探测中，各国均提出了长期驻扎的探测方案，相对于空间站环境，在月面对植物进行培育的难点包括：1.月球表面光照周期与地球不同，月昼、月夜长度14天，需要兼顾月昼期间光照、月夜无光照的需求；2.月球表表面昼夜误差极大，可达±150℃，需要尽可能隔绝环境温度的影响。同时，月球距离地球更远，对于空间站任务而言，月球有人探测任务中更需要降低从地球携带物资的依赖性，提高全系统的能量、物质流利用率。所以，如何充分利用月面光照进行植物培育是未来长期有人月球探测任务中的关键技术之一。
因此，设计和发明一种在月面对植物进行培育的模块化可扩展系统对于未来的有人月球探测任务具有积极的现实意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在月面极端环境下形成独立的小环境，具备月昼、月夜生存能力，内部的温度、压力满足植物生长的需求，并具有模块化、可扩展能力，为未来月面长期驻留任务提供支撑。
本发明的目的之一是提供一种适用于月面极端环境下的植物培养单元，该单元结构简单，并能够实现植物的营养供给，很好地满足月面植物生长需要的养分和条件。
本发明的另一目的是提供一种适用于月面极端环境下的植物栽培系统，该系统，该系统可在未来月球有人长期驻留任务中提供蔬菜、作物的种植环境。
本发明采用了如下的技术方案：
本发明的用于月面极端环境下的植物培养单元，包括中央控制器，电接口，温度控制器，数据记录器，测量单元，空气温度-湿度-压力一体化测量单元，气体含量传感器，土壤温度传感器，土壤湿度传感器，植物培育容器，薄膜电加热器，显示屏，其中，中央控制器分别与显示屏，电接口，温度控制器，数据记录器，测量单元连接，温度控制器与薄膜电加热器连接，测量单元分别与空气温度-湿度-压力一体化测量单元，气体含量传感器，土壤温度传感器，土壤湿度传感器连接，所述薄膜电加热器位于植物培养容器侧面，土壤温度传感器和土壤湿度传感器位于植物培养容器内；电接口用于供电、数据监视、控制等，其中，土壤温度传感器、湿度传感器分别对土壤的温度和湿度进行测量，气体含量传感器、空气温度-湿度-压力一体化测量单元分别对植物培养容器内的二氧化碳含量、空气温度、湿度、压力的参数进行测量，经过测量单元转换为数字量测量数据后传输给中央控制器，中央处理器将数字量测量数据通过数据记录器进行存储，并控制温度控制器对薄膜电加热器的输出功率，以对植物培养容器的温度进行控制，所有测量数据在显示屏上进行监控显示。
其中，温度控制器为固态继电器、场效应管等形式。
其中，中央处理器能够使用MCU、FPGA、SoC形式的控制器。
利用上述植物培养单元的模块化植物栽培系统，包括太阳能电池片阵列、补光LED阵列、密封容器、蓄电池、换热器、电连接器、植物培养单元，上盖板，其中，密封容器通过顶部的上密封法兰进行密封，提供植物生长适宜的压力环境，侧面安装有可旋转的上盖板，上盖板内侧固定有太阳能电池片阵列，补光LED阵列以分别在月昼期间发电提供系统所必须的电能和在月夜对系统进行补光；蓄电池、换热器置于密封容器内，蓄电池通过稳压模块连接若干个植物培养单元，换热器连接供液管路并对系统进行恒温控制，密封容器侧面连接通风管路进行通风，电连接器提供了系统的连接功能，能实现远端数据监控功能。
其中，植物培养单元用于内部种植不同的植物，并具有土壤温度、湿度测量，空气温度、湿度、压力、二氧化碳浓度测量，控温加热的能力。
其中，蓄电池用于储存电能，为系统提供一定时间的独立运行能力。
其中，所述上盖板的外侧为多层隔热组件，上盖板打开时太阳能电池片阵列能受照发电，提供系统工作的电能，上盖板关闭时能降低漏热，并通过内侧补光LED阵列进行补光，供植物生长。
其中，所述密封容器顶部设有上密封法兰，将玻璃窗体固定于密封容器上，并通过玻璃窗体内侧的密封圈实现密封容器的气密性。
其中，所述玻璃窗体，能在月昼时将阳光导入植物培养单元内部，满足植物的光合作用需求，在无光环境下，能通过上盖板遮挡玻璃窗体，以降低密封容器漏热。
其中，所述通风管路，能对容器内的气体进行置换，调整其内部的气体成分，以满足不同阶段植物的生长需求。
其中，所述换热器，为管翅式换热器，两端设有进液管路及接口和进液管路及接口，通过流入的恒温液体带走密封容器内的热或冷量，能将系统维持在适宜植物生长的温度，兼具保温、散热能力。
其中，密封容器的底部设置若干隔热底座，由低热导率材料制造。
进一步地，低热导率材料包括聚酰亚胺或聚四氟乙烯。
本发明的优点在于：
本发明可在月面极端环境下提供适宜植物生长的压力、温度、湿度等环境，兼顾了植物在月昼、月夜期间的生存、成长需求，具有模块化、可扩展等优点，可在未来月球有人长期驻留任务中提供蔬菜、作物的种植环境。
附图说明
图1为本发明的一具体实施方式的植物培养单元的内部构成示意图，
其中：202-1为中央控制器，202-2为电接口，202-3为温度控制器，202-4为数据记录器，202-5为测量单元，202-6为空气温度、湿度、压力一体化测量单元，202-7为气体含量传感器，202-8为土壤温度传感器，202-9为土壤湿度传感器，202-10为植物培育容器，202-11为薄膜电加热器，202-12为显示屏。
图2显示了用于月面极端环境的模块化植物栽培系统的连接示意图，
其中：101为上盖板，102为太阳能电池片阵列，103为补光LED阵列，200为密封容器，201为电连接器，202为植物培养单元，203为稳压模块，204为蓄电池，205为进风管路及接口，206为出风管路及接口，207为气密电连接器组合，208为进液管路及接口，209为出液管路及接口，210为换热器。
图3显示了本发明一具体实施方式的模块化栽培系统中密封容器顶部的结构示意图，
其中：211为上密封法兰，212为玻璃窗体。
图4显示了另一角度的密封容器具体实施方式的结构示意图，
其中：104为多层隔热组件，213为转轴，214为隔热底座。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的结构进行详细说明，这些具体实施方式仅用来示例本发明，并不旨在对其保护范围进行任何限制。
如图1为本发明的一具体实施方式的植物培养单元的内部构成示意图，其中，用于月面极端环境下的植物培养单元202的构成，包括中央控制器202-1，电接口202-2，温度控制器202-3，数据记录器202-4，测量单元202-5，空气温度-湿度-压力一体化测量单元206，气体含量传感器202-7，土壤温度传感202-8，土壤湿度传感器202-9，植物培育容器202-10，薄膜电加热器202-11、显示屏202-12，PCB电路板202-13。其中PCB电路板为电子器件的主要承载体，其上安装有中央控制器202-1、温度控制器202-3、数据记录器202-4、测量单元202-5、空气温度-湿度-压力一体化测量单元206、气体含量传感器202-7和显示屏202-12，其中安装可以选择将器件直接焊接至PCB上，也可以在PCB上焊接插座，将电子模块插入插座中连接，PCB电路板上的走线用于实现器件间的电连接，其中显示屏202-12与中央控制器202-1间通过总线电连接，可以选择II2C或SPI等形式，其中电接口202-2与中央控制器202-1间电连接，用于将中央控制器202-1的供电管脚、串行通讯管脚引出，可对其进行供电以及参数设定，数据记录器202-4、测量单元202-5、空气温度-湿度-压力一体化测量单元206、气体含量传感器202-7均与中央控制器202-1间电连接，通过SPI总线方式对各个模块进行分时控制、读取，土壤温度传感202-8、土壤湿度传感器202-9、薄膜电加热器202-11均位于PCB电路板外，通过引线、电连接器形式与PCB电路板连接，电连接器使用带锁定电连接器。其中土壤温度传感202-8、土壤湿度传感器202-9插入植物培育容器202-10内，薄膜电加热器202-11粘贴于植物培育容器202-10底部外侧。
其中，具有MCU控制形式的中央控制器202-1用于对植物培养单元202内部的其他电路进行控制，电接口202-2用于通过外部电路对植物培养单元202内部的电路进行供电、控制、监控，并与气密电连接器组207进行连接；具有固态继电器形式的温度控制器202-3用于对土壤温度进行控制，数据记录器202-4通过中央控制器202-1控制，将采集数据进行存储，测量单元202-5通常为一组A/D转换器，可将土壤温度传感器、土壤湿度传感器的模拟信号进行测量、采集，转换成数字量测量数据，并传输至中央控制器202-1；空气温度-湿度-压力一体化测量单元202-6用于对密封容器200内部的气体温度、湿度、压力进行一体化测量，202-7为气体含量传感器，用于对密封容器200内部的二氧化碳含量进行测量，同样经过测量单元202-5转换成数字量测量数据。中央控制器202-1根据各数字量测量数据对温度控制器202-3进行控制，以调整薄膜加热器对植物培养容器的加热功率，以及控制显示屏202-12显示可显示的基本参数的数据。
在一具体实施方式中，植物培育容器，根据需要可以选择土培或水培等多种形式。
参见图2，图2显示了用于月面极端环境的模块化植物栽培系统的连接示意图，其中101为上盖板，太阳能电池片阵列102、补光LED阵列103通过硅橡胶固定于上盖板101内侧，200为密封容器，201为电连接器，通过螺钉固定于密封容器200壁面，内部有密封圈以保证气密性，植物培养单元202、稳压模块203、蓄电池204安装于密封容器200内部，进风管路及接口205、出风管路及接口206焊接于密封容器200壁面上，气密电连接器组合207通过螺钉固定于密封容器200壁面，内部有密封圈以保证气密性，进液管路及接口208、出液管路及接口209、换热器210通过焊接形式安装于密封容器200的底部，并进行检漏以保证气密性。
其中，用于月面极端环境的模块化植物栽培系统200包括一密封容器200，通过上密封法兰进行密封，提供了植物，电子设备的承载环境，满足植物生长、电子设备散热所必须的气压环境，由铝合金制造，密封容器顶部一侧设置有可转动的上盖板101；201为电连接器，主要用于将太阳能电池片102发电引入密封容器200，并引出电线供LED照明使用，型号一般选择使用4芯气密电连接器；202为植物培养单元，内部具有植物，并安装有电子器件，采用模块化设计，在植物收获后可进行快速的替换；203为稳压模块，用于将太阳能电池发电稳压以供给电子设备工作；204为蓄电池，用于储存一定电能，提供一定时间的系统无光工作能力；205为进风管路，206为出风管路，主要用于对密封容器内的气体进行置换，以补充二氧化碳或氧气，满足植物成长不同阶段的需求；207为气密电连接器组合，提供的电通路作用包括：1.在系统供电不足时通过外部进行供电，2.通过外部系统对植物培养单元202内部的参数进行监控，3.记录数据传输等，一般为一组气密电连接器的组合；208为进液管路，209为出液管路，210为换热器，通过向换热器内部通入液体，可以将系统维持在温度适宜的环境，同时液体相比空气具有更大的热容，可将多组模块化植物栽培系统进行串联，通过一组流体泵进行散热/保温，满足规模更大的培育需求。从图中可以看出，转动设置在密封容器顶部的上盖板101，主要用于固定系统中的太阳能电池片阵列102、补光LED阵列103，并具有一定的结构强度和隔热能力；102为太阳能电池片阵列，在月昼期间可进行发电，提供容器内电子设备运行所需的电能；103为LED阵列，在无光照时，可提供一定时间的补光，用于维持植物的生长。
图3显示了一具体实施方式中，211为上密封法兰，通过螺栓与密封容器200连接，将玻璃窗体固定于密封容器200上，并通过其内部的密封圈实现系统的气密性，212为玻璃窗体，可在月昼时将阳光导入植物培养单元内部，满足植物的光合作用需求。上盖板101通过合页结构的转轴与密封容器200外表面连接，在无光环境下，可通过上盖板101遮挡玻璃窗体212，以降低系统漏热；
图4显示了另一角度的用于月面极端环境的模块化植物栽培系统具体实施方式的结构示意图，其中104为上盖板101背面的多层隔热组件，可以使用销钉、粘接等形式固定，其通过多组低发射率镀铝膜进行绝热，可降低系统的漏热，213为转轴，可实现上盖板101的开合功能，214为隔热底座，通过绝热安装的螺钉固定于密封容器200底部。可降低月壤对于容器的直接导热，由聚酰亚胺、聚四氟乙烯等低热导率材料制造。
在典型的月面极端使用环境下，本发明使用流程如下：
1、根据植物类型，选择土培或水培形式，在植物培育容器内部布种、施肥；
2、植物发芽长叶后，具备光合作用条件，将容器密闭，设定基本参数；
3、在月昼开始时，将模块移动至月面，连接监测电缆、连接通风管路；
4、监测容器内基本参数，当二氧化碳过低时，对其内部进行通风置换，将长期驻留基地内部二氧化碳吹入容器；
5、在月夜时，将植物收回长期驻留基地内部，使用基地内部电源供电通过LED进行补光，维持植物生存；或关闭顶部盖板以降低漏热，并连接液体回路，通过基地内部恒温供热维持容器内温度，同时，通过基地供电，使用LED维持植物生存；
6、在下一个月昼来临时，继续切换至月昼运行模式；
7、植物可收获时，将所有模块化系统断开，运输至基地内部，进行下一个培育周期。
所述基地：指月面长期有人驻留基地，为月表航天器或建筑，可容航天员长期驻留进行试验，内部具有独立的环境控制系统，可维持温度、湿度、压力等参数处于一定范围内。
所述基本参数：指设定的土壤温度、空气温度和加热器控温参数(PID参数)，对于湿度、压力、二氧化碳浓度等参数需要测量。
本发明在月面极端环境下形成独立的小环境，具备月昼、月夜生存能力，内部的温度、压力满足植物的生长的需求，并具有模块化、可扩展能力，为未来月面长期驻留任务提供支撑。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，本领域的技术人员可以依据本发明的精神对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.用于月面极端环境下的植物培养单元，包括中央控制器，电接口，温度控制器，数据记录器，测量单元，空气温度-湿度-压力一体化测量单元，气体含量传感器，土壤温度传感器，土壤湿度传感器，植物培育容器，薄膜电加热器，显示屏，其中，中央控制器分别与显示屏，电接口，温度控制器，数据记录器，测量单元连接，温度控制器与薄膜电加热器连接，测量单元分别与空气温度-湿度-压力一体化测量单元，气体含量传感器，土壤温度传感器，土壤湿度传感器连接，所述薄膜电加热器位于植物培养容器侧面，土壤温度传感器和土壤湿度传感器位于植物培养容器内；电接口用于供电、数据监视或控制，其中，土壤温度传感器、湿度传感器分别对土壤的温度和湿度进行测量，气体含量传感器、空气温度-湿度-压力一体化测量单元分别对植物培养容器内的二氧化碳含量、空气温度、湿度、压力的参数进行测量，经过测量单元转换为数字量测量数据后传输给中央控制器，中央处理器将数字量测量数据通过数据记录器进行存储，并控制温度控制器对薄膜电加热器的输出功率，以对植物培养容器的温度进行控制，所有测量数据在显示屏上进行监控显示。
2.如权利要求1所述的用于月面极端环境下的植物培养单元，其中，温度控制器为固态继电器、场效应管形式。
3.如权利要求1所述的用于月面极端环境下的植物培养单元，其中，中央处理器能够使用MCU、FPGA或SoC形式的控制器。
4.如权利要求1-3任一项所述的植物培养单元构成的模块化植物栽培系统，包括太阳能电池片阵列、补光LED阵列、密封容器、蓄电池、换热器、电连接器、植物培养单元，上盖板，其中，密封容器内设置有若干植物培养单元，密封容器通过顶部的上密封法兰进行密封，提供植物生长适宜的压力环境，顶部安装有上盖板，上盖板内侧固定有太阳能电池片阵列，补光LED阵列，以分别在月昼期间发电提供系统所必须的电能和在月夜对系统进行补光；蓄电池、换热器置于密封容器内，蓄电池通过稳压模块连接若干个植物培养单元，换热器连接供液管路并对系统进行恒温控制，密封容器侧面连接通风管路进行通风，电连接器提供了系统的连接功能，能实现远端数据监控功能。
5.如权利要求4所述的栽培系统，其中，植物培养单元用于内部种植不同的植物，并具有土壤温度、湿度测量，空气温度、湿度、压力、二氧化碳浓度测量，控温加热的能力。
6.如权利要求4所述的栽培系统，其中，蓄电池用于储存电能，为系统提供一定时间的独立运行能力。
7.如权利要求4所述的栽培系统，其中，所述上盖板的外侧为多层隔热组件，上盖板打开时太阳能电池片阵列能受照发电，提供系统工作的电能，上盖板关闭时能降低漏热，并通过内侧补光LED阵列进行补光，供植物生长。
8.如权利要求4所述的栽培系统，其中，所述密封容器顶部设有上密封法兰，将玻璃窗体固定于密封容器上，并通过玻璃窗体内侧的密封圈实现密封容器的气密性。
9.如权利要求4所述的栽培系统，其中，所述换热器，为管翅式换热器，两端设有进液管路及接口和进液管路及接口，通过流入的恒温液体带走密封容器内的热或冷量，能将系统维持在适宜植物生长的温度，兼具保温、散热能力。
10.权利要求4所述的栽培系统，其中，密封容器的底部设置若干隔热底座，由低热导率材料制造。
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