唐斌，卞强,2，刘力涛,2，杨润泽，胡清华，王栋
（1.中国航天员科研训练中心，北京 100094；
2.中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室,北京 100094）
环境控制与生命保障分系统（Environmental Control and Life Support System，ECLSS，简称为环控生保分系统）为失重状态的密闭空间提供可维持人类生活和工作的宜居环境，是载人航天极具特色的重要分系统。环控生保技术分为三类：非再生的储存式生保、物化再生式生保、受控生态式生保[1]。目前中国空间站采用物化再生式生保与非再生式生保相结合的技术路线，其中物化再生技术属于空间站验证的关键技术之一，在长期在轨驻留的载人飞行任务中发挥着重要的作用。
物化再生主要分为两类，一类是气体类的再生，一类是水资源的再生。水资源是否能够正常的再生和流转，关乎航天员是否能够在轨按计划执行长期驻留任务。因此，建立一个有效、准确的水资源流转模型，可以在任务之前对任务期间的水资源流转情况进行预测，提前上行合理数量的物资（主要是空水箱和上行水）。在任务执行过程中，用实际数据对模型进行校准，实现任务的实时评估。
水资源流转可以通过基于原理的方式建模，但水资源流转涉及到的环节较多，特别是航天员的人体代谢部分，由于不同乘组的个体差异、在轨活动量差异、饮食量差异，建模较为困难。获取大量的地面试验数据、在轨数据之后，可以认为水资源流转的不同环节的流转节律都是符合特定分布的随机数据，基于蒙特卡罗的建模方法，提供了将复杂问题简化的最佳思路。蒙特卡罗模拟是通过对随机变量进行数理统计及假定分布概率从而求解获取预测值的方法。
图1 航天器水资源流转示意图
水资源的流转环节包括：人体代谢、废水收集、废水处理、再生水分配、再生水使用，涉及到大小便收集、冷凝水收集、水处理、尿处理、饮水供应、电解制氧、人体消耗和代谢等多个环节。
1.1 水箱模型
为了提高系统可靠性，降低模块之间的耦合，航天器与水资源相关的几个大环节之间并没有通过管路直接相连，而是通过水箱来进行水资源传递或储存。
水箱分为两类，一类是硬壳水箱，具有硬质外壳和软质内囊，同时具有气路和液路两组出入口；
一类是软式水箱，仅有液路的出入口。两类水箱的有效容积不同，使用场景也不同。
航天器首轮乘组上天之前，会在航天器提前预置一部分空硬壳水箱、空软式水箱、满的上行水，作为整站水资源的启动物资以及应急物资。随着驻留时间的增加，舱内水资源再生系统可以利用硬壳水箱和软水箱持续收集废水并产生再生水，维持乘组的正常生理和生活用水。
当本轮乘组撤离之前，将本次产生的再生水存储好，留给下轮乘组使用；
将寿命到期的水箱或装有准备废弃的水的水箱搬运至货运飞船，并随着货运飞船再入大气销毁。下轮乘组执行任务前，会有相应的货运飞船先行带着物资对航天器进行补给，物资中就包括水箱和水资源。
1.2 人体代谢和废水产生
人体除了直接饮用水以外，还会通过食物摄入水，或由食物转化为水。航天器航天员食用的食品中大概有46 %是水，直接加热食用的食品中的水含量更是高达88 %，国际空间站水资源回收率为93 %，如果考虑食品中的水，回收率可以上升到98 %[2]。
航天食品中的碳水化合物、脂肪和蛋白质提供了身体代谢所必须的能量。其中碳水化合物和脂肪在体内可以完全氧化成水和二氧化碳，但蛋白质在体内不能完全氧化，产生一些不能继续被分解利用的含氮化合物（如尿素、肌酐和尿酸等）。根据中国的饮食特点，中国航天员的食品中谷类（米、面、杂粮）占主食的大部分，谷类食品中碳水化合物占（70～80）%。因此，摄入的食品也会有相当一部分转化为水，通过尿液和体液蒸发的形式排出体外，再收集成为废水。
在地面，研究者对人体代谢所需要的水资源进行了评估[3]，每人的饮用水为1.86 kg/d，食物复水0.72 kg/d，食物含水0.5 kg/d，代谢产生水0.34 kg/d。代谢产生的尿液1.5 kg/d，呼吸及出汗1.83 kg/d。但实际上由于个体、活动量、环境差异，摄入水和代谢排出水的差异可达3.5 L[4]。
影响人体代谢的因素很多，但基本可以认为：人体排出的废水要远远大于摄入的水。人体代谢的模型异常复杂，因此在其他环节数据可以支撑起整个水资源模型的情况下，将整个人体代谢作为黑盒进行模拟，最后再将模拟结果与实际数据对比验证。
1.3 废水收集
废水收集包括两类，一类是尿液收集，一类是冷凝水收集。
人体代谢产生的尿液以及卫生水会进入大小便收集装置，并由其收集到尿液收集水箱中。尿液收集采用硬壳水箱，设计为主备份两个，防止尿液收集满且未处理完时影响上厕所。
人体代谢产生的汗液会蒸发到舱内形成湿气，舱内湿巾擦拭身体或设备后也会产生湿气。舱内的湿气通过冷凝的方式形成冷凝水，再收集到冷凝水收集水箱。冷凝水收集水箱同尿液收集水箱一样，采用硬壳水箱并设计有主备份。
1.4 废水处理
当前中国空间站的废水处理包括尿处理装置和水处理装置。尿处理装置将尿液蒸馏形成尿蒸馏水，水处理负责处理尿蒸馏水以及收集到的冷凝水，最终形成净化后可饮用级别的再生水[5]。
尿处理采用蒸气压缩蒸馏的技术方案，随着蒸馏尿液的增加，系统内部的尿液浓度会逐渐增加形成尿残液，排放的残液无法再次利用，会储存在软式水箱并准备废弃。尿液的回收率大于80 %[6]。
水处理采用中温催化氧化技术方案，可以将进入系统的污水（包括冷凝水和尿蒸馏水）处理成为再生水，再生水使用软式水箱进行存储，水回收率不低于95 %[6]。
1.5 再生水分配
水管理装置负责将软水箱中的干净水补充到硬壳水箱，包括：饮用水水箱、卫生水水箱以及电解补水水箱。其中饮用水水箱安装在水管理装置内部，另外预留有一个补水工位，当卫生水需要补水或电解制氧装置需要补水时，将各自的硬壳水箱搬运至补水工位，通过水输送泵补水。当给补水工位补水时，三通管道会同时给饮用硬壳水箱补水。
1.6 再生水使用
再生水使用分为三类：航天员饮用及食品复水、大小便冲洗使用、电解制氧使用。
航天员通过水管理装置内部的饮用水硬壳水箱取水，用于直接饮用或食品复水食用，也可以通过该方式将再生水用于生活中的其他用途。卫生水水箱在水管理处补充满水后，搬运至大小便收集装置，在航天员大小便结束时用于装置的管路清洗。电解制氧通过电解的方式，将再生水转化为氧气和氢气，其中氧气释放在舱内，用于维持航天员在轨正常生存。
建立模型的两个关键点：一是建立各个水资源相关流转环节的处理逻辑，包括环节与环节之间的水资源传递逻辑、环节内部的水资源消耗或补给逻辑；
二是生成与真实数据分布相同的随机数，用于描述各个环节消耗或产生水资源的量。
2.1 算法流程图
根据水资源流转的规律和特点，构造蒙特拉罗估算模型。模型算法流程如图2。
图2 算法流程图
其中电解耗水、卫生水耗水、收集小便、尿处理处理尿液、冷凝水收集、水处理处理污水、航天员饮水，均使用符合各自节律的随机数，以模拟在轨使用水量的不确定性。
水箱寿命到期的更换判断逻辑及操作包括：电解补水水箱更换、卫生水水箱更换、尿液收集水箱更换、尿处理硬壳残液箱更换、水管理入口软水箱寿命到期更换、水管理硬壳饮水水箱更换。
水箱流转过程中的更换包括：尿处理软式残液箱更换（两次排残液后需更换）、水处理出口软水箱更换（水处理两次污水处理后需更换）、水管理入口软水箱更换（软水箱空后需更换）。
为了物尽所用，也为了防止再生水存储时间过长而未使用，因此水箱更换的逻辑：
1）水箱寿命超标时，从上行水箱物资库、临时存储物资库中寻找空且使用次数最多的水箱，以达到水箱尽可能充分的利用的目的；
2）当需要使用干净水时，有限取用最早生成的再生水，最后再取用上行水；
3）若水处理同时需要处理尿蒸馏水和冷凝水时，优先处理尿蒸馏水。
2.2 初始条件
初始条件包括：
1）初始化上行水箱物资库，包括硬壳水箱、空软式水箱、满软式水箱（上行水）；
2）电解补水水箱、卫生水水箱、尿处理硬壳残液箱、尿处理尿蒸馏水箱、水管理饮用水水箱均为初始化时取用硬壳水箱进行组装，电解补水水箱和饮用水水箱为满，其余初始化时均为空。
2.3 耗水及产水速率随机模拟
每次迭代时的水资源消耗或产生的量是不确定的，需要模拟符合真实数据分布的随机数。
这里需要确定的随机数包括：小便量、冷凝水量、饮水量、卫生水量、电解耗水量、尿液处理量、污水处理量。另外还有几个水量，由于处理时间很短，本模型不再进行分成多次进行随机模拟，而是在当前迭代过程中直接完成，包括：尿处理排残液、水管理对硬壳水箱补水。
以尿液收集为例，收集每箱尿液的收集时间，通过KS估计不同方差下的正态分布拟合的P-Value，如图3所示。最优估计方差为0.614。
图3 乘组尿液收集速率及方差估计
同样方法对冷凝水收集速率、电解水消耗速率进行估计。数据如表1。
表1 尿液收集、冷凝水收集及电解水消耗方差估计
为防止卫生水水箱空而影响航天员上厕所，因此卫生水并不是等到水箱空了之后再去补水，而是采用每周定期补水。由于饮用水水箱补水、卫生水补水、电解补水共用补水管路，因此无法直接获取到饮用水水箱补水节律，平均饮水量按照地面试验的1.86 kg/人天来估算。
2.4 模拟结果
以0.1天为一个迭代量，迭代90天，用于模拟乘组的90天驻留任务。驻留任务共模拟1 000次，对1 000次的驻留任务的水资源使用和消耗情况进行统计，其中上限和下限分别对应于1 000次模拟中的最大值和最小值。
经过表2比对，该模型的模拟数据上下限能够覆盖乘组的实际数据，该方法有效。
表2 模拟数据与实际数据比对
本文采用了蒙特拉罗方法对航天器水资源进行建模和仿真估计，避开了人体代谢的复杂模型，通过实际数据对水资源其余环节的流转速率进行估算，仿真结果与实际数据相符，该方法可以实现航天器水资源流转的模拟，可以模拟不同乘组、不同代谢、不同驻留周期的水资源使用情况。通过该方法，可以对后续任务的上行物资规划提出建议、对航天器驻留能力提出评估意见。
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