ГЛ. 1. СВЯЗЬ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ С ФАКТОРАМИ СРЕДЫ КОРНЕОБИТАЕМОЙ ЗОНЫ 15.
1.1. Связь продуктивности растений с основными факторами среды в почвенном слое 15.
1.1.1. Транспирация и водные потенциалы в тканях растений и почве. Доступность почвенной влаги для растений в полевых условиях 15.
1.1.2. Роль аэрации корнеобитаемой среды растений. Основные модели аэрации 18.
1.1.3. Влияние факторов минерального питания в почве на продуктивность растений 21.
1.2. Особенности корневого снабжения растений в корневых модулях применительно к производственной космической оранжерее 24 1.2.1. Проблемы оптимизации водного потенциала и аэрации в корневых модулях для наземных условий и невесомости 25.
1.2.1.1. Методы определения границ допустимого диапазона водных потенциалов в корневых модулях • 25.
1.2.1.2. Методика и результаты экспериментального определения диапазона оптимальных водных потенциалов 28.
1.2.2. Обеспечение минерального питания растений в соленасыщенных пористых ионообменных субстратах 32.
1.2.3. Влияние физических свойств корнеобитаемой среды и конструктивных параметров корневого модуля на рост и развитие растений 36.
ГЛ. 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОРНЕВОГО СНАБЖЕНИЯ С РЕВЕРСИВНОЙ ВОДОПОДАЧЕЙ 48.
2.1. Разработка способа и устройства системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей в корневой модуль 48.
2.1.1. Преимущества и недостатки известных систем корневого снабжения для космических оранжерей 48.
2.1.2. Описание разработанной системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 50.
2.1.3. Разработка конструкции корневого модуля для системы корневого снабжения с / реверсивной водоподачей 52.
2.1.4. Разработка макета и циклограммы работы системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 54.
2.2. Разработка СКС с реверсивной водоподачей в КМ для конвейерной космической оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью 58.
2.2.1. Разработка блока корневых модулей для выращивания конвейерного посева зеленных растений в оранжерее с цилиндрической посадочной поверхностью 58.
2.2.2. Разработка гидравлической схемы и циклограммы работы блока водообеспечения для системы корневого снабжения конвейерной оранжереи 60 ГЛ. 3. РАСЧЁТ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КОРНЕВОГО СНАБЖЕНИЯ .ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНВЕЙЕРНОЙ ОРАНЖЕРЕИ 67.
3.1. Задачи оптимизации параметров системы корневого снабжения 67.
3.2. Разработка и идентификация общих математических моделей движения воды в корневых модулях с пористым почвозаменителем 69.
3.3. Расчет оптимальных размеров цилиндрических корневых модулей и блока корневых модулей для конвейерной оранжереи 77.
3.4. Расчёт параметров циклограммы работы системы реверсивной водоподачи для СКС 79.
3.4.1. Расчёт времени и объема закачки воды в КМ (фаза I) 79.
3.4.2. Расчёт длительности паузы между закачкой и откачкой воды в корневой модуль 86.
3.4.3. Расчёт длительности периода откачки воды из корневого модуля 87.
3.4.3.1. Оценка длительности переходного процесса откачки воды из КМ после длительной вегетации растений 91.
3.4.3.2. Методические проблемы экспериментального исследования влагопереноса в условиях невесомости и в наземном контроле 92.
3.5. Апробация разработанной системы корневого снабжения растений в вегетационных опытах с зеленными растениями 100 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108 Основные результаты 110 ВЫВОДЫ 111 Научно-практические рекомендации 112 ЛИТЕРАТУРА 114 Приложения: 1,2,3 123.
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.
БВО — блок водообеспечения;
БКМ — блок корневых модулей;
БТСЖО — биолого-техническая система жизнеобеспечения;
ВП — водный потенциал;
КМ — корневой модуль;
КОКОР — космическая овощная конвейерная оранжерея;
МКС — международная космическая станция;
НД — насос-дозаторНМ — насос мембранныйобразец;
ОГХ — основная гидрофизическая характеристика;
ОС — орбитальная станция;
ПВП — полный водный потенциал;
ППВФ — пенополивинилформаль;
ППС — потенциал продуктивности субстрата;
ППСв — весовой ППС;
ППСо — объемный ППС;
СЖО — система жизнеобеспечения;
СКС — система корневого снабжения;
НЭО — наземный экспериментальный.
ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, а — числовой коэффициентг — длительность паузы между дозамиv — расход воды в КМ на эвапотранспирацию и испарениер — угловая координатал — динамическая вязкостьв — краевой угол смачиванияр — плотность веществаа — поверхностное натяжение жидкостие — порозность, пористостьу — удельный весд — удельный объем пор аэрациигр — коэффициент сопротивления трения;
В — числовой коэффициентС — концентрация;
Сотн — относительная концентрация;
D — коэффициент диффузииd — диаметр;
Ds — коэффициент стесненной диффузии Dbkm — диаметр блока корневых модулей;
Dkm — диаметр корневого модуляDoth — коэффициент относительной диффузииF — сила;
Fkp — критическое значение распределения Фишерад — ускорение свободного паденияG — весh, Н — высота, высота столба водыНтах — максимальная высота посева в съёмном возрастеj или j — вектор плотности потокаj — плотность потокаJ (x, y, z) — функция распределения «стоковki, кг — числовые коэффициенты- * L — линейный размер;
М — молекулярный вест — масса;
Мо, Мт — влагосодержание корневого модуля, соответственно, в условиях невесомости и в наземных условиях с учетом силы тяжеститр — средняя сырая масса салатного растенияп — количество растений в посевеN — число корневых модулей в БКМр — суточная производительность <*¦* оранжереи;
Pi, Рп — полный потенциал водыл.
Р — давление, водный потенциалРа — пневматический потенциал водыРг — гравитационный потенциал водыРк — капиллярно-сорбционный или матричный потенциал водыРоем — осмотический потенциал водыРт — тензиометрический потенциал водыQ — расход, суммарный выход водыQt — выход воды ко времени t,, г — радиус-векторг, R — радиусI.
Rmax — максимальный радиус блока корневых модулей, s — удельная площадь поверхностиS- площадьt- время;
Tj, Тг, Тз — длительности фаз циклограммы;
1д — длительность хода поршня насоса-дозатора;
Тш—длительность шага растительного конвейерного посеваV— объем;
Vo, Vj, V2 и V3- водосодержание корневого модуля, соответственно, в начале фазы I, в конце фаз I, II и IIIУд — объем закачиваемой в корневой модуль воды;
Ууд — объем почвозаменителя на одно растениеw — скорость;
W — удельная влажность пористого тела объемная или весовая);
Wmax — максимальная влажность;
Ws — влажность барботирования пробоя);
Woth — относительная влажность в долях или % от порового пространстваВо — критерий БондаК — коэффициент влагопроводности ненасыщенной влагой пористой средыКм — гидравлическая проводимость пористой мембраныКф — коэффициент фильтрацииКхоз — коэффициент хозяйственного использования биомассы растенийрН — кислотность;
Со, Ci, С2, Сз — числовые коэффициентыТ- время.
Освоение человечеством околоземного космического пространства вызвало необходимость создания и регенерации искусственной среды обитания для экипажей в пилотируемых космических объектах. В настоящее время перспективным методом создания искусственной среды в гермокабинах пилотируемых космических кораблей считают сочетание биологических и физико-химических процессов регенерации веществ в так называемых биолого-технических системах жизнеобеспечения — БТСЖО /19, 20, 37, 57, 103/. При значительном увеличении длительности космических экспедиций БТСЖО будут являться безальтернативным с точки зрения обеспечения пищей методом обеспечения жизни экипажа. БТСЖО планируются к использованию не только в ходе космических полетов, но и на лунных и планетных станциях, где для их обеспечения могут быть использованы местные природные ресурсы /77/.
Теоретические основы и первые физические модели БТСЖО были разработаны в Институте авиационной и космической медицины в Москве под руководством Е. Я. Шепелева (1960;63 гг.), а также в Институте биофизики в Красноярске под руководством И. И. Гительзона и И. А. Терскова (1964 г.). Преимущества использования фотосинтезирующих организмов в составе БТСЖО объясняются их уникальной способностью к синтезу органических веществ с использованием солнечной энергии, что позволяет не только воспроизводить продукты питания для экипажа и других гетеротрофных организмов, но и осуществлять регенерацию воды и атмосферы в обитаемой кабине, а также возвращать в кругооборот часть химических элементов, содержащихся в растительных отходах и продуктах метаболизма гетеротрофов /50/. Наблюдения за экипажами в замкнутых гермообъектах показали, что операции членов экипажа по уходу и наблюдению за входящими в БТСЖО зелеными растениями, способны оказывать психофизиологическую поддержку людям, что способствует сохранению работоспособности экипажей в условиях длительной изоляции. Таким образом, в настоящее время общепринятым среди специалистов стало мнение о том, что неотъемлемой частью будущих БТСЖО должны стать высшие растения /13, 19, 20, 37, 50, 57, 103/. Разработаны прогнозы внедрения различных типов установок для культивирования растений в сценарии предстоящих лунных и марсианских экспедиций /76/.
Следует отметить, что большую роль в проектировании и создании первых вегетационных устройств для космических полетов, в русскоязычной литературе называемых обычно космическими оранжереями, сыграли российские и американские ученые. Их опыты с высшими растениями на советских орбитальных станциях (ОС) и комплексах «Салют» и «Мир», а также на американских кораблях типа «Shuttle» подтвердили возможность их выращивания в условиях космического полета. Опыты в оранжерее «Свет», проработавшей на борту ОС «Мир» с 1989 по 2001гг, экспериментально доказали возможность образования корнеплодов у редиса /1, 2/, а также прохождения полного цикла онтогенеза и получения в нормальные сроки жизнеспособных семян у сурепки, арабидопсиса и пшеницы /33, 34, 50/. Таким образом, получено практическое подтверждение возможности функционирования фотоавтотрофного звена БТСЖО на основе высших растений в условиях космического полета /50/.
Проведенные для случая лунной базы сравнительные оценки биологических и технических систем жизнеобеспечения (СЖО) по критерию эквивалентной или приведенной массы /97/ свидетельствуют о том, что на современном этапе в экспедициях длительностью менее 1,5 лет БТСЖО уступают СЖО с физико-химическими системами регенерации воздуха и воды, а также с запасами потребных для экипажа веществ /78/. Проведенная в работе /57/ оценка длительности времени окупаемости для БТСЖО с посевом пшеницы (т.е. периода, в течение которого суммарная полученная зерновая продукция становится равной эквивалентной массе космической оранжереи с расходными материалами) составила величину около 1 года. В дальнейшем можно ожидать снижения времени окупаемости БТСЖО за счёт минимизации энерго-весовых характеристик входящей в неё космической оранжереи, например, путём увеличения продуктивности используемых биологических видов, методами генной инженерии и традиционной селекции, оптимизации структуры посевов и условий культивирования растений, а также за счет улучшенного управления. Учитывая тот факт, что основные ресурсы на борту, такие как электроэнергия, герметезированный объем корабля, трудозатраты экипажа на обслуживание и т. д., строго лимитированы, а стоимость доставки 1 кг полезного груза даже на околоземную орбиту составляет в настоящее время до 10 000 долларов /109/ (на поверхность Луны — до 30 000 долларов /78/), можно сделать вывод, что одним из условий, необходимых для внедрения в практику космонавтики биологических регенеративных компонентов, является оптимизация их проектных характеристик. Широкое практическое применение получил уже упомянутый критерий минимума эквивалентной массы системы /79, 90, 97/, который, однако, неудобно применять на этапе разработки перспективных космических оранжерей из-за сложности получения в этом случае достоверных коэффициентов перевода в единицы эквивалентной массы потребляемых бортовых ресурсов /77/. Более подходящим при оптимизации на этапе разработки и проектирования БТСЖО, и, в частности, космической оранжереи, представляется критерий максимума отношения производительности устройства к произведению потребляемых бортовых ресурсов, предложенный в работах /9, 51, 59, 73/. Этот подход основан на вычислениях с применением реально измеряемых показателей, и поэтому позволяет более объективно оценивать и сопоставлять эффективность различных систем.
Одним из ключевых вопросов при разработке технологий и устройств для выращивания растений в космосе оказалась организация корневого снабжения растений, под которым понимается, согласно работам /1,2/, обеспечение в корнеобитаемой зоне вегетирующих растений следующих условий:
1. наличия доступной воды при допустимых для растений значениях водного потенциала;
2. наличия необходимых нутриентов при допустимом соотношении их концентраций;
3. поддержания кислотности среды в допустимом диапазоне;
4. наличия кислорода при допустимых концентрациях;
5. удаления продуктов метаболизма корней, в частности, углекислого газа, этилена и других корневых выделений. ,.
Комплекс аппаратуры и материалов, обеспечивающих вышеперечисленные задачи в космической оранжерее, будем называть, следуя работам /1, 2/, «системой корневого снабжения» (СКС).
Начиная с первых экспериментов с растениями в условиях микрогравитации, организация корневого снабжения вызывала наибольшие трудности и являлась одной из частых причин неудач при попытках культивирования посевов в космических оранжереях различных конструкций /107, 58/. Это обусловливает актуальность разработок методов и устройств для СКС в космических оранжереях.
В 1994 г. на ведущем предприятии Ракетно-космическая корпорация «Энергия» было принято техническое решение о перспективной разработке космической овощной конвейерной оранжереи (КОКОР) «ВИТАЦИКЛ» для снабжения экипажа МКС свежей витаминной зеленью с заданной проектной производительностью 150 г свежей биомассы в сутки, что в несколько раз выше, чем у любой из существующих исследовательских космических оранжерей, как это видно из таблицы В1 с приведенными сравнительными характеристиками космических оранжерей.
В работах /1, 2, 13, 84, 19, 20/ было показано, что производство скоропортящейся салатной зелени целесообразно организовывать с помощью так называемого конвейерного посева, т. е. путем периодической посадки и уборки растений на части посевной площади с заданным сдвигом по времени. С учётом этого была поставлена задача создания производственной конвейерной космической оранжерее, как элемента конкретной СЖО экипажей космического корабля.
Таблица В1.
Характеристики современных космических оранжерей (по данным работ /3,32/).
Название, производитель Освещаемая площадь посева, м? Объём вегетационной камеры, м3 Потребляемая энергия, Вт Оценка производительности для листовой капусты, г/день.
PGBA, BioServ Technologies Corp., Эймский исследовательский центр НАСА, США 6×0.0075 0.019 230 8−10.
Astroculture™". WCSAR, Университет штата Висконсин, США 2×0.0260 0.005 135 3−4.
BPS, Orbital Technologies corp., США 0,062 0,025 260 11−12.
PGF, Dynamac/Bionetics Corp., Космический центр Кеннеди НАСА, США 6×0.0072 0.012 115 6−8.
СВЕТ, Институт медико-биологических проблем, Россия, Институт космических исследований, Болгария 0,1 0,07 200 10−11.
ЛАДА, Utah State University, США, Институт медико-биологических проблем, Россий 0,03 0,02 60 4−6.
КОКОР «Витацикл» *, Институт медико-биологических проблем, Россия 1,1 0,35 1000 150 — проектные параметры.
Конструкции известных экспериментальных космических оранжерей не предусматривают конвейерного посева с возможностью обеспечения урожаем салатной зелени каждые несколько суток, а их производительность, как видно из данных таблицы В1, не удовлетворяет заданным жестким ограничениям для производственной оранжереи МКС. Вследствие этого возникла необходимость проведения комплекса дополнительных исследований по разработке конструкции производственной салатной космической оранжереи с конвейерным посевом. В ходе проведения этой работы была разработана единственная на сегодняшний день конструкция производственной конвейерной оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью под названием «ВИТАЦИКЛ», способная работать как в условиях космического полета в качестве космической оранжереи в составе СЖО МКС, так и в наземных условия /62, 63/. В разработанной для нее СКС были использованы принципиально новые способ и устройство с реверсивной периодической водоподачей в корневую зону растений. Результаты разработки этой СКС составляют основу данной диссертации и вошли в гл. 1 и 2. В частности, в гл. 1 дано описание проведенной работы по оптимизации водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений и выбору почвозаменителя для заполнения корневых модулей (КМ) с малым удельным объемом на единицу биомассы выращиваемых растений, учитывающих специфику использования в космических оранжереях. ПодеемичЕсквш-пвлетп.- л тп"же (пористым капиллярным субстратом или просто субстратом в данной работе подразумевается такая корнеобитаемая среда, у которой твердая фаза обладает заметными ионообменными свойствами /1, 2/. Подобные среды нашли применение практически во всех известных в настоящее время конструкциях космических оранжерей. Под КМ в работе подразумеваются небольшие вегетационными сосуды или контейнеры, заполненные, как правило, капиллярно-пористой корнеобитаемой средой с твёрдой матрицей.
В 1997 г. в ГНЦ РФ ИМБП РАН было разработано «Техническое задание на космический эксперимент „ВИТАЦИКЛ-Т“. Одной из задач этого эксперимента является экспериментальная проверка в натурных условиях режимов работы созданной СКС. Эксперимент с аппаратурой ВИТАЦИКЛ-Т» был принят секцией № 3 КНТС РАН и Росавиакосмос и включён в 1999 г в «Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС». В настоящее время изыскиваются средства для реализации этой программы.
В 2001 г. представителями отдела СЖО РКК «Энергия» был проведен анализ наличных на сегодняшний день и планируемых на ближайшее будущее ресурсов на борту PC МКС. Анализ позволил уточнить приемлемые на сегодняшний день характеристики для производственной космической оранжереи и показал, что запланированное ранее энергообеспечение на оранжерею «ВИТАЦИКЛ» не может быть выделено в полном объеме в ближайшем будущем. В связи с этим в 2002 г. в рамках финансируемого МНТЦ Проекта № 2137 была поставлена задача создания прототипа производственной салатной космической оранжереи «Фитоконвейер» с приемлемыми на сегодня более жесткими характеристиками, которые приведены в таблице В2.
Для создания космической оранжереи «Фитоконвейер» была проведена работа по оптимизации технологических параметров СКС, таких, как длительности рабочих режимов и характерные размеры КМ. Результаты вошли в гл. 3 диссертационной работы.
Таблица В2.
Проектные характеристики экспериментального образца космической оранжереи «Фитоконвейер» для Российского сегмента МКС.
Характеристики Значения.
Габаритные размеры, лш 540×590×400.
Потребляемая электрическая мощность, кВт 0,25.
Объём комплекса, м3 0,1.
Суммарная освещаемая площадь посева, м2 0,4.
Количество шагов растительного конвейера 10.
Плотность потока фотосинтетически активных фотонов под светильником, мкмоль: м2-с 350.
Номинальная производительность салатной зелени, г/сут 40.
Длительность шага конвейера, сут 5.
Таким образом, целью данной работы являлась разработка метода и аппаратуры корневого снабжения растений для производственных салатных оранжерей системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.
Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.
1. Разработана и апробирована система корневого снабжения зеленных растений с реверсивной периодической водоподачей, способная работать как в условиях невесомости, так и в наземных условиях.
2. Разработана методика расчёта параметров рабочего режима СКС для работы с блоком корневых модулей конвейерной производственной космической оранжереи.
3. Разработана компьютерная программа для расчёта статического распределения водного потенциала в цилиндрических корневых модулях космической оранжереи с капиллярно-пористым почвозаменителем, а также для расчёта переходного процесса влагосодержания в режиме откачки воды из корневого модуля, применительно к условиям невесомости и к наземным условиям.
4. Разработана методика расчёта оптимальных конструктивных параметров корневого модуля космической оранжереи, как для наземных условий, так и для условий невесомости.
5. Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации к системе корневого снабжения производственной салатной космической оранжереи.
В данной работе изложены результаты исследований, проведенных в Государственном научном центре РФ — Институте медико-биологических проблем РАН (до 2001 г. именовавшегося ГНЦ РФ — ИМБП) за период с 1994 по 2003 гг под руководством д.т.н. Ю. А. Берковича. Часть работ была проведена при финансовой поддержке за счёт грантов: с 1995 по 1997 гг. в рамках контракта Мир-НАСА NAS — 15−10 110, ас 2002 г. в рамках проекта № 2137 в Международном научно-техническом центре. Автор выражает благодарность организациям, предоставившим гранты. Методы исследования.
В процессе работы были использованы как расчетные методы, например, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, так и экспериментальные исследования. С помощью численных методов были получены частные решения дифференциального уравнения влагопереноса в ненасыщенной пористой среде с учетом влияния силы тяжести. Получены зависимости, описывающие распределение ВП и водосодержания по объему цилиндрического КМ, а также длительность переходного процесса откачки воды под постоянным разрежением в зависимости от характерных размеров КМ. Полученные модели позволили оптимизировать выбор характерных размеров КМ и параметров рабочих режимов СКС. Статистическая обработка экспериментальных результатов и графические построения проводились с использованием персонального компьютера в программах Excel, QuattroPro, MatchCad, MathLab. Метод вегетационных опытов позволил провести идентификацию моделей по результатам экспериментов и экспериментально обосновать единые требования к конструкции КМ и к режимам полива и аэрации корневой системы как для наземных условий, так и невесомости. Научная новизна работы.
• Способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мебрану для производственной космической оранжереи;
• Методика наземного исследования и экспериментальные данные об оптимальном диапазоне водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений в космической оранжерее;
• Экспериментальная оценка гидрофизических характеристик волокнистого ионообменного почвозаменителя БИОНА-ВЗ и их изменений в процессе длительного использования для выращивания растений;
• Методика расчёта конструктивных параметров цилиндрического КМ производственной оранжереи;
• Методика расчёта параметров рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в КМ конвейерной космической оранжереи.
Практическая значимость работы заключается в следующем: разработаны и практически реализованы новый метод и аппаратура для системы корневого снабжения с периодической раверсивной водоподачейразработана система корневого снабжения для наземного образца конвейерной салатной космической оранжереи «Фитоконвейер» — разработаны и внедрены в практику методики расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля производственной оранжереи и рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной производственной космической оранжерее.
На защиту выносятся следующие основные положения: способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мембрану для салатной космической оранжереисистема корневого снабжения для растений в конвейерной салатной космической оранжерееметодика расчета рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной салатной космической оранжереиметодика расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля салатной космической оранжереи.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и научных форумах:
31, 32, 34 COSPAR scientific assembly (Birmingam, England, 1996; Nagoya, Japan, 1998,.
Houston, USA, 2002);
10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington,.
1994);
III Международное рабочее совещание по биомедицинским исследованиям в космосе.
Варна-95″ (Варна, Болгария, 1995).
2-я Российско-Американкая конференция по программе «Мир-НАСА» (г.Королёв, 1996);
3-й Российско-Американский симпозиум по программе «Мир-НАСА» (Хантсвилл, США,.
1997);
6-th European symposium on space environmental control systems (Noordwijk, The Netherlands, 1997);
13-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, USA, 1997);
2-й, 3-й, 4-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997,2000, 2003);
XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва,.
1998);
3-d International conference «Life support and Biosphere science» (Orlando, USA, 1998);
8, 10, 12-я Всероссийская школа «Экология и почвы» (Пущино, 1998,2001, 2003);
Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в окружающих условиях» (Москва, 2000,2003);
30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000);
51-st International Astronautical Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000).
Материалы диссертационной работы опубликованы в 18 статьях и доложены в 21 докладе на научно-технических конференциях. Новизна результатов защищена Российским патентом и двумя авторскими свидетельствами СССР.
Диссертация изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц, и 30 рисунков, и состоит из введения 3-х глав, заключения и списка цитированной литературы.
Выводы.
1. Для салатных оранжерей с конвейерным посевом в биолого-технических системах жизнеобеспечения экипажей космических аппаратов перспективной является цилиндрическая компоновка блока корневых модулей и система корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули.
2. В системе корневого снабжения конвейерной салатной оранжереи целесообразно использовать волокнистые почвозаменители на основе соленасыщенных ионообменных смол.
3. Разработанная экспериментально-расчётная методика пригодна для определения конструктивных параметров и рабочих режимов системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули салатной космической оранжереи.
4. Разработанные математические модели и компьютерные программы для расчёта влагопереноса в капиллярно-пористых средах могут применяться для оценки распределения водных потенциалов и водосодержания в цилиндрических корневых модулях с почвозаменителями как в стационарных, так и переходных процессах.
Научно-практические рекомендации.
1. Для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать конвейерный метод выращивания растений на ионообменном капиллярно-пористом поч возаменителе.
2. В блоке увлажнения и аэрации корневой среды растений для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать систему с периодической реверсивной подачей воды через запорную мембрану.
3. В качестве корневого модуля для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать конструкцию в виде рулона волокнистого почвозаменителя обернутого вокруг мелкопористой трубки и покрытого сверху пластиковым светонепроницаемым чехлом с прорезями для растений.
4. В качестве почвозаменителя целесообразно использовать волокнистые нетканые материалы на основе катионообменных и анионообменных смол, предварительно насыщенные необходимыми для вегетации растений нутриентами в соответствие с разработанными биозонами для основных ионов солей.
5. В корневом модуле витаминной космической оранжереи рекомендуется поддерживать водный потенциал в пределах от -0,5 кПа до -2,5 кПа.
6. При работе оранжереи с системой с реверсивной водоподачей объем закачиваемой в корневой модуль воды, а также длительность фазы откачки рекомендуется выбирать, ориентируясь на гидрофизические свойства почвозаменителя, использовавшегося в заданном количестве вегетаций.
7. Для уменьшения длительности фазы откачки воды в системе с реверсивной водоподачей рекомендуется минимизировать, насколько позволяет компоновка конвейерной оранжереи, толщину слоя почвозаменителя в корневом модуле, что при фиксированном объеме почвозаменителя возможно за счет увеличения наружного диаметра запорной пористой трубки в корневом модуле.
Для уточнения параметров разработанной СКС в условиях космических полётов целесообразно предварительно провести запланированный космический эксперимент по выращиванию зеленных растений согласно «Техническому заданию на космический эксперимент «Витацикл-Т», разработанному в рамках «Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС» .
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Быстрый прогресс пилотируемой космонавтики заставил интенсифицировать работы в области совершенствования систем жизнеобеспечения экипажей космических аппаратов, в том числе за счёт введения в системы жизнеобеспечения биологических звеньев, и в частности, салатной оранжереи для орбитальных станций и межпланетных кораблей. Задача данной работы. состояла в разработке метода и аппаратуры для организации корневого питания растений в подобных оранжереях, предназначенных, в первую очередь, для регулярного снабжения экипажей свежей витаминной зеленью в течение долговременных экспедиций. Специфика среды обитания растений в условиях космического полёта, и в частности, условия невесомости, заставляют разрабатывать специальные методы подачи воды, кислорода и нутриентов к корням растений, отличные от традиционных в наземных условиях, а также совершенствовать методы автоматического контроля параметров корнеобитаемой среды в корневых модулях космических оранжерей. Конструкции прошедших полетные испытания космических оранжерей и, в частности, систем их корневого снабжения были разработаны для исследовательских целей. Исследовательские оранжереи отличаются тем, что: их удельная производительность на единицу затрачиваемых ресурсов не оптимизирована и не вполне удовлетворяет жестким требованиям со стороны бортовых систем жизнеобеспеченияв них не предусмотрена возможность регулярного получения зелени для снабжения экипажа на протяжении длительного периода времени, которая наилучшим образом обеспечивается при выращивании конвейерного посева.
В связи с этим все исследовательские оранжереи не могут быть рекомендованы без специальной доработки для решения производственных задач в качестве оранжерей в составе БТСЖО.
В данной работе была предложена новая концепция для реализации корневого питания конвейерного посева в условиях невесомости, основанная на применении волокнистых соленасыщенных ионообменных почвозаменителей и на периодической реверсивной подаче воды в корнеобитаемую зону через запорные пористые мембраны. Особенностью работы таких систем является периодическая принудительная настройка влагосодержания в волокнистом субстрате до стабилизированного значения, что позволяет удерживать водный потенциал в корнеобитаемой зоне в строго ограниченном и оптимальном для растений диапазоне в процессе всей вегетации. Кроме того, такая система позволяет проводить мониторинг состояния растений, периодически регистрируя скорость поглощения воды посевом. Для удобства культивирования растений в условиях невесомости разработана конструкция цилиндрических посадочных модулей с использованием пористых трубок в качестве запорных мембран. На основе полученных данных о потенциале продуктивности и гидрофизических характеристиках волокнистого почвозаменителя разработана методика расчёта основных конструктивных параметров таких корневых модулей.
В процессе создания новой СКС потребовался углублённый анализ процессов влагопереноса в капиллярно-пористых средах, как при наличии силы тяжести, так и в условиях невесомости. Были обоснованы условия корректного проведения исследований и оценок полученных в них результатов как в отношении стационарного распределения воды по объёму разработанного корневого модуля или исследовательской ячейки, так и не стационарного, происходящего в переходных процессах. В частности, расчетным путем обнаружено, что в переходный процесс уменьшения водосодержания разработанного корневого модуля, происходящего после падения разрежения в пористой трубке в диапазоне водных потенциалов от -0,5 до -3,0 кПа, практически не зависят от гравитации. Компьютерная модель, разработанная на основе системы уравнений Дарси и неразрывности потока воды,. позволила проанализировать распределение водных потенциалов в КМ при различных значениях разрежения в пористой трубке и разной эвапотранспирации посева зеленных растений в цилиндрической салатной оранжерее при наличии силы тяжести и в невесомости. Длительность переходных процессов перетока воды из почвозаменителя в пористую трубку, рассчитанная по модели, отличалась от экспериментальных данных всего на несколько процентов. Компьютерное моделирование позволило нам обосновать методику расчёта основных конструктивных параметров корневых модулей и параметров рабочего режима СКС с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной оранжереи.
Для обоснования методики расчёта рабочего режима СКС потребовалось провести значительный объём экспериментальной работы. В вегетационных опытах было обнаружено, что диапазон оптимальных для растений водных потенциалов в корнеобитаемой зоне в корневых модулях несколько выше и в несколько раз уже, чем рекомендуемый для полевых условий в традиционной почвоведческой литературе. Можно предположить, что этот результат связан как с более крупнопористой, чем в почвах, структурой применяемых нами почвозаменителей, так и с изменением структуры корневой системы и, соответственно, плотности стоков в вегетационных сосудах с резко ограниченным удельным объёмом корнеобитаемой зоны на одно растение. Для более полного объяснения обнаруженного явления нужны дополнительные исследования.
Целый ряд экспериментов с различными салатными растениями, проведенных нами в вегетационных устройствах с периодической реверсивной водоподачей к корням, позволил установить, что периодическое понижение и повышение водного потенциала в КМ в пределах от значений (-0,5 + -1,0) кПа до значений от (-1.8 -г- -3,0) кПа через каждые 6−8 часов в течение всей товарной вегетации не снижало урожая по сравнению с опытами, где водный потенциал в корневой зоне был стабилизирован на постоянном уровне.
Полученные результаты позволили произвести расчёты блока корневых модулей и системы корневого снабжения для двух наземных экспериментальных образцов цилиндрической конвейерной салатной оранжереи: «Витацикл» и «Фитоконвейер». Установки отличались, габаритами, производительностью и количеством шагов растительного конвейера, а также конструкцией блока освещения и источниками света, используемыми для освещения посевов, однако СКС в установках были однотипными. Лабораторные испытания показали, что эффективность работы таких установок по критерию максимума производительности на затраченные ресурсы (потребляемая энергия, занимаемый объём, время до получения урожая) существенно выше, чем у других известных космических оранжерей. Конечно, в будущем необходимо будет уточнять эксплуатационные характеристики таких оранжерей в процессе длительной эксплуатации, однако, имеющиеся на настоящий момент данные свидетельствуют о существенных преимуществах конвейерных салатных оранжерей с разработанной нами системой корневого питания растений.
