автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Исследование и разработка метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах для условий микрогравитации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи УДК 629.7.048

РГБ ОД

-и г 1 7 ДПР

Подольским Игорь Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОДНО-ВОЗДУШПОГО РЕЖИМА КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ ТЕЛ (КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕД) В ОРАНЖЕРЕЙНЫХ УСТРОЙСТВАХ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ.

Специальность: 05.26.02 "Безопасность, защита, спасение и жизнеобеспечение населения в чрезвычайных ситуациях"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -2000

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Институте медико-биологических проблем.

Научный руководитель: Синяк Ю.Е., доктор технических наук Научный консультант: Левинских М. А., кандидат биологических наук

Официальные оппоненты: Адамович Б. А., доктор технических наук, профессор Цоглин Л.Н., доктор биологических наук

Ведущая организация: Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения «НИИХИММАШ», г. Москва.

Защита состоится 2000 года в _часов на заседании

Диссертационного совета Д-074.31.02 при Государственном научном центре - Институте медико-биологических проблем по адресу: 123007, г.Москва, Хорошевское шоссе, 76а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан

2000 года

Ученый секретарь совета, доктор биологических наук"

Назаров Н.М.

/7/^- О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. За последние 25 лет в России и за рубежом было выполнено большое число экспериментов с высшими растениями на борту космических летательных аппаратов. С использованием различных оранжерейных устройств проводились исследования фундаментальных вопросов космической биолог ии и решались биотехнические задачи по отработке режимов и технических средств для культивирования растений в условиях микрогравитации.

Существуют различные методы выращивания растений, которые отличаются между собой видом корнеобитаемых сред (КС), способом подачи жидкости (воды или питательного раствора) в корнеобитаемую среду КС, а также конструктивными решениями отдельных элементов культивационных устройств. С точки зрения газожидкостного обеспечения КС, различными разработчиками для условий микрогравитации предлагаются две системы подачи жидкости к корням растений. Первая - путем принудительной дозированной подачн жидкости и воздуха в КС через распределительные перфорированные трубки по сигналу с датчика влагосодсржания КС. Вторая - путем подачи жидкости в КС с последующим формированием заданного влагосодержания или стока жидкости за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента, выполненного в виде пластины или грубки. В случае отсутствия КС предлагаются различные конструкции для распыления в вегетационном сосуде питательного раствора, который в последующем удаляется за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента (аэропоника). Первая и вторая системы подачи жидкости к корням растений приметались в космических экспериментах. Отличительной особенностью первой системы является ее длительная и надежная их эксплуатация в условиях микрогравитации. Общее время применения данной :истемы в космических экспериментах в настоящее время составляет 520 суток Использование данной системы в космических экспериментах позволило исследовать толный цикл онтогенеза растений, получить в условиях микрогравитации семена (пшеница, тестовая горчица) и вырастить второе поколение растений в условиях микрогравигации. Система с принудительной подачей жидкости в КС в условиях микрогравитации показала ;ебя эффективной и надежной системой, способной обеспечить потребности растений Эдним из недостатков системы первого типа при отсутствии гравитационного механизма тередвижения жидкости является возможность возникновения неограниченного объема сапиллярно-подвешешюй влаги в КС и образование изолированных объемов защемленного ¡оздуха, которые могуг быть равны порозности аэрации, но они не способны обмениваться азами с атмосферой. Системы второго типа не имели столь длительной эксплуатации в условиях микрогравитации. В этих системах устойчивые режимы переноса жидкости могут

обеспечиваться лишь в ограниченном слое КС. Кроме того, неизбежное изменение характерного порового пространства КС при развитии корневой системы, засоление, активное развитие микроорганизмов и засорение капиллярно-пористого управляющего элемента ставит под сомнение перспективность длительной непрерывной эксплуатации таких систем.

Все оранжерейные устройства, которые использовались при проведении космических экспериментов, имели ограниченные возможности как в способности обеспечить оптимальные условия при выращивании растений в условиях микрогравитации, так и в возможности получения информации в процессе проведения космического эксперимента. Серьезный недостаток экспериментов с растениями в космических полетах заключается не только в отсутствии полной информации об изменениях параметров окружающей среды, но и в непонимании того, какие изменения необходимо регистрировать и что фактически регистрируется в условиях микрогравитации. В экофизиологии растений существуют понятия о микроклимате - условиях в данном ареале обитания, о биоклимате - условиях среды в зоне, непосредственно окружающей растения, и об ¡ШегГасс-климате - условиях около конкретного органа (листа, корня и др.). В космических исследованиях в лучшем случае регистрировались только изменения микроклимата, то есть параметры среды внутри космического аппарата. Вследствие путаницы в понятиях о климатах часто условия, являющиеся в высшей степени нестабильными, описывались как стабильные. Тем самым неточности, относящиеся к сфере экологии, вызывали неправильную интерпретацию физиологических явлений. В такой ситуации изменения в биологических структурах и их функциях, которые будучи следствием реальных, но не зарегистрированных, флуктуации среды, относились за счет влияния микрогравитации. Вот почему остаются актуальными исследования по разработке метода и оборудования для контроля и реагирования влажности КС с целью понимания ЫегГасе-климата в условиях микрогравитации.

КС - такая капиллярно-пористая система, которая существенно отличается от модельных дисперсных сред, рассматриваемых классической теорией фильтрации. В ненасыщенной КС или в так называемой зоне аэрации происходит наиболее разносторонняя трансформация одних категорий форм и состояний влаги в другие. Поведение влаги в этой зоне наиболее сложно и практически не исследоваио для условий микрогравитации. Кроме физических факторов, относительно легко учитываемых и контролируемых, значительное влияние на поведение влага в этой зоне оказывают факторы биологические, учитывать и контролировать которые намного труднее. Кроме того, ненасыщенной зоне свойственна значительная по амплитуде, а часто и по быстроте, изменчивость параметров, определяющих поведение влаги (влажность, температура, влагопроницаемость, объем свободных открытых

пор, интенсивность испарения, характерный размер пор), вследствие чего ненасыщенную зону КС нельзя трактовать просто как "пористую среду". Если математическая трактовка поведения влаги даже в обычных устойчивых пористых средах в условиях микрогравитации сложна и несовершенна, то для реальных КС, используемых в настоящее время, такая трактовка во много раз сложнее.

Следует также отметить, что классификация статического состояния воды для условий микрогравитации должна быть пересмотрена. Здесь исчезают такие понятия, как гравитационная влага, предельная мощность слоя с насыщенной капиллярно-подвешенной влагой, грунтовый слой, капиллярная кайма и др. В сущности, неограниченное количество воды может находиться в капиллярно-подвешенном состоянии. Её дальнейшая судьба определяется процессами испарения и капиллярными силами, приводящими её в движение.

Исследования по теме выполнялись автором в рамках плановых НИР и ОКР, предусмотренных постановлениями Правительства в соответствии с Концепцией Российской космической программы.

Цель исследований. Цель представленной работы состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований водно-воздушного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации и разработке метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах.

Задачи работы:

1. Обосновать математическую модель влагопереноса в корнеобитаемой среде, разработать устройство для исследования массообменных характеристик капиллярно-пористых систем для условий микрогравитации.

2. Разработать и испытать теплоимпульсный метод измерения влажности корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.

3. Обосновать структуру корнеобитаемой среды, обеспечивающую благоприятные водно-воздушные режимы в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации.

Задачи данной работы условно разделены на три группы. Первая группа - задачи, связанные с исследованием объекта регулирования - КС, в том числе в условиях микрогравитации. Вторая группа - задачи, решение которых необходимо при разработке метода измерения и регулирования влажности КС для условий микрогравитации. Третья группа - задачи, связанные с разработкой требований к поровому пространству КС и системе

водообеспечсния КС. Решите этих задач позволит обеспечить благоприятные водно-воздушные условия вблизи корней растений в условиях микрогравитации.

Концептуальная часть нацелена на построение модели оптимального водно-воздушного обеспечения КС для условий микрогравигации.

Методологическая часть включает разработку теоретических моделей, экспериментального оборудования, эксплуатирующегося в условиях микрогравитации и проведение исследований в условиях микрогравитации.

Методы исследований.

При решении поставленных в работе задач использовались: термодинамический метод оценки межфазных взаимодействий в КС; теплофизические методы определения влагосодержания КС; разработанные нами специальные методы с использованием экспериментального оборудования для исследования физических свойств дисперсных систем на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" и комплекса оборудования на базе космической оранжерейной установки, эксплуатировавшегося на орбитальной станции "МИР" по программе фундаментальных биологических исследований, методы теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы.

Научная новизна определяется тем, что впервые выполнен расчетно-теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

Предложен, обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации. Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравигации. Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА, впервые в пилотируемой космонавтике позволили анализировать направление

миграции влаги в КС, обеспечить влагорегулирование и определить скорость миграции влаги в условиях космического полета.

Теоретическое и практическое значение работы.

Теоретическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные знания и представления о массообменных свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравэтации.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения для условий микрогравитации, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС в условиях микрогравитации (патент № 4951842, 1991).

Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО. Метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может эффективно использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел.

Реализация и внедрение результатов исследования.

На основе разработанных теоретических основ и практических методов созданы:

1. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. С использованием этого оборудования автором в 1986-1993гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов но исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;

2. Комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА в 1995-1998гг на орбитальной станции «МИР".

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации, выявившие существенные особенности

миграции влаги (возможность создания локализованных слабо рассасывающих« зон влаги).

2. Метод и устройство для исследований массообменных характеристик (динамикг капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги upt ненасыщенной гидравлической проводимости) капиллярно-пористых тел дш условий микрогравитации.

3. Теплоимпульсный метод и устройство для регулирования влагосодержанш корнеобитасмых сред в условиях микрогравитации.

4. Данные исследований особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемьи сред при культивировании растений в условиях микрогравитации выявившие существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронтг капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабс рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха е корнеобитаемой среде).

5. Характеристики норового пространства корнеобитаемых сред для условии микрогравитации (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналм аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8 - 2,6 мм).

Апробация работы.

Основные результаты и положения диссертации обсуждались на:

- 2 -ом Микросимпозиуме "Свет-90", 1990, София;

- Международном симпозиуме по гидромеханике и тепломассообмену в условиях микрогравитации, 1991, Пермь;

- 29, 32й научной ассамблее COSPAR, 1992, 1996, США;

- 48-ом Международном астронавтичсском конгрессе, 1997, Италия;

- 24 - 26-ой Международной конференции по системам жизнеобеспечения, 1995, 1996,

1997, США;

-2-ом Аэрокосмическом конгрессе, 1997, Москва;

- X-XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, 1994,

1998, Москва. -

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе в официальных описаниях к 1 авторскому свидетельству на изобретение и натенту.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, триложения. Объем основного текста диссертации составляет 145 страниц машинописного гекста, включая 53 рисунка и 13 таблиц, список литературы из 107 наименований, в том шсле 46 иностранных, объем приложения - 6 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности решения проблемы, цель работы, формулированы задачи работы, показана научная новизна, и практическая значимость >езультатов исследований, вынесены основные положения диссертации.

В первой главе на основе аналитического обзора литературных источников, описаны теоретические основы проблемы, приведены основные понятия и термины, характерные для юристых структур. Рассмотрены основные почвенно-гидрологические параметры, :арактеризующие состояние и количество влаги в почве. Изложены основные сведения о акономерносгях передвижения влаги в корнеобитаемых средах. Рассмотрены различные ;иды классификаций почвенной воды. Описаны условия микрогравитации, существующие [а борту орбитальной станции. Определены основные безразмерные критерии (Яе, Во, Шс, 'г), определяющие гидродинамические режимы течения в КС для условий микрогравигацин.

Во второй главе обоснована необходимость теоретических и экспериментальных гсследований особенностей миграции влаги в КС для условий микрогравитации, азработана теоретическая модель динамики капиллярной пропитки воды в КС. Изучены кенлутационные характеристики устройства для исследования массообменных свойств апиллярно-пористых тел. Описаны результаты экспериментальных исследований собенностей миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации. В риложении приведено описание и методика работы с устройством для исследования :ассообменных характеристик капиллярно-пористых тел в условиях микрогравитации подольский И.Г., А.С.№ 1659790 от 12.06.89г), внешний вид которого представлен на рис. 1.

Для теоретического расчета динамики капиллярной пропитки и в экспериментальных сследованиях в условиях микрогравитации рассмотрен режим капиллярной пропитки -всасывание с импульсным источником влаги. Этот режим наиболее часто используется в «темах водообеспечения различных оранжерейных устройств и, по мнению автора, зляется в настоящее время наиболее перспективным. В момент времени х = 0, в плоскости = 0 жидкость приводится в соприкосновение с пористой средой. Изучено изменение гажности и в направлении оси устройства х и во времени т.

Рис.1. Устройство для исследования массообменных характеристик капиллярно-пористых тел в условиях микрогравитации «Экспериментальная кювета».

б со д2о)"1> Ц,

Для уравнения —~ X*-~—- гДе Х-— (О

с!т дх~ п +1

задана мощность импульсного источника влаги, который подал объем влаги 0 в некоторый

исходный промежуток среды (О,х0). Влага рассасывается вдоль колонки. Д, - коэффициент

капиллярной диффузии влаги в КС.

Граничные условия' ^ си{х,0)с6с--О (2)

о

Используя П - теорему, решение уравнения (1) можно записать в виде: ^х-т)

, <ГГ(0=£0ф" (3)

(У = 0 Г>гг{т)

Здесь автомодельная переменная равна

4=-

(Q-

• X • Г

Параметры, зависящие от показателя п 1

I п

Р-

2 •(« + !)• (л+ 2)

2»Р»

№

1

л+2

(4)

(5)

(6)

- бета - функция Эйлера, которая может быть записана через Г-

функции, для которых имеется таблицы.

1 + 1

«4-П M ? I'M"

I и+11= ^ I " г"» г

Фронт пропитки Г)(т) перемещается по закону: где п по различным данным колеблется от 3,3 до 4,0

А,

(7)

(8)

Для п = 3,5; £ = 1,005, х =

п +1

Коэффициент капиллярной диффузии определен для перлита (фракция 1-Змм), используя экспериментальную зависимость ht h0 • г . Программы зычисленик параметров и теоретических зависимостей капиллярной пропитки реализованы использованием блоков информации при помощи программы «Quattro Pro for Windows» Dcp 0.959» 10"3см/с.

Для экспериментальной оценки распределения влажности в КС на момент установления стационарного режима влагопереноса в условиях микрогравитации также рассмотрен режим капиллярной пропитки - рассасывание с импульсным источником влаги. Для оценки точности метода исследований влагопереноса в КС при использовании устройства «Экспериментальная кювета» проведено 5 наземных экспериментов. Методика эксперимента заключается в определении влажности по длине образца (по зонам) на момент установления стационарного режима влагопереноса. Регрессия влажности образца на номер секции устройства (расстояние от источника влаги) для экспериментов имеет вид а = 92.4 -

10.5 • N. Зависимость дисперсии влажности в отсеке от уровня влажности в секции устройства характеризуется зависимостью 82(ю) = -5.3 + 0.36 • со.

С целью выяснения, являются ли сравниваемые выборочные дисперсии оценками одной и той же генеральной дисперсии, выполнено сравнение по критерию Кохрана для серий наземных и космических экспериментов.

тах Я,2

Для количества степеней свободы ^=5 и Гг=4 и уровне значимости 0.05.

Экспериментальное определение распределения влажности в КС для одномерной капиллярной пропитки КС на момент установления стационарного режима влагопереноса при импульсном источнике подаче влаги для условий микрогравитации выполнено в устройстве «Экспериментальная кювета» на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР.

На рис.2 приведены экспериментальные кривые распределения влажности корнеобитаемой среды для условий микрогравитации и в условиях гравитации. Анализ полученной информации показывает:

1. Распределение. влажности в первом (КЭ1) и втором космическом эксперименте (КЭ2) достоверно различается, влажности КС вблизи источника воды для КЭ1 - 86%, а для КЭ2 - 47%.

2. Смещение максимума влажности КС -73% к центру устройства в КЭ2 свидетельствует о неустойчивости распределения влаги в условиях микрогравитации и возможности создания локализованных слаборассасывающихся зон влаги в КС.

3. Несколько заниженное значение величин влажности КС в контроле и транспортном контроле по сравнению с космическими экспериментами можно объяснить гравитационным воздействием при насыщении водой пор КС.

На рис.3 приведены экспериментальная кривая распределения влажности КС в устройстве для условий микрогравитации и теоретические зависимости. Сравнение зависимостей свидетельствует о хорошей сопоставимости результатов, что позволяет успешно прогнозировать распределение влажности в КС, используя предложенную модель для одномерной капиллярной пропилеи с импульсным источником влаги.

Теоретическая модель дает возможность прогнозировать распределение влаги в корнсобитаемых средах оранжерейных устройств, эксплуатирующихся в условиях микрогравитации. Разработанное устройство для исследования массообменных свойств капиллярно-пористых систем и методика проведения таких исследований позволяют исследовать особенности миграции влаги в различных корнеобитаемых средах на различных стадиях увлажнения перед использованием их в космических оранжерейных устройствах.

Расстоянко от источника влаги (см)

-в- Космический эксперимент! н э— Космический'эксперименг2

Транспортный контроль -н [>• Контроль

Рис. 2. Распределение влажности КС в устройстве (микрогравитация и гравитация).

2 4 6 8 10 12 14 15 Расстояние фронта от источника(см)

-в— Космический эксперимент —Транспортный контроль -»— Теория -12чае -о- Теория - 24час

Рис. 3. Распределение влажности КС в устройстве (теория и эксперимент).

В трегьей главе приведена классификация методов измерения влажности КС (рис.4). Обосновано применение теплоимпульсного метода измерения влажности КС для условий микрогравитации, в дальнейшем влагомера.

Методы измерения влагосодержания

Механический метод

Усадка Сопротивление Сопротивление

ксированного деформации вдавливанию

объема при фкксировздного металлический

иксированном образца иглы или

давлении конуса

поршня

Теплофизический метод

Массолереносный метод ТвппоиипупнсныР МетоС Термовакуумны й метод

ЯМР метод К

Импульсный метод Стздфюкарный метод

ШР ЯМР

Электрический метод

Диэлькометрический — Кондуктомегрический

Оптический метод

Гигрометрический метод

Сорбцнонно-тенэиометрический метод

Акустический метод

Химический метод

Титрование

Экстракция

Термогравиметрия

Высокочастотные методы

Рис.4.Классификация методов измерения влагосодержания КС.

Режимы работы теплоимпульсного влагомера обеспечивают его работоспособность в условиях микрогравитации, что невозможно для термогравиметрии, экстракции, дистилляции и сорбционно - тензиометрических методов. В отличие от химического, радиометрического, ЯМР методов, предлагаемый метод не оказывает вредного воздействия на объект, дает возможность измерять влажность без разрушения КС, в отличие от механических методов. Активный метод измерения обеспечивает работоспособность в необходимом диапазоне влажностей, что не обеспечивается гигрометрическим методом. В отличие от электрических методов, имея малое энергопотребление, теплоимпульсный метод работоспособен в среде с изменяющейся электропроводностью. Достаточное быстродействие обеспечивает экспрессность получения информации. Без разрушения КС возможно получение информации о локальных и интегральных величинах влажности.

В рассматриваемом методе используется зависимость комплекса параметров (теплоемкости, теплопроводности, температуропроводности или некоторого комплекса этих параметров) от влагосодержания КС. Метод основан на установлении зависимости изменения температуры локального разогрева КС от её влагосодержания при воздействии теплового импульса.

Анализ теоретических и экспериментальных данных позволяет выявить следующие закономерности:

а) теплопроводность материала КС не оказывает решающего влияния на эффективную теплопроводность, особенно для неметаллических материалов;

б) эффективная теплопроводность очень сильно зависит от теплопроводности наполнителя, в данном случае воды;

в) контакгная теплопроводность между частицами играет существенную роль только при невысоких температурах и низком давлении газа-наполнителя;

г) лучистый теплообмен существенен в условиях высоких температур или глубоком вакууме;

д) конвективным теплопереносом в КС в большинстве случаев можно пренебречь, так как очень малые размеры пор микрозазоров на стыке частиц препятствуют возникновению конвективных токов под действием температурного градиента. Известно, что конвективным теплообменом можно пренебречь при величинах Сг»Рг < 103, что справедливо для частиц диаметром не более 4...б мм. Рассматриваемые КС имеют эквивалентный размер частиц меньше указанною.

Таким образом, теплообмен главным образом определяется теплопроводностью воды, заполняющей поры материала. При создании теплоимпульсного влагомера необходимо иметь эталонный тепловой импульс, что достигается стабилизацией длительности и величины импульса напряжения, подаваемого на нагревательную спираль. Материал спирали выбирается такой, чтобы его активное сопротивление мало зависело о г температуры (например, нихром). Выбор эксплуатационных характеристик теплоимпульсного влагомера представляет значительные трудности, которые связаны с тем, что в процессе тепловых изменений внутри вещества возникает градиент температуры, который может привести к перемещению влаги, как в форме жидкости, так и в форме пара.

Для уменьшения погрешности, связанной с этим перемещением, необходимо выбирать такие режимы эксплуатации влагомера, где перенос будет несущественным. Обычно это достигается тем, что устанавливают такие режимы, при которых значение возникающих температурных градиентов и длительность измерений минимальны. Особенно это важно для условий микрогравитации, так как в таких условиях не формируется гравитационный фронт влаги, а внешние тепловые воздействия могут привести к возникновению местного термокапиллярного переноса влаги. Кроме того, существенное изменение температуры в КС может неблагоприятно влиять на корни растений. Наилучшие режимы обеспечиваются в случае:

(1гТ/Л2 = 0, где (9)

Т- температура датчика, ^продолжительность импульса нагрева.

Таким образом, определение влажности описываемым методом сводится к измерению коэффициента влажности Кс для участка кривой нагрева при продолжительности теплового импульса, получешюго в соответствии с уравнением (9). Для описания теплоимпульсного метода измерения влажности КС можно использовать обобщенную структурную схему в виде последовательного соединения шести звеиьев (рис.5):

W Т I U N Y

Рис.5 Обобщенная структурная схема влагомера

Звено 1 описывает связь «состав-свойство», т.е. преобразование влагосодержания W (оцениваемого одной из принятых единиц измерения) в физическое свойство Т контролируемого материала, в данном случае температуру, используемую для измерения влажности. Звено 2 - полупроводниковый датчик температуры, на выходе которою получают полезный выходной сигнал постоянного тока I , удобный для дальнейшей обработки. Звено 3 - измерительный усилитель, преобразующий входной сигнал постоянного тока I в напряжение и усиливающий его, на выходе которого получают выходной сигнал напряжение U. Звено 4 - аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий сигнал U в число N. Звено 5 - микропроцессор (МП), который получаст ira входе число N, накапливает совокупность полученных значений N, вычисляет промежуточную величину Кк, сравнивает эту величину с мерой этой величины и даст выходной сигнал Y прибора. Звено 6 - нагревательный элемент, который под управлением сигнала S с МП подает тепловой импульс, который рассеивается в КС. Для измерения влажности сигнал S с МП включает нагреватель 6, который разогревает зонд и блшлежащую зону КС тепловым импульсом постоянной мощности Рн и одинаковой длительности т. При подаче теплового импульса изменяется температура на зонде, что приводит к изменению

сигнала I, который в свою очередь меняет сигнал и. Данный сигнал преобразуется АЦП с интервалом дискредитации Лт и микропроцессором подсчитывается величина:

1-1

Исходя из свойств монотонных функций любая кривая, соответствующая влажности в пределах от воздушно-сухой КС до КС с полной влагоемкостью находится между этими зависимостями. Тогда Кс > Кх > Кц. В нашем случае зависимость Кх от влагосодержання принимается за линейную. В общем случае эта зависимость нелинейная- и зависит от конструкции зонда, свойств КС. При линейном приближении Кх(\У) влагосодержание \¥ можно определить по соотношению:

Для выбора проектных характеристик влагомера целесообразно рассмотреть такой параметр, как постоянная времени первичного преобразователя:

Этот параметр определяется суммарной массой измерительного тела ш, его средней удельной теплоемкостью с, , поверхностью теплового контакта 8„ и коэффициентом, учитывающим условие теплоотдачи к,. Для минимизации величины тя необходимо использовать конструкции первичного преобразователя, обладающие наименьшим отношением ш/5„. Кроме того, конструкция (рис.6) первичного преобразователя должна обеспечивать постоянный тепловой контакт с измеряемым материалом.

IV - Кс Кх »100%

Кс -Кп

(10)

Рис.6. Конструкция датчика 1 - датчик температуры;

2 - корпус;

3 - нагревательный элемент;

4 - заглушка;

5 - колодка электрическая.

Для оценки зоны реагирования датчика используется тепловая модель стационарной теплопроводности цилиндрической стенки. Эти данные носят оценочный характер, так как описывают стационарный режим теплопроводности, в то время как в действительности

имеет место нестационарный режим теплопроводности. Радиус зоны реагирования, то есть зоны просева КС за счет теплового импульса .на основании проведенного расчета изменяется от 6мм до 8,5 - 10мм. При размерах гранул КС до 2 мм, такая зона реагирования дает возможность оценить влагосодержание на расстоянии 5 гранул КС от датчика. Для увеличения точности метода экспериментально обоснована необходимость применения температурной компенсации при обработке сигнала с датчика. Изучены эксплутационные характеристики влагомера в лабораторных условиях и условиях космического полета. Экспериментальная оценка точности теплоимпульсного метода измерения влажности КС выполнена во время биологических экспериментов на орбитальной станции «МИР». Погрешность датчиков влажности КС можно оценить как ±1%. Для обоснования диапазона регулирования влагосодержания в КС с использованием лабораторной тензиометричсской установки исследованы гидрофизические характеристики КС (Рис. 7).

40 60 80

Влагосодержание КС (%)

100

■В- Балканин 1-2мм Балканин 0.5-1мм -Х- Биона312 Зеопоник 0.5-1 мм

Биока-В ^^Турфейс 1-2мм -О" Балканин 1-Змм

Рис.7. Гидрофизические характеристики корпеобитаемых сред.

В четвертой главе описаны экспериментальные исследования особенностей жидкостного обеспечения корпеобитаемых сред (балканин 1-Змм) в условиях микрогравитации, выполненные при культивировании растений на орбитальной станции "Мир" в 1990 году на базе космической оранжерейной установки «Свет» (рис.8,9).

100 90

0 70

1 60

3- 50

8 40 I 30 ш 20 10 о

о 4 8 12 16 20 24

Время (час)

А ■ космический полет наземный эксперимент

Рис.8. Изменение влагоспдержания КС по показаниям датчика-регулятора в оранжерейной установке после выполнения программы первичного увлажнения.

40 -1-1-1-1-Н

0 10 20 30 40 50

Время (сут.)

-Кювета 1 —— Опорное значение

Рис.9. Динамика показаний датчика-регулятора влагосодержания КС (ЛЭ-90)

Описаны экспериментальные исследования особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемых сред (балканин 1-Змм, 1-2мм "и турфейс 1-2мм) в условиях микрогравитации, выполненные при культивировании растений на орбитальной станции "Мир" в 1995 году по 1997 годы, с использованием разработанного влагомера на базе космической оранжерейной установки «Свет» (рис.10,11,12,13). Анализ полученных данных указывает на то, что в условиях микрогравитации не образуется устойчивого фронта капиллярной пропитки. Первичное увлажнение КС в условиях микрогравитации (рис. 14) и условиях гравитации (рис. 15) имеют принципиальные различия. На основании динамики распределения влаги между датчиками влагосодержания КС выполнена экспериментальная оценка скоростей капиллярной миграции влаги в КС в условиях микрогравитации, которая составляет 5-10 мм/час. Систему регулирования комплекса в зависимости от характера управляющих сигналов можно отнести к системе стабилизации (управляющий сигнал представляет собой постоянную величину - пороговое значение, которое периодически корректируется).

Рассматривая особенности первичного увлажнения в условиях микрогравитации, следует обратить внимание на возможность иного, чем на Земле заполнения порового пространства в КС. На рис. 16 приведена схема заполнения порового пространства КС. КС представлена в виде «неточного» капилляра. В связи с преобладанием капиллярных сил в условиях микрогравитации влага в виде тонких пленок может мигрировать по поверхности КС. Область перехода между капиллярной и капиллярно-подвешенной водой соответствует радиусу капилляра 10 мкм. Можно полагать, что в порах КС с эффективным радиусом крупнее 10 мкм остается пространство, свободное от влияния поверхностных сил. Уменьшение выталкивающей силы Архимеда и, как следствие отсутствие расслоения веществ с различными удельными весами (воздух и вода) приводит к образованию большого количества капиллярно-защемленного воздуха в КС.

С целью косвенной оценки условий водно-воздушного обеспечения КС в эксперименте 1996 года исследован вынос азота и распределение корней по объему вегетационного сосуда (рис17). Как видно из рисунка, обменное поглощение азота корневой системой растений пшеницы в условиях микрогравитации происходило по всему объему КС. Вынос азота из верхнего, среднего и нижнего уровней составил в среднем 50.5, 43.4 и 40.9% от исходного содержания в КС соответственно. Распределение корней растений однородно по объему КС.

Динамика влажности КС в кювете 1 Первичное увлажнение (микрогравитация}

4.2 4.4 4.«

Динамика влажности КС в кювета 2 Первичное увлажнение (микрогравитация)

Динамика влажности КС в кк>вотв1 Первичное увлажиенме (гравитация)

Динамика влажности КС в кювете 2 Первичное увлажнение {гравитация)

Динамика влажности субстрата ЛЭ-Э5 Юовета1 -День 222 = 10 августа

Динамика влажности субстрата ЛЭ-Э5 Юовета2 - День 222 - 10 августа

Динамика влажности КС в кювете 1 "Вододефицит" Л.Э.

Динамика влажности КС в кювете 2 *Вододефииит"Л.Э.

I«— Я1-|Д —»1 -— )М-Ш—Ш--]»—>ц

Рис. 10. Особенности миграции влаги во время эксперимента по выращиванию пшеницы на орбитальной станции "МИР", 1995год, корнеобитаемая среда - балканин (1-Змм).

Динамика показаний регулятора влагосодержания КС_

40 М ВО 100 1» 140 180 Время (сут.)

Динамика показаний регулятора __влагосодержания КС

и

го да ео «о too 129 140 -teo

Время (сут.)

Мониторинг влагосодержания КС

Кювета 1 (центр)_

■511 ОД—512 Д

—яУод|

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2 (цекгр)_

20 40 М Ю 100 120 140 160 Врем*(еут)

20 4 0 60 80 100 120 140 160 Время (сут)

Мониторинг влагосодержания КС

Кювета 1 (периферия)_

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2 (периферия)

20 40 во ВО 100 120 140 160 Время (сут)

•0 100 120 140 Время (сут)

Рис. 11. Регулирование влагосодержания КС во время эксперимента по выращиванию пшеницы на орбитальной станции "МИР" 1996год корнеобитаемая среда - балканин (1 - 2мм).

Мониторинг влагосодержания КС Юовета 1

З9.в 40 3

[—511 ОДЯШ ~5140Д—5150Д ^ 5И* — 5<7Д

441.8 41.3

Время |сут|

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2

40.8 41.3

Врем« |сут!

-•-522» -Ж-52ЗД -^И4 0Д^-.5г5 0Я*527* 52« ОД I

Циклограмма дозирования воды Кювета 1

Циклограмма дозирования воды Кювета 2

зи зпо 1^250

з™>

о 100

МНУит | луд щи 40.1 41.3 41.8 Время ¡сут)

И Ц »ПИП! 40.8 41.3 41Л Время (сут)

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 1

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2

»511 ОД-»-513 К «*»514 0Д«««»515<Щ-*-$1в1С «»517 Д

— 521Д 522 К -^»МЗД •

«■ЬМ ОД О 527 К —571 □ <

Циклограмма дозирования воды Кювета 1

Циклограмма дозирования воды Кювета 2

Рис. 12. Изменение влагосодержания КС при функционировании ПР2 во время эксперимента по выращиванию пшеницы на орбитальной станции "МИР", 1996 год, корнеобитаемая среда - балканин (1 - 2мм).

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 1 (центр)

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2 (центр)

525 ОД—527 К —528 0Д|

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 1 (периферия)

Мониторинг влагосодержания КС Кювета 2 (периферия)

20 40 60

Мониторинг температуры КС Кювета 1 (центр)

Мониторинг температуры КС Кювета 2 (центр)

20 40 60 ВО 100 120

Мониторинг температуры КС

Кювета 1 (периферия)

Мониторинг температуры КС Кювета 2 (периферия)

Рис. 13. Мониторинг влагосодержания и температуры КС в эксперименте 1997 года, корнеобитаемая среда - турфейс (1 - 2 мм ).

3.6 3.8 4 Время (сутки)

■ 512Д -813К -61!Д — 516Д -517К

.»18Д

Рис. 14. Изменение влажности КС после первичного увлажнения в условиях микрогравитации.

р—------—__

—, ____

1 . 1 . 1 . 1 . .

1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

Время (сутки)

511 —512-»-513-*-514 — 515 -»-516— 517

Рис. 15. Изменение влажности КС после первичного увлажнения в условиях

гравитации.

Гравитация

Микрогравитация

Начало увлажнения Частичное увлажнение Полное увлажнение

Рис. 16 . Схема заполнения порового пространства корнеобитаемой среды в различив гравитационных условиях.

Содержание аэопа в балканинв ЛЗ-56 пшеница, кювета №2, верхний уровень

Источник воды

Содержание азота в балканине ЛЭ-Э6 пшеница, кювета N$2, средний уровень

Источник воды

Содержание азота в балканине ЛЭ-96 пшеница, кювета №2, нижний уровень

Испючник во ды

Распределение корней в КС эксперимент 1996 года

Рис. 17 Мониторинг содержания азота и распределения корней в КС после эксперимента 1996 года.

В пятой главе выполнено теоретическое обоснование характеристик порового пространства КС (рис.18) для условий микрогравитации. Для разработки КС, эффективно функционирующей в условиях микрогравитации рассмотрена модель капиллярной пропитки КС на стадии перераспределения влаги между порами-каналами аэрации и водоудерживающими порами. Характерный диаметр пор аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр пор аэрации составляет 1,8 - 2,6 мм (Подольский И.Г., Патент N 4951842, 1991).

1 - корнеобитаемая среда 2 - поры-каналы аэрации 3 - водоудерживающие поры Рис.18. Поперечный разрез корнеобитаемой среды с двумя характерными диаметрами пор.

ВЫВОДЫ

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод и создано устройство, позволяющее исследовать массообменны< характеристики капиллярно-пористых тел (динамика капиллярной пропитки, коэффицие1Г капиллярной диффузии влаги при ненасыщенной гидравлической проводимости) в условию микрогравитации.

2. На основании теоретических и экспериментальных работ получены данные ( характерном распределении влаги в перлите (фракционный состав 1,5-2,5мм) в условия;

микрогравитации, выявившие возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги в корнеобитаемой среде.

3. Разработан метод и оборудование для измерения влажности капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) на основе теплоимпульсного метода для условий микрогравитации, погрешность датчиков влажности корнеобитаемой среды ±1%.

4. С помощью разработанного комплекса точечных датчиков произведен контроль влагосодержания корнеобитаемых сред (балканин 1-Змм, 1-2мм, турфейс 1-2мм) в длительных космических экспериметах по выращиванию растений на орбитальной станции «МИР», выявивший существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронта капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде).

5. Получены экспериментальные данные о скорости капиллярной миграции влаги в корнеобигаемой среде для условий микрогравитации, максимальная скорость которой оценивается, как 5 -10 мм/час.

6. Па основе теоретических и экспериментальных исследований предложена корнеобитаемая среда с двумя характерными диаметрами пор (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналов аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8-2,6 мм), способная обеспечить благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

7. Комплекс оборудования на базе оранжерейной установки "Свет" с использованием измерительной системы на основе разработанного метода измерения обеспечил проведение мониторинга и управления влагосодержанием корнеобитаемых сред (балканин, турфейс) при выращивании пшеницы и брассики в условиях микрогравитации. Оперативные данные и 1гх обработка во время проведения экспериментов позволили анализировать направление потоков воды и управлять влагорегулированием в экспериментах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Подольский И.Г., Сычев В.П., Левинских М.А., и др. Некоторые особенности жидкостного обеспечения корнеобитаемой среды при культивировании растений в условиях микрогравитации. // Авиакосмическая и экологическая медицина,- 1998 - Т.32, № 2 - С.36-43.

2. Подольский И.Г., Машинский А.Л., Высочанский А.Ф. и др. Устройство дт определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. А.С.№ 1659790 оп 12.06.89г.

3. Podolsky I.G., Mashinsky A.L., Berkovich Y.A., Ivanova T.N. Gas-liquid supply of the root zone of the "Svet" greenhouse vegetative pot in space flight. Proceedings of the second micro symposium Svet-90., Sofia, 1991, pp 47-55.

4. Podolsky I.G., Mashinsky A.L. Research of peculiarities of moisture transfer in capillary-porous objects - soil substitutes in space flight. International symposium on hydromechanics anc heat/mass transfer in microgravity. 1991, abstracts ,p,188.

5. Подольский И.Г., Машинский А.Л., Нечигайло Г.С. Пористый субстрат дш выращивания растений. ПатентN4951842, 1991.

6. Bingham G.E., Jones S.B., Or D., Podolsky I.G., Yendler B.S.. Porous substrate wate: relation observed the greenhouse-2 flight experiment. SAE Technical paper series № 961547, 1996

7. Podolsky I.G., Mashinsky A.L. Peculiarities of moisture transfer in capillary - porous soi substitutes during spase flight. Adv. Spase Res. Vol. 14, pp (11)39-(11)46, 1994, COSPAR.

8. Yendler B.S., Podolsky I.G., Bingham G.E., et al. Moisture sensor for use ii microgravity. 25th International Conference on Environmental Systems. Paper No 951471. 1995

9. Подольский ИГ. Теплоимпульсный метод мониторинга влаго содержать корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Материалы XI конференции ш космической биологии и авиакосмической медицине. Москва, Том 2, с. 129, 1998.

10. Bingham G.,Brown S, Salisbury F., Cambell W., Carman J., Jahns G., Bubcnheim D. Pletcher D., Yendler В., Sytchov V., Levinskikh M., Podolski I., Ivanova Т., Kostov P., anc Sapunova S.. Environmental measurements observed during the GREENHOUSE-2 experiment oi the MIR orbital station. 31-th COSPAR, Birmingham, England, 1996.

11. Bingham G.E., Brown S.B., Salisbury F.B., et al. Plant Growth and Plant Environments Monitoring Equipment on the MIR Spase Station: Experience and Data from the Greenhouse I Experiment., 26th International Conference on Environmental Systems.

12. Bingham G.E., Jones S.B., Or D., Podolski I.G., Levinskikh M.A., Sytchov V.N. Ivanova Т., Kostov P., Sapunova S., Dandolov I., Bubenheim D.B., Jahns G. Microgravity Effect on Water Supply and Substrate Properties in Porous Matrix Root Support Systems. 48tl International Astronautical Congress.

13. Bingham G.E., Jones S.B., Or D., Podolsky I.G., Sytchev V.N. Warier managemen lessons from plant full life cycle experiments on Mir. Gravitational and space biology bulletin 1998, V12, N1 p56.

14. Yendler B.,Webbon B., Podolski I. and Bula R. Capillary movement of liquid in granular in microgravity, Advances in Space Research, 18 ( 4/5); 233-237, (1996).

15. Bingham G.E., Sytchov V.N., Levinskikh M.A., Podolsky T.G., Final plant experiments an Mir provide second generation wheat and seeds. Gravitational and space biology bulletin, 1999, V13, N1 p.48.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОБЛЕМЫ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ МИГРАЦИИ ВЛАГИ В КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕДАХ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ В МОДЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ.

2.1. Разработка теоретической модели динамики капиллярной пропитки воды в корнеобитаемой среде.

2.2. Экспериментальные исследования особенностей миграции влаги в КС для условий микрогравитации.

2.2.1. Изучение эксплуатационных характеристик устройства для исследования массообменных свойств капиллярно-пористых тел в условиях микрогравитации.

2.2.2.Результаты экспериментальных исследований особенностей миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации и их обсуждение.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТЬЮ КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕД В КОСМИЧЕСКИХ ОРАНЖЕРЕЯХ.

3.1. Выбор метода измерения влажности корнеобитаемых сред для условий микрогравитации.

3.2. Разработка тепловой модели теплоимпульсного влагомера.

3.3. Изучение эксплуатационных характеристик теплоимпульсного влагомера в лабораторных условиях.

3.4. Результаты экспериментальных исследований теплоимпульсного влагомера в условиях микрогравитации и их обсуждение.

3.5. Исследование гидрофизических характеристик корнеобитаемых сред, обоснование диапазона регулирования влагосодержания КС.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЛАГОПЕРЕНОСА КС В ОРАНЖЕРЕЙНОМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ

4.1 Экспериментальные исследования особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации.

4.2 Экспериментальные исследования особенностей выноса азота из корнеобитаемой среды при культивировании растений в условиях микрогравитации. .114 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕД ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ

ОРАНЖЕРЕЙ.

При разработке биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека для космических полетов в настоящее время приходится исходить из того, что невесомость еще долго будет обязательным условием её функционирования. Поэтому все, что относится к этой проблеме, необходимо рассматривать с точки зрения возможности функционирования БСЖО в этих условиях.

В данной работе рассматривается один из многих непрямых механизмов влияния невесомости на БСЖО, перечень которых приводится в работе Мелешко Г.И. и Шепелева ЕЯ. (1994). Здесь имеется в виду нарушение упорядоченного распределения газовой, жидкой и твердой фаз среды, процессов массопереноса в корнеобитаемой среде (КС) для выращивания высших растений в этих условиях.

В последние годы в интересах создания элементов БСЖО на различных космических объектах проводятся эксперименты по отработке различных технологий культивирования высших растений (Podolsky I.G.et al., 1991,1998, Bingham G.E.et al., 1996, 1997, 1998, Morrow R.S. et al.,1992, Ivanova T.N.et al., 1993, 1996,1998, Salisbury F.B., 1994).

Метод культивирования растений в КС наиболее полно отвечает принципу биологического единства "растение - почва" и позволяет создать наиболее адекватные условия для корневой системы растений, ее взаимоотношений с КС. Формирование высоких программируемых урожаев в условиях космического полета (КП) теснейшим образом связано с оптимизацией процессов массообмена в системе корнеобитаемая среда-посев, что определяется особенностями организации корнеобитаемого пространства, способом подачи к корням питательного раствора, эффективностью аэрации корней, составом раствора и содержанием в нем органических соединений, физическими и физико-химическими свойствами КС. В КС корни растений размещаются в средах различной степени дисперсности. КС являются аккумуляторами влаги и элементов питания, которыми они обеспечивают растения в межполивной период. Исходные КС состоят из твердой, жидкой и газовой фаз. При выращивании растений в них образуется четвертая биогенная фаза, представленная корневыми системами, микроорганизмами, простейшими и беспозвоночными (Ермаков Е.И.,1979). Формирующаяся четырехзвенная система "КС - корни растений", существенно отличается от исходной КС. Роль биогенной фазы возрастает с уменьшением объема КС, поэтому при выращивании растений лимитирующим фактором в оптимизации условий 5 жизнеобеспечения корневых систем становится водно-воздушный режим (Ермаков Е.И. с соавт.,1987). Если в земных условиях, адекватные соотношения жидкой и газовой фаз в КС организуются наличием гравитации, то в гравитационно-неорганизованной среде это становится невозможным. Тем самым возникает проблема самой возможности и путей обеспечения адекватного водно-воздушного режима КС в агравитационной среде. Изучению этой проблемы и посвящена данная работа.

Нормальное протекание важнейших физиологических процессов в растениях и в важных для их жизни почвенных микроорганизмах невозможно без постоянного и достаточного количества влаги. В частности, рост и развитие растений связаны с большими затратами воды: для создания 100 г сухой массы растение расходует до 100л воды (Гродзинский A.M., 1973). Это огромное количество влаги растения получают через КС.

Обеспеченность растений влагой определяется не только величиной запаса воды в КС, но также ее подвижностью и доступностью для растений. Эти важные свойства влаги зависят от механического состава (пористости, удельной поверхности) КС и от создающихся в ней физических условий (плотности, влажности, температуры, структурного состояния).

Известно, что особенности поведения жидкости в условиях микрогравитации определяются, прежде всего, возрастающей ролью капиллярных сил (Бабский В.Г. с соавт.,1976). Задача настоящего исследования состоит в том, чтобы определить те режимы массообмена капиллярно-пористых сред, которые существенно зависят от уровня массовых сил и, поэтому будут иначе реализоваться в условиях микрогравитации.

Этот поиск, как выяснилось, необходимо производить в рамках физического почвоведения, представляющего собой большой раздел агрофизики - науки, имеющей в России давние традиции и выдающиеся достижения (Вершинин П.В. с соавт.,1959; Мичурин Б.Н., 1975; Нерпин C.B., Чудновский А.Ф., 1975; Воронин А.Д., 1988). Основополагающие исследования в науке о почвенной влаге выполнены на хорошем общефизическом уровне и создают прочную базу для развития соответствующей теории для условий микрогравитации. Тем не менее, теоретических работ фундаментального характера явно недостаточно. Большинство крупных разработок в этой области направлены на прогнозирование урожая или планирование орошения. Они доведены до действующих пакетов вычислительных программ, но являются сугубо полуэмпирическими (Березников К.П., 1982; Бондаренко Н.Ф. с соавт.,1982). 6

Минеральное питание, дыхание и водообеспечение растений непосредственно связаны с химическим составом и структурой КС. Известно, что от преобладающего размера пор будут в сильнейшей степени зависеть гидрофизические характеристики почв, их воздушные свойства, жизнь и развитие биоты и корней растений.

В настоящее время предлагается большое разнообразие методов выращивания растений для условий микрогравитации, которые отличаются между собой по КС, способу подачи жидкости (воды или питательного раствора) в КС, а также по конструктивному решению отдельных элементов культивационных устройств. С точки зрения газожидкостного обеспечения КС, для условий микрогравитации различными разработчиками предлагаются две системы подачи жидкости к корням растений. Первая -путем принудительной дозированной подачи жидкости и воздуха в КС через распределительные перфорированные трубки по сигналу с датчика влагосодержания КС (Беркович Ю.А. с соавт., 1990, Podolsky I G. et al., 1991, Ivanova T N. et al., 1993). Вторая -путем подачи жидкости в КС с последующим формированием заданного влагосодержания или стока жидкости за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента, выполненного в виде пластины (Wright B.D. et al., 1988) или трубки (Bula R.J. et al., 1992, Tsao D.T. et al., 1996). В случае отсутствия КС предлагаются различные конструкции распыления питательного раствора в вегетационном сосуде с последующим удалением за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента (аэропоника).

Система с принудительной подачей жидкости в КС длительное время и надежно эксплуатируется в условиях микрогравитации. Общее время применения данных систем в космических экспериментах в настоящее время составляет около 3 лет. Однако из-за отсутствия гравитационного механизма передвижения жидкости в условиях микрогравитации может существовать неограниченный объем капиллярно - подвешенной влаги в КС и образовываться изолированные объемы защемленного воздуха. Эти объемы могут быть равны порозности аэрации, но они не будут обмениваться газами с атмосферой (Podolsky I.G. et al., 1994).

Применение систем второго типа не имело столь длительной эксплуатации в условиях микрогравитации. Следует отметить, что устойчивые режимы переноса жидкости в системах второго типа могут обеспечиваться лишь в ограниченном слое КС. Кроме того, изменение характерного порового пространства КС при развитии корневой системы, засоление, активное развитие микроорганизмов и засорение капиллярно7 пористого управляющего элемента ставит под сомнение перспективность длительной эксплуатации таких систем.

Жидкость в КС в природных условиях практически никогда не находится в состоянии устойчивого равновесия: поступление в КС осадков и испарение с поверхности, градиенты температуры, корневое осушение непрерывно создают условия для нарушения равновесия.

Исследования по организации движения жидкости в КС для условий микрогравитации можно разбить на два основных раздела:

- движение в условиях сплошного фильтрационного потока, когда КС поддерживается в состоянии насыщения, а поры целиком заполнены жидкостью - это предмет теории фильтрации;

- движение жидкости при частичном заполнении пор и, следовательно, при активном участии капиллярных сил. Именно этот второй случай представляет для нас основной интерес и будет рассмотрен в работе.

При выращивании растений под мощными источниками света важную роль в формировании температурных условий КС и растений играет такой физический параметр, как динамика капиллярной пропитки КС. Одновременно для создания благоприятных условий при выращивании растений на КС необходимо создание порового пространства, эффективного для аэрации.

Успешные эксперименты по выращиванию растений в условиях микрогравитации могут быть проведены с использованием систем жизнеобеспечения растений, созданных с не меньшей тщательностью, чем системы жизнеобеспечения человека в космических полетах.

Опыт выращивания растений в условиях микрогравитации свидетельствует о снижении продуктивности растений (Ivanova T.N. et al., 1993). Анализ данных полетных экспериментов (Podolsky I.G.et al., 1991) показал, что одной из основных причин, которая могла вызвать существенное снижение продуктивности, является несовершенство технологии культивирования растений в невесомости, вследствие которого происходило неадекватное газожидкостное обеспечение КС и возникновение анаэробных условий в корнеобитаемой зоне.

Задача обеспечения растений адекватной КС в условиях микрогравитации не ставилась ранее не только в практическом, но и в теоретическом аспекте. Условия в КС -температура, влажность, освещенность, фазность - гораздо более стабильны, чем в атмосфере. Будучи адаптированными, к стабильным условиям, именно корни являются 8 наиболее чувствительными и ранимыми органами растения. Адаптированность корневой системы к условиям среды максимальна, и в то же время эта адаптированность имеет узкие пределы.

Следующий серьезный недостаток при проведении опытов с растениями в космических полетах заключается не только в плохой регистрации изменения параметров окружающей среды, но, прежде всего, в непонимании того, что нужно регистрировать и что фактически регистрируется в условиях микрогравитации и с какой точностью. В экофизиологии растений существуют понятия (Парфенов Г.П., 1988) о микроклимате - условиях в данном ареале обитания, о биоклимате - условиях среды в зоне, непосредственно окружающей растения, и об ¡ШегГасе-климате - условиях около конкретного органа (листа, корня и др.). В космических исследованиях ранее в лучшем случае регистрировались изменения только микроклимата, а именно параметров среды внутри космического аппарата. Вследствие этого условия, являющиеся в высшей степени нестабильными, описываются как стабильные. В такой ситуации изменение структуры и функции клеток, будучи следствием реальных, но не зарегистрированных флуктуаций среды, зачастую относят за счет влияния микрогравитации.

Вот почему в настоящее время важны работы по разработке метода и оборудования для измерения и регулирования водно-воздушного режима КС для условий микрогравитации.

При выполнении работы нами были использованы некоторые методические подходы по исследованию КС, применяемые при исследовании физики почв (Воронин А.Д., 1988), гидромеханики невесомости (Бабский В.Г. с соавт.,1976) и теории и практике контроля влажности (Кричевский Е.С. с соавт.,1980), а также собственные теоретические разработки и экспериментальные устройства (Подольский И.Г. с соавт. а.с.4703849 от 12.06.90г.).

Целью представленной работы состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований водно-воздушного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации и разработке метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать математическую модель влагопереноса в корнеобитаемой среде, разработать устройство для исследования массообменных характеристик капиллярно-пористых систем для условий микрогравитации. 9

2. Разработка и испытание теплоимпульсного метода измерения влажности корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.

3. Обосновать структуру корнеобитаемой среды, обеспечивающую благоприятные водно-воздушные режимы в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации.

Задачи данной работы условно разделены на три группы. Первая группа - задачи, связанные с исследованием объекта регулирования - КС, в том числе в условиях микрогравитации. Вторая - группа задач, решение которых необходимо при разработке метода измерения и регулирования влажности КС для условий микрогравитации. Третья группа - задачи, связанные с разработкой требований к поровому пространству КС и системе водообеспечения КС. Решение этих задач позволит обеспечить благоприятные водно-воздушные условия вблизи корней растений в условиях микрогравитации.

Концептуальная часть нацелена на построение модели оптимального водно-воздушного обеспечения КС для условий микрогравитации.

Методологическая часть включает разработку теоретических моделей, экспериментального оборудования, эксплуатирующегося в условиях микрогравитации и проведение исследований в условиях микрогравитации.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые выполнен расчетно-теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

Предложен, обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации. Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравитации. Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА, впервые в пилотируемой космонавтике позволили анализировать направление миграции влаги в КС, обеспечить влагорегулирование и определить скорость миграции влаги в условиях космического полета.

10

Теоретическое и практическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные знания и представления о массообменных свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения для условий микрогравитации, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС в условиях микрогравитации (патент № 4951842, 1991).

Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО. Метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может эффективно использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел.

На основе разработанных теоретических основ и практических методов созданы:

1. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. С использованием этого оборудования автором в 1986-1993 гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов по исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;

2. Комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАС А в 1995-1998гг на орбитальной станции «МИР".

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации, выявившие существенные особенности миграции влаги (возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги).

2. Метод и устройство для исследований массообменных характеристик (динамика капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги при

11 ненасыщенной гидравлической проводимости) капиллярно-пористых тел для условий микрогравитации.

3. Теплоимпульсный метод и устройство для регулирования влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.

4. Данные исследований особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации выявившие существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронта капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде).

5. Характеристики порового пространства корнеобитаемых сред для условий микрогравитации (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналов аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8 - 2,6 мм).

Автор благодарен к.б.н. Левинских М.А., консультациями которой он многократно пользовался при выполнении работы. Автор признателен всем сотрудникам лаборатории за помощь в проведении экспериментов.

12

выводы

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод и создано устройство, позволяющее исследовать массообменные характеристики капиллярно-пористых тел (динамика капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги при ненасыщенной гидравлической проводимости) в условиях микрогравитации.

2. На основании теоретических и экспериментальных работ получены данные о характерном распределении влаги в перлите (фракционный состав 1,5-2,5мм) в условиях микрогравитации, выявившие возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги в корнеобитаемой среде.

3. Разработан метод и оборудование для измерения влажности капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) на основе теплоимпульсного метода для условий микрогравитации, погрешность датчиков влажности корнеобитаемой среды ±1%

4. С помощью разработанного комплекса точечных датчиков произведен контроль влагосодержания корнеобитаемых сред (балканин 1-3мм, 1-2мм, турфейс 1-2мм) в длительных космических экспериментах по выращиванию растений на орбитальной станции «МИР», выявивший существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронта капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде).

5. Получены экспериментальные данные о скорости капиллярной миграции влаги в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации, максимальная скорость которой оценивается, как 5-10 мм/час.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена корнеобитаемая среда с двумя характерными диаметрами пор (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналов аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8-2,6 мм), способная обеспечить благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

7. Комплекс оборудования на базе оранжерейной установки "Свет" с использованием измерительной системы на основе разработанного метода измерения обеспечил проведение мониторинга и управления влагосодержанием корнеобитаемых

131 сред (балканин, турфейс) при выращивании пшеницы и брассики в условиях микрогравитации. Оперативные данные и их обработка во время проведения экспериментов позволили анализировать направление потоков воды и управлять влагорегулированием в экспериментах.

132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выборе капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред - перлит, балканин, турфейс) для теоретических и экспериментальных исследований мы не исходили из каких либо специальных критериев, которые к тому времени не были ещё сформулированы. Этот выбор был обусловлен накопленной информацией при проведении экспериментов по выращиванию растений в условиях микрогравитации. Используя эти корнеобитаемые среды в качестве модельных, удалось решить целый ряд биотехнических проблем, связанных с созданием благоприятных водно-воздушных условий культивирования растений в корнеобитаемых средах для условий микрогравитации.

Стало ясным, что водно-воздушное обеспечение корнеобитаемых сред является одной из основных проблем при выращивании растений в условиях космического полета. В этих условиях из-за уменьшения выталкивающей силы Архимеда отсутствует расслоение веществ с различными удельными весами (воздух и вода), что приводит к образованию большого количества капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде, с которым затруднен газообмен. Поэтому в ходе выполнения работы был выполнен расчетно - теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации с использованием специального устройства. Обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения биологических экспериментов позволили анализировать динамику и направление миграции влаги в КС, определять скорость миграции влаги в КС, обеспечивать влагорегулирование корнеобитаемых сред и научиться выращивать в условиях космического полета полноценные растения.

Теоретическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные

129 знания и представления о массообменных свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС. Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО, метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел - конструкционных элементов орбитальных станций.

На основе разработанных теоретических основ и практических методов созданы:

- устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем (А.С.№ 1659790 от 12.06.89г). С использованием этого оборудования автором в 1986-1993гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов по исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;

- комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс успешно эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований в 19951998гг на орбитальной станции "МИР".

- теоретическое обоснование оптимальных характеристик порового пространства корнеобитаемых сред для космических оранжерей (патент N 4951842, 1991).

130

1. Абрамовитц М, Стиган И. Справочник по специальным функциям. М., Наука, 1979, 830 с.

2. Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. -JL, Гидрометеоиздат, 1978, 207 с.

3. Аринушкина Е В Руководство по химическому анализу почв, Изд. МГУ , 1961,с. 377.

4. Бабский В.Г., Воробьева JT.B. "Расчет динамики увлажнения искусственных заменителей почвы при выращивании высших растений в условиях космического полета" в кн. Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации 1986 г., М., Наука, 1987, с.306.

5. Бабский В.Г., Копачевский Н.Д., Мышкис А.Д., Слобожанин Л.А., Тюпцов А Д. Гидромеханика невесомости. М.: Наука, 1976, 504с.

6. Березников К.П. Комплексный метод исследования влагооборота в системе почва-растение-атмосфера и режимов орошения, Автореф на соиск. уч. степ, доктора географ. Наук, Иркутск, 1982. 45 с.

7. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Стругов ОМ., Шайдоров Ю.И., Иванова Т., Кынчев Н., Костов П. Вегетационный сосуд для растений, Авторское свидетельство №1598926, 1990.

8. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина C O., Иванов В.Б., Жиленкова О Г., Большакова Л.С. Влияние водного потенциала в корнеобитаемой зоне на продуктивность высших растений. Авиакосмическая и экологическая медицина. 1999, Т.33, № 2, с.45-49.

9. Берлинер М.А. Измерение влажности. М., Энергия, 1973, с. 13-15.

10. Бондаренко Н.Ф., Жуковский Е Е., Мушкин И.Г., Нерпин С В., Полуэктов P.A., Усков И.Б. Моделирование продуктивности агроэкосистем., Л., Гидрометеоиздат, 1982, 264 с.

11. Вершинин П.В., Мельников М.Н., Мичурин Б.Н., Мошков B.C., Поясов Н.П., Чудновский А.Ф. Основы агрофизики. -М.: Физматгиз, 1959. 903 с

12. Воронин А Д. Основы физики почв. Изд. МГУ, 1986, 244 с.

13. Гершуни Г.В., Жуховицкий В.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости, М, Наука, 1972, 392с.

14. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л., Гидрометеоиздат, 1969,232 с.133

15. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев. Изд-во «Наукова думка», 1972, с 13-14.

16. Гришин С.Д., Дубовской В.Б., Обыденников С.С., Савичев В В Исследование малых ускорений на борту орбитальной научной станции «Салют-6». В кн. Технологические эксперименты в невесомости, Свердловск, 1983, с.6-14

17. Ермаков Е.И. Системы интенсивного культивирования растений в регулируемых условиях. В сб.тр. Всесоюз. Акад. с.-х. наук, Л., Агропромиздат, Ленингр. отд.,1987, с.3-21.

18. Ермаков Е.И. Теория и методы интенсивного культивирования растений в регулируемых условиях (на примере овощных культур). Автореф. дисс. на соис.у.с.д.с/х наук, Л., 1987, 49с.

19. Ермаков Е.И. Система растение-почва в искусственной биосфере., Потенциальная продуктивность растений. М., Колос, 1976, с.138-158.

20. Ермаков Е.И., Зверева Т.С. Закономерности изменения корнеобитаемых сред при длительном выращивании растений, Докл. ВАСХНИЛ. 1979, №1 с 17-1 8

21. Ермаков Е.И., Онищенко В.Г. Влияние корней на фильтрацию и давление влаги в корнеобитаемых средах, Научно-техн.бюл. по агроном. Физике, АФИ,1983. №54. С.52-57.

22. Закржевский ДА., Ладыгина ОН., Чугунова Н.Г. "Фотосинтез и темновое дыхание листьев гороха в условиях корневой гипоксии и дефицита железа" в журн. Физиология растений, т.36, вып.6 1989г., АН СССР, с 44-58

23. Козлов В.Г. О вибрационной тепловой конвекции в полости совершающей высокочастотные вращательные качания. Изв. АНСССР, МЖТ, 1988, N 3, с. 138-144.

24. Коллинз Р. Течение жидкости через пористые среды. М.: Мир, 1964, 350 с.

25. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения. М. Наука, 1987, 192 с.

26. Кошкин НИ., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Наука, М., 1972, с.86-87.

27. Кричевский Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов, Москва, "Энергия", 1980г. 240с.134

28. Курмазенко Э.А. Гидродинамика слоя капиллярно-пористого покрытия при испарении со свободной поверхности. Тем.сб.н.трудов МАИ, выпуск №455, М.,1978, с.33-45.

29. Лауринавичус P.C., Ярошюс A.B., Марчукайтис А., Швягждене Д.В., Машинский A.JI. "Метаболизм растений гороха, выращенных в условиях космического полета" в кн. Биологические исследования на орбитальных станциях "Салют", М. "Наука", 1984, с.96-102.

30. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. Москва, Изд. "Высшая школа", 1979г., 495 с.

31. Ливанская О.Г., Подольский И.Г. Азотное питание растений пшеницы при выращивании в оранжерее "Свет" в условиях микрогравитации. Тезисы докл. XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, М.,1998, с.12-13.

32. Лозе Ж., Матье К. Толковый словарь по почвоведению. М., Мир, 1998, с. 112.

33. Лыков A.B. Тепломассообмен, М., Энергия, 1978, 480 с.

34. Любимов Д.В., Черепанов A.A. О возникновении стационарного рельефа на поверхности раздела жидкостей в вибрационном поле. Изв.АН СССР МЖГ 1986.6.с.8-13.

35. Машинский А.Л., Нечитайло Г.С. Космическая биология. М.: Знание, сер. "Биология", N 10, 1988, 64 с.

36. Машинский А.Л., Алехина Т.П., Божко А Н. Triticum vulgare на первых фазах развития (онтогенеза) в условиях космического полета. Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1991, т.25. №1, С.39-42.

37. Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (замкнутые экологические системы) М: Синтез, 1994, с.243-245.

38. Мичурин Б.Н. Энергетика почвенной влаги, Л, Гидрометеоиздат, 1975, 140с.

39. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго и массообмен в системе растение -почва-воздух, Л., Гидрометеоиздат, 1975, 358с.135

40. Парфенов Г.П. Невесомость и элементарные биологические процессы, Проблемы космической биологии, 1988, т.57, с.268

41. Петербургский A.B. Обменное поглощение в почве и усвоение растениями питательных веществ, М., Высшая школа, 1959, 240 с.

42. Подольский И.Г., Машинский А.Л., Высочанский А.Ф Доллежаль В.В , Нечитайло Г.С. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. А.С.№ 4703849125 от 12.06.89г.

43. Подольский И.Г., Машинский A.JL, Нечитайло Г.С. Пористый субстрат для выращивания растений. Патент N 4951842, 1991.

44. Роде A.A. Основы учения о почвенной влаге. Том 1.Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги, Л, Гидрометеоиздат, 1965, 664с.

45. Рожнов В.Ф. Теория эксперимента и испытание систем. Средства измерения состава жидкостей и влажностей. Москва, Изд. МАИ, 1979 г. с.3-5.

46. Рубин Б. А. Курс физиологии растений. М., Высшая школа, 1976, с 392-394.

47. Рыжик В.М. О механизме капиллярной пропитки пористой среды. Изв. АНСССР, отд. техн. наук, Мех. и машиностроение, 1959 № 6, с. 151-153

48. Синяк.Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. В кн. Обитаемость космических летательных аппаратов, М, Наука, 1994, (Космическая биология и медицина, Т.2), с.337-369.

49. Солдатов B.C., Перышкина Н.Г., Хорошко Р.П. Ионитные почвы, Минск, Наука и техника, 1978, 272 с.

50. Солдатов B.C., Перышкина Н.Г. Искусственные почвы для растений, Минск, Наука и техника, 1985, с. 7-11.

51. Стапренс В.Я. Миграция капиллярно-связанной влаги в зоне аэрации: Изд. АН Латв. ССР,1954,с. 146.

52. Сумм Б.Д., Рауд Э.А., Горюнов Ю.В. Начальная стадия капиллярного впитывания. Колл.журн., 1979, т.41, с.601-604.

53. Унароков К.Л. Капиллярный подъем жидкости в пористой среде. Журн. физ.химии, 1979,T.LIII, №3, с.588-591.

54. Чайлдс 3. Физические основы гидрологии почв. Л., Гидрометеоиздат, 1973,128 с.

55. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. VI., Физматгиз, 1962, 267 с.

56. Bingham G.E. .Salisbury F.B., Campbell W.F., Carman J G , Bubenheim D. L., Kendler B S., Sytchev V.N., Berkovitch Yu.A., Levinskikh M A., Podolsky I.G The spaselab-nir-1 "Greenhouse-2" experiment. Adv.Spase Res. Vol. 18,No 4/5, p 225-232, 1996.

57. Bingham G.E., Jones S B., Or D., Podolsky IG., Sytchev V.N. Water management essons from plant full life cycle experiments on Mir. Gravitational and space biology bulletin, 1998, V12, N1 p56.

58. Bingham, G. E., Salisbury F. В., Campbell W. F., Carmen J. G., 1994. The Spacelab-V11R-1 "Greenhouse-2" Experiment and Equipment. Microgravity Science and Technology. Э. 199-214.

59. Blackwell J.H. A transient-flow metod for determination of thermal constants of insulating materials in bulk. Parti-Theory. J. of Apllied Phys., v.25, N2, 1954, p 137-144.

60. Bioemen G.W. Calculation of hydraulic conductivities of soil from texture and organic matter content. . Z.Pflanzenernaehr. Bodenkd., 1980, p.581-605.

61. Brooks RH. and Corey A.T. Hydraulic properties of porous media. Hydrology paper 3, Colorado State Univ., pp.27, 1964.

62. Bula R.J., Tibbitts. T.W., Morrow R.S., Dinauer W.R Commercial involvement in the development of space-based plant grown technology., Adv.Spase Res. Vol. 12, №5, 1992, p.5-10.

63. BurdineN.T. Relative permeability calculation from pore size distribution data. 1953, Pet. Trans.Am. Inst. Min. Metal. Pet. Eng. 198: 71-78.

64. Campbell G.S. A simple method for determining unsaturated conductivity from moisture retention data. Soil Sei. 117: 311-314, 1974.

65. Hillel D. Fundamentals of soil physics. Academic Press, N .Y., 1980, p.364.

66. Ivanova T.N. and Dandalov I.W., Moistening of the substrate in microgravity. // Microgravity science and technology. 1992, Vol. V (3), p. 151-155.

67. Ivanova l.Y., Antonyan A.A., Derendiayeva T.A., et. al. Plant metabolism in the conditions of space flight. Acta Vet.Brno, 1996, 65: p. 11-17.

68. Ivanova T.N., Bercovich Y.A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse by means of controlled environmental conditions. Astronáutica, vol. 29, n. 8, pp. 639-644, 1993.

69. Ivanova T.N., Rostov P.T., Sapunova S.M., et al. Sensors and methods for measurement of enviroment parameters in "Svet" space greenhouse. Comptes rendus de LAcademie bulgare des Sciences, Tome 45, № 11, 1992, p.55-58.

70. Ivanova T.N., Sapunova S.M. and Kostov P.T, New biotechnological experiment greenhouse SVET-2 for the MIR-SHUTTLE mission. Acta Vet. Brno. 1996, Vol. 65, N 1, p.5-9.

71. Ivanova T.N., Bercovich Y.A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse by means of controlled environmental conditions. Astronáutica, 1993, Vol. 29, N 8, pp. 639-644.

72. Jackson R.D. On the calculation of hydraulic conductivity. Soil Sei. Soc. Am. Proc. 36: 380-383,1972.138

73. Jones S.B., Or D. Mierogravity effects on water flow and distribution in unsaturated porous media: Analyses of flight experiments. Water resources research, 1999, Vol.35, N 4, pp. 929-942.

74. Jones S.B., Or D. Design of porous media for optimal gas and liquid fluxes to plant roots. Soil science society of America journal, 1998, Vol. 62, N 3, 563-573.

75. Jones S B., Or D. Particulated growth media for optimal liquid and gaseous fluxes to plant roots in mierogravity. Adv.Space Res. Vol. 22, №10, 1998, p. 1413-1418.

76. Jones S.B., Or D. A capillary-driven root module for plant growth in mierogravity, Adv.Space Res. Vol. 22, №10, 1998, p.1407-1412.

77. Mashinsky A.L., Ivanova I.E., Derendyaeva T.A., Nichitailo G.S., Salisbury F. From seed-to-seed experiment with wheat plants under space-flight conditions. Adv. Space Res. Vol. 14, №11, 1994, p. 13-19.

78. Mashinsky A.L., Ivanova I.E., Derendyaeva T.A., Nichitailo G.S., Salisbury F "From seed to seed" experiment with wheat plants under space-flight conditions. Abstract COSPAR 29 plenary meeting, Washington, 28 August-5 September 1992, p.592

79. Morrow R.S., Bula R.J., Tibbitts. T.W., Dinauer W.R The astroculturelm flight experiment series, validating technologies for growing plants in space. Adv.Spase Res. 29th COSPAR, 1992.

80. Moench A.F., Evans D.D. Thermal conductivity and dififusivity of soil using a cylindrical heat source. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 34, 1970, p.377-381.

81. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water resour.Res. 12, 1976, p.513-522.

82. Podolsky I.G., Mashinsky A.L. Peculiarities of moisture transfer in capillary porous soil substitutes during spase flight. Adv.Spase Res. Vol. 14, №11, 1994, p.39-46.

83. Podolsky I.G., Mashinsky A.L., Berkovich Y.A., Ivanova T.N. Gas-liquid supply of the root zone of the "Svet" greenhouse vegetative pot in space flight. Proceedings of the second micro-symposium Svet-90, Sofia, 1991, p.47-55.

84. Porterfield D.M., Matthews S.W., Daugherty C.J., Musgrave M.E Spaceflight exposure effects on transcription, activity, and localization of alcohol dehydrogenase in roots of arabidopsis thaliana. Plant Physiology (1997) 113: 685-693.

85. Salisbury F., Gillespie L. and Bingham G. Preparation for CELSS flight experiments with wheat. Adv. Space Res., 1994, Vol. 14, No.l 1, p. 11-27.

86. Salisbury, F.B., G.E Bingham, W.F. Campbell, J.G. Carmen, P. Hole, L S. Gillespie, V.N. Sychov, I. Podolsky, M. Levinskikh, D.L. Bubenheim, B. Yendler. Growth of super-drawf wheat on the Russian Space Station MIR, № 961392.

87. Saxton D.E., Rawls W.J., Romberger J.S. and Papendiek R.l. Estimating generalized soil-water characteristics from texture. Soil Sei. Soc. Am. J. 50,1986, 1031-1036.

88. Stout S.C., Kuang A., Musgrave M.E. Poliar detection of hypoxia in brassica rapa plants grown in microgravity. Gravitational and space biology bulletin V13, № 1, Pll, 1999, p.ll.

89. Tsao D.T., Okos M.R., Sager J.C. Controlling the water availability from a ceramic tube system subjected to non-standard gravities. 26th International Conference on Environmental Systems. Paper No 961505. 1996.

90. Van Genuchten M.Th. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sei.Soc. Am. J. 44, 1980, p.892-898.

91. Wolf G.N. Dynamic stabilization of the interchange instability of a liquid-gas interface. Phys.Rev.Lett. 1970.V.24.n.9.pp.444-446.

92. Wright B.D., Bausch W.C., Knott W.M. Hydroponic sistem for microgravity plant experiments. Trans, of ASAE Vol. 31, N2,1988, p 440-446.

93. Yendler B., Webbon B., Podolski I. and Bula R. Capillary movement of liquid in granular in microgravity, Advances in Space Research, 18 ( 4/5), 1996, p. 233-237.

94. Yendler B.S., Podolsky I.G., Bingham G.E., et al. Moisture sensor for use in microgravity. 25th International Conference on Environmental Systems, paper № 95 1471, 1995

95. Yendler B.S. Thermal properties of unsaturated substrates used for space research. 26th International Conference on Environmental Systems, paper № 961548. 1996.140