автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка и оптимизация проектных параметров космических оранжерей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

РГБ ОД

- Ь ЯНВ 20Ш

БЕРКОВИЧ ЮЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКИХ

ОРАНЖЕРЕЙ

05-26-02 -"Безопасность, защита, спасение и жизнеобеспечение населения в чрезвычайных ситуациях"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва - 2000 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации «Институт медико-биологических проблем»

Научные консультанты:

доктор технических наук, профессор Ю.Е. Синяк; доктор биологических наук, профессор В.Б. Иванов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б. А. Адамович доктор технических наук, профессор Э.А. Курмазенко доктор биологических наук, профессор Н.Д. Алёхина

Ведущая организация: ракетно-космическая корпорация «Энергия»

Защита состоится « Л5~» 2000 г. в // часов

на заседании Диссертационного совета Д-074.31.02 при Государственном научном центре I

«Институт медико-биологических проблем»

по адресу: 123007, г, Москва, Хорошевское шоссе, 76 А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан « »_2000 г.

Учёный секретарь совета,

доктор биологических наук Н.М. Назаров

ОбШ^О

Автор посвящает эту работу соратникам по разработке оранжерей В.Л. Корбуту, RH. Павловскому, Ü.M. Симонову, В.Г. Чучкину

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из перспективных путей создания адекватных условий для жизнедеятельности людей в гермокабинах во время длительных пилотируемых космических полётов считается применение биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО), непременной составной частью которых являлись бы посевы сельскохозяйственных растений. Американские специалисты прогнозируют использование космических оранжерей (КО), т.е. устройств для культивирования растений в пилотируемых космических объектах, во всех космических миссиях ближайшей перспективы (изучение Лупы и Марса). В 1994 г. в Российской ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» было принято решение о начале разработки первой производственной КО для снабжения свежей витаминной зеленью экипажа Международной космической станции (МКС).

Первые опыты с вегетирующими растениями на борту советских орбитальных станций и кораблей в 70-е годы показали, что факторы космического полёта, воздействующие на растения в КО, не позволяют использовать наземные методы культивирования растений без существенной переработки Полётные эксперименты с растениями, проведенные к середине 80-х годов, позволили установить, что, по крайней мере, некоторые виды высших растений могут проходить полный цикл или большую часть онтогенеза в условиях микрогравитации при обеспечении в КО адекватных условий среды. Опыты последних лет, проведенные в КО «Свет» на орбитальном комплексе «Мир», окончательно доказали возможность эффективного культивирования растений без наличия постоянной силы тяжести. Вместе с тем жёсткие ограничения на объемно-весовые и энергетические характеристики КО со стороны бортовых систем космических летательных аппаратов (KJIA) вызывают необходимость разработки новых компоновочных подходов и методик оптимизации конструктивной схемы и режимов работы основных систем и узлов КО. Вследствие этого актуальной стала задача обобщения опьгга, накопленного в области создания КО и методов оптимизации их проектных и конструктивных параметров для повышения производительности оранжерей в перспективных разработках.

Целью работы является разработка и оптимизация проектных параметров космиче

оранжерей применительно к условиям микрогравитации.

Задачи, решенные в работе:

1) разработан метод оптимизации параметров светового режима для посевов растений в различного назначения;

2) разработан метод оптимизации объёмных и весовых характеристик КО за счёт организ самораздвигающихся посевов растений на выпуклых криволинейных посадо1 поверхностях, реализованный при разработке конструкций КО;

3) разработан метод оптимизации водно-воздушного режима в корнеобитаемой зоне корн* модулей КО, способный работать в условиях микрогравитации, а также эксперимента обоснованы конструктивные параметры и режимы работы устройства, реализующего дар метод;

4) разработана методика расчёта основных узлов конструкции научно-исследователь оранжереи с плоской посадочной поверхностью для орбитального комплекса "Мир" примере космической оранжереи "Свет");

5) разработана методика расчёта основных узлов конструкции производственной зеле] конвейерной космической оранжереи с выпуклой цилиндрической посадочной поверхнос которая реализована в конструкции наземной спиральной оранжереи «Фитоцикл космической оранжереи "Витацикл".

Научную новизну работы определяют:

□ Разработанный метод оптимизации режима освещения растений в КО на основе максимиз; мультипликативной свёртки критериев удельной продуктивности посева растений на еди. потребляемой энергии и единицу занимаемого объема при различных ограничения: стороны систем КЛА.

□ Предложенные метод оптимизации объёмных и весовых характеристик КО за организации самораздвигающихся посевов растений на выпуклых криволинейных посадо1 поверхностях и методика расчёта оптимальных соотношений конструктивных параметре примере цилиндрической посадочной поверхности.

□ Разработанные способ и методика расчета основных параметров устройства для корне питания растений с реверсивной водоподачей через запорную мембрану применитель. условиям микрогравитации.

□ Принципы проектирования КО для выращивания растений с выпуклыми криволинейн посадочными поверхностями, и, в частности, предложенные 7 новых устройств с разли1 формой посадочной и светящей поверхности для КО различного применения.

Разработанные методики выбора конструктивных параметров и режимов работы основных /злов и систем исследовательской КО "Свет", работающей на орбитальной станции "Мир", иземной спиральной оранжереи "Фитоцикл" и конвейерной овощной космической оранжереи КОКОР) "Витацикл".

Установленные границы диапазона допустимых значений водного потенциала в сорнеобитаемой зоне растений (на примере пшеницы и листовой горчицы). Новые экспериментальные данные по режимам работы КО, а также расчетные и (кспериментальные результаты по гидрофизическим и продукционным характеристикам ювых ионитных почвозаменителей БИОНА-312, Биона-ВЗ.

Теоретическая и практическая значимость работы заключена:

3 применении разработанных методов оптимизации и частных методик выбора проектно-сонструкторских параметров при разработке конструкций КО различного назначения, ;ащищенных 13 патентами и авторскими свидетельствами.

3 предложенных конструкциях КО, обеспечивающих организацию самораздвигающихся юсевов растений на выпуклых криволинейных посадочных поверхностях. 3 предложенных способе и устройстве для корневого питания растений в условиях микро равитации с реверсивной водоподачей через запорную мембрану, защищенных российским ттентом и использованных при разработке КО.

3 применении предложенных методов оптимизации проектно-конструктивных параметров при >азработке, изготовлении и введении в эксплуатацию научно-исследовательской КО "Свет" -[а ОС "Мир", спиральной оранжереи "Фитоцикл" и конвейерной овощной космической фанжереи (КОКОР) "Витацикл" - в лабораторных исследованиях.

3 установлении границ диапазона допустимых значений водного потенциала в :орнеобитаемой зоне растений, использованных для настройки режима увлажнения :ориеобитаемой среды в наземной спиральной оранжерее "Фитоцикл" и конвейерной овощной :осмической оранжерее (КОКОР) "Витацикл".

Основные положения работы, выносимые на защиту: летод оптимизации светового режима в КО;

:пособ и устройства для оптимизации характеристик посевов растений за счёт организации амораздвигающегося посева растений на криволинейных посадочных поверхностях; :пособ и устройство для корневого снабжения растений с реверсивной водоподачей через апорную мембрану применительно к условиям микрогравитации;

¡езультаты экспериментов по определению границ диапазона допустимых значений водного ютенциала в корнеобитаемой зоне растений;

исчетные и экспериментальные данные по гидрофизическим характеристикакм новых юнитных почвозаменителей БИОНА-312 и Биона-ВЗ;

□ разработанные конструкции космической оранжереи "Свет", спиральной оранжере! "Фитоцикл" и конвейерной овощной космической оранжереи "Витацикл".

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, выполнененш основного объема теоретических, проектно-конструкгорских разработок и экспериментальны) исследований, включая разработку методов оптимизации и частных методик выбора проекгно конструкторских параметров. Часть экспериментальных исследований и конструкторски; разработок выполнена совместна с сотрудниками ГНЦ ИМБП и др. организаций.

Внедрение полученных результатов. Результаты исследований использованы npi создании конструкций космических и экспериментальных оранжерей "Свет", "Фитоцикл" i "Витацикл".

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы i 37 печатных работах, 10 научно-технических отчётах, 14 авторских свидетельствах и патентах зг период с 1979 по 2000 г.г. и доложены на следующих научно-технических конференциях:

□ IX и XII Всесоюзные конференции по космической биологии и авиакосмической медицин! (Москва-Калуга 1982 и 1990);

□ XIII Совещание постояннодействующей рабочей группы соцстран по космической биологии у. медицине (Варна, Болгария, 1989);

о XXIV Совещание постоянной рабочей группы по космической биологии и медицине стран •

участниц программы "Интеркосмос"(Ленинград, 1991); Q XXII International Symposium on cosmic biology and medicine within the ENTERCOSMOS (Koshice, CSFR, 1990), 2-nd microsymposium "Svet-90" on biotechnology and life support system; of the space biology working group (Varna, Bulgaria, 1990),

□ 30, 31 and 32 COSPAR scientific assembly (Hamburg,.Germany, 1994; Birmingam, England, 1996: Nagoya, Japan, 1998);

□ 10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, 1994);

□ III Международное рабочее совещание по биомедицинским исследованиям в космосе "Варна-95" (Варна, Болгария, 1995)

□ 2-я Российско-Американка» конференция по программе "Мир-НАСА"(г.Королёв, 1996); Q 31-е Научные чтения памяти К.Э. Циолковского (Калуга, 1996);

□ 3-й Российско-Американский симпозиум по программе "Мир-НАСА"(Хангсвилл, США, 1997);

□ 6-th European symposium on space environmental control systems (Noordwijk, The Netherlands, 1997);

о 13-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, USA, 1997);

□ 2-й и 3-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997; Москва, 2000);

i Рабочее совещание экспертов по программе ВЮРЬЕХ(Космический центр им. Дж.Кеннеди, США, 1997);

з XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 22-26 июня 1998);

] 3-d Internationa! conference "Life support and Biosphere science" (Orlando, USA 1998); з 8-я Всероссийская школа "Экология и почвы" (Пущино,1998);

] Всероссийская молодёжная конференция. «Растение и почва» (Санкт-Петербург, 1999); з Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда; жизнеобеспечение и защита

человека в окружающих условиях» (Москва, 2000); i 30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000); i 51-st International Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000).

Структура и объём работы. Диссертация изложена на страницах, включая 39 таблиц i 105 рисунков, и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка цитированной литературы из 52 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к работе обоснована актуальность, научная новизна и практическая начимость работы, а также перечислены основные положения диссертации, вынесенные на ащиту диссертантом.

В главе 1 проведен обзор существующих космических оранжерей и предложена их лассификация. Современные проекты КО рационально подразделить по основному условию их рименения на 2 класса:

для условий гравитации (наземной или измененной по сравнению с земной, как в случае лунной и планетарных баз),

для условий невесомости (или микрогравитации), т.е. для орбитальных станций и межпланетных кораблей.

Внутри каждого из этих классов КО подразделяют по их функциональному назначению, оторое также в значительной степени определяет конструктивные параметры оранжереи.

Среди основных результатов многочисленных космических экспериментов с растениями еобходимо отметить следующие:

. по крайней мере, некоторые виды растений могут в условиях космического полёта на

орбитальных станциях проходить полный цикл онтогенеза и давать полноценные семена; . при отсутствии гравитропических реакций в условиях микрогравитации ориентация надземных и подземных органов растений может осуществляться за счёт реакций других тропизмов, обу

словленных, например, градиентами света в надземной среде или градиентами влажности субстрата и концентраций минеральных элементов в корнеобитаемой среде, и др.; 3. между растениями, выращенными в условиях космического полёта при адекватных параметрах среды в КО и в наземных условиях, могут отсутствовать существенные различия в сроках наступления основных фаз онтогенетического развития, морфометрических и биохимических характеристиках.

Результаты анализа экспериментов показали также, что реальная суточная производитель ность любой из известных научно-исследовательских КО с зеленными растениями не может превысить 45 г/сут по сырой биомассе. Таким образом, такая установка не может внести существенный вклад в обеспечение экипажа КЛА свежей витаминной зеленью. Параллельное применение нескольких исследовательских КО для увеличения суммарного выхода зеленной биомассы неэффективно по сравнению с использованием специализированной витаминной оранжереи, оптимизированной по критерию максимума удельной производительности на потребляемые бортовые ресурсы (энергию, объём и т. д.). Вследствие этого необходимо создавать зеленные производственные оранжереи.

В главе 2 проанализированы основные требования к среде обитания растений, которые в существенной степени определяют конструктивные и технологические решения при разработке КО. Только при наличии информации о влиянии факторов космического полёта (ФКП) на растения можно спроектировать КО для конкретной космической миссии. Обычно ФКП подразделяют на 3 группы: факторы внешней по отношению к КЛА космической среды (космическая радиация, вакуум, перепады температуры), динамические факторы полёта (микрогравитация, ускорения, вибрации, шум) и факторы среды обитания внутри пилотируемого КЛА (изоляция гермообъёма, искусственная газовая среда, отсутствие геомагнитного поля, температурные и барометрические колебания и др.). В данной главе на основе литературных данных кратко перечислены основные выводы работ по исследованию влияния ФКП на рот и развитие высших растений, включая некоторые из полученных нами в этой области результатов:

□ жизнедеятельность вегетирующих растений несовместима с условиями открытого космического пространства в ионосфере Земли;

□ чувствительность растений ко многим загрязнителям воздуха, например, к аммиаку и этилену, существенно более высока, чем у человека и животных;

□ оптимальные для растений давление, температура и состав газовой среды (концентрации О2, СОг и N2) в вегетационной камере, как правило, отличаются от таковых в обитаемой гермокабине;

□ для надёжного длительного выращивания растений на пилотируемых КЛА нужно предусматривать дополнительное кондиционирование воздуха, поступающего из обитаемых

отсеков в вегетационн-газовых загрязнителей.

(ую камеру КО, и очистку его от органических и неорганических

В главе 3 сформулирована заДача проектирования космических оранжерей, а также дано [ие особенностей КО как объекта проектирования. В общем случае задачу оптимального ирования КО т е си11™3- конкретной её структуры и выбора оптимальных проектных

тараметров можно отнесп' к классу задач многокритериальной оптимизации с неполным зпнсанием объекта. В процессе проектирования выделяют 4 основных этапа:

I формирование модели эффективности, включающей множество количественных и

качественных критериев к?чества системы; !. формирование дискретиог'0 множества альтернативных вариантов структуры КО в заданной

области допустимых значений параметров; 1 анализ эффективности вариантов по определённому алгоритму;

I выработка рекомендаций по составу структуры объекта и оптимизации его проектных параметров.

Для проектирования и оценки технологической структуры КО по аналогии со случаем ■роектирования СЖО мы предложили в качестве глобального критерия минимум потребления юртовых ресурсов для производства единицы полезной биомассы растений:

де Р - производительность оранжереи по полезной биомассе за единицу времени; Ш -ютребление оранжереей ¡-того ресурса за единицу времени; О - обобщённая стоимость единицы •того ресурса; к - количество видов потребляемых ресурсов.

Конструкция КО в значительной степени определяется характером космической миссии и есурсами КЛА, для которого она предназначена. Для формирования дискретного множества льтернативных вариантов Структуры перед проектированием научно-исследовательских КО олжны быть сформулирова[1Ь1 характер и длительность предполагаемых исследований, а для роизводственных оранжерьд должны быть заданы: видовой состав посева, потребная роизводительность по каЖд0д куЛЬТуре> необходимая циклограмма получения урожая и отреоный срок раооты. Крйме ТОГ0) должны быть заданы исходные данные, определяющие бласть допустимых значений выдеЛяемых для КО основных бортовых ресурсов: мощность энергопотребления.

потребление и параметры тешюносигеля (хладагента) из бортовых систем; водопотребление из запасу.

11п = ш -и 1

(1)

1-1

потребление углекислого 1аза ш воздуха гермокабины;

расход питательных солей

или почвозаменителя из запасов;

■ расход семян из запасов;

■ габаритные размеры;

■ масса КО;

■ трудозатраты экипажа;

Для согласования КО с бортовыми системами важно задать также потоки выделения энергии и веществ, а также информационные потоки:

• тепловлаговыделение в газовую среду и в систему термовлагорегулирования гермокабины;

■ производительность по несъедобной биомассе;

■ производительность по кислороду;

■ объём и циклограмму потоков передаваемой по телеметрическим каналам информации.

Назначение оранжереи определяет выбор видовой и посадочной структуры посева растений,

основные характеристики которых представлены на рис. 1. Выбор видовой структуры посева в

БСЖО в общем случае также представляет собой задачу многокритериальной оптимизации, уже

рассмотренную в научной литературе. От видовой структуры посева существенно зависит

конструкция корневых модулей и посадочных устройств в КО. Что касается посадочной

структуры посева, то её выбор подразумевает определение способов организации посева во

времени и в пространстве. В синхронных (одновозрастных) посевах неравномерное распределение

интенсивности газообмена и продуктивности растений в онтогенезе затрудняет стабилизацию

параметров газовой среды и энергопотребления в КЛА, вызывает необходимость в средствах

хранения растительной продукции от урожая до урожая, а также снижение содержания витаминов

в биомассе при её хранении. Преодоление указанных трудностей возможно путём организации

конвейерного посева. Конвейерная структура посева сама по себе не влияет на величину

суммарного урожая посева, а лишь перераспределяет процесс получения урожая во времени.

Одним из важнейших парамеров, определяющих организацию структуры посева в пространстве,

является листовой индекс, Ь - отношение суммарной площади листьев в посеве к посадочной

площади посева. Можно выразить листовой индекс и через густоту посева, т.е. количество

растений на единицу площади посева, следующим образом:

Ь = 3£-Г (Ч

Здесь -средняя площадь листьев одного растения; Г-густота посева, являющаяся важным

технологическим параметром.

Используя уравнения теории фотосинтетической продуктивности растений, было показано, что функция скорости нетто-фотосинтеза сомкнутого посева растений, определяющая его текущую фотосинтетическую продуктивность, имеет максимум в некоторой точке Ьо:

Ьо = 11п/ «СсЮ.т, 1 (3)

К [г0ш[аК10+(1-к)СсТ0]|

Видовая и посадочная структуры посева растений

Структура посева

Посадочная площадь

Организация посева во времени

Организация посева в пространстве

Синхронный . посев

Конвейерный посев Без раздвижения

1 1

Количество шагов Густота

Длительность шага

Площадь шага

Направления роста стеблей растений

Рис. 1

где а-коэффициент утилизации света посевом; г0- скорость темнового дыхания посева на единиц площади; то- проводимость карбоксилирования верхних незатенённых листьев; Ь- плотност вертикального светового потока, падающего на посев; Сс- концентрация углекислого газа в окр жающем воздухе; к- коэффициент пропускания света листом; К- коэффициент экстинкции света посеве.

Отсюда следует, что, подбирая густоту посева таким образом, чтобы выполнялось услови Ь=Ьи, можно получить структуру посева с максимальной для заданного уровня освещени скоростью фотосинтеза, а следовательно, и продуктивностью посева. Впервые эту возможност повышения производительности в КО отметил, по-видимому, исследователь из ИМБП В.Г Чучкин. Часть параметров в правой части уравнения (3) может изменяться с возрастом растение поэтому Ъ] является некоторой функцией времени. Ниже будет описан разработанный нами соавторами метод самораздвижения растений в посевах на выпуклых посадочных поверхностях удобный для КО в условиях микрогравитации.

Основным назначением конструкции любой КО является жизнеобеспечение посев растений, поэтому эти устройства должны содержать подсистемы, обеспечивающие адекватнук среду обитания и выполнение всех основных жизненных функций высших растений: 1 вегетационную систему; 2) систему освещения; 3) систему корневого снабжения; 4) систем; регулирования состава газовой среды; 5) систему термовлагорегулирования; 6) систему контрол и управления. В работе дана классификация подсистем известных КО, предназначенных дл условий микрогравитации, и проанализированы достоинства и недостатки различных варианта их исполнения. При анализе характеристик систем корневого снабжения в КО рассмотрен! теоретические модели процессов влаго- и газопереноса в капиллярно-пористых корневых среда (КС). Анализ математических моделей показал, что статическое распределение влагосодержания : распределение газов в КС с твёрдой матрицей зависят, во-первых, от гидрофизически: характеристик самой КС, во-вторых, от конструктивных параметров, т.е. размеров и форм! корневого модуля (КМ), и, в-третьих, от характеристик посева растений: пространственной распределения корней растений и интенсивности транспирации и дыхания органов растений Согласно результатам анализа модели, можно обеспечить адекватные условия увлажнение 1 аэрации корневой системы в КМ с капиллярно-пористой КС за счёт стабилизации воднол потенциала, одновременно обеспечивающего энергетическую доступность воды для корней 1 допустимое для растений содержание Ог и СО2 в газозаполненных порах КС. Этот принцип 1 положен в основу построения систем корневого снабжения в КО для условий микрогравитацш Для проектирования систем корневого снабжения в КО необходимо знать такие критически' параметры в корнеобитаемой зоне, как минимальная допустимая для растений концентрация О; максимально допустимая концентрация СОг или соответствующий им в КМ допустимы) диапазон водных потенциалов.

В результате анализа каждой из подсистем КО были сделаны следующие основные выводы

1 Важнейшими характеристиками режиму подсистемы освещения растений является спектральное распределение энергии излучения светового источника, а также плотность потока ФАР, падающегося на посев, фотопериод и интегральная энергия освещения посева в течение вегетации.

2. Контроль и поддержание адекватного увлажнения и аэрации в корнеобитаемой зоне растений в подсистеме корневого снабжения при отсутствии гравитационных сил наиболее надёжно осуществляется в корнеобитаемых средах с твёрдой матрицей.

3. Полузакрытая схема воздухообмена в космических оранжереях даёт наиболее широкие возможности для регулирования состава и физических параметров газовой среды растешш.

4. Системы адаптивного управления параметрами среды обитания растений являются эффективным средством улучшения среды обитания растений и оптимизации энерговесовых характеристик в производственных космических оранжереях.

Анализ эффективности проектных вариантов и выработка рекомендаций по структуре и проектным параметрам КО производится по критерию типа (1) с учётом изложенных характеристик подсистем и требований к среде обитания растений.

Глава 4 работы посвящена оптимизации параметров режима освещения посевов растений, что является одним из основных резервов повышения эффективности подсистемы освещения как основного потребителя электроэнергии в КО. Рассмотрена методика оптимизации таких основных параметров режима освещения растений, как фотопериод, плотность вертикального потока падающей на посев растений фотосинтетически активной радиации (ФАР), а также длительность товарной вегетации. Вначале с использованием уравнений математической теории фотосинтетической продуктивности выведены зависимости, связывающие значения удельной производительности КО с параметрами режима освещения посева растений:

♦ для суточной производительности оранжереи на единицу её объема (Му):

= УАт1[1-е»р(-КЬ)1 (4)

У а1 + Р

где I - плотность вертикального потока ФАР на уровне верхних, незатенённых листьев растений в посеве, Ь - листовой индекс посева; К - коэффициент рассеивания (экстинкции) света в посеве, зависящий, в основном, от строения и расположения листьев растений в посеве; т - длительность фотопериода; X, а, (5- коэффициенты, зависящие от особенностей фотосинтетического аппарата растений и ряда параметров среды обитания, за исключением освещения; у = в/ V; Б- освещаемая площадь посева в оранжерее, V- объём оранжереи;

♦ для суточного прироста биомассы в посеве на единицу объёма (Мн):

м т= Г,ш1 (5;

8(1 + г/у)(а1+Р) у5(1+г1/у)х1'

где т - длительность фотопериода; б- коэффициент, зависящий от типа ламп, конструкции

отражателя и компоновки вегетационной камеры; го - коэффициент дыхания поддержания; п -

коэффициент дыхания роста.

Из уравнения (4) следует, что Му в оранжерее монотонно возрастает с увеличением плотности потока ФАР, асимптотически приближаясь к максимальному значению соответствующему «световому насыщению» фотосинтеза посева растений. Анализ функции (5] показывает, что она имеет максимум в точке:

РУ5г0тЬ т]ау\1 [1 - ехр(-ЬК) - а^ГдшЬ

На рис. 2 изображены зависимости (4) и (5), нормированные максимальными величинами при расчете по одной и той же световой кривой для посева светолюбивых растений. Эксперименты показали, что в широком диапазоне варьирования интенсивности света, падающего на посев растений, не существует оптимального светового режима, который обеспечивал бы одновременно максимум производительности оранжереи на единицу ее объема и максимум энергетической эффективности оранжереи. Следовательно, для выбора наилучших параметров I и т для светового режима в оранжерее в этом случае требуется сформировать некий компромиссный критерий. В качестве такого критерия логично предложить свертку показателей (4) и (5), например, в виде вышеупомянутого критерия (1). Однако, входящие в выражение (1) стоимостные оценки для таких ресурсов, как электроэнергия и объём для будущих космических экспедиций носят лишь ориентировочный характер, если вообще существуют. Поэтому для случая оптимизации светового режима в КО на предварительных этапах проектирования мы предложили

Зависимость удельной производительности КО от облучённости растений, построенная по световой кривой посева светолюбивых растений

МЕ О ЙК,

________Му - суточная производительность

*-"—---г—=—оранжереи на единицу объема в % от

максимального значения; Ме -

энергетическая эффективность оранжереи

в % от максимального значения, О -

компромиссный критерий оптимизации

светового режима в оранжерее в % от

максимального значения; 1к - световой

компенсационный пункт; 1е - облученность,

соответствующая максимуму Ме посева;

100 200 300 400 1р ~ облученность, соответствующая

, максимуму Му посева; 1т - облученность, Облученность посева в области ФАР, Вт/м тч

3 ' соответствующая максимуму О посева.

в качестве компромиссного критерия величину:

max Q(I, т, L) = шах (МЕ • MVJ (7)

Для любой конкретной световой кривой посева кривая (7) имеет экстремум в некоторой точке Im; Ie< 1р На рис. 2 показан график критерия, вычисленного через величины удельных производителыюстей, нормированные своими максимальными значениями:

_ m m

Q = Q(I)/Q„,= (Му/ Mv ) X (МЕ / Мк) (8)

Далее приведена методика выбора оптимальных параметров светового режима на основании результатов полных или дробных многофакторных наземных эксперименте? с растениями по предложенному критерию для конкретных КО в 3-х практически важных случаях: 1) при низкой интенсивности светового потока, т.е. когда I < 1е 2) при синхронном посеве с фиксированной густотой посадки растений; 3) при конвейерном посеве с фиксированной густотой посадки. На рис. 3 даны диаграммы нормированных значений критериев (4), (5), (8) для 3-го случая при использовании посевов пекинской капусты в разных возрастах при значениях облучённости растений от 50 до 150 Вт/м2. Диаграммы наглядно показывают, что оптимальные световые режимы зависят от возраста растений, т.е. целесообразно использовать различные световые режимы на разных шагах растительного конвейера в КО. Описанная процедура позволяет проектировать эффективные планы наземных вегетационных экспериментов для конкретных видов посевов в космических оранжереях и выбирать оптимальные световые режимы. В заключение главы дана методика выбора длительности товарной вегетации растений для общего случая конвейерного посева по критерию'

Q(I,t, Т) = шах Qfl,т, ti); i= l,2,...n, (9)

где n - число шагов конвейерного посева, ti - возраст растений на ¡-том шаге.

На рис. 4 показана зависимость критерия оптимальности светового режима от длительности вегетации капусты пекинской в конвейерной оранжерее «Фитоцикл», построенная по предложенной методике. Согласно этой зависимости в данных опытах оптимальная длительность вегетации составила около 30 дней.

В главе 5 описан метод оптимизации характеристик космических оранжерей за счёт организации самораздвигающегося посева растений на криволинейных посадочных поверхностях. Показано, что одним из путей существенного повышения удельной производительности в космических оранжереях может служить применение специальной пространственной организации посевов растений. Известные конструкции космических оранжерей в основном повторяют компоновку наземных вегетационных устройств. Стебли растений в посевах на таких поверхностях параллельны. Такая компоновка в наземных условиях обусловлена существованием преимущественного направления ориентации растений, заданного вектором силы тяжести и отслеживаемого ими с помощью гравитропических реакций. Опыты по

культивированию растений в условиях космического полета показали, что при отсутстви! гравитационных сил стебли растений могут ориентироваться по направлению к источнику света з; счёт реакций фототропизма. Следовательно, задавая в условиях невесомости световое поле i различными пространственными характеристиками вблизи посадочной поверхности с помошьк светотехнических устройств, можно получать посевы растений с различными направлением! стеблей в пространстве.

Критерии оптимизации светового режима для посевов растений капусты листовой в разном возрасте при облученности в области ФАР до 150 Вт/м2

6

7 8 9 10 Номера шагов конвейера Рис. 4

Для реализации вегетационных камер подобного типа Зависимость критерия оптимальности

светового режима, От от длительности

источники света, освещающие посев, необходимо

вегетации капусты пекинской в равномерно распределить на вогнутой криволинейной оранжерее "Фитоцикл"

поверхности той же формы, что и посадочная, но

внешней, концентрической и/или коаксиальной по

отношению к выпуклой посадочной. Как показали наши

опыты, при отсутствии однонаправленной силы тяжести

в таких установках стебли растений в посеве

ориентируются вдоль нормалей к посадочной

поверхности за счет фототропических реакций и

направления стеблей растений в таких посевах являются

расходящимися: расстояния между верхушками растений по мере их роста увеличиваются,

происходит самораздвижение растений в посеве, уменьшается взаимное затенение листьев и

улучшается светораспределение в посеве. Мы назвали такие посевы самораздвигающимися.

Принимая во внимание этот эффект, был предложен ряд компоновок оранжерей для условий

микрогравитации: со сферической посадочной поверхностью (рис. 5 и 6), цилиндрической (ркс. 7

и 8) и тороидальной (рис. 9 и 10). Новизна предложенных наш! с соавторами устройств

подтверждена в 7 авторских свидетельствах и 2-х патентах. В работе дано описание конструкции и

работы каждого из этих устройств. Опыты со спиральной оранжереей «Фитоцикл» показали, что

самораздвигающиеся посевы растений могут быть

реализованы и в наземных установках. Для этого

необходимо непрерывно вращать посев на

выпуклой посадочной поверхности вокруг её

горизонтальной оси со скоростью в диапазоне от 2

до 10 оборотов в час для нейтрализации реакций

гравитропизма.

Для сравнения эффективности

предложенных нами конструкций и КО с традиционной компоновкой мы провели сравнительный анализ объёмов, занимаемые посевом растений на плоской и на криволинейных

посадочных поверхностях. Для удобства сравнения

, 1 - растения, 2 - посадочная сфера, 3 -

посевов были введены следующие допущения: г . , г

посадочные гнезда, 4 и 5 - патрубки

1) вид, количество и возраст растений в посевах для подачи питательного раствора, б -

светоотражающий экран, 7 источники одинаковы; г г

света

Устройство для выращивания растений на сферической посадочной поверхности

Устройство для конвейерного выращивания растений на сферической посадочной

поверхности АН ¿сА

1 - сферическая посадочная поверхность, 2 - посадочные гнезда, 3 - ось вращения, 4 -светоотражающие сферические двуугольники, 5 - источники света, 6 - люк

О

Рис. 6

Устройство для выращивания растений на цилиндрической посадочной поверхности

1 - посадочная цилиндрическая поверхность,

2 - посадочное гнездо,

3 - ось вращения,

4 - патрубок подачи питательного раствора,

5 - источники света,

6 - светоотражающий цилиндр

Рис. 7

Устройство для конвейерного выращивания растений на цилиндрической посадочной поверхности

I - опорный узел; 2 - посадочный барабан; 3 - светотражающий экран; 4 - источники света; 5 -узел подачи питательного раствора; 6 - перфорированный сердечник; 7 - капиллярно-пористая набивка; 8 - разъемные кольцевые вегетационные сосуды; 9 - посадочные гнезда; 10 - фитили;

II - окно для съема урожая; 12 - привод посадочного барабана; 13 - редуктор

Рис. 8

Устройство для выращивания растений на тороидальной посадочной поверхности

А

В

5

1Главная ось П вращения

7

- поперечное сечение вегетационной радиус освещаемой поверхности; г°.

Л - общий вид с вырезом (без растений) и В

камеры; — радиус вращения тороида; гт — у<ш.пуь итадаьмип пии^^^ш^лц 1 т - радиус сечения корнеобитаемой зоны; 1 - вегетационный сосуд; 2 - патрубок для подачи питательного раствора; 3 - круговая цилиндрическая поверхность; 4 -посадочная поверхность; 5 - светоотражающий экран: 6 - окно; 7 - источники света

Рис. 9

Устройство для конвейерного выращивания растений на тороидальной посадочной

поверхности

1 - вегетационный сосуд с посадочными гнездами, 2 - патрубок для подачи питательного раствора и воздуха, 3 -цилиндрическая круговая поверхность, 4 -тороидальная посадочная поверхность, 5 -светоотражающий экран, 6 - люк, 7 -источники света, 8 - двигатель, 9 - зубчатая передача

2) усредненные морфометрические показатели растений, в частности, распределен!!! фотосинтезирующих органов по высоте растений в посевах, одинаковы;

3) освещаемая лампами площадь посевов растений на уровне их верхних листьев, которук обозначим через Бь, одинакова;

4) плотность нисходящего потока энергии ФАР на уровне верхушек растений для каждого посев; одинакова, т.о. посевы получают одну и ту же энергию фотосинтетически активной радиациг за единицу времени.

В таблице 1 представлены основные геометрические параметры и выражения для площад! и объема вегетационных камер с выпуклыми посадочными поверхностями и светоотражающим! экранами различной формы. Данные таблицы свидетельствуют о том, что сферическая компоновка космической оранжереи со сферической посадочной поверхностью может дат! максимальный выигрыш по объему приблизительно в 3 раза, а с цилиндрической и тороидальной - в 2 раза.

Для анализа скорости прироста биомассы в посевах воспользуемся известной моделью роста растений в гомогенном сомкнутом посеве в фазе вегетативного роста, в которой скорость роста биомассы (1М/сИ в посеве, пропорциональна скорости нетго-фотосинтеза посева. Следуя теории Монси-Саэки, описывающей светораспределение в наземном растительном покрове как гомогенной среде (теория "большого листа"), при принятых выше допущениях были найдяны уравнения скорости нетго-фотосинтеза на единицу освещаемой площади посева на плоской и выпуклых посадочных поверхностях. Математический анализ полученных уравнений позволил показать, что для любого закона распределения площади фотосинтезирующих органов растений по глубине посевов можно написать соотношение:

где с1М/{к - скорости прироста биомассы для различных форм посадочной поверхности, соответствующих указанным нижним индексам: 8 - сфера, Т - тор, С - цилиндр, Р - плоскость.

Итак, мы доказали, что одна и та же энергия, затраченная на освещение растений, позволяет в рассмотренных нами самораздвигающихся посевах на выпуклых криволинейчых посадочных поверхностях получить большую продуктивность, чем в случае обычного посева на плоскости. При этом наибольшей продуктивностью на единицу энергии из трех рассмотренных случаев обладает посев на сфере, а наименьшей - посев на цилиндре. Тороидальная посадочная поверхность занимает промежуточное положение в смысле обеспечения энергетической эффективности посева. Таким образом, экономия объёма и потребляемой энергии в предложенных нами КО с выпуклыми посадочными поверхностями делает эти конструкции более эффективными в смысле мультипликативного критерия (7), чем традиционные установки с плоской посадочной поверхностью.

(10)

Геометрические параметры и соотношения поверхности и объема посевов в оранжереях

Таблица I

Параметры и показатели Форма посадочной поверхности

Сферическая Цилиндрическая Тороидальная Плоская

Схематические изображения вегетационных камер с указанием характерных размеров 5$)

/1

Радиус посадочной поверхности Г8 = 1) гс ^ Ь г? = Ь 00

Площадь посадочной поверхности ¿= 4пг1 = 4к\\ Б? = 2яг,1 = 2лЫ

Радиус освещаемой поверхности кя = ь + нВ1 Яс = Ь 1- Н,„ гт = Ь -1 Н„ 00

Площадь освещаемой поверхности Я, = 4 тс Я,1 = 4тс(Ь + И...)' 2лК,1 = 2л(|1 + Н„)1 = 1тС (Ь + Н.)^, + - (Ь + Н..)|

Объем, занимаемый посевом V, = -5,. 01+ Н.) 3 3 ** ( 2 Л Ур = Б^Ь+Н,,)

Отношение объема посева к объему посева на плоскости при 5з=5с-5т=3р=5ь 1/3 1/2 1/2 1

* - согласно 1-ой теореме Гульдена; ** - согласно 2-ой теореме Гульдена; Нга - максимальная высота растений в съемном возрасте; Ь - высота корнеобитаемой зоны; Бь - освещаемая площадь посева; 1 - длина вегетационной камеры; Ят - радиус вращения тороида

Пользуясь полученными нами выражениями для освещаемой поверхности посевов, данными в табл.1, были получены законы самораздвижения верхушек растений в посевах на различных посадочных поверхностях в процессе роста, т.е. функции вида:

8°(»)

о(0 = "

Sp

(И)

где 8°(0,5Р - площади освещаемой и посадочной поверхностей посева растений в возрасте I, соответственно.

Обозначая соотношение высоты надземной и подземной частей посевов в процессе роста растений через функцию получили законы самораздвижения посевов в следующем виде:

для сферы:

для цилиндра:

для тороида:

o.(t) = -y[h + H(t)]2 = |i+X(t)l2 h

tfc(0=4[h + H(t)] = l+x li

_ , Hit) 2 H(t)[h + H(t)l , 1 + x aT(t) = l + -^+~—^-^ = 1 + Х + Х-

b RT +

2b

1 +

(12)

(13)

(14)

Законы самораздвижения посевов растений салатной горчицы для различных форм выпуклых посадочных поверхностей радиусом 7 см

к) 2h

где h - высота корнеобитаемой зоны или высота корневого модуля; H(t)- высота надземной части растений в возрасте t.

На рис. 11 показаны в качестве примера законы самораздвижения растений салатной горчицы в посеве посадочной поверхности различной формы, когда высота подземной части h равнялась высоте вегетационного сосуда в оранжерее "Фитоцикл", т.е. 7 см.

Испытания оранжереи "Фитоцикл" позволили оценить экономию мощности электроэнергии для витаминной оранжереи с номинальным энергопотреблением 1 кВт величиной около 280 Вт. Для более крупных оранжерей, например, в рамках проекта NASA "BlOPlex", экономия мощности электропотребления составила бы десятки кВт, а экономия объёма - десятки м3.

8 16 Время, сутки Поверхности: 1 - сферическая;

2 - тороидальная с Ят = 10 см;

3 - тороидальная с Ят = 100 см;

4 - цилиндрическая

Рис. 11

В главе 6 материалы связаны с разработкой и испытаниями системы корневого питания растений с реверсивной водоподачей через запорную мембрану для оптимизации увлажнения и

аэрации корневой системы в условиях микрогравитации. Анализ достоинств и недостатков 7 разновидностей систем корневого снабжения, предложенных для КО, показал, что наиболее отработанный и безопасный для условий микрогравитации метод корневого питания основан на применении ионообменных соленасыщенных почвозаменителей с твёрдой матрицей, в особенности в виде волокнистых материалов. Примером служит КО «Свет», в которой имеется система с принудительной дозированной подачей воды или питательного раствора и воздуха в гранульную или волокнистую корневую среду (КС) по сигналу регулятора с датчиком влажности в вегетационном сосуде. Однако, результаты мониторинга влагосодержания в корневых сосудах КО "Свет" на орбитальной станции "Мир" свидетельствовали о том, что в условиях микрогравитации, по крайней мере, в некоторых зонах корневого модуля (КМ) влажность почвозаменнтеля балканина снижалась в отдельные периоды вегетации до величин, которые находятся за нижней границей допустимого для растений диапазона. Было отмечено, что регулятор влажности в режиме автоматической работы во время вегетации растений па орбитальной станции не обеспечивал достаточной стабилизации влагосодержания, что потребовало многократных коррекций режима увлажнения КС по командам с Земли. Возможной причиной таких нарушений авторы этих исследований считают изменение скорости и направлений миграции влаги в условиях микрогравитации. Это может приводить, в частности, к резкому замедлению оттока воды из переувлажненных зон корнеобитаемой зоны после подачи доз воды регулятором и к снижению концентрации кислорода в них. Аэрация же корнеобитаемой зоны в такой системе с помощью продувки воздуха через перфорированные трубки, генруженчые в гранулированную корнеобитаемую среду, по-видимому, недостаточно эффективна, так как потоки воздуха под давлением пробивают каналы в этой среде и не обеспечивают значительной площади контакта воздуха и КС. Следствием этого могло быть снижение продуктивности посева и отклонения в развитии растений, наблюдаемые в вегетационных полётных экспериментах в КО «Свет» в 1990 -97 гг.

В другой известной системе корневого снабжения для американской КО "Авиосикиге" имела место подача воды через пористую мембрану (например, пористую трубку) в корневой модуль с почвозаменителем, причём величина водного потенциала (ВП) на ее поверхности регулировалась с помощью стабилизации давления жидкости в подводящей магистрали. Как показали опытные данные американских исследователей, в таких системах также могут возникать проблемы, связанные с возможным образованием плохо вентилируемых переувлажнённых зон в корневом модуле, что было обнаружено по 5-кратному возрастанию алкогольдегидрогеназной активности в корнях растений. Для устранения или, по крайней мере, снижения влияния указанных недостатков была предложена новая система с принудительной реверсивной водоподачей через запорную мембрану в корнеобитаемую зону растений. В основу этой системы положены следующие соображения:

■ недостатки, связанные с недостаточным увлажнением слоев или областей субстрата, удаленных от зоны подачи в него жидкости, могут быть устранены путем медленногс принудительного затопления почти всех пор корневой матрицы;

■ проблемы аэрации, возникающие при переувлажнении субстрата, могут быть устранены путе^ принудительной дозированной откачки избытка воды из корневой матрицы с освобождением части пор от воды;

■ чередование принудительного затопления и откачки жидкости позволяет осуществлять полие и осушение (аэрацию) корней в КМ в условиях микрогравитации подобно тому, как этс происходит в наземных условиях при обычном поливе почвы и последующем гравитационное стоке воды.

Схема разработанной нами системы реверсивной подачи воды изображена на рис. 12. Перед началом работы резервуар (1) заполняют водой до контрольного уровня. Работа начинается с включения насосов (2) и (9) при закрытом кране (10) Насос (2) настраивают на постоянный режим, обеспечивающий в резервуаре 1 давление, пониженное по сравнению с атмосферным. Указанный перепад давлений устанавливают меньшим по абсолютной величине, чем критическое давление пробоя стенок пористой запорной трубки (5), равное в КМ оранжереи «Витацикл» примерно 8 кПа. Например, можно выбрать этот перепад в диапазоне от -3 до -5 кПа. При водном потенциале, соответствующем величине перепада давлений в -5 кПа, в почвозаменителе "БИОНА-ВЗ", например, 50% объема всех пор заполнено воздухом, а остальные 50% - водой. Насос 9, развивающий напор больше величины в 5 кПа, подает дозу воды заданного объема в гидравлический контур устройства. Эта доза воды не должна превышать разности между полным влагосодержанием КС и её влагосодержанием при выбранном водном потенциале -5: Па. Вода, поступающая с малым расходом через пористую трубку (5) в КС, в этом случае заполняет часть объема пор почвозаменителя (б), вытесняя при этом из них воздух. После подачи дозы воды водный потенциал в КМ должен установиться на уровне от -1 до -2 кП, оптимальном для корневого питания растений. После завершения цикла подачи дозы воды насос (9) выключают, а кран (10) открывают. Из-за установившейся при работе насоса (2) разности давлений между

Схема системы реверсной подачи через пористую запорную трубку корневого модуля

8

1 - герметичный резервуар;

2 - компрессор; 3,4 - трубопроводы;

5 - пористая трубка; 6 - почвозаменитель; 7 - пластиковый чехол; 8 - посадочные отверстия; 9 - насос; 10 - кран; 11- угольный фильтр; 12 - расходомер; 13 - программатор

Рис. 12

затопленным в предыдущем цикле гидравлическим контуром устройства и резервуаром (1) юда откачивается в последний по ветви (4), освобождая часть пор в почвозаменителе (6), в которые вместо воды поступает свежий воздух из атмосферы. При этом вода, проходя через установленный в ветви (4) фильтр (11), очищается от растворенных органических примесей, поступающих в нее из почвозаменителя вследствие выделения корневых метаболитов растений. Капиллярные силы в почвозаменителе удерживают воду на уровне заданного минимального ВП, равного перепаду давлений между атмосферой и водой внутри пористой трубки (5), (в нашем случае -5кПа). Далее описанные циклы подачи и откачки воды из КМ повторяются в течение всей вегетации. Время периода откачки может изменяться в процессе вегетации растений за счет изменения гидрофизических свойств запорной пористой трубки (5) и почвозаменителя (6) вследствие развития корневой системы растений, образования микрофлоры и т.д. Коррекцию уставки длительности периода откачивания воды из почвозаменителя (б) в процессе вегетации на программаторе (13) проводят с помощью измерения расхода откачиваемой воды расходомером (12), снабженным электрическим выходом, соединенным с программатором. Для оптимизации характеристик системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей был выбран в качестве КС волокнистый ионообменный почвозаменитель. Волокнистый субстрат в случае применения для КО имеет следующие преимущества:

■ сохраняет структуру и плотность КС в условиях микрогравитации; • не требует оболочек для фиксации объёма почвозаменителя в КМ;

■ не выделяет в атмосферу кабины KJIA твёрдых частиц.

По нашему техзаданию в Институте физико-органической химии (ИФОХ) АН Беларуси под руководством д-ра В.В. Матусевича был разработан новый волокнистый почвозаменитвль «БИОНА-ВЗ» на основе сильнокислотного катионита ФИБАН К-1 и слабоосновного анионита ФИБАН АК-22-1 для использования в системе корневого питания с реверсивной подачей воды через запорную мембрану. Биологические испытания субстрата проводили совместно с ИФОХ АН Беларуси в фитокамере. Влажность субстрата поддерживалась на уровне 70 % от полной гравитационной влагоемкости путем стабилизации уровня в сосуде с водопроводной водой для полива растений. Для оценки потенциала продуктивности почвозаменителя проводились опыты на сосудах различного объема (в дм3): 0,07; 0,13; 0,24 и 0,56. В результате испытаний показано, что 1 кг сухого субстрата «БИОНА-ВЗ» при поливе водопроводной водой может обеспечить получение за одну вегетацию до 2,4 кг сырой биомассы капусты пекинской. Значение весового потенциала продуктивности для разработанного субстрата составило 180 мг/г, а объемного- 26,9 мг/см3, что примерно в 2,5 раза выше аналогичных показателей известного ранее волокнистого почвозаменителя «БИОНА-В». Из опытов было определено, что объём «БИОНА-ВЗ» в корневом модуле зеленной оранжереи должен выбираться из расчёта около 120 см3 на растение.

Как было показано ранее, одной из важнейших задач при расчёте и оптимизации систем корневого питания растений является определение допустимого диапазона изменений водлых потенциалов и/или связанных с ними допустимых значениях влажности КС в корнеобитаемой зоне. Напомним, что под ВП здесь мы понимаем сумму матричного потенциала, который в наземных условиях измеряют как разрежение в жидкости под пористой мембраной или внутри пористой трубки в КМ, и гравитационного потенциала воды. Оценки допустимого диапазона влажности в КС были получены путем культивирования растений в течение всей вегетации при разных стабилизированных значениях ВП в корнеобитаемой зоне. Верхнюю границу оптимального для растений диапазона ВП, которая определяет минимальный уровень достаточной аэрации корней в КС, мы приняли приблизительно равной по модулю критическому давлению (Ркр) пробоя воздухом слоя КС, которое составляет обычно величину не ниже (-1,0) кПа. Увеличение ВП сверх этой величины вызывает образование водяных пробок в самых крупных порах КС и потерю связности газозаполненных пор. Для определения нижней границы диапазона мы проводили вегетационные опыты на специально разработанном экспериментальном стенде с подачей питательного раствора в 12 плоских КМ с дном из пористого титана, на который насыпали слой перлита толщиной 2-3 см, с размерами гранул в пределах от 0,25 до 1,25 мм. ВП в КМ поддерживали, регулируя разрежение в питательном растворе в подмембранном пространстве. Гидравлическая схема стенда представлена на рис. 13. Наклюнувшиеся семена горчицы или пшеницы в количестве 10 или 16 шт, соответственно, высаживали в каждый КМ, и мульчировали сверху слоем полиэтиленовых гранул толщиной 1 см. Серия опытов по исследованию влияния ВП в КС на рост и развитие растений включала по 4 эксперимента с каждой культурой. На рис. 14 представлены зависимости снижения средней сырой массы побега от величины ВП в корнеобитаемой среде у растений горчицы и пшеницы различного возраста. Статистический анализ данных показал, что достоверное снижение массы побегов при 5 %-м уровне значимости наблюдали при значениях ВП ниже -2.0 кПа. В опытах с растениями пшеницы влияние низких ВП в корнеобитаемой среде также возрастало по мере роста растений. Влияние ВП в корнеобитаемой среде на число цветков в колосе главного побега пшеницы в фазе колошения иллюстрирует рис.15. Результаты опытов позволили принять за нижнюю границу допустимого диапазона ВП для пшеницы значение -2,0 кПа, при котором с вероятностью 0.95 еще не наблюдалось статистически досто-

Схема испытательного стенда

1 - корневой модуль; 2 - перлит; 3 - сосуд Мариотга .с раствором; 4 - пористая мембрана; 5 - сливная трубка

Зависимость отношения сырой массы побегов (М), выращенных при разных водных потенциалах, к сырой массе побегов (М1), выращенных при -1 кПа, для растений

горчицы (А) и пшеницы (Б) разного возраста

А Б

~ м-юо%

Влияние ВП в корнеобитаемой среде на количество цветков в колосе главного побега пшеницы в фазе N колошения

80

Водный

потенциал, кПа

Рис. 14

верного снижения числа цветков в фазе цветения и зерновок в фазе полной спелости в колосе главного побега по сравнению с вариантом при ВП, равном -1.0 кПа. Таким образом, оценки нижней границы допустимого диапазона ВП для растений горчицы и пшеницы совпали. Близкое значение нижней границы исследуемого диапазона ВП мы получили и в опытах с растениями пекинской капусты, выращиваемой на слое почвозаменителя «БИОНА-ВЗ» толщиной 1 см. Статистически достоверное снижение

продуктивности растений наблюдалось при значении ВП, меньшем, чем -2,5 кПа. С учётом аналогичных данных американских учёных S. Steinberg & D. Henninger, 1997, полученных для соевых бобов, выращиваемых на почвозаменителе "Profile™", был сделан вывод, что при культивировании растений в небольших вегетационных сосудах (с объёмом от 30 до 120 см3 на одно растение) с различными корнеобитаемыми средами нижняя граница допустимого диапазона ВП близка к значению (-2,0) кПа и слабо (в пределах 15-20%) зависит от вида почвозаменителя. Отметим, что полученная оценка нижней границы диапазона допустимых ВП почти на порядок выше, чем принятые в почвоведении для тех же растений в полевых условиях.

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12

Водный потенциал, кПа Рис. 15

Экспериментальные оценки влияния на нижнюю границу допустимого диапазона ВП таких важных конструктивных параметров КМ, как форма поверхности мембранного элемента и наличие капиллярно-пористого почвозаменителя в корнеобитаемой среде были получены в опытах с суперкарликовой мягкой пшеницей. В результате синхронного культивирования растений на специально разработанном нами стенде при трёх значениях ВП, равных (-0,4), (-3,0) и (-5,0) кПа, были получены следующие основные результаты:

1. В корневых модулях с системой подачи питательного раствора к корням растений через пористые мембраны заполнение корнеобитаемой зоны капиллярно-пористым почвозаменителем обеспечивало увеличение продуктивности растений. При одинаковых значениях водного потенциала в корнеобитаемой зоне в диапазоне от -0,4 до -5,0 кПа продуктивность растений пшеницы, выращенных в корнеобитаемых модулях с перлитом, увеличивалась в 1,3 - 4,0 раза по сравнению со случаем культивирования растений непосредственно на поверхности плоских или трубчатых пористых мембран.

2. Гидрофизические характеристики корнеобитаемой среды в корневых модулях с системой подачи питательного раствора к корням растений через пористые мембраны изменяются в процессе онтогенеза, поскольку формируется корневой мат, представляющий собой особую капиллярно-пористую среду с гидрофизическими характеристиками, зависящими от массы, плотности переплетения и других характеристик корневой системы.

3. Отработку режимов увлажнения в КМ, предназначенных для условий микрогравитации, желательно проводить в условиях реального космического полета или в вегетационных установках клиностатного типа, поскольку изменения распределения влаги в любых КМ при отсутствии гравитационных сил будут приводить к иному, чем на Земле, расположению корневой системы.

Полученные оценки допустимого диапазона ВП были учтены в процессе экспериментальной проверки предложенной системы корневого питания с реверсивной водоподачей. Объектом культивирования служили растения пекинской капусты. Вегетацию растений проводили на 2-х экспериментальных стендах. На стенде для выращивания контрольного посева на протяжении всей вегетации поддерживали стационарное значение ВП, равное -1,3 кПа, а испытательный стенд включал устройство для реверсивной водоподачи в КМ и воспроизводил циклограмму изменения ВП в разработанной системе корневого снабжения, показанной на рис.12. Проведенные нами исследования переходных процессов позволили выбрать для вегетационных опытов дли тельности фаз закачки и откачки равными 2,5 и 1,5 часа, соответственно. Подача раствора в пористую трубку КМ осуществлялась поршневым насосом-дозатором. Длительность паузы между закачкой и откачкой установили равными 8 час в I варианте и 20 часам - во П варианте опыта, что обеспечило прохождение одного или двух полных циклов в системе за сутки.

В. результате опытовустановили, что растения I варианта опыта в момент уборки практически не отличались от контрольного варианта, а растения II варианта, напротив, имели массу побегов почти на 40% меньшую по сравнению с контролем. Пониженное по сравнению с контролем водопотребление в испытательных посевах в последние дни вегетации позволило предположить, что ингибирующим фактором в опыте являлся водный дефицит в корнеобитаемой зоне. Для проверки этого предположения оценили величину максимально допустимой длительности паузы, Ткр, водопотребление растений при которой было бы тем же, что и в контрольном варианте, по уравнению баланса для потоков воды в КМ. Расчетные значения ТКр для ■посева на 30-й день вегетации составили 7,4 часа. Сравнение этих данных с паузами в опытных вариантах I и II позволило подтвердить правильность предположения о наличии водного дефицита в корнеобитаемой зоне, хотя время воздействия данного фактора в этих вариантах существенно различалось. В целом, предложенная методика позволяет определять основные параметры режима работы системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей, а именно: допустимый диапазон варьирования ВП в кор необитаемой зоне; дозу закачиваемой в КМ воды; длительность фаз откачки и закачки воды в ЮМ, максимально допустимую длительность паузы между откачкой и закачкой воды.

Влияние периодического изменения ВП в корнеобитаемой зоне в качестве одного из факторов, воздействующих на рост и развитие растений, была экспериментально оценена на основании сравнения характеристик растений, выращенных нами в КМ с периодическими изменениями водного потенциала от -0,5 до -3,0 кПа, и растений, выращенных при постоянных уровнях ВП, равных -0,5 и -1,0 кПа. В результате установлено, что кратковременное периодическое изменение ВП в корневом модуле в пределах от -0,5 до -3,0 кПа в условиях наземного культивирования зеленных растений не оказывает отрицательного воздействия на их рост и продуктивность.

Следует, однако, иметь в виду, что в условиях микрогравитации такие параметры системы корневого снабжения, как объемы закачиваемых в КМ доз воды, длительность переходных процессов и водопотребление растений могут отличаться от наземных. Для их уточнения мы запланировали специальный технологический эксперимент «Витацикл-Т» в исследовательском модуле Международной космической станции.

Заключительная глава 7 посвящена разработке методик расчёта ряда проектных параметров, использованных при создании научно-исследовательской оранжереи «Свет» и конвейерных оранжерей «Фитоцикл» и «Витацикл», а также описанию конструкции и результатов работы этих оранжерей. Среди таких параметров: диаметр посадочной поверхности, размеры цилиндрического корневого модуля, а также градиент водного потенциала по толщине корнеобитаемой среды с посевом растений. Методики расчёта позволили оптимизировать в оранжереях использование потребляемых ресурсов: световой энергии и искусственного

Общий вид оранжереи "СВЕТ"

почвозаменителя. Научно-исследовательская КО «Свет» была разработана в рамках программы «Интеркосмос» в 80-е годы коллективом российских и болгарских учёных при непосредственном участии автора, и 10 июня 1990 г. была установлена в технологическом модуле «Кристалл» орбитального комплекса «Мир». Первый эксперимент с растениями редиса и пекинской капусты был начат на борту в процессе основной экспедиции ЭО-16 15 июня 1990 г. космонавтами Л.Соловьевым и А.Баландиным и продолжался до 9 августа 1990 г. КО «Свет» работает в модуле «Кристалл» ОС «Мир» по настоящее время, но последующие опыты проводились без нашего участия. Общий вид оранжереи «Свет» в лаборатории ИМБП изображен на рис.16, а её структурная схема - на рис. 17. В состав оранжереи «Свет» входили следующие основные блоки: блок выращивания растений (БВР); блок вегетационных сосудов (ВС); блок управления (БУ); блок освещения (БО). Кроме того, КО «Свет» была снабжена бортовой 20-литровой ёмкостью для воды (ЕДВ) и фотокамерой для регистрации внешнего вида растений. В комплект аппаратуры входили также: комплект принадлежностей; комплект инструментов; наземная контрольно-измерительная аппаратура (КИА). КИА была предназначена для проверки и приёма на земле сигналов но каналу передачи телеметрической информации с датчиков, входящих в состав КО, и работала на базе персонального компьютера. Посадочная площадь КО «Свет» составляла около 0,1 м2, объём БВР -0,07 м3, среднесуточная потребляемая мощность до 200 Вт. Блок ВС вставлялся по скользящим направляющим в нижнюю часть БВР, а БО - в верхнюю часть БВР, где мог фиксироваться в 2-х положениях на разном расстоянии от посадочной поверхности, в зависимости от высоты растений. БО включал 11 люминесцентных ламп мощностью по 8 Вт. Средняя плотность потока фотосинтетических фотонов (ПФФ) над кюветами космической оранжереи «Свет» составляла от 150 до 180 мкмоль/мгсек в зависимости от высоты растений. По центру БО имелось отверстие с вытяжным вентилятором, обеспечивающим

Рис. 16

Структурная схема оранжереи "СВЕТ"

1 - блок управления; 2 - блок освещения;

3 - блок выращивания растений;

4 - вегетационные сосуды;

5 - фотокамера

осушение и охлаждение воздуха в БВР, а также охлаждение субстрата в ВС за счет испарения воды через перфорацию в его стенках и теплообмена стенок ВС с потоком воздуха. Вертикальные составляющие скоростей воздушного потока в БВР при включенном вентиляторе находились в диапазоне от 0,08 до 0,3 м/сек. Блок ВС включал две изолированные кюветы, заполненные почвозаменителем, в который был погружён датчик влажности термоимпульсного типа. Эти же датчики позволяли измерять температуру субстрата. Датчики были включены в автоматические контуры управления подачей воды в кюветы.ВС, уставка по влажности субстрата для регуляторов задавалась на пульте БУ. БУ оранжереи «Свет» имел три рабочих автоматических режима управления: режим тестовой проверки (программа 1); режим первоначального увлажнения почвозаменителя в ВС («заправка оранжереи» - программа 2); рабочий режим (программа 3). Кроме того, имелся резервный режим для обеспечения увлажнения субстрата в ВС по одной из 7 заданных программ, а также ручной режим управления всеми агрегатами и исполнительными механизмами оранжереи «Свет». Оранжерея была снабжена телеметрическим выходом, причем телеметрическая информация принималась раз в 4 часа в наземном пункте с помощью специального комплекса измерительной аппаратуры на базе персональной ЭВМ. Телеметрический кадр включал в себя 13 текущих значений параметров среды обитания растений и основных технических показателей аппаратуры.

К числу особенностей, отличающих работу оранжереи «Свет» от всех конструкций оранжерейных устройств, использовавшихся ранее неё в космических экспериментах, можно отнести следующие:

" автоматическое управление исполнительными механизмами (насосами, компрессором, вентилятором), обеспечивающими регулирование подачи подачи воздуха в БВР и в ВС, а также поступление воды в ВС по отклонению сигнала датчика влажности КС от заданной уставки или по заданной программе;

■ автоматический контроль и анализ неисправностей в блоках оранжереи в течение вегетации;

■ автоматическое отключение БО в случае опасного для растений изменения параметров среды в гермокабине.;

■ обработка и передача на землю информации о параметрах среды обитания растений и состоянии основных узлов и блоков оранжереи по телеметрическому каналу связи;

■ принудительная аэрация субстрата в ВС путем периодического включения компрессора, подающего воздух в распределительное кольцо из перфорированных трубок, погруженных в почвозаменитель;

■ охлаждение субстрата и снижение интенсивности засоления верхнего слоя субстрата в ВС за счет испарения воды через отверстия в боковых стенках и дне ВС в потоке воздуха от вентилятора, смонтированного в БО;

■ применение устройств для посадки семян растений в виде планок с наклеенными семенами, вставляемых между обкладками многослойного фитиля из хлоринового полотна.

В процессе первого эксперимента в оранжерее «Свет» в период ЭО-6 на ОС «Мир» объектом исследований служили растения редиса сорта «Красный с белым кончиком» (в кювете ВС1) и капусты пекинская сорта «Хибинская» (в юовете ВС2). Было установлено, что система охлаждения КО «Свет» обеспечивала благоприятные температурные условия как в надземной, так и в корневой части, при условии сохранения номинальной температуры в кабине космического корабля. Обнаруженные во время полётного эксперимента особенности водного режима в корнеобитаемой зоне вегетационного сосуда состояли в том, что в условиях микрогравитации существенно изменился характер водорасгтределения в вегетационном сосуде, а именно: было сильно замедлено увлажнение КС в центральной части корневых модулей. В результате временами растения испытывали водный дефицит и стресс, что привело к отставанию опытных растений редиса и капусты от наземного контроля в росте и развитии.

В последующих опытах после соответствующей настройки параметров регулятора влажности в КО «Свет» были получены хорошо развитые растения и ряд важных биологических результатов, опубликованных в работах В Н. Сычёва с соавторами в 1997-2000гг. Оранжерея «Свет» до настоящего времени является единственным вегетационным устройством, доказавшим свою пригодность для долговременного выращивания растений в условиях микрогравитации.

Спиральная конвейерная оранжерея "Фитоцикл" была разработана в 1990 г. для изучения характеристик самораздвигающихся посевов зеленных овощных культур на цилиндрической посадочной поверхности в наземных условиях при искусственном освещении. Принципиальная схема устройства оранжереи представлен на рис. 1В (для случая 6 шагов конвейера), а её основные технические параметры - в табл. 2.

КО "Фитоцикл" состоит из следующих составных частей: 1) силовой рамы с мотор-редуктором, выходным редуктором и емкостями для питательного раствора (ЕПР); 2) блока корневых модулей (БКМ); 3) блока освещения и вентиляции (БОВ); 4) пульта управления; 5) блока электропитания; 6) соединительных жгутов. В диссертации дано подробное описание конструкции оранжереи «Фитоцикл». После 30-ти суток разгона растительный конвейер в установке становится стационарным и каждые 3 дня регулярно даёт урожай с одного вегетационного сосуда, пока не истощится запас солей в ионообменном субстрате, после чего субстрат необходимо заменить на свежий. На рис. 19 показана оранжерея со стационарным конвейерным посевом пекинской капусты. В табл. 3 приведены данные о производительности «Фитоцикла» в различных вегетационных экспериментах.

Схема устройства оранжереи "Фитоцикл"

22..

I - опорный узел; 2 - посадочный барабан; 3 - свегооражающий экран; 4 - источники света; 5 - узел подачи жидкости к корневой системе; б - перфорированный сердечник; 7 -капиллярно-пористая среда; 8 - вегетационные сосуды; 9 - посадочные планки; 10 - фитиль;

II - привод; 12 - редуктор; 13 - фиксатор; 14 - гнезда для семян; 15 - крышка; 16 - прорезь для фитиля; 17 - емкость; 18 - дренажное отверстие; 19 - патрубок; 20 - питательный раствор; 21 - капиллярно-пористый материал; 22 - выходной патрубок источника давления

Рис. 18

Таблица 2

Основные технические параметры оранжереи «Фитоцикл»

Параметр, единица измерения Значение

Габаритные размеры, м:

длина 0,70

диаметр 0,78

Посадочная площадь, м2 0,3

Освещаемая площадь, м2 0,85

Объём камеры, м3 0,17

Число корневых модулей 10

Тип ламп Люминесцентные белого света ЛБ-20

Поток фотосинтетических фотонов в 2-х

см под лампами, мкмоль/м2 сек 220 +250

Мощность электропотребления, кВт 0,35

Примечание: * - показатель получен при уборке первого урожая растений после разгона конвейера, при отсутствии затенения от посевов соседних шагов конвейерного посева.

Таблица 3

Производительность оранжереи «Фитоцикл» в различных вегетационных экспериментах

Зеленная Длитель- Длитель- Фото пе- Источник Средняя Максима-

ность ность риод минераль- производи- льная

культура опыта, шага ного тельность с произво-

конвей- питания шага, дительность

ера, с шага,

дни дни час/сутки г сырой биомассы г сырой биомассы

Пекинская капуста 48 3 12 Балканин 280 420

Пекинская капуста 21 3 12 Раствор Чеснокова - 665

Пекинская капуста 36 4 16 БИОНА-312 360 700*

Пекинская капуста 18 4 16 Раствор Чеснокова - 780*

Пекинская капуста 56 3 24 Раствор Чеснокова 159 1300*

Максимальное значение удельной производительности оранжереи «Фитоцикл» по сырой съедобной биомассе капусты листовой в стационарном режиме работы составляло: " на единицу потребляемой установкой

энергии - 0,053 кг/кВт час; ■ на единицу объёма - 0,8 кг/м3сут.

Для сравнения были рассчитаны такие же удельные характеристики для самой экономичной из описанных в литературе наземных конвейерных зеленных оранжерей под названием «Самород-Арктика», созданной в

Оранжерея "Фитоцикл" с посевом капусты пекинской

80-е годы в ИМБП под руководством В.Н. Головина, При установочной мощности 0,5 кВт и при фотопериоде 18 час/сут суточная средняя производительность этой установки по пекинской капусте составляла 400 г сырой съедобной биомассы. Посадочная площадь в установке равнялась 1 м2, а объём приблизительно 0,9 м3. Рассчитанная удельная производительность оранжереи «Самород-Арктика» по сырой съедобной биомассе пекинской капусты в стационарном режиме работы оказалась равной:

■ на единицу потребляемой установкой энергии - 0,04 кг/кВт час;

■ на единицу объёма - 0,44 кг/м3сут.

Таким образом, самораздвигающийся посев растений на цилиндрической посадочной поверхности в оранжерее «Фитоцикл» обеспечил приблизительно на 30 % большую удельную производительность на единицу потребляемой установкой энергии и почти вдвое большую удельную производительность на единицу объёма установки, чем посев растений в установке с плоской посадочной поверхностью.

Наземный экспериментальный образец КОКОР «Витацикл» был разработан в соответствии с техническим решением Ракетно-космической корпорации (РКК) "Энергия" о начале разработки зеленной оранжереи с номинальной среднесуточной производительностью 150 г съедобной биомассы для экипажа российского сегмента

Международной космической станции (МКС), принятом в 1994 году. Номинальная производительность зеленной оранжереи позволяла практически полностью удовлетворить потребности экипажа МКС из 3-х человек в витамине С и каротине и частично - в витаминах В1, В2 и РР.

Общий вид наземного экспериментального образца КОКОР "Витацикл"

Основные технические характеристики КОКОР "Витацикл": посадочная площадь - 0,48 м2, освещаемая площадь - 1,1 м2, объём камеры - 0,32 м3, мощность электропотребления - 1,0 кВт. ППФ под лампами достигает 350 мкмоль/м3сек. Общий вид наземного экспериментального образца в сборе показан на рис. 20, функциональная схема приведена на рис. 21. Установка включает следующие основные узлы и блоки: 1) вегетационную камеру с блоком корневых модулей (БКМ); 2) блок увлажнения и аэрации корневых модулей (на рис. 21 не виден); 3) систему регулирования параметров газовой среды,

Функциональная схема КОКОР "Витацикл"

СРВ-К оке

Воздух, 40м /час, 21°С, 60% ОВ

Воздух из кабины, 0.1м!/час

Блок очистки воздуха

Реверсивный двигатель, 1+6 об/час

Контур охлаждения ОКС

Газожидкостной разделитель

Вода, 1,1 л/день

11°С

Контур -охлаждения ОКС-

14°С

Воздушный кондиционер

Выход воздуха в кабину, 0.1м3/час

Воздух. 24°С, 75% ОВ

Осушитель отработавших субстратных вкладышей

Блок очистки и

кондиционирования конденсата

Вода из СРВ-К

Жидкостной распредели-

Блок увлажнения и аэрации субстрата

Блок водообе-спечения

ОКС - орбитальная космическая станция; ОВ - относительная влажность; СРВ-К - система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги ОКС; ... - обозначение участка схемы, отсутствующего в разомкнутой по воде установке

Рис. 21

включающую блок кондиционирования воздуха с воздуходувкой, холодильником и газожидкостным разделителем; 4) блок охлаждения ламп с воздуходувкой и теплообменником; 5) блок очистки и кондиционирования транспирированной воды с очистными колонками (на рис.21 не виден); 6) систему контроля и управления на основе персонального компьютера ШМ.

Вегетационная камера оранжереи выполнена изолированной от воздушной среды обитаемой кабины, с герметично закрывающимся люком и застекленными окнами для наблюдения за растениями. Порядок работы с растениями в оранжерее «Витацикл» практически не отличается от такового в оранжерее «Фитоцикл». В блоке увлажнения и аэрации КО ьода подается в корневые модули через 10-тиканальный жидкостной распределитель, соединяющий поочерёдно по заданной программе пористые трубки различных КМ, погруженные в субстрат, с магистралью подачи и откачки воды. В системе регулирования параметров газовой среды растений предусмотрены 2 изолированных контура терморегулирования: для блока освещения и вегетационной камеры. Тип системы кондиционирования воздуха: в блоке охлаждения ламп -замкнутый, в вегетационной камере - замкнутый, но с подпиткой воздухом из кабины для обеспечения подачи углекислого газа из воздушной среды кабины к растениям, а также для удаления из вегетационной камеры выделившегося в процессе фотосинтеза кислорода. Подача

воздуха из кабины управляется регулятором концентрации СО2 в зоне размещения растений. Вегетационная камера периодически разгерметизируется при съеме урожая и посадке семян. Для воздуха, поступающего из кабины, предусмотрен блок очистки с плазменокаталитическим фильтром. Система очистки и кондиционирования транспирированной воды в НЭО КОКОР «Витацикл» включает «почти замкнутый» контур, в котором вода, накопившаяся в газожидкостном разделителе кондиционера воздуха, поступает в блок с очистными колонками и кондиционером воды для увлажнения почвозаменителя. Контур периодически подпитывается водой из бортовой системы орбитальной станции для восполнения потерь воды, пошедшей, в основном, на синтез биомассы растений, срезанной при уборке урожая.. Расчёты, проведенные нами в данной работе, показали, что регенерацию воды из вегетационной камеры витаминной оранжереи на борту МКС целесообразно осуществлять с помощью штатной системы СРВ-К, которая имеет соответствующий резерв производительности. На рис. 21 пунктиром показана часть функциональной схемы, которая может быть исключена в этом случае. Система контроля и управления в КОКОР «Витацикл» обеспечивает мониторинг и управление параметрами среды обитания растений, а также сигнализацию и необходимые блокировки сигналов при выходе контролируемых параметров за допустимые пределы.

Основные преимущества разработанной конструкции КОКОР «Витацикл» применительно к её использованию на МКС таковы:

а благодаря автономному режиму функционирования, работоспособность оранжереи не зависит от систем водообеспечения и регулирования газового состава орбитальной станции;

□ функционирующая оранжерея практически не подвергает нагрузке и не уменьшает ресурс бортовой системы терморегулирования;

□ функционирующая оранжерея обеспечивает дополнительную очистку воздуха от газовых загрязнителей и обогащает воздух кислородом.

Кроме того, конструкция оранжереи обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ:

□ удобство проведения операций уборки и посадки растений, а также замены субстрата в полетных условиях;

□ удобство проведения наземных монтажно-технических и биолого-технических испытаний оранжереи;

□ удобство доступа к основным блокам для технического обслуживания и ремонта;

□ максимальную унификацию блоков кондиционирования воды и воздуха с соответствующими блоками систем жизнеобеспечения орбитальной станции;

□ возможность транспортировки всех блоков оранжереи в собранном состоянии через люки модулей МКС с диаметром 800 мм.

В настоящее время в ИМБП изготовлены и смонтированы все основные узлы и системы НЭО КОКОР "Витацикл" и проведены её биолого-технические испытания.

В целом, результаты, полученные в диссертации, позволяют приступать к проектированию полётных образцов зеленной космической оранжереи.

Выводы

1. Показано, что глобальным критерием оптимальности работы космической оранжереи может служить максимум линейной комбинации значений удельной производительности по съедобной биомассе растений на затраченные бортовые ресурсы: электроэнергию, герметизированный объём, трудозатраты на обслуживание и др.

2. Предложены и обоснованы методы оптимизации параметров режима освещения растений в космической оранжерее: интенсивности потока фотосинтетически активной радиации, фотопериода, а также длительности товарной вегетации для растений на основе максимизации произведения экспериментальных значений удельной продуктивности посева на единицу потребляемой энергии и единицу занимаемого объёма.

3. Показано, что применение самораздвигающихся посевов растений на сферической посадочной поверхности позволяет снизить объём вегетационной камеры космической оранжереи приблизительно в три раза, а на цилиндрической и тороидальной посадочных поверхностях - в два раза по сравнению с объёмом вегетационных камер в известных космических оранжереях с плоскими посадочными поверхностями.

4 Предложена и испытана в наземных условиях система корневого снабжения растений с удобным в применении волокнистым почвозаменителем и реверсивной водоподачей через запорную мембрану, позволяющая улучшить контроль за увлажнением и аэрацией в корнеобитаемой среде; и показано, что для уточнения параметров режима работы данной системы необходимо проведение технологического эксперимента в условиях микрограв1гтации.

5. Экспериментально показано, что верхняя граница допустимого для растений диапазона водных потенциалов в корнеобитаемой среде не превосходит для большинства почвозаменителей -1 кПа, а нижняя граница допустимого диапазона водного потенциала близка к значению - 2,0 кПа и слабо (в пределах 20-25%) зависит от физической структуры корнеобитаемой среды при культивировании зеленных растений и пшеницы в корневых модулях с удельными объемами от 120 см3 до 30 см3 на растение.

6. Показано, что волокнистый ионообменный соленасыщенный почвозаменитель БИОНА-ВЗ обеспечивает в наземных опытах получение до 2,4 кг сырой массы растений капусты листовой с 1 кг сухого почвозаменителя.

7. Экспериментально показано, что в разработанной оранжерее «Фитоцикл» с цилиндрической посадочной поверхностью самораздвигающийся посев зеленных растений обеспечивает производительность по сырой полезной биомассе на единицу потребляемой установкой

энергии на 30% больше, а на единицу объёма почти вдвое больше, чем в наиболее экономичной конвейерной оранжерее с плоской посадочной поверхностью. 8. Показано, что разработанная оранжерея «Витацикл» для снабжения космонавтов свежей витаминной зеленью с суточной производительностью 150 г биомассы и мощностью электропотребления 1 кВт, позволяет практически полностью удовлетворить потребности экипажа МКС из 3-х человек в витамине С и каротине и частично - в витаминах Bl, В2 и PP.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Корбут B.JI., Беркович Ю.А., Норкин К.Б. Высшие растения как объект управления. В кн. Управление продуктивностью агроэкологических систем. Л. Труды АФИ, вып. 38. С.23-29, 1976.

2 Беркович Ю.А., Корбут В Л.,., Норкин КБ., Суслова О.Б., Тиме И.В. Некоторые свойства растений как объекта оптимизации в шаговых экстремальных системах. В кн. Адаптация в системах со сложной организацией. Л., с.82-86, 1977. 3. Беркович Ю.А., Корбут В.Л., Суслова О.Б. Адаптивная оптимизация газообмена растений в герметичном фитотроне. Космическая биология и авиакосмическая медицина. №4, с.70-73 1979.

1. Беркович Ю.А. Многомерная дискретная система оптимизации фотосинтетической продуктивности растений. В кн.: Проблемы оптимизации в биотехнических системах с использованием вычислительной техники. М. С.90-116, 1981. >. Беркович Ю.А., Корбут В.Л., Павловский В.И. О преимуществах космических оранжерей с криволинейной посадочной поверхностью. Сб.: "Космическая биология и авиакосмическая медицина", VII Всесоюзная конференция, по космической биологии и авиакосмической медицине, Москва-Калуга, С.188-189, 1982..

Малиновский A.B., Беркович Ю.А., Тиме И.В. Математическая модель для описания изменения фотосинтеза высших растений в пространстве параметров среды. Физиология растений. Т.2, вып.З, с.421-426. 1984.

Беркович Ю.А., Корбут В.Л., Павловский В.И. Оранжереи с криволинейной посадочной поверхностью. Космическая и авиакосмическая медицина, № 6, стр. 77-80, 1985. !. Беркович Ю.А., Следь ВД Оценка разового воздействия аммиака на фотосинтез растений салата в условиях герметичного фитотрона. Космическая биология и авиакосмическая медицина.,№2, с.67-70, 1989.

Беркович Ю.А., Иванова И.Е., Стругов О.М., Машинский А.Л., Симонов В.М., Иванова Т.Н. Результаты наземных биолого-технических испытаний советско-болгарской космической оранжереи «Свет». XIII Совещание постоянно действующей рабочей группы соцстран по космической биологии и медицине. Варна, Болгария, с.33-38.1989.

10. Беркович Ю А., Дерендяева Т.А., Иванова И Е. Исследование воздействия аммиака в воздушной среде на посев растений. В кн.: "Космическая биология и авиакосмическая медицина". Труды .IX Всесоюзной конференции по космической биологии и авиакосмической медицине. Москва-Калуга. С.405-406, 1990.

11. Ivanova T.N., Sapunova S.M., Dandolov I.V, Kostov P.T., Berkovich Yu.A., Mashinskiy A.L. Test results on the operation possibility of the SVET greenhouse systems. Current trends in cosmic Biology and Medicine, Proceeding of the XXII International Symposium on cosmic biology and medicine within the FNTERCOSMOS, Koshice, CSFR, p. 281-286, 1990.

12. Berkovich Yu.A., Dercndyaeva T.A., Ivanova I.E., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I., Ivanova T.N, Preliminary Results at the First Stage of the SVET Space Greenhouse Exploatation in Space Flight. Proceedings of the 2-nd micro-symposium SVET-90 on Biotechnology and life supports of the space biology working group, Bulgarian Academy of sciences, C. 25-36, 1991.

13. Podolskiy I.G., Mashinskiy A.L., Berkovich Yu.A., Ivanova T.N. Gas-liquid supply of the root ¿.one of the "Svet" greenhouse vegetative pot in space flight. Proceedings of the 2-nd micro-symposium SVET-90 on Biotechnology and life supports of the space biology working group, Bulgarian Academy of sciences, c. 47-55, 1991.

14. Иванова Т., Дандалов И., Сапунова С., Беркович Ю.А., Машинский А.Л. Итоги эксплуатации космической оранжереи СВЕТ в условиях орбитальной станции МИР. Труды XXIV Совещания постоянной рабочей группы по космической биологии и медицине стран-участниц программы "Интеркосмос", Ленинград, стр. 59-61,1991.

15. Ivanova T.N., Berkovich Yu A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse by means of controlled ecological life support system - CELSS. Microgravity Q. V.2. Pp. 109-114,1992.

16. Ivanova T.N., Berkovich Yu.A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse using controlled environmental condition. Acta Astronáutica.V.29, No.8, pp.639-644, 1993.

17. Chetirkin P.V., Dreschel T.W., Sager J.C., Berkovich Yu.A. Svet-M: evaluation of a ground-based version of a russian plant growth chamber. Gravitational and Space biology Bulletin, V.8 No.l, p.57. 1994

18. Berkovich Yu.A. Instrumentation for plant health and growth in space. Adv. Space Res. V. 18, No.4/5, pp. 157-162, 1996.

19. Bingham G.E., Salisbury F.B., Cambell W.F., Carman J.G., Bubenheim D.L., Yendler В., Sytchev V.N., Berkovitch Yu. A., Levinskikh M.A., Podolsky I.G. The Spacclab-Mir-1 " Greenhouse-2" experiment. Adv. Space. Res. V.18. №4/5. Pp.225-232, 1996.

20. Berkovich, Yu.A., Krivobok N.M.„ Syniak Yu.E., Zaitsev E.R., Monakhov B.N., Protasov N.N., Abramov L.Kh., Samsonov N.M., Farafonov N.S. Perspectives of developing space greenhouse for

the international space station. Proceedings of the Sixth European Symposium on Space Environmental Control Systems. Noordwijk, The Netherlands. ESA SP-400. Pp.839-844. 1997.

21. Беркович Ю. А., Кривобок H.M., Кривобок СМ., Синяк Ю.Е., Захаров С.Б., Матусевич Л.В. Характеристики некоторых искусственных заменителей почвы для космических оранжерей тппа"Свет". Авиакосмическая и экологическая медицина. Т.31, №6, с.51-55, 1997.

22 Berkovich, Yu.A.,Optimization of light regime in space greenhouses. Gravitational and Space Biology Bulletin. Vol.11, No.l, p.55. 1997.

23 Berkovich, Yu.A., Krivobok N.M., Krivobok S.M., Smolyanina S.O. Evaluation of the effect of lowered water potential in a space greenhouse root module on yield and morphometries of leaf mustard Proceedings of The 2-nd international aerospace congress, paper IV-22, p. 119. Moscow, Russia, August 31-September 5, 1997.

24. Krivobok N.M., Berkovich, Yu.A., Krivobok S.M., Smolyanina S.O. Effects of module design on growth and development of plants under the conditions of lowered water potentials in the root zone. Gravitational and Space Biology Bulletin,. Vol.11, No.l, p.55. 1997.

25. Berkovich, Yu. A., Krivobok N.M., Krivobok S.M., Smolyanina S.O., Ivanov V.B., Zhilenkova O.G., Choochkin V.G., Bolshakova L.S. Evaluation of the effect of lowered water potential in the space greenhouse root module on yield, morphometric and anatomical characteristics of leaf mustard and wheat plants. Biomedical research on the Science-NASA project. Proceedings of 3-rd Russian-American Conference in frame of "Mir-NASA" contract, p. 169. Huntsvill, AL, November 10-13, 1997.

26. Berkovich, Yu. A, Krivobok N M., Krivobok S.M. et al. Development of a root feeding system based on fiber ionexchange substrate for space plant growth chamber Vitacycle. Presentation at 3-d International Conference on Life Support @ Biosphere Science, 8-14 January 1998, Orlando, USA.

27. Berkovich YuA, Krivobok N.M., Sinyak Yu E. Project of conveyer-type space greenhouse for cosmonauts' supply with vitamin greenary. Adv. Space Res. Vol.22, No. 10, pp.1401-1405, 1998.

28. Berkovich, Yu. A., Smolyanina S О, Krivobok N.M., Krivobok S.M. Effect of lowered water potential in the different root media on yield and morphometries of higher plants. Presentation on The 8-th All Russian Scientific School "Ecology and Soil". Pushkino town, Moscow area, Russia, Sept.28-Oct.2 1998

29. Zhilenkova O.G., Smolyanina SO., Berkovich, Yu. A., Krivobok N.M. Leaf mustard Brassica Junceae (L.) ontogenetic alteration as possible mechanism of adaptation to root zone water deficit. Proceedings of All Russian Scientific Conference "Plant and Soil", p 24-25. St. Peterburg, Russia. 610 December, 1999.

30. Беркович Ю.А., Кривобок H.M, Смолянина С.О., Иванов В.Б., Жиленкова О.Г., Большакова Л.С. Влияние водного потенциала в корнеобитаемой зоне на продуктивность высших растений. Авиакосмическая и экологическая медицина. Т.ЗЗ, №2, с.45-50, 1999.

31. Беркович Ю.А. Сравнение расчетной эффективности различных компоновок вегетационных камер с выпуклыми посадочными поверхностями для космических оранжерей. В кн.: Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях. Материалы российской конференции, Москва, 26-29 сентября 2000 г. Т.1, с.47-48. 2000.

32. Berkovich Yu.A. Evaluation of planting surfaces for crop production in microgravity. Adv.Space Res. Vol.26, No.2,.Pp.271-279, 2000.

33. Беркович Ю.А., Смолянина C.O., Кривобок H.M. Экспериментальное исследование системы корневого питания растений с периодической реверсивной подачей воды для космических оранжерей. Авиакосмическая и экологическая медицина. Т.34, №2, с.47-52, 2000.

34. Беркович Ю.А. Выбор режима освещения для космической оранжереи по результатам наземных опытов. Авиакосмическая и экологическая медицина.Т.34, №1, с.38-44,2000.

35 Berkovich, Yu. A., Smolyanina S.O., Krivobok N.M., Krivobok S.M. A Comparison of Root Module Designs Relative to Wheat Growth and Development: Defining the requirements for a Space Based Plant Culture System. SAE Technical paper # 2000-01-2508, 2000.

36. Смолянина C.O., Беркович IO.А., Кривобок H.M., Кривобок C.M. Связь некоторых факторов внешней среды с нарушениями в онтогенезе растений пшеницы применительно к условиям космической оранжереи. Авиакосмическая и экологическая медицина. №3, с.61-65, 2000.

37 Berkovich Yu.A., Siniak Yu.E., Samsonov N.M., Bobe L.S., Protasov N.N. Water supply for a space station outfitted with a vitamin greenhouse. Paper IAF/IAA-00-G.4.04.Pp.l-7. Presentation on The 51-st International Astronautical Congress, 2-6 Oct. 2000. Rio de Janeiro, Brazil.

38. Беркович Ю.А., Корбут В.Л., Павловский В.И. Устройство для выращивания растений. А.С СССР № 818563 от 11.11.79.

39. Беркович Ю.А, Корбут В.Л., Павловский В.И. Устройство для выращивания растений. А.С СССР № 914004 от 26.03.79.

40. Норкин К.Б., Суслова О.Б., Тиме ИВ., Беркович Ю.А., Корбут В.Л. Система оптимизацм факторов среды при выращивании растений. Ас.СССР Ш 703064. 1979 г.

41. Беркович Ю.А, Корбут В.Л., Павловский В.И., Складнее В.Г. Устройство для выращивани: растений. А.С. СССР № 1047449 от 11.05.82.

42. Беркович Ю.А., Корбут B.JL, Павловский В.И. Устройство для конвейерного выращивани: растений. А.С. СССР № 1012846 от 21.12.82.

43. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Павловский В.И., Кривобок Н.М. Вегетационное устройств! для растений. А.С. СССР № 1161022 от 16.12.83.

44. Беркович Ю.А., Гришаенков Б.Г., Коганов М.М., Ксенжек О.С., Петрова С.П. Cnocoi выращивания высших растений в космических оранжереях. А.С. СССР Ла 1236622 от 03.08.83.

45. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Павловский В.И., Кривобок Н.М. Вегетационное устройств для растений. АС.СССР № 1293865 от30.01.85.

46. Беркович Ю.А., Соловьёв В.И. Вегетационная камера. A.C. СССР Ка 1369012 от 29.10.85.

47. Беркович Ю.А, Симонов В.М., Шайдоров Ю.И., Иванова Т.Н., Стругов О.М., Костов П.П., Кынчев Н. Вегетационный сосуд для растений. A.c.СССР №1424774. 1986 г.

48. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Шайдоров Ю.И., Иванова Т.Н., Стругов О.М., Костов ГШ., Кынчев Н. Вегетационный сосуд для растений. А.с.СССР №1598926. 1988 г.

49. Беркович Ю.А., Машинсшй В.Л., Павловский В.И. Устройство для конвейерного выращивания растений. Патент РФ № 1748753 от 19.02.90.

50. Беркович Ю.А., Павловский В.И Установка для конвейерного выращивания растений и её вариант. Патент РФ № 2091009 от 27.09.97.

51 Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Синяк Ю.Е. Способ корневого питания растений в искусственных условиях и устройство для его осуществления. Патент РФ № 2115302 от 20 07.98