автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Разработка метода и аппаратуры корневого снабжения для салатных оранжерей в системах жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов

На правах рукописи

УДК 629.7.048

КРИВОБОК НИКОЛАЙ МАРКОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АППАРАТУРЫ КОРНЕВОГО СНАБЖЕНИЯ ДЛЯ САЛАТНЫХ ОРАНЖЕРЕЙ В СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖЕЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.26.02 - БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ (АВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0

МОСКВА-2004

¡^ Л.

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

Научный руководитель

Доктор технических наук Ю.А. Беркович

Научный консультант:

Доктор биологических наук, профессор В.Б. Иванов

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Г.И. Морозов Доктор биологических наук, профессор И.И. Судницын Кандидат технических наук Й.Г. Подольский

Ведущая организация ОАО "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения", г. Москва

Защита состоится "О/ " С 2004 г на заседании Диссертационного

совета Д 002 111 02 при Государственном научном центре Российской Федерации -Институте медико-биологических проблем РАН (123007, Москва, Д-7, Хорошевское шоссе, 76-а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного центра Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем РАН (ГНЦ РФ - ИМБП РАН)

Автореферат разослан " ¿¿г 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Л 002.111.02, доктор биологических наук ^ "^—Лр^з —Назаров Н.М.

¿006'г

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

г\Ч£Ъ2>0

Актуальность темы Перспективным методом создания искусственной среды в гермокабинах пилотируемых космических кораблей является сочетание биологических и физико-химических процессов регенерации веществ в так называемых биолого-технических системах жизнеобеспечения - БТСЖО В настоящее время общепринятым среди специалистов стало мнение о том, что неотъемлемой частью будущих БТСЖО должны стать высшие растения Разработаны прогнозы внедрения различных типов установок для культивирования растений в сценарии предстоящих лунных и марсианских экспедиций Преимущества использования фотосинтезирующих организмов в составе БТСЖО объясняются их уникальной способностью к синтезу органических веществ с использованием солнечной энергии, что позволяет не только воспроизводить продукты питания для экипажа и других гетеротрофных организмов, но и осуществлять регенерацию воды и атмосферы в обитаемой кабине, а также возвращать в кругооборот часть химических элементов, содержащихся в растительных отходах и продуктах метаболизма гетеротрофов

Одним из ключевых вопросов при разработке технологий и устройств для выращивания растений в космосе оказалась организация корневого снабжения растений, под которым понимается обеспечение в корнеобитаемой зоне вегетирующих растений следующих условий

1 наличия воды при оптимальных для растений значениях водного потенциала,

2 наличия необходимых нутриентов при допустимом соотношении их концентраций,

3 поддержания кислотности среды в допустимом диапазоне,

4 наличия кислорода при допустимых концентрациях,

5 удаления продуктов метаболизма корней, в частности, углекислого газа, этилена и других корневых выделений

Частые неудачи организации корневого снабжения в первых экспериментах с растениями в условиях космического полета продемонстрировали сложность проблемы обеспечения надежной работы устройств космических оранжерей, по сравнению с наземными

В 1994 г на ведущем предприятии Ракетно-космическая корпорация "Энергия" было принято техническое решение о перспективной разработке космической овощной конвейерной оранжереи (КОКОР) "ВИТАЦИКЛГ для снабжения экипажа МКС свежей витаминной зеленью Заданная проектная производительность составила 150 г свежей биомассы в сутки, что в несколько раз выше, чем у любой из существующих отечественных или зарубежных космических оранжерей, которые ранее создавались только для

ЬНАЯ

'¡.К А

11 • -,'«>г>г

исследовательских целей Фотография оранжереи "ВИТАЦИКЛ" построенной в ГНЦ РАН ИМБП в 1999 г, приведена на рис 1

В 1997 г в ГНЦ РФ ИМБП РАН было разработано "Техническое задание на космический эксперимент "ВИТАЦИКЛ-Т" Одной из задач этого эксперимента является экспериментальная проверка в натурных условиях режимов работы созданной системы корневого снабжения (СКС) Эксперимент с аппаратурой ВИТАЦИКЛ-Т" был принят

секцией №3 КНТС РАН и Росавиакосмос и

1 ппп и гт __ Рис. 1 Вегетационная камера

включен в 1999 г в "Долгосрочную программу оранжереи "ВИТАЦИЮ!"

научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС" В настоящее время изыскиваются средства для реализации этой программы

В 2001 г отделом СЖО РКК "Энергия" в результате анализа ресурсов на борту Российского сегмента были пересмотрены приемлемые на сегодняшний день характеристики для производственной космической оранжереи, т к запланированное ранее энергообеспечение на оранжерею "ВИТАЦИКЛ" не может быть выделено в ближайшем будущем С учетом этого решения в 2002 г в рамках финансируемого Международным научно-техническим центром (МНТЦ) Проекта №2137 была поставлена новая задача создания прототипа производственной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер" с приемлемым на сегодня для Российского сегмента энергопотреблением в 0,25 кВт, при котором номинальная производительность салатной зелени может составить 40 г/сут.

Необходимость разработки метода и аппаратуры корневого снабжения для указанных выше производственных салатных космических оранжерей системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов и экспериментальной оранжереи "ВИТАЦИКЛ-Т" обусловила актуальность темы исследования

Цель исследования разработка метода и аппаратуры корневого снабжения растений для производственных салатных оранжерей системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие основные задачи.

1 Разработана и апробирована система корневого снабжения зеленных растений с реверсивной периодической водоподачей, способная работать как в условиях

невесомости, так и в наземных условиях

2 Разработана компьютерная программа для расчета статического распределения водного потенциала в цилиндрических корневых модулях космической оранжереи с капиллярно-пористым почвозаменителем, а также для расчета переходного процесса влагосодержания в режиме откачки воды из корневого модуля, применительно к условиям невесомости и к наземным условиям

3 Разработана методика расчета оптимальных конструктивных параметров корневого модуля космической оранжереи, как для наземных условий, так и для условий невесомости

4 Разработана методика расчета параметров рабочего режима системы корневого снабжения для работы с блоком корневых модулей конвейерной производственной космической оранжереи

5 Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации к системе корневого снабжения производственной салатной космической оранжереи

Научная новизна работы определяется

■ результатами экспериментальных исследований гидрофизических характеристик волокнистого ионообменного почвозаменителя БИОНА-ВЗ,

■ новой методикой исследования и результатами экспериментальных данных об оптимальных водных потенциалах в корнеобитаемой зоне растений в корневых модулях,

■ способом и устройством, разработанными для обеспечения корневого питания растений в искусственных условиях с периодической реверсивной водоподачей через запорную мембрану,

■ методикой расчёта конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля (КМ), разработанной применительно к конвейерной производственной космической оранжерее,

■ методикой расчёта параметров рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в КМ, разработанной применительно к конвейерной производственной космической оранжерее,

■ рекомендациями, разработанными для проведения корректного исследования влагопереноса в пористых материалах в условиях силы тяжести и невесомости

Основные положения, выносимые на защиту

■ Способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мембрану для салатной космической оранжереи,

• Система корневого снабжения для растений в конвейерной салатной космической

оранжерее,

■ Методика расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля салатной космической оранжереи,

■ Методика расчета рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной салатной космической оранжереи

Практическая ценность работы заключается в г методиках исследования, разработанных для определения оптимальных водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений, а также расчёта конструктивных параметров цилиндрического КМ и расчёта параметров рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей, а разработке, испытаниях, изготовлении и использовании способа и устройства для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей, в составе наземного экспериментального образца космической конвейерной оранжереи "ВИТАЦИКЛ" и наземного экспериментального комплекса "ФИТОКОНВЕЙЕР" г разработке, конструировании, изготовлении, а также проведенных испытаниях и использовании цилиндрического корневого модуля в составе наземного экспериментального комплекса "ФИТОКОНВЕЙЕР"

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математической постановкой задач исследования, применением известных апробированных методов при их решении и при планировании многофакторного эксперимента, а также сопоставлением расчетных результатов с экспериментальными данными

Апробация работы Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научных форумах

1 31, 32, 34 COSPAR scientific assembly (Birmingam, England, 1996, Nagoya, Japan, 1998, Houston, USA, 2002),

2 10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, 1994),

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

4 2-я Российско-Американкая конференция по программе "Мир-НАСА"(г Королев, 1996),

5 3-й Российско-Американский симпозиум по программе "Мир-НАСА"(Хантсвилл, США, 1997),

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

7 13-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, USA, 1997),

8 2-й, 3-й, 4-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997, 2000, 2003),

9 XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 1998),

10 3-d International conference "Life support and Biosphere science" (Orlando, USA, 1998),

11 8, 10, 12-я Всероссийская школа "Экология и почвы" (Пущино, 1998, 2001, 2003),

12 Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда жизнеобеспечение и защита человека в окружающих условиях» (Москва, 2000, 2003),

13 30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000),

14 51-st International Astronáutica! Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000)

Публикации Основные результаты и положения диссертации изложены в 16 статьях, одном патенте РФ и двух авторских свидетельствах СССР

Реализация полученных результатов Результаты работы внедрены в ГНЦ РФ - ИМБП РАН и НИИ Импульсной техники Минатома РФ при создании конструкций экспериментальных образцов конвейерных оранжерей "ВИТАЦИВСЛ-СД" и "ФИТОКОНВЕЙЕР"

Объем работы Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, основных результатов и выводов, приложения и содержит 126 стр , включает 15 таблиц, 30 рисунков, список литературы включает 120 наименований

Работа выполнена при частичной поддержке контракта Мир-НАСА NAS - 15-10110 и проекта № 2137 в Международном научно-техническом центре

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, ее цель, решаемые задачи, отображены научная новизна и значимость результатов исследований

В первой главе на основе результатов анализа литературных данных и собственных экспериментальных исследований рассмотрена зависимость продуктивности растений от основных факторов, характеризующих корнеобитаемую среду

Известно, что продуктивность растений зависит от энергетического состояния воды в корневой зоне, которое оценивается полным водным потенциалом (ПВП), Рп, в корнеобитаемой среде ПВП определяют как сумму трех независимых экспериментально измеряемых водных потенциалов осмотического, Роем, гравитационного, Рг, и

тензиометрического, Рг Показано, что для капиллярно-пористых почвозамснителей в КМ оранжереи Рт практически равен так называемому капиллрно-сорбционному водному потенциалу, Рк, который в дальнейшем именуется просто "водным потенциалом" (ВП), Р, а величиной Роем в расчетах можно пренебрегать Поэтому можно приближенно полагать Ргг Р-Р' = Р +рд>1 (здесь р - плотность воды, д - ускорение свободного падения, И -высота воляного столба)

Помимо водного потенциала почвенной влаги на продуктивность растений влияют также концентрации элементов минерального питания в корневой зоне и интенсивность аэрации корневой зоны, обеспечивающая подачу кислорода для дыхания корней и отвод газообразных корневых метаболитов

Путем анализа литературных данных показано, что из различных критериев оптимальности ВП в корневой зоне наиболее адекватным является критерий выбора по максимальной продуктивности растений При таком подходе вместе с влиянием величины ВП учитывается также интенсивность аэрации корневой зоны

На основании анализа литературных данных показано, что при выращивании растений в искусственных условиях в КМ с почвозаменителями гранульной или волокнистой структуры, отличающихся от природных почв более крупными порами, подтверждается общая закономерность увеличения продуктивности с ростом ВП в корнеобитаемой среде (вплоть до определённой верхней границы ВП) Показано также, что известные рекомендуемые границы диапазона оптимальных ВП не совпадают с теми, которые обеспечивают в КМ максимальную продуктивность, и потому неприемлемы для использования в производственных оранжереях

Разработаны рекомендации по методике определения верхней и нижней границ диапазона оптимальных ВП в корневой зоне, а также конструкция специального экспериментального стенда, схема которого показана на рис 2 В стенде предложено использовать КМ с мелкопористой запорной мембраной, прилегающей внешней стороной к пористому почвозаменителю С внутренней стороны мембраны подводится вода под небольшим отрицательным давлением (разрежением), которое регулируется высотой столба от мембраны до уровня воды в подсоединенном к подмембранному объему сосуде Мариотта Это разрежение задаёт распределение ВП в корнеобитаемой зоне Для запорных мембран в КМ, согласно литературным данным, нужно выбирать материалы с давлением пробоя, превышающим по модулю нижнюю границу исследуемого диапазона ВП в корнеобитаемой зоне В частности, перспективным для этой цели представляется поропласт пенополивинилформаль

В опытах с горчицей и пшеницей при использовании 2-х видов почвозаменителя гранульного перлита и волокнистого "БИОНА-ВЗ", показано что наибольший урожай обеспечивается при значениях ВП в пределах от -2,5 кПа до ВП, соответствующего давлению пробоя слоя почвозаменителя (0,5 - 1,0) кПа

1 - корпус корневого модуля;

2 - почвоз&менитель, например, перлит;

3 - мульчирующий слой из гранулированного полиэтилена;

4 - пористая запорная мембрана;

5 - сосуд Мариотта с питательным раствором;

6 - сливная трубка;

Н), Нг, Н3 - высота столба воды от мембраны до уровня в сосуде Мариотта

Рис. 2 Гидравлическая схема стенда с корневыми модулями

Показано по литературным данным, что продуктивность, а также состав витаминов, питательных и вредных компонентов биомассы растений в значительной мере зависят от содержания компонентов минерального питания в корнеобитаемой среде, то есть от уровня содержания в ней ионов ряда элементов, в первую очередь N. Р, К, Са, а также от ее рН С учетом преимуществ в условиях космического полета корнеобитаемых сред с твердой матрицей, показано, что минеральное питание растений в КМ космических оранжерей целесообразно обеспечивать с помощью ионообменных соленасышенных почвозаменителей, в частности, в виде материалов, выполненных из ионитных волокон, например, марки БИОНА-ВЗ

Основные факторы, влияющие на продуктивность растений в КМ, можно разделить на режимные и конструктивные К последним относятся параметры формы и геометрические размеры КМ, а также физические свойства корнеобитаемой среды Конструктивные факторы оказывают влияние на продукционный процесс растений опосредованно, так как от них зависят параметры режима работы СКС В частности, конструкция КМ определяет линии тока подаваемой в него воды и влияет на распределение ВП и воздуха по объему корнеобитаемой среды Оптимизация распределения ВП при влагопереносе в КМ требует построения моделей с учетом основных гидрофизических характеристиках почвозаменителя и функции распределения водопотребления корнями растений в объеме КМ В опытах с пшеницей, выращенной в КМ пяти различных конструкций с запорными мембранами

плоской и цилиндрической формы, как с пористым почвозаменителем, так и без него экспериментально показано, что использование почвозаменителя обеспечивает повышение продуктивности растений в допустимом диапазоне ВП в КМ В случае вырашивания растений непосредственно на поверхности пористых трубчатых мембран в КМ без почвозаменителя увеличение их диаметра приводит к повышению продуктивности растений Установлено, что в условиях действия силы тяжести, форма поверхности запорной мембраны и толщина слоя почвозаменителя в КМ существенно влияют на структуру и объемное распределение корневой системы растений

Основным результатом полученным в первой главе, было определение диапазона допустимых ВП в корневой зоне и выбор базового устройства конструкции корневого модуля для производственных космических оранжерей, включающего запорную мембрану и ионообменный волокнистый почвозаменитель

Вторая глава посвящена разработке способа и устройства системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей в корневые модули для использования в производственной конвейерной космической оранжерее с цилиндрической посадочной поверхностью В настоящее время в исследовательских космических оранжереях в условиях микрогравитации прошли испытания 2 основных типа СКС с принудительной водоподачей воды в КМ по перфорированным трубкам с последующим распределением в слое почвозаменителя за счет капиллярных сил (оранжереи "Свет", "Лада") и через водонасышенную запорную мембрану с последующим распределением в слое почвозаменителя (оранжереи "Лада", РвВА, Рви и др) Анализ их устройства и опыта использования позволил оценить как их достоинства, так и недостатки в обеспечении водовоздушного режима корнеобитаемой зоны КМ Для устранения или снижения влияния недостатков с сохранением основных достоинств этих СКС нами была предложена новая система с принудительной реверсивной водоподачей через запорную мембрану При разработке нового метода корневого снабжения были приняты во внимание следующие положения

• проблемы, связанные с недостаточным увлажнением удаленных от запорной мембраны зон корнеобитаемой среды в КМ, могут быть устранены путем подачи определённой дозы воды в почвозаменитель,

• проблемы с аэрацией корнеобитаемой среды, возникающие вследствие возможного переувлажнения, могут быть устранены путем откачки избытка воды через запорную мембрану,

• чередование режимов подачи и откачки жидкости в корнеобитаемую среду КМ позволяет

как в невесомости, так и в наземных условиях, осуществлять полив и затем аэрацию только что затопленных участков корнеобитаемой среды, подобно тому, как это обычно происходит при поливе почвы с последующим стоком свободной гравитационной воды в наземных условиях,

• стабилизация разрежения при откачке воды из корнеобитаемой среды задает ее остаточную влажность в конце переходного процесса, которая оценивается по основной гидрофизической характеристике почвозаменителя, с учетом этой влажности можно рассчитать необходимый объем дозы воды для последующей принудительной закачки Принципиальная схема разработанной СКС с реверсивной водоподачей через запорную мембрану применительно к условиям невесомости изображена на рис 3, а схема лабораторного стенда для исследований в наземных условиях - на рис 4 Показано, что система с реверсивной водоподачей позволяет удерживать ВП в КМ в пределах от значения, соответствующего разряжению в резервуаре 1 (рис 2), до верхнего значения, заданного величиной дозы воды, закаченной в КМ, при работе по специально разработанной циклограмме Кроме того, такая СКС позволяет принудительно вентилировать корнеобитаемую зону за счет пульсаций влагосодержания и удалять из нее растворенные метаболиты растений при использовании в жидкостном контуре фильтра органических примесей Пример циклограммы работы системы с реверсивной водоподачей для одного КМ показан на рис 5 Циклограмма включает три фазы закачку воды в КМ (I), паузу (II) и откачку воды из КМ (III) Система реверсивной водоподачи поддерживает значения ВП в КМ в пределах границ оптимального диапазона, определенного в гл 1, при выполнении следующего соотношения между параметрами цикла на рис 5 длительностью (7/, Г», и Тщ) трех фаз (I, II и III), объемом воды, закачиваемой в КМ в фазе 1(Уд) и откачиваемой в фазе III (Уел ), и скоростью эвапотранспирации выращиваемого посева растений (у)

Г, + Гя + Гят = (Уд - Уса )/ V. (1)

На основе анализа свойств различных вариантов конструкций корневых модулей предложено использовать в производственной конвейерной салатной оранжерее корневой модуль цилиндрической формы в виде валика из листового волокнистого почвозаменителя, намотанного поверх пористой трубки, на концах которой установлены штуцеры для подвода/отвода воды Сверху валик покрыт мульчирующим чехлом с прорезями для посадки растений

Рис.

1 - герметичный резервуар;

2 - компрессор; 3,4- трубопроводы;

5 - мелкопористая трубка - запорная мембрана;

6 - капиллярнолористый субстрат;

7 - корпус корневого модуля;

8 - посадочные отверстия;

9 - насос-дозатор; 10 - кран; 11-фильтр;

12 - расходомер; 13 - программатор

Схема устройства системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей в корневой модуль с почвозаменителем для условий невесомости

Рис. 4

77^ высота столба воды в сливной трубке, задающая рафяжение в пористой трубке корневого модуля на уровне его оси; Ьтах - максимальный уровень в емкости в конце слива воды 1п корневого модуля;

АЪ- минимальный уровень в емкости, задаваемый сосудом Марнотта.

Схема лабораторного стенда - макета системы корневого снабжения с реверсивной подачей воды в корневой модуль

Время

I - фаза закачки; Ti - конец фазы закачки;

II - пауза: а - без транспирации;

б - с транспирацией; Т? - конец паузы;

III - фаза откачки; Tic - конец цикла;

(рмш - минимальное значение ВП в цикле, то есть в начале фазы I н конце фазы III;

Фжлх- максимальное значение ВП в цикле после закачки

Рис. 5 Циклограмма изменения водного потенциала в цилиндрическом корневом модуле в системе коневого снабжения с реверсивной водоподачей

Одним из преимуществ такой конструкции является ее простота, поскольку в ней можно обойтись без жесткого корпуса Кроме того КМ такой формы удобно использовать в производственной оранжерее в качестве отдельных шагов конвейера, как это видно из предложенной ниже компановки Для наземного образца космической оранжереи "ФИТОКОНВЕЙЕР" разработан блок из 6 цилиндрических КМ, вписанных в общую цилиндрическую посадочную поверхность Поперечное сечение блока схематично показано на рис 6 Блок корневых модулей (БКМ) расположен соосно внешнему светильнику цилиндрической формы, ограничивающему вегетационную камеру оранжереи, так же, как в оранжерее "Витацикл" на рис 1 Поворотная конструкция такого БКМ в оранжерее со сменными КМ позволяет при 30-ти суточной вегетации салата осуществлять поочередную посадку семян и, соответственно, съем урожая через люк оранжереи каждые 5 дней в непрерывном конвейерном режиме

Для минимизации количества исполнительных механизмов в СКС разработан блок водообеспечения (БВО) с поочередным подключением КМ из БКМ к системе реверсивной водоподачи, способный работать в автоматическом режиме как в условиях невесомости, так и в наземных условиях В БВО предусмотрена возможность

освобождения гидравлического контура от воздушных пузырьков, попавших при заправке, смены КМ или выделившихся в процессе работы, благодаря включению в схему газожидкостного разделителя мембранного типа для надежной работы С целью повышения надежности БВО в нём предусмотрено использование механизмов и комплектующих, прошедших проверку в ранее созданных гидравлических узлах и блоках системы жизнеобеспечения на орбитальной станции "Мир" и МКС Согласно разработанной циклограмме работы СКС для работы с 6-ю КМ (рис 7), блок водообеспечения в течение фазы паузы между закачкой и откачкой воды в любом из КМ осуществляет поочередно откачку и закачку воды во всех остальных КМ Таким образом, для ее осуществления необходимо, чтобы сумма длительности фаз откачки и закачки воды в любом КМ была по

I - валики КМ; 2 - пористые трубки (запорные мембраны); 3 - посадочные шелн в чехлах:

4- панели светильников; 1 - VI - пошипи шагов конвейера.

Рис. 6 Схема компоновки блока корневых модулей в конвейерной оранжерее "Фитоконвейер"

крайней мере в пять раз меньше длительности фазы паузы

Т,+ Тт<Т„/5 (2)

В результате проведенного в главе 2 анализа определены основные направления комплекса исследований режимных параметров и расчетов характерных размеров КМ, необходимых для разработки СКС с реверсивной водоподачей в оранжерее "ФИТОКОНВЕЙЕР"

№ КМ

п)п

S \ III

гг"

€4 £ к y^lll^ 7 /

п Z ьг г г

£ г г"

о £ 1 III

i r-/

<0 £ ->

I III I; ; г1 t-

О lie Т 1/JT 1/2 Т 2/3 Т вит Т 7/8 Т

Время в долях длительности 1-го цикла Т > фаза закачки; -фаза паузы: III -фазаоткачки

Рис. 7 Циклограмма поочередной реверсивной водоподачи в шесть КМ блоком водообеспечения системы корневого снабжения конвейерной оранжереи

Третья глава диссертации посвящена разработке методики расчета конструктивных и режимных параметров СКС для цилиндрической конвейерной оранжереи на основе теоретических и экспериментальных исследований

Разработана экспериментально-расчётная методика определения оптимальных конструктивных параметров цилиндрических корневых модулей для конвейерных оранжерей с использованием экспериментальных данных Исходя из заданных геометрических размеров вегетационной камеры числа КМ коэффициента хозяйственного использования культивируемых растений, а также агрохимических характеристик почвозаменителя. рассчитан минимально допустимый объем почвозаменителя в одном КМ и наружный диаметр рулона почвозаменителя Для конвейерной оранжереи "Фитоконвейер" с суточной производительностью 40 г съедобной биомассы объем почвозаменителя БИОНА-ВЗ для одного КМ оказался равным 720 см3, при этом, внешний диаметр КМ составил 7 см, при длине 25 см и диаметре пористой трубки 2,5 см

Разработана экспериментально-расчетная методика расчета параметров рабочего режима СКС Для расчета длительности фазы I в циклограмме работы СКС предварительно выявлена зависимость максимального объема воды, закачиваемой в свежий и использованный для выращивания растений в течение 30 дней почвозаменитель, от величины доз и пауз между дозами у насоса-дозатора в фазе I циклограммы работы СКС Был проведен полный двухфакторный эксперимент З2 В результате обнаружено, что поверхность отклика для использованного почвозаменителя приобрела нелинейный характер (рис 8) На основании экспериментальных данных, с учетом размеров КМ и изменения гидрофизических свойств почвозаменителя в ходе длительной вегетации, определен порядок расчета длительности фазы I в циклограмме работы СКС Рассчитано, что для оранжереи "ФИТОКОНВЕЙЕР" фаза I должна иметь длительность около 1 мин Объем закачиваемой в КМ воды должен составлять 216 ш, а общее водосодержание в КМ должно колебаться в пределах от 122 мл до 338 мл

Рис. 8 Зависимости максимально допустимого объема воды, закачиваемой в КМ до и после вегетации, от величин доз и пауз между дозами, в % от полной гравитационной влагоемкости

На основании соотношения (1), положив в нем объем сливаемой воды равным нулю рассчитана максимально допустимая величина Тп по формуле Тп шах = Цг/ V - Ъ -Тш Подставив в нее вычисленные значения Уд и 7}, а также величину и =0,86 мл]мин, полученную в опытах с 30-тидневным посевом пекинской капусты при плотности потока фотонов 350 мкМоль!(м-1- сек), получили, что максимальная длительность фазы II в циклограмме работы системы реверсивной водоподачи оранжереи "ФИТОКОНВЕИЕР" должна составлять около 4 часов

Для расчета статического распределения ВП в КМ и динамики водосодержания в КМ в режиме откачки воды в фазе II циклограммы работы системы реверсивной водоподачи оранжереи была разработана математическая модель Известно, что влагоперенос в пористой среде описывается системой из уравнения Дарси и уравнения неразрывности воды В работе эта система приводится к общему уравнению движения воды в цилиндрических координатах

Здесь г и (р - цилиндрические координаты радиус-вектор и угол его поворота, К(Р) -

коэффициент влагопроводности ненасыщенного водой почвозаменителя, Р, Р\ и Р'9 -

величина ВП и его частные производные, распределение объемной плотности стоков

воды, поглощаемой корневой системой

Для идентификации уравнения (3) в него подставлены экспериментально найденные зависимости К(Р) и И?(Р) для почвозаменителя БИОНА-ВЗ В качестве Ш(Р) использована основная гидрофизическая характеристика почвозаменителя, поскольку расчеты показали, что кинетическая составляющая энергии потока при влагопереносе в КМ в зоне оптимальных для растений ВП существенно меньше статической Зависимости К(Р) и ЩР) определены стандартными методиками в капилляриметрах, причем, при исследовании ЩР) в роли капилляриметра использован модельный цилиндрический КМ

На рис 9 изображены экспериментальные зависимости водосодержания в цилиндрическом КМ от времени в переходных процессах откачки воды после скачкообразных уменьшений давления внутри пористой трубки в трех вариантах опытов от уровня -0,5 кПа до трех вариантов значений -1,5, -2,5, и -3,0 кПа. Здесь же приведены результаты расчетов по уравнению (3) изменения водосодержания в КМ для этих трех переходных процессов с учетом действия силы тяжести при д = 9,8м сек1, т е для наземных условий Дополнительно приведен результат расчета процесса при скачке от -0,5 до -3,0 кПа для условий невесомости (т е при д = 0) Все расчеты проведены с использованием

(ЩР[

с11

= -К(Р)Рг+Р„+-

г

1

программирования в среде MatchLab - вычислительного пакета программ для персонального компютера Анализ полученных кривых показывает следующее 1) переходные процессы откачки воды из КМ при заданных скачках давления в пористой трубке удовлетворительно описываются расчетной моделью, 2) длительность переходных процессов существенно зависит от величины скачка разрежения, в частности, для случаев падения давления от -0,5 кПа до -1,5 кПа и до -3,0 кПа длительность переходных процессов оказались 3,5 мин и 14,5 мин, соответственно, 3) различия между расчетными значениями переходных процессов осушения почвозаменителя для наземных условий и для невесомости в рассмотренном случае пренебрежимо малы В дополнительных исследованиях обнаружено, что в почвозаменителе, использованном для выращивания растений пекинской капусты в КМ в течение 2-х и 3-х последовательных 30-тидневных вегетаций, длительность переходных процессов откачки воды возрастает приблизительно вчетверо С учетом этих данных внесена поправка в расчетную оценку длительности фазы III в циклограмме работы системы реверсивной водоподачи для оранжереи "ФИТОКОНВЕИЕР", составившую около 40 мин Показано, что найденные длительности всех 3-х фаз в циклограмме СКС удовлетворяют критерию (2) работоспособности разработанной СКС с реверсивной водоподачей

На основании расчетов с использованием уравнения (5) показано, что в стационарных условиях, осуществляемых за счет поддержания в пористой трубке КМ постоянного разрежения, при средней плотности стоков в КМ около 2 10"' мл/(сек см3), соответствующих условиям в оранжерее "ФИТОКОНВЕЙЕР", понижением ВП вдоль радиусов цилиндрического КМ практически можно пренебречь, так как оно не превышает 10% от разрежения в пористой трубке

Таким образом, разработанная методика позволила определить все основные режимные параметры СКС для "ФИТОКОНВЕЙЕРА"

Проведен анализ степени воздействия силы тяжести на движение и распределение воды в капиллярно-пористых средах На основе литературных данных показано, что основными факторами, оказывающими влияние на гидрофизические процессы, происходящие в исследовательских ячейках или КМ с капиллярно-пористой средой, являются характерный размер частиц (L), плотность их загрузки, толщина слоя наполнителя (fa), высота или диаметр КМ, а также действующая сила тяжести и диапазон изменения величин водного потенциала Разработаны рекомендации учета этих факторов при проведении экспериментов, связанных с оценками влагопереноса как в наземных экспериментах, так и в невесомости

О 100 200 300 400 500 600

Время, сек

«.♦.• - расчетные точкл с л четом силы тяжести при падении давления (Р) от-0,5 ю -! Л. -2,5 п-3,0кПа,

Д -расчетные точкл для \словил невесомости прп штеинн давления от -0,5 до -3,0 кПа,

----- асимптоты к расчеты»! зависимостям;

- срезнне по жспернментальпым данным с лкашнпем доверитетьноп» интервала при \ровне жачпмости 0,05,

Рис. 9 Зависимость содержания воды в цилиндрическом корневом модуле от времени при переходных процессах откачки воды после падения давления от -0,5 кПа, в трех вариантах опытов и расчетов: до -1,5; до -2,5 и до -3,0 кПа

Предложена диаграмма с наглядной классификацией зон степени влияния этих факторов на гидрофизические процессы на примере плоской ячейки с пористой средой, которая показана на рис 9

Показано, что при оценке гидрофизических эффектов, в частности, влагопереноса в реальных субстратах для корневых модулей с характерными размерами частиц/пор от десятых долей миллиметра и более, при благоприятных для растений величинах ВП от -2,5 кПа и более, вплоть до затопления субстрата нельзя в наземных условиях пренебрегать эффектами действия силы тяжести Эти оценки могут отличаться от результатов сходных экспериментов в условиях невесомости Поэтому для корректной настройки длительности фазы откачки в циклограмме работы СКС с реверсивной водоподачей для конвейерной салатной космической оранжереи по результатам наземным экспериментов предложена программа космического эксперимента "Витацикл-Т", включённого в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на российском сегменте МКС" (версия 1999 г)

10000

1) hя < hum - юна размеров ячейки с заметным влиянием краевые эффектов на Земле и в невесомости;

2) ha < hxn - юна размеров ячейки ло высоты капиллярного подъема, в которой при О <|Р|< hкп все поры затоплены водой на Чемле и в невесомости;

3) hum < he < h кп - зона размеров ячейки с размерами частиц L < 0,3 ММ без заметного влняння краевых эффектов н водных потенциалов, в которой при 0<\P\<hnn все поры затоплены водой на Земле и в невесомости:

4) | Р | > | Рмш | Л | Р | > h кп - зона без заметного влияния краевых эффектов и водных потенциалов в ненасыщенном водой почвозаменнтеле в ячейке толщиной hum на 'Земле и в невесомости;

5) | Я| < | Рыт | = lO-hms - зона заметного влияния водных потенциалов на Земле в ячейке размером Ищи при L > 0,09 мм;

0,01

0,1 1 Характерны) размер, L, мм

Рис 10 Зоны степени влияния на гидрофизические процессы в плоской ячейке с

пористой средой основных факторов: поперечного размера или высоты ячейки (/и), характерных размеров частиц или пор загрузки Щ, силы тяжести Земле и величины водного потенциала

Экспериментальная проверка предложенной СКС с периодической реверсивной водоподачей была осуществлена в наземных вегетационных опытах Объектами опытов явились следующие салатные культуры пекинская капуста, сорт Хибинская, листовая китайская капуста, сортотип пак-чой и малая китайская капуста, сорт Tokyo Bekana Результаты опытов представлены в табл 1 и 2 В целом, эксперименты показали, что при выборе параметров рабочего режима в соответствие с разработанной методикой периодические изменения ВП в корнеобитаемой среде в течение вегетационного периода не оказывают влияния на развитие и продукционный процесс

Таблица 1

Нормированный прирост сырой массы побегов на единицу облученности, у 30-дневных растений малой китайской капусты и капусты Пак-чой, выращенных при реверсивной водоподаче (опыт) и при стабилизированном водном потенциале в корневой зоне (контроль)

Вид растений Вариант Водный потенциал в корневой зоне, кПа Нормированный прирост, г/(м2-секмкМоль)

Малая китайская Опыт -0,5 - -1,9 1,14 ± 0,11

капуста, сорт Tokyo Опыт -0,5 - -2,6 0,97 ± 0,05

Bekana Контроль -0,8 0,99 ± 0,09

Пак-чой Опыт Контроль -0,5 - -1,8 -0 7 1.07 ±0,11 1.08 ±0,13

Таблица 2

Характеристики 30-дневных растений пекинской капусты

Показатели Контроль Опыт

Сырая масса надземной части, г 88 + 22 (78 ± И)*

Содержание сухих в-в надземной части, % 6 ±1,2 (4 ±1,0)*

Высота растений, см 25,0 ± 3,0 27,7 ± 2,8

Примечание * - различие показателя по сравнению с контрольным вариантом недостоверно при 5% уровне значимости

Анализ экспериментальных данных по продуктивности и ресурсам, затраченным на выращивание салатной зелени, позволил сравнить эффективности работы космических оранжерей различных конструкций, по О-критерию удельной продуктивности, предложенному в 2002 г Ю А Берковичем с соавторами

„ т ■ К,,

е = (4)

где т - урожай биомассы за время Т, Кн - коэффициент хозяйственного использования биомассы V - объем оранжереи, X - период между последовательными урожаями в оранжерее, Е - энергопотребление оранжереи за время Т В цилиндрической конвейерной оранжерее с предложенной нами СКС эффективность производства витаминной биомассы по описанному критерию оказалась в 5 раз выше, чем в используемой ныне космической оранжерее ЛАДА В целом, разработанная для конвейерных космических оранжерей СКС с периодической реверсивной водоподачей показала свою работоспособность в наземных условиях в экспериментах с различными салатными растениями

В Заключении диссертационной работы подведены ее итоги, даны научно-практические рекомендации, основные результаты и выводы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты работы сводятся к следующему

• Разработан и экспериментально апробирован с посевами зеленных растений метод периодической реверсивной водоподачи в корневые модули конвейерной производственной оранжереи, пригодный для космического применения

• Экспериментально исследованы гидрофизические характеристики волокнистого ионообменного почвозаменителя БИОНА-ВЗ и получена оценка их изменений в процессе длительного использования для выращивания растений

• Экспериментально определен диапазон оптимальных для растений значений водного потенциала в корневых модулях от -0,5 кПа до -2,5 кПа

• Разработана конструкция и экспериментально-расчетная методика определения конструктивных параметров цилиндрических корневых модулей с пористыми трубкам и волокнистым почвозаменителем из соленасыщенных ионообменных смол

• Исследована зависимость максимального водозаполнения почвозамениеля насосом-дозатором от параметров интенсивности процесса объема дозы качка и длительности пауз между качками,

• Исследована зависимость длительности процесса осушения почвозаменителя в корневом модуле под постоянным разряжением от величины разряжения воды в пористой трубке и геометрических размеров цилиндрического слоя почвозаменителя

• Разработана математическая модель и компьютерная программа для расчета статического распределения водного потенциала в цилиндрических корневых модулях космической оранжереи с капиллярно-пористым почвозаменителем, а также для расчета переходного процесса влагосодержания в режиме откачки воды из корневого модуля применительно к

условиям невесомости и к наземным условиям

• На основе наземных опытов в вегетационных установках с разработанной системой корневого снабжения установлено, что при выращивании различных зеленных растений периодическое понижение водного потенциала в КМ с почвозаменителем БИОНА-ВЗ или Турфейс от значений (-0,5 - -1,0) кПа до значений от ( -1,8 - -3,0) кПа через каждые 6-8 часов в течение всей товарной вегетации не снижает урожая и обеспечивает принудительную вентиляцию до 50-65 % объема пор субстрата

• На основе предложенной технологии разработана аппаратура корневого снабжения для наземных образцов салатных космических оранжерей "Витацикл" и "Фитоконвейер", прошедшая успешные лабораторные испытания с посевами зеленных растений и обеспечившая получение до 0,76 г сырой биомассы растений на (м* Вт-оень) в день, что более чем в 5 раз превосходит удельную производительность, достигнутую в космической оранжерее с традиционной компоновкой и системой корневого снабжения

Выводы

1 Для салатных оранжерей с конвейерным посевом в биолого-технических системах жизнеобеспечения экипажей космических аппаратов перспективной является цилиндрическая компоновка блока корневых модулей и система корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули

2 В системе корневого снабжения конвейерной салатной оранжереи целесообразно использовать волокнистые почвозаменигели на основе соленасыщенных ионообменных смол

3 Разработанная экспериментально-расчетная методика пригодна для определения конструктивных параметров и рабочих режимов системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули салатной космической оранжереи

4 Разработанные математические модели и компьютерные программы для расчёта влагопереноса в с капиллярно-пористых средах могут применяться для оценки распределения водных потенциалов и водосодержания в цилиндрических корневых модулях с почвозаменителями как в стационарных, так и переходных процессах

5

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Беркович Ю А Кривобок Н М , Кривобок С М , Синяк Ю Е, Захаров С Б , Матусевич В В Характеристики некоторых заменителей почвы для космических оранжерей "Авиакосмическая и экологическая медицина", N6 1997г,стр 51-55

2 Беркович Ю А , Кривобок Н М Оптимизация длительности шага конвейерного посева зеленных растений в сб "Проблемы обитаемости в гермообъектах" под ред АИГригорьева М Фирма "Слово", 2001г С 12-14

3 Беркович Ю А Смолянина С О, Кривобок Н М Космическое земледелие и растениеводство итоги и перспективы ЭКОЛОГИЯ И ПОЧВЫ

Избранные лекции 10-й Всероссийской школы Т IV Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 2001 С 48-57

4 Беркович Ю А , Смолянина С О , Кривобок Н М Экспериментальное исследование системы корневого питания растений с периодической реверсивной подачей воды для космических оранжерей Авиакосмическая и экологическая медицина, Т 34, № 2, 2000 стр 47-52

Кривобок Н М , Ерохин А Н , Беркович Ю А "Расчет параметров корневого модуля салатной космической оранжереи с использованием математической модели влагопереноса" Четвертый международный аэрокосмический конгресс IAC03 (18-23 августа 2003 г, Москва, Россия)

6 Смолянина С О , Беркович Ю А , Кривобок Н М, Кривобок С М Связь некоторых факторов внешней среды с нарушениями в онтогенезе растений пшеницы применительно к условиям космической оранжереи Авиакосмическая и экологическая медицина, Т 34, № 3, 2000 стр 61-65

7 Смолянина С О , Кривобок С М, Беркович Ю А, Иванов В Б , Жиленкова О Г, Большакова Л С Влияние водного потенциала в корнеобшаемой зоне на продуктивность высших растений Авиакосмическая и экологическая медицина,Т 33, №2, 1999 стр 45-50

8 Berkovich, Yu А, Krivobok, N М , Krivobok, S М , Matusevich, V V and Soldatov, V S Development of a root feeding system based an a fiber ion-exchange substrate for space plant growth chamber "Vitacycle" Habitation Vol 9 Issue # 1-2, 2003

9 Berkovich, Yu A , Krivobok, N M , Siniak, Yu E Project of conveyer-type space greenhouse for cosmonauts' supply with vitamin greenery Adv Space Res 1998 Vol 22, No 10, pp 1401-1405

10 Berkovich, Yu A, Krivobok, N M, Smolianina, S О Effects of root module design on growth development of plants under the conditions of lowered water potentials tn the root zone Gravitational and Space Biology Bulletin, Vol 11, No 1, p 55 1997

11 Berkovich, Yu A , Krivobok, N M , Syniak, Yu E , Zaitsev, E R, Monakhov, В N , Protasov,

N N, Abramov, L Kh , Samsonov, N M, Farafonov, N S Perspectives of developing space greenhouse for international space station Proceedings of the Sixth European Symposium on Space Environmental Control Systems Noordwijk, The Netherlands ESA SP-400, 1997 Pp 839-844

12 Berkovich, YuA, Smolianina, SO, Krivobok, NM, Krivobok, SM, Ivanov, VB, Zhilenkova, О G, Chooehkin6 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 Proceedings of 3-d Russian-American Conference in frame of "Mir-NASA" contract 1997, p 169 Huntswille, USA, симпозиума Huntsvill, AL, November 10-13, 1997

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

14 Smolianina, S О, Berkovich, Yu A, Krivobok, N M, Krivobok, S M A comparison of root module designs to wheat growth and development Defining the requairements for space based plant culture system SAE technical paper #2000-01-2508 Pp 1-6

15 Smolianina, S О, Berkovich, Yu A, Krivobok, N M Estimation of efficiency of the vitamin conveyor-tipe plant growth facility "Phytocycle" by results of ground tests SAE technical paper # 2001 -01 -2424 Pp 1 -5

16 Smolianina, SO, Berkovich, YuA, Krivobok, NM, Zhilenkova, OG Leaf mustard Brassica junceae (L) ontogenetic alternation as possible mechanism of adaptation to root zone water deficit Proceedings of All Russian Scientific Conference "Plant and Soil", St Peterburg, Russia, 6-10 December, 1999 pp 24-25

17 Кривобок H M , Беркович Ю A_, Симонов В M , Павловский В И Вегетационное устройство для растений А С СССР № 1161022 от 16 12 83

18 Кривобок НМ, Беркович ЮА, Симонов ВМ, Павловский В И Вегетационное устройство для растений А С СССР № 1293865 от 30 01 85

19 Беркович Ю А, Кривобок НМ, Синяк Ю Е Способ корневого питания растений в искусственных условиях и устройства для его осуществления Патент РФ № 2 153 02 от 20 07 98г

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БВО блок водообеспечения,

БКМ - блок корневых модулей,

БТСЖО - биолого-техническая система жизнеобеспечения,

ВП - водный потенциал,

КМ - корневой модуль.

КОКОР - космическая овощная конвейерная оранжерея,

| МКС - международная космическая станция,

I

! ПВП - полный водный потенциал, | СЖО - система жизнеобеспечения, { СКС - система корневого снабжения

Принято к исполнению 29/04/2004 Исполнено 29/04/2004

Заказ № 167 Тираж 100 экз

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095)318-40-68 www autoreferat ru

-os¿6

РНБ Русский фонд

2006=4 5744

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ГЛ. 1. СВЯЗЬ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ С ФАКТОРАМИ СРЕДЫ КОРНЕОБИТАЕМОЙ ЗОНЫ 15

1.1. Связь продуктивности растений с основными факторами среды в почвенном слое 15

1.1.1. Транспирация и водные потенциалы в тканях растений и почве. Доступность почвенной влаги для растений в полевых условиях 15

1.1.2. Роль аэрации корнеобитаемой среды растений. Основные модели аэрации 18

1.1.3. Влияние факторов минерального питания в почве на продуктивность растений 21

1.2. Особенности корневого снабжения растений в корневых модулях применительно к производственной космической оранжерее 24 1.2.1. Проблемы оптимизации водного потенциала и аэрации в корневых модулях для наземных условий и невесомости 25

1.2.1.1. Методы определения границ допустимого диапазона водных потенциалов в корневых модулях • 25

1.2.1.2. Методика и результаты экспериментального определения диапазона оптимальных водных потенциалов 28

1.2.2. Обеспечение минерального питания растений в соленасыщенных пористых ионообменных субстратах 32

1.2.3. Влияние физических свойств корнеобитаемой среды и конструктивных параметров корневого модуля на рост и развитие растений 36

ГЛ.2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ КОРНЕВОГО СНАБЖЕНИЯ С РЕВЕРСИВНОЙ ВОДОПОДАЧЕЙ 48

2.1. Разработка способа и устройства системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей в корневой модуль 48

2.1.1. Преимущества и недостатки известных систем корневого снабжения для космических оранжерей 48

2.1.2. Описание разработанной системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 50

2.1.3. Разработка конструкции корневого модуля для системы корневого снабжения с / реверсивной водоподачей 52

2.1.4. Разработка макета и циклограммы работы системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 54

2.2. Разработка СКС с реверсивной водоподачей в КМ для конвейерной космической оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью 58

2.2.1. Разработка блока корневых модулей для выращивания конвейерного посева зеленных растений в оранжерее с цилиндрической посадочной поверхностью 58

2.2.2. Разработка гидравлической схемы и циклограммы работы блока водообеспечения для системы корневого снабжения конвейерной оранжереи 60 ГЛ. 3. РАСЧЁТ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ КОРНЕВОГО СНАБЖЕНИЯ .ДЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНВЕЙЕРНОЙ ОРАНЖЕРЕИ 67

3.1. Задачи оптимизации параметров системы корневого снабжения 67

3.2. Разработка и идентификация общих математических моделей движения воды в корневых модулях с пористым почвозаменителем 69

3.3. Расчет оптимальных размеров цилиндрических корневых модулей и блока корневых модулей для конвейерной оранжереи 77

3.4. Расчёт параметров циклограммы работы системы реверсивной водоподачи для СКС 79

3.4.1. Расчёт времени и объема закачки воды в КМ (фаза I) 79

3.4.2. Расчёт длительности паузы между закачкой и откачкой воды в корневой модуль 86

3.4.3. Расчёт длительности периода откачки воды из корневого модуля 87

3.4.3.1. Оценка длительности переходного процесса откачки воды из КМ после длительной вегетации растений 91

3.4.3.2. Методические проблемы экспериментального исследования влагопереноса в условиях невесомости и в наземном контроле 92

3.5. Апробация разработанной системы корневого снабжения растений в вегетационных опытах с зеленными растениями 100 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108 Основные результаты 110 ВЫВОДЫ 111 Научно-практические рекомендации 112 ЛИТЕРАТУРА 114 Приложения: 1,2,3 123

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

БВО - блок водообеспечения;

БКМ - блок корневых модулей;

БТСЖО - биолого-техническая система жизнеобеспечения;

ВП - водный потенциал;

КМ - корневой модуль;

КОКОР - космическая овощная конвейерная оранжерея;

МКС - международная космическая станция;

НД - насос-дозатор; НМ - насос мембранный; образец;

ОГХ - основная гидрофизическая характеристика;

ОС - орбитальная станция;

ПВП - полный водный потенциал;

ППВФ — пенополивинилформаль;

ППС - потенциал продуктивности субстрата;

ППСв - весовой ППС;

ППСо - объемный ППС;

СЖО - система жизнеобеспечения;

СКС - система корневого снабжения;

НЭО - наземный экспериментальный

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ а - числовой коэффициент; г - длительность паузы между дозами; v - расход воды в КМ на эвапотранспирацию и испарение; р - угловая координата; л - динамическая вязкость; в - краевой угол смачивания; р - плотность вещества; а - поверхностное натяжение жидкости; е - порозность, пористость; у - удельный вес; д - удельный объем пор аэрации; гр - коэффициент сопротивления трения;

В - числовой коэффициент; С - концентрация;

Сотн - относительная концентрация;

D - коэффициент диффузии; d - диаметр;

Ds - коэффициент стесненной диффузии Dbkm - диаметр блока корневых модулей;

Dkm - диаметр корневого модуля; Doth - коэффициент относительной диффузии; F - сила;

Fkp — критическое значение распределения Фишера; д - ускорение свободного падения; G - вес; h, Н - высота, высота столба воды; Нтах - максимальная высота посева в съёмном возрасте; j или j - вектор плотности потока; j - плотность потока; J(x,y,z) - функция распределения » стоков; ki, кг - числовые коэффициенты; * L - линейный размер;

М - молекулярный вес; т - масса;

Мо, Мт - влагосодержание корневого модуля, соответственно, в условиях невесомости и в наземных условиях с учетом силы тяжести; тр - средняя сырая масса салатного растения; п - количество растений в посеве; N - число корневых модулей в БКМ; р — суточная производительность <*■* оранжереи;

Pi, Рп - полный потенциал воды; л

Р - давление, водный потенциал; Ра — пневматический потенциал воды; Рг - гравитационный потенциал воды; Рк — капиллярно-сорбционный или матричный потенциал воды; Роем - осмотический потенциал воды; Рт - тензиометрический потенциал воды; Q - расход, суммарный выход воды; Qt - выход воды ко времени t, ,, г - радиус-вектор; г, R - радиус; I

Rmax - максимальный радиус блока корневых модулей, s - удельная площадь поверхности; S- площадь; t- время;

Tj, Тг, Тз - длительности фаз циклограммы;

1д - длительность хода поршня насоса-дозатора;

Тш—длительность шага растительного конвейерного посева; V— объем;

Vo, Vj, V2 и V3- водосодержание корневого модуля, соответственно, в начале фазы I, в конце фаз I, II и III; Уд - объем закачиваемой в корневой модуль воды;

Ууд - объем почвозаменителя на одно растение; w - скорость;

W - удельная влажность пористого тела объемная или весовая);

Wmax - максимальная влажность;

Ws - влажность барботирования пробоя);

Woth - относительная влажность в долях или % от порового пространства; Во - критерий Бонда; К — коэффициент влагопроводности ненасыщенной влагой пористой среды; Км - гидравлическая проводимость пористой мембраны; Кф - коэффициент фильтрации; Кхоз - коэффициент хозяйственного использования биомассы растений; рН - кислотность;

Со, Ci, С2, Сз - числовые коэффициенты; Т- время.

ВВЕДЕНИЕ

Освоение человечеством околоземного космического пространства вызвало необходимость создания и регенерации искусственной среды обитания для экипажей в пилотируемых космических объектах. В настоящее время перспективным методом создания искусственной среды в гермокабинах пилотируемых космических кораблей считают сочетание биологических и физико-химических процессов регенерации веществ в так называемых биолого-технических системах жизнеобеспечения - БТСЖО /19, 20, 37, 57, 103/. При значительном увеличении длительности космических экспедиций БТСЖО будут являться безальтернативным с точки зрения обеспечения пищей методом обеспечения жизни экипажа. БТСЖО планируются к использованию не только в ходе космических полетов, но и на лунных и планетных станциях, где для их обеспечения могут быть использованы местные природные ресурсы /77/.

Теоретические основы и первые физические модели БТСЖО были разработаны в Институте авиационной и космической медицины в Москве под руководством Е.Я.Шепелева (1960-63 гг.), а также в Институте биофизики в Красноярске под руководством И.И. Гительзона и И.А. Терскова (1964 г.). Преимущества использования фотосинтезирующих организмов в составе БТСЖО объясняются их уникальной способностью к синтезу органических веществ с использованием солнечной энергии, что позволяет не только воспроизводить продукты питания для экипажа и других гетеротрофных организмов, но и осуществлять регенерацию воды и атмосферы в обитаемой кабине, а также возвращать в кругооборот часть химических элементов, содержащихся в растительных отходах и продуктах метаболизма гетеротрофов /50/. Наблюдения за экипажами в замкнутых гермообъектах показали, что операции членов экипажа по уходу и наблюдению за входящими в БТСЖО зелеными растениями, способны оказывать психофизиологическую поддержку людям, что способствует сохранению работоспособности экипажей в условиях длительной изоляции. Таким образом, в настоящее время общепринятым среди специалистов стало мнение о том, что неотъемлемой частью будущих БТСЖО должны стать высшие растения /13, 19, 20, 37, 50, 57, 103/. Разработаны прогнозы внедрения различных типов установок для культивирования растений в сценарии предстоящих лунных и марсианских экспедиций /76/.

Следует отметить, что большую роль в проектировании и создании первых вегетационных устройств для космических полетов, в русскоязычной литературе называемых обычно космическими оранжереями, сыграли российские и американские ученые. Их опыты с высшими растениями на советских орбитальных станциях (ОС) и комплексах "Салют" и "Мир", а также на американских кораблях типа "Shuttle" подтвердили возможность их выращивания в условиях космического полета. Опыты в оранжерее "Свет", проработавшей на борту ОС "Мир" с 1989 по 2001гг, экспериментально доказали возможность образования корнеплодов у редиса /1, 2/, а также прохождения полного цикла онтогенеза и получения в нормальные сроки жизнеспособных семян у сурепки, арабидопсиса и пшеницы /33, 34, 50/. Таким образом, получено практическое подтверждение возможности функционирования фотоавтотрофного звена БТСЖО на основе высших растений в условиях космического полета /50/.

Проведенные для случая лунной базы сравнительные оценки биологических и технических систем жизнеобеспечения (СЖО) по критерию эквивалентной или приведенной массы /97/ свидетельствуют о том, что на современном этапе в экспедициях длительностью менее 1,5 лет БТСЖО уступают СЖО с физико-химическими системами регенерации воздуха и воды, а также с запасами потребных для экипажа веществ /78/. Проведенная в работе /57/ оценка длительности времени окупаемости для БТСЖО с посевом пшеницы (т.е. периода, в течение которого суммарная полученная зерновая продукция становится равной эквивалентной массе космической оранжереи с расходными материалами) составила величину около 1 года. В дальнейшем можно ожидать снижения времени окупаемости БТСЖО за счёт минимизации энерго-весовых характеристик входящей в неё космической оранжереи, например, путём увеличения продуктивности используемых биологических видов, методами генной инженерии и традиционной селекции, оптимизации структуры посевов и условий культивирования растений, а также за счет улучшенного управления. Учитывая тот факт, что основные ресурсы на борту, такие как электроэнергия, герметезированный объем корабля, трудозатраты экипажа на обслуживание и т.д., строго лимитированы, а стоимость доставки 1 кг полезного груза даже на околоземную орбиту составляет в настоящее время до 10000 долларов /109/ (на поверхность Луны - до 30000 долларов /78/), можно сделать вывод, что одним из условий, необходимых для внедрения в практику космонавтики биологических регенеративных компонентов, является оптимизация их проектных характеристик. Широкое практическое применение получил уже упомянутый критерий минимума эквивалентной массы системы /79, 90, 97/, который, однако, неудобно применять на этапе разработки перспективных космических оранжерей из-за сложности получения в этом случае достоверных коэффициентов перевода в единицы эквивалентной массы потребляемых бортовых ресурсов /77/. Более подходящим при оптимизации на этапе разработки и проектирования БТСЖО, и, в частности, космической оранжереи, представляется критерий максимума отношения производительности устройства к произведению потребляемых бортовых ресурсов, предложенный в работах /9, 51, 59, 73/. Этот подход основан на вычислениях с применением реально измеряемых показателей, и поэтому позволяет более объективно оценивать и сопоставлять эффективность различных систем.

Одним из ключевых вопросов при разработке технологий и устройств для выращивания растений в космосе оказалась организация корневого снабжения растений, под которым понимается, согласно работам /1,2/, обеспечение в корнеобитаемой зоне вегетирующих растений следующих условий:

1. наличия доступной воды при допустимых для растений значениях водного потенциала;

2. наличия необходимых нутриентов при допустимом соотношении их концентраций;

3. поддержания кислотности среды в допустимом диапазоне;

4. наличия кислорода при допустимых концентрациях;

5. удаления продуктов метаболизма корней, в частности, углекислого газа, этилена и других корневых выделений. ,

Комплекс аппаратуры и материалов, обеспечивающих вышеперечисленные задачи в космической оранжерее, будем называть, следуя работам /1, 2/, "системой корневого снабжения" (СКС).

Начиная с первых экспериментов с растениями в условиях микрогравитации, организация корневого снабжения вызывала наибольшие трудности и являлась одной из частых причин неудач при попытках культивирования посевов в космических оранжереях различных конструкций /107, 58/. Это обусловливает актуальность разработок методов и устройств для СКС в космических оранжереях.

В 1994 г. на ведущем предприятии Ракетно-космическая корпорация "Энергия" было принято техническое решение о перспективной разработке космической овощной конвейерной оранжереи (КОКОР) "ВИТАЦИКЛ" для снабжения экипажа МКС свежей витаминной зеленью с заданной проектной производительностью 150 г свежей биомассы в сутки, что в несколько раз выше, чем у любой из существующих исследовательских космических оранжерей, как это видно из таблицы В1 с приведенными сравнительными характеристиками космических оранжерей.

В работах /1, 2, 13, 84, 19, 20/ было показано, что производство скоропортящейся салатной зелени целесообразно организовывать с помощью так называемого конвейерного посева, т.е. путем периодической посадки и уборки растений на части посевной площади с заданным сдвигом по времени. С учётом этого была поставлена задача создания производственной конвейерной космической оранжерее, как элемента конкретной СЖО экипажей космического корабля.

Таблица В1

Характеристики современных космических оранжерей (по данным работ /3,32/)

Название, производитель Освещаемая площадь посева, м? Объём вегетационной камеры, м3 Потребляемая энергия, Вт Оценка производительности для листовой капусты, г/день

PGBA, BioServ Technologies Corp., Эймский исследовательский центр НАСА, США 6 х 0.0075 0.019 230 8-10

Astroculture™". WCSAR, Университет штата Висконсин,США 2 х 0.0260 0.005 135 3-4

BPS, Orbital Technologies corp., США 0,062 0,025 260 11-12

PGF, Dynamac/Bionetics Corp., Космический центр Кеннеди НАСА, США 6 х 0.0072 0.012 115 6-8

СВЕТ, Институт медико-биологических проблем, Россия, Институт космических исследований, Болгария 0,1 0,07 200 10-11

ЛАДА, Utah State University, США, Институт медико-биологических проблем, Россий 0,03 0,02 60 4-6

КОКОР "Витацикл"*, Институт медико-биологических проблем, Россия 1,1 0,35 1000 150 - проектные параметры.

Конструкции известных экспериментальных космических оранжерей не предусматривают конвейерного посева с возможностью обеспечения урожаем салатной зелени каждые несколько суток, а их производительность, как видно из данных таблицы В1, не удовлетворяет заданным жестким ограничениям для производственной оранжереи МКС. Вследствие этого возникла необходимость проведения комплекса дополнительных исследований по разработке конструкции производственной салатной космической оранжереи с конвейерным посевом. В ходе проведения этой работы была разработана единственная на сегодняшний день конструкция производственной конвейерной оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью под названием "ВИТАЦИКЛ", способная работать как в условиях космического полета в качестве космической оранжереи в составе СЖО МКС, так и в наземных условия /62, 63/. В разработанной для нее СКС были использованы принципиально новые способ и устройство с реверсивной периодической водоподачей в корневую зону растений. Результаты разработки этой СКС составляют основу данной диссертации и вошли в гл. 1 и 2. В частности, в гл.1 дано описание проведенной работы по оптимизации водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений и выбору почвозаменителя для заполнения корневых модулей (КМ) с малым удельным объемом на единицу биомассы выращиваемых растений, учитывающих специфику использования в космических оранжереях. Под ^еемичЕсквш-пвлетп.- л тп«же( пористым капиллярным субстратом или просто субстратом в данной работе подразумевается такая корнеобитаемая среда, у которой твердая фаза обладает заметными ионообменными свойствами /1, 2/. Подобные среды нашли применение практически во всех известных в настоящее время конструкциях космических оранжерей. Под КМ в работе подразумеваются небольшие вегетационными сосуды или контейнеры, заполненные, как правило, капиллярно-пористой корнеобитаемой средой с твёрдой матрицей.

В 1997 г. в ГНЦ РФ ИМБП РАН было разработано "Техническое задание на космический эксперимент "ВИТАЦИКЛ-Т". Одной из задач этого эксперимента является экспериментальная проверка в натурных условиях режимов работы созданной СКС. Эксперимент с аппаратурой ВИТАЦИКЛ-Т" был принят секцией №3 КНТС РАН и Росавиакосмос и включён в 1999г в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС". В настоящее время изыскиваются средства для реализации этой программы.

В 2001 г. представителями отдела СЖО РКК "Энергия" был проведен анализ наличных на сегодняшний день и планируемых на ближайшее будущее ресурсов на борту PC МКС. Анализ позволил уточнить приемлемые на сегодняшний день характеристики для производственной космической оранжереи и показал, что запланированное ранее энергообеспечение на оранжерею "ВИТАЦИКЛ" не может быть выделено в полном объеме в ближайшем будущем. В связи с этим в 2002 г. в рамках финансируемого МНТЦ Проекта №2137 была поставлена задача создания прототипа производственной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер" с приемлемыми на сегодня более жесткими характеристиками, которые приведены в таблице В2.

Для создания космической оранжереи "Фитоконвейер" была проведена работа по оптимизации технологических параметров СКС, таких, как длительности рабочих режимов и характерные размеры КМ. Результаты вошли в гл. 3 диссертационной работы.

Таблица В2

Проектные характеристики экспериментального образца космической оранжереи "Фитоконвейер" для Российского сегмента МКС

Характеристики Значения

Габаритные размеры, лш 540x590x400

Потребляемая электрическая мощность, кВт 0,25

Объём комплекса, м3 0,1

Суммарная освещаемая площадь посева, м2 0,4

Количество шагов растительного конвейера 10

Плотность потока фотосинтетически активных фотонов под светильником, мкмоль:м2-с 350

Номинальная производительность салатной зелени, г/сут 40

Длительность шага конвейера, сут 5

Таким образом, целью данной работы являлась разработка метода и аппаратуры корневого снабжения растений для производственных салатных оранжерей системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.

Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.

1. Разработана и апробирована система корневого снабжения зеленных растений с реверсивной периодической водоподачей, способная работать как в условиях невесомости, так и в наземных условиях.

2. Разработана методика расчёта параметров рабочего режима СКС для работы с блоком корневых модулей конвейерной производственной космической оранжереи.

3. Разработана компьютерная программа для расчёта статического распределения водного потенциала в цилиндрических корневых модулях космической оранжереи с капиллярно-пористым почвозаменителем, а также для расчёта переходного процесса влагосодержания в режиме откачки воды из корневого модуля, применительно к условиям невесомости и к наземным условиям.

4. Разработана методика расчёта оптимальных конструктивных параметров корневого модуля космической оранжереи, как для наземных условий, так и для условий невесомости.

5. Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации к системе корневого снабжения производственной салатной космической оранжереи.

В данной работе изложены результаты исследований, проведенных в Государственном научном центре РФ - Институте медико-биологических проблем РАН (до 2001 г. именовавшегося ГНЦ РФ - ИМБП) за период с 1994 по 2003 гг под руководством д.т.н. Ю.А. Берковича. Часть работ была проведена при финансовой поддержке за счёт грантов: с 1995 по 1997 гг. в рамках контракта Мир-НАСА NAS - 15-10110, ас 2002 г. в рамках проекта №2137 в Международном научно-техническом центре. Автор выражает благодарность организациям, предоставившим гранты. Методы исследования

В процессе работы были использованы как расчетные методы, например, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, так и экспериментальные исследования. С помощью численных методов были получены частные решения дифференциального уравнения влагопереноса в ненасыщенной пористой среде с учетом влияния силы тяжести. Получены зависимости, описывающие распределение ВП и водосодержания по объему цилиндрического КМ, а также длительность переходного процесса откачки воды под постоянным разрежением в зависимости от характерных размеров КМ. Полученные модели позволили оптимизировать выбор характерных размеров КМ и параметров рабочих режимов СКС. Статистическая обработка экспериментальных результатов и графические построения проводились с использованием персонального компьютера в программах Excel, QuattroPro, MatchCad, MathLab. Метод вегетационных опытов позволил провести идентификацию моделей по результатам экспериментов и экспериментально обосновать единые требования к конструкции КМ и к режимам полива и аэрации корневой системы как для наземных условий, так и невесомости. Научная новизна работы

• Способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мебрану для производственной космической оранжереи;

• Методика наземного исследования и экспериментальные данные об оптимальном диапазоне водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений в космической оранжерее;

• Экспериментальная оценка гидрофизических характеристик волокнистого ионообменного почвозаменителя БИОНА-ВЗ и их изменений в процессе длительного использования для выращивания растений;

• Методика расчёта конструктивных параметров цилиндрического КМ производственной оранжереи;

• Методика расчёта параметров рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в КМ конвейерной космической оранжереи.

Практическая значимость работы заключается в следующем: разработаны и практически реализованы новый метод и аппаратура для системы корневого снабжения с периодической раверсивной водоподачей; разработана система корневого снабжения для наземного образца конвейерной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер"; разработаны и внедрены в практику методики расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля производственной оранжереи и рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной производственной космической оранжерее.

На защиту выносятся следующие основные положения: способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мембрану для салатной космической оранжереи; система корневого снабжения для растений в конвейерной салатной космической оранжерее; методика расчета рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной салатной космической оранжереи; методика расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля салатной космической оранжереи.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и научных форумах:

31, 32, 34 COSPAR scientific assembly (Birmingam, England, 1996; Nagoya, Japan, 1998,

Houston, USA, 2002);

10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington,

1994);

III Международное рабочее совещание по биомедицинским исследованиям в космосе

Варна-95" (Варна, Болгария, 1995)

2-я Российско-Американкая конференция по программе "Мир-НАСА"(г.Королёв, 1996);

3-й Российско-Американский симпозиум по программе "Мир-НАСА"(Хантсвилл, США,

1997);

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

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

2-й, 3-й, 4-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997,2000, 2003);

XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва,

1998);

3-d International conference "Life support and Biosphere science" (Orlando, USA, 1998);

8, 10, 12-я Всероссийская школа "Экология и почвы" (Пущино, 1998,2001, 2003);

Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в окружающих условиях» (Москва, 2000,2003);

30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000);

51-st International Astronautical Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000).

Материалы диссертационной работы опубликованы в 18 статьях и доложены в 21 докладе на научно-технических конференциях. Новизна результатов защищена Российским патентом и двумя авторскими свидетельствами СССР.

Диссертация изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц, и 30 рисунков, и состоит из введения 3-х глав, заключения и списка цитированной литературы.

Выводы

1. Для салатных оранжерей с конвейерным посевом в биолого-технических системах жизнеобеспечения экипажей космических аппаратов перспективной является цилиндрическая компоновка блока корневых модулей и система корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули.

2. В системе корневого снабжения конвейерной салатной оранжереи целесообразно использовать волокнистые почвозаменители на основе соленасыщенных ионообменных смол.

3. Разработанная экспериментально-расчётная методика пригодна для определения конструктивных параметров и рабочих режимов системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули салатной космической оранжереи.

4. Разработанные математические модели и компьютерные программы для расчёта влагопереноса в капиллярно-пористых средах могут применяться для оценки распределения водных потенциалов и водосодержания в цилиндрических корневых модулях с почвозаменителями как в стационарных, так и переходных процессах.

Научно-практические рекомендации

1. Для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать конвейерный метод выращивания растений на ионообменном капиллярно-пористом поч возаменителе.

2. В блоке увлажнения и аэрации корневой среды растений для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать систему с периодической реверсивной подачей воды через запорную мембрану.

3. В качестве корневого модуля для витаминной космической оранжереи рекомендуется использовать конструкцию в виде рулона волокнистого почвозаменителя обернутого вокруг мелкопористой трубки и покрытого сверху пластиковым светонепроницаемым чехлом с прорезями для растений.

4. В качестве почвозаменителя целесообразно использовать волокнистые нетканые материалы на основе катионообменных и анионообменных смол, предварительно насыщенные необходимыми для вегетации растений нутриентами в соответствие с разработанными биозонами для основных ионов солей.

5. В корневом модуле витаминной космической оранжереи рекомендуется поддерживать водный потенциал в пределах от -0,5 кПа до -2,5 кПа.

6. При работе оранжереи с системой с реверсивной водоподачей объем закачиваемой в корневой модуль воды, а также длительность фазы откачки рекомендуется выбирать, ориентируясь на гидрофизические свойства почвозаменителя, использовавшегося в заданном количестве вегетаций.

7. Для уменьшения длительности фазы откачки воды в системе с реверсивной водоподачей рекомендуется минимизировать, насколько позволяет компоновка конвейерной оранжереи, толщину слоя почвозаменителя в корневом модуле, что при фиксированном объеме почвозаменителя возможно за счет увеличения наружного диаметра запорной пористой трубки в корневом модуле.

Для уточнения параметров разработанной СКС в условиях космических полётов целесообразно предварительно провести запланированный космический эксперимент по выращиванию зеленных растений согласно "Техническому заданию на космический эксперимент "Витацикл-Т", разработанному в рамках "Долгосрочной программы научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Быстрый прогресс пилотируемой космонавтики заставил интенсифицировать работы в области совершенствования систем жизнеобеспечения экипажей космических аппаратов, в том числе за счёт введения в системы жизнеобеспечения биологических звеньев, и в частности, салатной оранжереи для орбитальных станций и межпланетных кораблей. Задача данной работы. состояла в разработке метода и аппаратуры для организации корневого питания растений в подобных оранжереях, предназначенных, в первую очередь, для регулярного снабжения экипажей свежей витаминной зеленью в течение долговременных экспедиций. Специфика среды обитания растений в условиях космического полёта, и в частности, условия невесомости, заставляют разрабатывать специальные методы подачи воды, кислорода и нутриентов к корням растений, отличные от традиционных в наземных условиях, а также совершенствовать методы автоматического контроля параметров корнеобитаемой среды в корневых модулях космических оранжерей. Конструкции прошедших полетные испытания космических оранжерей и, в частности, систем их корневого снабжения были разработаны для исследовательских целей. Исследовательские оранжереи отличаются тем, что: их удельная производительность на единицу затрачиваемых ресурсов не оптимизирована и не вполне удовлетворяет жестким требованиям со стороны бортовых систем жизнеобеспечения; в них не предусмотрена возможность регулярного получения зелени для снабжения экипажа на протяжении длительного периода времени, которая наилучшим образом обеспечивается при выращивании конвейерного посева.

В связи с этим все исследовательские оранжереи не могут быть рекомендованы без специальной доработки для решения производственных задач в качестве оранжерей в составе БТСЖО.

В данной работе была предложена новая концепция для реализации корневого питания конвейерного посева в условиях невесомости, основанная на применении волокнистых соленасыщенных ионообменных почвозаменителей и на периодической реверсивной подаче воды в корнеобитаемую зону через запорные пористые мембраны. Особенностью работы таких систем является периодическая принудительная настройка влагосодержания в волокнистом субстрате до стабилизированного значения, что позволяет удерживать водный потенциал в корнеобитаемой зоне в строго ограниченном и оптимальном для растений диапазоне в процессе всей вегетации. Кроме того, такая система позволяет проводить мониторинг состояния растений, периодически регистрируя скорость поглощения воды посевом. Для удобства культивирования растений в условиях невесомости разработана конструкция цилиндрических посадочных модулей с использованием пористых трубок в качестве запорных мембран. На основе полученных данных о потенциале продуктивности и гидрофизических характеристиках волокнистого почвозаменителя разработана методика расчёта основных конструктивных параметров таких корневых модулей.

В процессе создания новой СКС потребовался углублённый анализ процессов влагопереноса в капиллярно-пористых средах, как при наличии силы тяжести, так и в условиях невесомости. Были обоснованы условия корректного проведения исследований и оценок полученных в них результатов как в отношении стационарного распределения воды по объёму разработанного корневого модуля или исследовательской ячейки, так и не стационарного, происходящего в переходных процессах. В частности, расчетным путем обнаружено, что в переходный процесс уменьшения водосодержания разработанного корневого модуля, происходящего после падения разрежения в пористой трубке в диапазоне водных потенциалов от -0,5 до -3,0 кПа, практически не зависят от гравитации. Компьютерная модель, разработанная на основе системы уравнений Дарси и неразрывности потока воды,. позволила проанализировать распределение водных потенциалов в КМ при различных значениях разрежения в пористой трубке и разной эвапотранспирации посева зеленных растений в цилиндрической салатной оранжерее при наличии силы тяжести и в невесомости. Длительность переходных процессов перетока воды из почвозаменителя в пористую трубку, рассчитанная по модели, отличалась от экспериментальных данных всего на несколько процентов. Компьютерное моделирование позволило нам обосновать методику расчёта основных конструктивных параметров корневых модулей и параметров рабочего режима СКС с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной оранжереи.

Для обоснования методики расчёта рабочего режима СКС потребовалось провести значительный объём экспериментальной работы. В вегетационных опытах было обнаружено, что диапазон оптимальных для растений водных потенциалов в корнеобитаемой зоне в корневых модулях несколько выше и в несколько раз уже, чем рекомендуемый для полевых условий в традиционной почвоведческой литературе. Можно предположить, что этот результат связан как с более крупнопористой, чем в почвах, структурой применяемых нами почвозаменителей, так и с изменением структуры корневой системы и, соответственно, плотности стоков в вегетационных сосудах с резко ограниченным удельным объёмом корнеобитаемой зоны на одно растение. Для более полного объяснения обнаруженного явления нужны дополнительные исследования.

Целый ряд экспериментов с различными салатными растениями, проведенных нами в вегетационных устройствах с периодической реверсивной водоподачей к корням, позволил установить, что периодическое понижение и повышение водного потенциала в КМ в пределах от значений (-0,5 + -1,0) кПа до значений от (-1.8 -г- -3,0) кПа через каждые 6-8 часов в течение всей товарной вегетации не снижало урожая по сравнению с опытами, где водный потенциал в корневой зоне был стабилизирован на постоянном уровне.

Полученные результаты позволили произвести расчёты блока корневых модулей и системы корневого снабжения для двух наземных экспериментальных образцов цилиндрической конвейерной салатной оранжереи: "Витацикл" и "Фитоконвейер". Установки отличались, габаритами, производительностью и количеством шагов растительного конвейера, а также конструкцией блока освещения и источниками света, используемыми для освещения посевов, однако СКС в установках были однотипными. Лабораторные испытания показали, что эффективность работы таких установок по критерию максимума производительности на затраченные ресурсы (потребляемая энергия, занимаемый объём, время до получения урожая) существенно выше, чем у других известных космических оранжерей. Конечно, в будущем необходимо будет уточнять эксплуатационные характеристики таких оранжерей в процессе длительной эксплуатации, однако, имеющиеся на настоящий момент данные свидетельствуют о существенных преимуществах конвейерных салатных оранжерей с разработанной нами системой корневого питания растений.

1. Беркович Ю.А. "Разработка и оптимизация проектных параметров космических оранжерей". Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 2000. 43 с.

2. Беркович Ю.А. "Разработка и оптимизация проектных параметров космических оранжерей". Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: 2000.271 с.

3. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М. и др. Отчёт ИМБП по теме "Кольчуга 2", этап 2, 2003 г.

4. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М. и др. Изучение влияния гидрофизических факторов корнеобитаемой среды на развитие и структуру высших растений. Отчёт ИМБП по контракту NAS-15-10110, этап 3,1996 г.,34 с.

5. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М. и др. Изучение влияния гидрофизических факторов корнеобитаемой зоны на развитие и структуру высших растений. Отчёт ИМБП по контракту NAS-15-10110, этап 4,1996г., 27с.

6. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М. и др. Изучение влияния гидрофизических факторов корнеобитаемой зоны на развитие и структуру высших растений. Заключительный отчёт ИМБП по контракту NAS-15-10110,1997. 120 с.

7. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Кривобок С.М., Синяк Ю.Е., Захаров С.Б., Матусевич В.В. Характеристики некоторых искусственных заменителей почвы для космических оранжерей типа "Свет". Авиакосмическая и экологическая медицина. 1997. Т. 31, №6, с. 51-55.

8. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., 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. 1999.Т.ЗЗ, №2, с.45-50,

9. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М. Оптимизация длительности шага конвейерного посева зеленных растений в космических оранжереях. В сб. Проблемы обитаемости в гермообъектах. -М.: Фирма "Слово", 2001. С. 12-14.

10. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Синяк Ю.Е.//Способ корневого питания растений в искусственных условиях и устройство для его осуществления.-Патент Рф № 2:1153 О2.от 20.07.1998.

11. Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Кривобок Н.М. Экспериментальное исследование системы корневого питания растений с периодической реверсивной подачей воды для космических оранжерей. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2000.Т.34, №2, с.47-52.

12. Беркович Ю.А., Смолянина С.О., Кривобок Н.М. Космическое земледелие и растениеводство: итоги и перспективы. ЭКОЛОГИЯ И ПОЧВЫ. Избранные лекции 10-й Всероссийской школы. Т. IV. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 2001. С. 48-57.

13. Беркович Ю.А. Экспериментально-теоретическое обоснование структуры, функций, технологических принципов функционирования биологических звеньев в общем комплексе физико-химических СОЖ разного назначения. Отчёт ИМБП. М.,1990 г., 139 с.

14. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета.- Под ред. П.Г. Романкова. М.-Л.: "Химия", 1956. 286 С.

15. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. -3-е изд., перераб. и доп. -М.: Агропромиздат, 1986. —416 с.

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

17. Воронин А. Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М., 1984.

18. Воронин А.Д. Основы физики почв: Учеб. пособие.-М.: Изд-во Моск. Ун-та 1986. -244 с.

19. Гительзон И.И., Ковров Б.Г., Лисовский Г.М. и др. Экспериментальные экологические системы, включающие человека. Проблемы космической биологии, т.28. М, "Наука", 1975,312с

20. Глобус А. М. Экспериментальная гидрофизика почв. Л., 1969.

21. Гринев Г.М. Регуляция метаболизма растений при недостатке кислорода. М., Наука. 1975. 279 с.

22. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. -М.: Наука, 1987. -398 с.

23. Енохович А.С. Справочник по физике и технике.- Изд. 2-е, М., "Просвящение", 1983, С. 119.

24. Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О. Матричная организация почв. МГУ, 2001. 296 с.

25. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. "Химия", М., 1971.-784 с.

26. Келлер Н.Д., Липов Ю.Н., Чучкин В.Г. и др. Вегетационный сосуд для выращивания высших растений. А.С. СССР № 352638 от 29.09.72.

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

28. Кривобок Н.М., Беркович Ю.А., Симонов В.М., Павловский В.И. Вегетационное устройство для растений. А.С. СССР № 1293865 от 30.01.85.

29. Кривобок Н.М., Беркович Ю.А., Кривобок С.М., Смолянина С.О. Влияние конструктивных особенностей корневых модулей на рост и развитие растений. Авиакосмическая и экологическая медицина, Т 34, № 4,2000, стр. 55-60.

30. Левинских М.А., Сычев В.Н., Дерендяева Т.А., Сигналова О.Б., Подольский И.Г., Падалка Г.И., Авдеев С.В., Бингэм Г.Е. Выращиваение пшеницы от семени до семени. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2000. Т. 34, № 4, с. 44-49.

31. Левинских М.А., Сычев В.Н., Подольский И.Г., Бингхейм Г.Е. "Газовая среда космических орбитальных комплексов как фактор воздействия на рост и развитие высших растений" в сб. Проблемы обитаемости в гермообъектах. -М.: Фирма "Слово", 2001. С. 106-108.

32. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник). 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978. -480 с.

33. Максимов В.Н. Многофакторный эксперимент в биологии. М., МГУ, 1980.

34. Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я., Авернер М.М., Волк Т. Биологические системы жизнеобеспечения человека. Космическая биология и медицина. Т.2. Москва-Вашингтон, "Наука", 1994. С. 499-558.

35. Муромцев Н.А. Тензиометры, как почвенные влагомеры и индикаторы полива растений. Методические рекомендации. М.: 1981. 31 с.

36. Муромцев Н.А., Братчиков И.М. Эксплуатационные свойства датчиков тензиометров. Почвоведение. 1981. №10, с. 38-45.

37. Пинский Д.Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино, 1997. 166 с.

38. Полевой В.В. Физиология растений. М.: Высш. шк., 1989,464 с.

39. Природный комплекс большого города, ландшафтно-экологический анализ. Под ред. Керженцева А.С. М.: Наука; МАШС'Наука/Интерпериодика", 2000, 286 с.

40. Ракитин Ю.В. Химические регуляторы жизнедеятельности растений. Избранные труды. М. 1983, с. 38-48.

41. Растворова О.Г. Физика почв (Практическое руководство). JL: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983.-196 с.

42. Садовникова Л.К. Химические свойства почв и окружающая среда. Экология и почвы. Избранные лекции VIII IX Всероссийских школ (1998-1999 гг). Москва, 1999, т.З, с. 110116.

43. Солдатов B.C., Перышкина В.Г., Хорошко Р.П. Ионитные почвы. -Минск: Наука и техника. 1978, с. 271.

44. Судницын И.И., Сидорова М.А. Измерение коэффициента влагопроводности ненасыщенных влагой почв методом стационарных потоков. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. -С. 443-448.

45. Сычев В.Н., Левинских М.А., Подольский И.Г., Шепелев Е.Я. "Продукционный процесс фотоавтотрофных организмов в условиях невесомости" в сб. Проблемы обитаемости в гермообъектах. -М.: Фирма "Слово", 2001. С. 184-186.

46. Сычев В.Н., Подольский И.Г., Левинских М.А., Бинхгэм Г.Е. "Проектируемые для использования на международной космической станции исследовательские оранжерейные установки" в сб. Проблемы обитаемости в гермообъектах. -М.: Фирма "Слово", 2001. С. 186-188.

47. Чиркова Т.В. Пути адаптации растений к гипоксии и аноксии. Издательство ленинградского университета. 1988.245 с.

48. Шейн Е.В., Березин П.Н., Капинос В.А. Задачник по физике почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988. -80 с.

49. Шейн Е.В., Карпачевский Л.О. Толковый словарь по физике почв -М.: ГЕОС, 2003. -126с.

50. Atwell, В. J., С. J. Thompson, H. Greenway, G. Ward, and A. Waters, A Study of the Impaired Growth of Roots of Zea Mays Seedlings at Low Oxygen Concentrations, Plant, Cell and Environment, Vol. 8, 1985, pp. 179-188.

51. Barta D., Edeen M. Early Human Testing Initiative. Phase 1. Final Report. JSC 33636, pp. 141.1996.

52. Bartsev S.I., Gitelson J.I., Lisovsky G.M., Mezhevikin V.V., Okhonin V.A. Perspectives of different type biological life support systems (BLSS) usage in space missions. Acta Astronautica, V.39, No.8, pp. 617-622, 1997.

53. Berkovich, Yu.A. Instrumentation's for plants Health and Grown in Space. Adv. Space Res. Vol.18, N415, pp. 157-162, 1996.

54. Berkovich, Yu.A., Chetirkin P., Wheeler R., Sager J., Evaluating and optimizing horticultural regimes in space plant growth facilities. Presentation F4.4-0024-02 on the 2nd World Space Congress, Houston, USA, 10-19 October, 2002.

55. Berkovich, Yu.A., Krivobok, N.M., Krivobok, S.M., Matusevich, V.V. and Soldatov, V.S. Development of a root feeding system based an a fiber ion-exchange substrate for space plant growth chamber "Vitacycle". Habitation. Vol.9 Issue # 1-2,2003.

56. Berkovich, Yu.A., Krivobok, N.M., Sinyak, Yu.E. Project of conveyer-type space greenhouse for cosmonauts' supply with vitamin greenary. Adv. Space Res. 1998. Vol.22, No. 10, pp. 14011405.

57. Berkovich, Yu.A., Smolianina, S.O, Krivobok, N.M. Effects of root module design on growth 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.

58. Berkovich, Yu.A., Tynes, G.K., Norikane, J.H., Levine, H.G. Evaluation of an Ebb and Flow Nutrient Delivery Technique Applicable to Growing Plants in Microgravity. SAE Techn. Paper 2002-1-2383,2002.

59. Berry, W.L., Goldstein G., Dreschel T.W., Wheeler R.V., Sager J.C., Knott W.V. Water relations, gas exchange, and nutrient response to a long term constant water deficit. Soil Science. 1992. T.153,No.6,pp.442-451.

60. 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 Spacelab-Mir-1 " Greenhouse-2" experiment. Adv. Space. Res. V.18. № 4/5. 1996. Pp.225-232.

61. Brown, Chr.S., Cox, W.M., Dreschel, T.W., Chetirkin, P.V. The Vacuum-Operated Nutrient Delivery System: Hydroponics for Microgravity. Hort. Science, Vol. 27, N 11. 1992, pp. 11831185.

62. Bula, R., Tibbitts, Т., Morrow, R., Dinauer, W. Commercial involvement in the development of space-based plant growing technology. Adv. Space Res. Vol. 12, No.5, pp.5-10. 1992.

63. Bunt, A.C. Physical aspects. Media and Mixes for Container-Grown Plants. London, Un. win. Hyman, 1988, pp. 47-55.

64. Cloutier, R., Dixon, M. Modeling Plant Canopy Photosynthetic Capacity: A Comparison of Non-Linear, Parametric and Non-Parametric Approaches. SAE Technical Paper 2000-01-2293, 2000.

65. Douger, Т., Bugbee, B. Is blue light good or bad for plants? Life Support&Biosphere Science. 1998. Vol.5, pp. 129-136.

66. Dreschel, T.W., Sager, J.C. Control of Water and nutrients using a porous Tube: A Method for growing Plants in Space. Hort. Science, 1989, Vol. 24, N 6, pp.944-947.

67. Drysdale, A.E. Performance Measurments and Bioregenerative Life-Support System Performans: How close are we to achieving cost effectiveness? Presentation F4.5-0015 at 31-st COSPAR Scientific Assembly, 14-21 July, 1996. Birmingam, England.

68. Drysdale, A.E., Maxwell, S., Ewert, M.K., Hanford, A.J. Systems Analysis of Life Support for Long-Duration Missions. SAE Technical Paper 2000-01-2395,2000.

69. Drysdale, A.E., Thomas, M., Fresa, M., Wheeler, R. OCAM-A CELSS modeling tool:description and results. SAE technical paper No.921241.1992.

70. Ewert, M.K., Drysdale, A.E., Levri, J.A., Duffield, В., Hanford A., Lange K. Advanced Life Support requirements, Assumptions and Reference Missions. SAE Technical Paper 2002-012480,2002.

71. Feddes, R.A., Kowalik, P.J., amd Zarandy, H. Simulation of field water use and crop yield. Halsted Press, Wageningen, the Netherlands. 1978.

72. Fonteno, W.C., Cassel, D.K., and Larson, R.A. Physical property of the container media and their effect on poinsettia growth. 1981. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 106: 736-741.

73. Goins G., Levine H., Mackowiak Ch., Wheeler R., Carr J., Ming W. Comparison Studies of Candidate Nutrient Delivery Systems for Plant Cultivation in Space. 1997. SAE technical paper # 972304.

74. Hillel, D. Fundamentals of soil physics. Academic Press, N. Y., 1980.

75. Hoehn A., Scovazzo P., Stodieck L., Clawson J,, Kalinowski W., Rakow A., Simmons

76. D.,Heyenga A., Kliss M. Microgravity Root Zone Hydration Systems. SAE Technical Paper 00ICES-374.2000.

77. Johnsson, A. Circumnutations: results from recent experiments on Earth and in space. Planta. 1997.V.203. P.S147-S158.

78. Jones, S.B., and Or, D. Design of Porous Media for Optimal Gas and Liquid Fluxes to Plant Roots. Soil Sci. Soc. Am. J. 62:563-573. 1998.

79. Jones, H., Cavazzoni, J. Тор-Level Crop Models for Advanced Life Support Analysis. SAE Technical Paper 2000-01-2261,2000.

80. Jones, S.B., Or, D. A capillary-driven root module for plant growth in micrograviti. Proceed, of 31st Scientific Assembly of COSPAR, 14-21 July, 1996. Paper F093.

81. Jones, S.B., Or, D. Process-based selection of particulated growth media for optimal liquid andgaseous fluxes to plant roots in microgravity. Proceed, of 31st Scientific Assembly of COSPAR, 14-21 July, 1996. Paper F4.7-0014.

82. Jones, S.B., Or, D. Microgravity effects on water flow and distribution in unsaturated porous media: Analyses of flight experiments. Water Resources Research. 1999. Vol.2 No.7, pp. 221235.

83. Koontz, H.V., Prince, R.P., Berry, W.L. A Prous Stainless Steel membrane system for extraterrestrial crop production. Hort. Science. 1990. Vol.25.N 6, p. 707.

84. Kutilek, M. Vodohospodarska pedalogie. Praha, 1978.

85. Levine, H.G., Louie K., Monje O. A strategy for the initial wetting of a plant cultivation unit in space. Proceedings 37th Space Congress. Cape Canaveral, FL May 2-5,2000. pp. 191-198.

86. Levri, J.A., Vaccari D.A., Drysdale A.E. Theory and Application of the Equivalent System Mass Metric. SAE Technical Paper 2000-01-2394,2000.

87. Milks, R.R., Fonteno, W.C., Larsen, R.A. Hydrology of Horticultural Substrates: III. Predicting Air and Water Content of Limited-volume Plug Cells of Media in Containers. J. Amar. Hort. Sci. 114(1): 57-61. 1989.

88. Milks, R.R., Fonteno, W.C., Larsen, R.A. Hydrology of Horticultural Substrates: II. Predicting • Physical Properties of Media in Containers. J. Amar. Hort. Sci. 114(1): 53-56. 1989.

89. Millington, R.J., and Quirk, J.P. Gas diffusion in porous media. Science (Washington, DC) 130:100-102. 1959.

90. Morrow, R.C., Bula, R.J., Tibbitts, T.W., Dinauer, W.R. The Astroculture™ experiment series, validating technologies for growing plants in space. Adv. Space Res. 1994. Vol.14, pp.29-37.

91. Mualem,Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media.Water Resour. Res. 12:513-522. 1976.

92. Olson R.L., Oleson M.W., Slavin T.J. CELSS for Advanced Manned Missions. Hort Science, V.23(2), pp.293-299, 1987.

93. Piastuch W., Dreschel Т., Bledsoe J., Brown C. A small, closed, computer controlled chamber for study of atmospheric and water availability effects on plan growth and metabolism. ASAE Meeting presentation No.957656,9 p. 1995.

94. Podolsky, I., Mashinsky, A. Peculiarities of moisture transfer in capillary-porous soil substrates during space flight. Adv.Space Res. Vol.14, No. 11, pp.39-46, 1994.

95. Porterfield, D., Dreschel, Т., Musgrave, M. A ground- based Conparison of Nutrient delivery

96. Technologies Originally Developed for Growing Plants in Spaceflight Environment. Hort Thechnology, 2000. Vol.10, No.l, pp.179-185.

97. Porterfield, D.M., Barta, D.J., Ming, D.W., Morrow, R.C., Musgrave, M.E. Proceed of 32nd Scientific Assembly of COSPAR, -1998,-Nagoya, Japan-Paper F4.4-0015.

98. Salisbury, F.B. Controlled environment life support systems(CELSS): A prerequisite for long term space studies.Fundamentals of space biology. Japan Sci. Soc. Press. Tokyo. 1990. Pp. 171183.

99. Smolianina, S.O., Berkovich, Yu.A., Krivobok, N.M., Krivobok, S.M. A comparison of root module designs to wheat growth and development: Defining the requairements for space based plant culture system. SAE technical paper # 2000-01-2508. Pp. 1-6.

100. Steinberg, S.L., Henninge,r, D.L. Response of the water status of soybean to changes in soil water potentials controlled by the water pressure in microporous tubes. Plant, Soil and Environment. 1997. No.20, pp. 1506-1516.

101. Tobias, C. A., Todd, P.W. (Eds.) Space radiation biology and related topics. N.Y. 1974, P.329.

102. Van Genuchten, M.Th. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soil. Soil Sci. Soc. Am. J. 44:892-898. 1980.

103. Wells, В., Hoehn A., Levine H. Collaborative Development of a Space Flight Experiment Comparing Two Plant Nutrient Delivery Systems. SAE Technical Paper 00ICES-372.2000.

104. Westgate, M.E., and Boyer, J.S. Osmotic adjustment and the inhibition of leaf, root, stem and silk growth at low water potentials in maze. Planta 164:540-549.1985.

105. Wheeler, R., Corey, K., Sager, J., Knott, W. Gas exchange characteristics of wheat stands grown in a closed, controlled environment. Crop Science. 1993. Vol.33, pp. 161-168.

106. Wiedenroth, E. M., and B. Erdmann, Morphological Changes in Wheat Seedlings (Triticum Aestivum L.) Following Root Anaerobiosis and Partial Pruning the Root System, Ann. Bot., Vol. 56, 1985, pp.307-316.

107. Wright, B.D., Bausch, W.C., Knott, W.M. A Hydroponics system for microgravity plant experiments. Trans, of ASAE Vol. 31, N 2, 1988, pp. 440-446.

108. Yendler, B.S., Webbon, B. Capillary movement of liquid in granular beds. SAE Tech. Paper. No.932164. 1993.