Конвейерная космическая оранжерея «Витацикл-Т» для российского сегмента Международной космической станции

Беркович Ю.а.

СМолянина С.о.

Беляк а.М.

Шляев П.в.

дМитриев М.д.

железняков а.Г.

козлова е.Ю.

конЮхов а.С.

в ведение

Получение медико-биологического задела для пилотируемых полётов к Луне, астероидам и Марсу и создания на них обитаемых комплексов (баз) является одной из главных научнотехнических задач для дальнейшего освоения космоса. Специалисты считают, что надёжность успешного выполнения полётных программ в длительных автономных пилотируемых космических экспедициях в значительной степени будет зависеть от качества среды обитания в пилотируемых космических аппаратах (ПКА) [1–4]. Одной из актуальных задач в перспективных системах жизнеобеспечения (СЖО) в таких полётах будет являться снабжение членов экипажа свежей витаминной зеленью, выращенной в бортовой космической оранжерее (КО). На основе анализа сроков хранения витаминных препаратов было обнаружено, что в автономных космических миссиях с длительностью более года активность ряда водо- и жирорастворимых витаминов, в первую очередь аскорбиновой кислоты и ретинола, может претерпевать существенный спад [2, 5]. При этом практически невозможно спрогнозировать скорость изменения активности витаминных препаратов и внести коррекцию в принимаемые космонавтами дозы. Это недопустимо, поскольку неточная дозировка приёма витаминных препаратов может приводить к нежелательным побочным эффектам, а иногда и к тяжёлой интоксикации организма. Выращивание свежей зелени на борту ПКА пока что является практически безальтернативным методом снабжения космонавтов витаминами в длительных автономных экспедициях. Кроме того, результаты космических и наземных экспериментов выявили высокую заинтересованность членов экипажа в растениях, которые можно использовать в качестве добавок к рациону питания в условиях длительной изоляции экипажа [6–10]. При этом отмечена и высокая психологическая значимость космической оранжереи в составе СЖО как элемента земной биосферы, а также роль улучшения рациона питания космонавтов за счёт свежих овощей как мощного средства психологической поддержки [1, 11].

В 2002 г. на борт российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) была доставлена российско-американская научно-исследовательская оранжерея «Лада», в которой в течение девяти последующих лет было проведено 17 вегетационных экспериментов [12]. Полученные результаты убедительно показали способность растений нормально развиваться и формировать биологически полноценные семена в условиях орбитального полёта. В ряду четырёх «космических поколений» растений (на примере гороха) отсутствовали генетические изменения, что даёт основание считать возможным выращивание высших растений в условиях космического полёта без потери репродуктивных функций в течение времени, сопоставимого с длительностью марсианской экспедиции. Кроме того, было показано отсутствие серьезных микробиологических рисков при употреблении в пищу растений, выращенных на борту космической станции [12]. В оранжерее «Лада» была реализована хорошо зарекомендовавшая себя в условиях микрогравитации система подачи воды в корневой модуль (КМ) — принудительное увлажнение корнеобитаемой среды через пористые трубки (ПТ). Аналогичной системой подачи воды оснащена американская КО Advanced Plant Habitat (APH), в то время как в двух других КО, испытанных на борту МКС (американской Veggie и китайской КО), работает более примитивная система увлажнения по фитилям. При этом система минерального питания растений у всех КО, работавших к настоящему времени на МКС, предполагает заполнение КМ химически инертным субстратом с добавлением гранул медленно действующих удобрений. Такой способ депонирования нутриентов не оптимален для производственных КО, так как требует частой смены КМ и, следовательно, значительного увеличения требуемого запаса расходных материалов [4].

В 2017 г. при аварии во время доставки на российский сегмент МКС были утеряны светильник и блок управления для КО «Лада», поэтому она была удалена с борта МКС. Однако в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН к этому времени была разработана концепция инновационной цилиндрической конвейерной оранжереи, подробно описанная в работах [8, 11, 13, 14]. Эта разработка послужила основой для создания в АО «НИИ КП» (по заказу РКК «Энергия») опытного образца научной аппаратуры (НА) «Витацикл-Т» для проведения космического эксперимента (КЭ) под названием «Отработка конструкции и оптимизация режимов культивирования растений для космической конвейерной оранжереи» (шифр «Витацикл-Т»). Постановщиком КЭ является ИМБП РАН. В задачи эксперимента входит:

• •    определение динамики производительности растительного конвейера в условиях орбитального космического полёта;

• •    проверка работоспособности и отработка режима эксплуатации системы увлажнения и аэрации волокнистого ионитного почвозаменителя (ПЗ) в КМ;

• •    определение длительности использования сменных элементов в КМ, а также обогатительных патронов с удобрениями в гидравлической магистрали оранжереи;

• •    уточнение оптимальных режимов освещения растений и длительности

товарной вегетации салатных культур в условиях космического полёта.

Объектом культивирования в оранжерее являются посевы листовых овощных культур, относящихся к ботаническим родам Brassica , Lactuca , и др. В данной статье описывается конструкция основных блоков КО «Витацикл-Т» и принципы их действия, а также кратко приведены рабочие характеристики и данные наземных биологотехнических испытаний КО, проведённых во вращающемся стенде наземных испытаний (СНИ).

описание аппаратуры и её работы

Научная аппаратура «Витацикл-Т» включает в себя следующие составные части: вегетационный модуль, фильтр воздушный, блок увлажнения и аэрации, блок управления и регистрации данных, блок электропитания и сушилка для корневых модулей. На рис. 1 показан внешний вид НА, установленной на СНИ, а на рис. 2 — схема соединений её составных частей. В табл. 1 представлены основные технические характеристики оранжереи «Витацикл-Т».

Таблица 1

Параметры Характеристики Масса составных частей научной аппаратуры «Витацикл-Т»: вегетационный модуль 50,0 кг блок увлажнения и аэрации 25,0 кг блок управления и регистрации 5,0 кг воздушный фильтр 6,0 кг блок питания 6,0 кг сушилка для корневых модулей 2,0 кг укладка «Витацикл-принадлежности»1 6,0 кг укладка «Витацикл-КРМ»2 15,0 кг Габаритные размеры составных частей научной аппаратуры «Витацикл-Т»: вегетационный модуль 630×625×650 мм блок увлажнения и аэрации 410×330×540 мм блок управления и регистрации 520× 210 ×150 мм воздушный фильтр 500×180×220 мм блок питания 220×150×340 мм сушилка для корневых модулей ∅130×340 мм укладка «Витацикл-принадлежности»1 340×140×340 мм укладка «Витацикл-КРМ»2 430×290×290 мм Размеры корневого модуля ∅60×250 мм Количество корневых модулей, установленных внутри вегетационного модуля 6 шт Количество сменных корневых модулей 6 шт Площадь светящей поверхности 0,38 м2 Плотность потока фотонов от светильника 430 ± 20 мкмоль/(м2 · с) Расход воздуха через вегетационный модуль для отведения тепловой энергии 0,6 м3/мин основные технические характеристики космической оранжереи «витацикл-т» для рС МкС

Примечание . Электропитание научной аппаратуры «Витацикл-Т» осуществляется от бортовой сети с напряжением питания 28,5 В при изменении напряжения питания в диапазоне 23,0…29,0 В постоянного тока в установившемся режиме. Максимальный потребляемый ток от бортовой сети питания в рабочем режиме не более 30 А во всём диапазоне питающего напряжения. Максимальная мощность потребления (870 ± 10) Вт в установившемся режиме.

• ¹ Предназначена для хранения комплекта монтажных инструментов, комплекта кабелей и трубопроводов, экрана, необходимого для отображения служебной информации, управления и регистрации основных параметров среды обитания растений и состояния исполнительных устройств оранжереи, а также для хранения запасных частей, а именно модуля освещения и вентиляции.

• ² Предназначена для хранения носителей информации, корневых модулей (с волокнистым почвозаменителем, в индивидуальных упаковках и в защитном чехле) в количестве 12 шт., посадочных устройств в количестве 24 шт., а также инструментов, zip -пакетов и бумажных полотенец для сбора урожая растений.

  
  
  
  
  
  

а)

б)

Рис. 1. Внешний вид научной аппаратуры «Витацикл-Т» на стенде наземных испытаний: а — вид спереди; б — вид сзади; 1 — вегетационный модуль; 2 — фильтр воздушный; 3 — блок управления и регистрации; 4 — стенд наземных испытаний; 5 — сушилка; 6 — блок насосов и клапанов; 7 — блок электропитания; 8 — блок увлажнения и аэрации (рисунки созданы авторами)

Рис. 2. Схема соединений научной аппаратуры «Витацикл-Т»: ЕДВ — ёмкость для воды; БУА — блок увлажнения и аэрации; БУР — блок управления и регистрации данных; ФВ — фильтр воздушный; РКС — розетка электросети космической станции; БП — блок электропитания; ВМ — вегетационный модуль (рисунок создан авторами)

Ранее были описаны некоторые инновации, введённые в конструкцию КО «Витацикл-Т» и обеспечивающие ряд его преимуществ [4].

• 1.    Выращивание посевов растений на цилиндрической посадочной поверхности обеспечивает приблизительно 30%-е увеличение удельной производительности оранжереи на единицу энергии, затраченной на освещение растений, за счёт концентрирования света по глубине посева и уменьшения затенения листьев в нижних ярусах посева с радиально растущими стеблями.

• 2.    Вегетационная камера в форме спирального цилиндра обеспечивает почти двукратное увеличение удельной производительности оранжереи на единицу занимаемого посевом объёма.

• 3.    Цилиндрическая конструкция КМ в виде рулона волокнистого ПЗ, намотанного на пористую трубку, служащую тензиометром, позволяет организовать автоматический полив посевов разного возраста, а также существенно уменьшить объём корнеобитаемой зоны растений без снижения их продуктивности.

• 4.    Наличие шести КМ позволяет организовать конвейерный посев растений и избежать проблем с хранением урожая.

• 5.    Узел кондиционирования питательного раствора позволяет автоматически

• 6.    Выращивание посевов в ротационном конвейере с единым местом проведения всех технологических операций позволяет снизить трудозатраты на обслуживание.

поддерживать концентрацию минеральных элементов в поливной воде и понизить массу запаса ПЗ в космическом полёте.

вегетационный модуль

Вегетационный модуль (ВМ) КО «Витацикл-Т» предназначен для размещения, культивирования и предохранения от внешних механических воздействий шестишагового конвейерного посева зеленных овощных растений, а также уборки растений по мере достижения ими технической спелости. Кроме того, ВМ обеспечивает крепление ряда других узлов оранжереи, а именно: блока насосов и клапанов, 12 модулей освещения и вентиляции (МОВ), ряда датчиков блока управления и регистрации данных (БУР) (рис. 3). Снаружи корпус ВМ имеет форму тела, ограниченного цилиндрической поверхностью с направляющей в форме дуги спирали, соответствующей зависимости высоты растений от возраста для выбранных видов растений и условий культивирования (табл. 2).

а)

б)

Рис. 3. Вегетационный модуль оранжереи «Витацикл-Т»: а — без посева растений, б — с конвейерным посевом растений; 1 — корневые модули; 2 — корпус; 3 — люк; 4 — модули освещения и вентиляции; 5 — воздуходувка; 6 — панель индикации работы исполнительных механизмов с дисплеем; 7 — пульт контроля; 8 — воздухораспределительная труба (рисунки созданы авторами)

Таблица 2

длина радиус-вектора спиральной направляющей в поперечном сечении цилиндрического корпуса вегетационного модуля оранжереи «витацикл-т»

в зависимости от угла поворота этого вектора, проходящего через середину зазора между корневыми модулями на первом и последнем шагах конвейера

Угол поворота от радиус-вектора поперечного сечения, °	0	60	120	180	240	300
Длина радиус-вектора, мм	185	185	228	290	355	375

С боков ВМ ограничен плоскими торцевыми поверхностями с отверстиями для двух видеокамер, при этом внутренние поверхности торцов имеют светоотражающую поверхность. ВМ снабжён открывающимся люком с размерами 330 х 360 мм, что достаточно для удобного проведения агротехнических операций. Внутренняя поверхность люка является светоотражающей, что позволяет освещать прорастающие семена на первом шаге конвейера отражённым светом от источников света для следующих шагов растительного конвейера. ВМ имеет входной штуцер для воздуха, подаваемого от внешней воздуходувки, а также воздухораспределительную перфорированную трубу вдоль центральной продольной оси вращения. Шесть КМ цилиндрического сечения установлены в торцевых поворотных кронштейнах вокруг перфорированной трубы параллельно последней на равных расстояниях от неё таким образом, что зазоры между поверхностями соседних КМ составляют 3–4 мм. Справа от люка на кожухе ВМ закреплена панель индикации исполнительных механизмов с дисплеем. Двенадцать МОВ установлены на внутренней поверхности корпуса ВМ. Внутренний объём ВМ составляет 0,09 м³, а площадь светящей поверхности светильника — 0,4 м². ВМ снабжён системой поддержания температуры, влажности и состава воздушной среды растений с помощью приточно-вытяжной вентиляции и фотокаталитического фильтра воздушных загрязнений с катализатором из пористой двуокиси титана.

Фильтр способен разлагать органические летучие загрязнители воздуха, включая лёгкие углеводороды, в частности этилен, вызывающий угнетение роста и ускоренное старение растений. Источниками света в МОВ служат белые и красные светодиоды, соотношение плотности потоков фотонов от них составляет 1:1,5, согласно рекомендациям работы [15].

Интегральная плотность потока фотонов фотосинтетически активной радиации (400…700 нм) под светильником на расстоянии 7 см в радиальных направлениях составляет 430±20 мкмоль/(м2·с) для всех шагов растительного конвейера, кроме первого, в котором проращиваются семена. На первом шаге конвейера (напротив люка) плотность потока фотонов от соседних МОВ находится в пределах 60…120 мкмоль/(м2·с). Возможны два режима освещения растений: круглосуточный и 12-часовой. Внешний вид МОВ показан на рис. 4.

Рис. 4. Внешний вид модуля освещения и вентиляции: 1 — светодиодная плата; 2 — вентилятор (рисунок создан авторами)

Внешний вид КМ для выращивания посевов изображён на рис. 5.

Корневой модуль оранжереи представляет собой металлический каркас в форме катушки, две торцевые щеки которой соединены двумя параллельными трубками, погружёнными в рулон волокнистого ионитного ПЗ. Одна трубка выполнена из пористого титана и служит чувствительным элементом тензиометра — прибора для измерения водного потенциала (ВП) в капиллярнопористой корневой среде. Вторая трубка, перфорированная по всей длине, служит для подачи питательного раствора в КМ. На одной из торцевых щёк КМ укреплены герметичные гидроразъёмы для подсоединения трубок к водной магистрали оранжереи. При посадке пластиковые планки с наклеенными семенами вставляются в прорези в верхней части увлажнённого рулона ПЗ. Сверху рулон ПЗ покрыт светонепроницаемым пластиковым чехлом, створки которого скрепляются кнопками из ворсовки. Побеги растений по мере их удлинения выходят к свету через верхние щели, при этом корни растений прорастают в ПЗ и прочно удерживают растения. Корневые модули крепятся внутри ВМ на одном из торцов специальным поворотным кронштейном, а на другом — в фиксаторах на поворотной пластине. Соединение КМ с гидромагистралями осуществляется пластиковыми шлангами с помощью быстросъёмных разъёмов.

Посредством ВМ реализуется конвейерный способ выращивания растений. Последовательность агротехнических операций при таком способе выращивания растений (на примере растительного конвейера с длительностью шага, равной 4 сут) выглядит следующим образом:

• 1)    через открытый люк ВМ семена высаживаются в первый КМ, ближайший к люку ВМ, затем люк закрывается;

• 2)    через четыре дня КМ поворачивается вручную на 1/6 оборота, т. е. на 60 ° , в сторону увеличения расстояния от посадочной поверхности КМ до источников света, затем новая порция семян высаживается в следующий КМ, занявший ближайшее к люку положение;

• 3)    ещё через четыре дня весь блок КМ снова поворачивается на 60 ° в ту же сторону, и высаживается очередная порция семян в следующий КМ;

• 4)    эти операции повторяются каждые четыре дня, а через 24 дня срезается готовый урожай из первого КМ, и на его место высаживаются новые семена;

• 5)    далее через каждые четыре дня вновь повторяются указанные выше операции и срезаются новые порции витаминной зелени с очередного шага растительного конвейера. Режим работы оранжереи — круглосуточный и непрерывный. После двух-трёх товарных вегетаций каждый КМ заменяют на новый из запаса.

  

  а)

  
  
  

  б)

  
  
  

  в)

  Рис. 5. Внешний вид корневого модуля для выращивания посевов в оранжерее «Витацикл-Т»: а — каркас модуля: 1 — трубка из пористого титана; 2 — перфорированная трубка; 3 — торцевая щека; 4 — гидроразъёмы; б — модуль с ионитным почвозаменителем; в — модуль в сборке со светонепроницаемым чехлом; г — модуль с посевом растений капусты китайской в возрасте 22 сут (рисунки созданы авторами)

  
  
  

  г)

  
  

Многочисленные опыты по культивированию растений в условиях космического полёта показали, что при отсутствии силы тяжести стебли растений могут ориентироваться за счёт фототропических реакций по градиенту плотности светового потока [8]. При описанной форме ВМ в условиях динамической невесомости побеги растений во всех КМ растут по направлению к ближайшему источнику света, т. е. вдоль нормалей к посадочной поверхности. Вследствие этого, направления стеблей растений в таких посевах являются расходящимися, т. е. расстояния между верхушками растений в соседних КМ по мере роста увеличиваются. Происходит самораздвижение растений в посеве, что ведёт к уменьшению взаимного затенения листьев по глубине растительного слоя. Кроме того, в цилиндрическом ВМ имеет место концентрация плотности светового потока по направлению к посадочной поверхности. Эти факторы улучшают светораспределение в посеве, что приводит к экономии потребления световой энергии на единицу выращенной в КО биомассы до 30% [8]. Таким образом, в данной конструкции ВМ динамическая невесомость на борту МКС используется для создания более выгодной структуры посева как приёмника световой энергии, по сравнению с традиционной наземной структурой, в которой побеги растений растут вертикально и параллельно друг другу, используя реакции гравитропизма в качестве основного ориентирующего фактора. При наземных испытаниях для воссоздания самораздвигающейся структуры посева в ВМ необходимо вращать посевы растений вокруг горизонтальной оси для нейтрализации гравитропического изгиба побегов растений в нижнем и боковых положениях соответствующего КМ. Для этого НА «Витацикл-Т» установлена на СНИ с приводом вращения (рис. 6). В предыдущих исследованиях было показано, что скорость вращения вертикального клиностата вокруг горизонтальной оси должна составлять не менее 1 об/ч [16]. В настоящей работе скорость вращения ВМ на СНИ была установлена равной 6,6 об/ч.

Рис. 6. Стенд наземных испытаний с приводом вращения: 1 — блок управления вращением; 2 — узел скользящего контакта; 3 — узел вращения; 4 — подшипниковый узел; 5 — каркас; 6 — опора регулируемая; 7 — привод вращения; 8 — ремень (рисунок создан авторами)