专利名称：一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种植物栽培系统，具体来说涉及一种用于长期载人航天环控生保技术研究领域，特别是涉及空间站、地外航天器以及星球基地等载人航天空间环境条件下的植物栽培系统。
背景技术：
就目前航天技术发展水平来看，人类并非不能登上月球或火星等地外星球，而关键问题是无法长期驻留，这其中的重要瓶颈之一就是缺乏基本的乘员生存保障条件一食物、氧气和水的持续供应。解决这一问题的根本途径就是建立与之相适应的长期载人航天生命保障系统-受控生态生命保障系统。受控生态生保系统是以生物学、生态学和环境科学为依据，以地球生物圈的基本结构和功能为参考，以光合作用为出发点，综合集成和应用各种现代先进技术，组织和协调系统中“生产者”、“消费者”与“分解者”三者之间的相互作用关系，实现系统内物质的定向转化和循环利用，从而合理、高效、有序地持续生产乘员生存所需的食物、氧气和水等全部最基本的生保物资。在真正建成一个大型复杂的空间基地受控生态生保系统之前，有必要在地面上首先建成用于综合模拟研究的受控生态生保系统地基试验平台。通过该平台开展整个密闭生态系统环境因素对生物生长过程及人生存的可能影响，从而为将来建立真正的空间基地受控生态生保系统提供科学依据。到目前为止，在我国除了一些分散的、单独的、基础性单元研究工作和试验外，还没有建立起具有一定规模的太空受控生态生保系统综合模拟平台。植物栽培系统作为受控生态生保系统综合模拟平台的关键子系统之一，目前国内同样缺乏集成系统建设方面的研究，更谈不上开展整个密闭生态系统环境因素对植物生长响应规律、生理生化、遗传变异、 废物处理及循环利用、类土壤基质制备与应用、系统兼容匹配规律及调控机理等其中蕴含的若干重大科学问题和关键技术等方面的研究工作，因此，本植物栽培系统从集成平台建设入手开展相关的研究工作，从而为我国未来长期载人航天任务用的生保系统作好科学与技术上的准备。
发明内容
本发明的目的就是设计一套全封闭状态下受控生态生保系统集成试验平台用植物栽培系统，解决受控生态生保系统集成试验平台内环境的空气成分，特别是氧和二氧化碳的维持、处理和净化等技术问题；解决内部乘员生存所需的食物和氧气最基本的生保物资来源以及循环大气问题。为研究植物、动物、微生物在密闭条件下生长、发育和繁殖的变化过程与规律以及人与它们相互间的协调性、共存能力、平衡问题和可循环性、可控程度和密闭程度等技术课题提供基本的试验保障条件。实现本发明的技术方案本发明针对受控生态生保系统全封闭的特点，按照集成试验平台舱体内部环境温湿度监测及控制、大气总压及气体成分维持及控制、大气微量污染物监测及控制、大气微生物监测及控制、植物栽培系统、乘员舱系统等相关分系统在集成试验平台总体上的结构布局和设计，结合植物生长的要求和特点，设计出了受控生态生保系统用植物栽培系统，其系统组成及原理如图1所示。该系统包括冷净水储箱1、潜水泵2和3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、母液A储罐5和23、母液B储罐6和M、母液C储罐7和25、四通道蠕动泵10和沈、单通道蠕动泵11 12和21 22、营养液储箱13和27、传感器组件14和观、离心泵15Q0J9和33)、手动调节阀门组件16和33、光照系统17、植物栽培床组件18 和31、营养液收集箱19和32及管路附件等。净水储箱1、酸液储罐8、碱液储罐9以及母液 A储罐5和23、母液B储罐6和对、母液C储罐7和25在控制单元组件4的监测控制下，分别在营养液储箱13和27中完成对栽培植物所需营养液的配制。营养液储箱13和27、离心泵15Q0J9和33)、手动调节阀门组件16和33、光照系统17、植物栽培床组件18和31、营养液收集箱19和32及管路附件组成植物的营养液输送路径。针对栽培植物所需的光照问题，设计了植物光照模拟系统17。光照模拟系统17的主要部件为LED灯板35，该灯板由可产生红光和蓝光的两种二极管按照一定数量比例、经一定排列后形成特殊光源，如图3所示，满足栽培植物的生长发育需求。
图1为受控生态生保系统用植物栽培系统构成及原理图；图2为植物栽培床结构图；图3为植物栽培系统中光照部分的LED灯板布局结构图。
具体实施例方式如图1所示，整个受控生态生保系统集成试验平台用植物栽培系统实际是两套系统，可分别用于两类植物(可分别称为植物I和植物II)的栽培。两套栽培系统共用净水储箱1、控制单元组件4、酸液储罐8和碱液储罐9。以植物I为例，如图1，净水储箱1、潜水泵3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、母液A储罐5、母液B储罐6、母液C储罐7、四通道蠕动泵10、单通道蠕动泵11和12、 营养液储箱13、传感器组件14、离心泵15和20、手动调节阀门组件16、光照系统17、植物栽培床组件18、营养液收集箱19以及管路附件等构成了植物I的栽培系统。其中，净水储箱1、潜水泵3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、母液A储罐5、母液B储罐6、母液 C储罐7、四通道蠕动泵10、单通道蠕动泵11和12、营养液储箱13、传感器组件14以及管路附件等又构成了栽培系统中营养液的监测及配制部分，通过对营养液的PH值、液位等相关信息的监测，在营养液储箱13中完成对营养液的配制。此外，营养液储箱13、离心泵15和 20、手动调节阀门组件16、光照系统17、植物栽培床组件18、营养液收集箱19以及管路附件等构成了栽培系统中营养液的输送及回收。营养液储箱13中的营养液通过离心泵15经管路被输送到植物栽培床组件18的每个培养盘37中；经植物栽培固定板36之间的植物充分吸收后，营养液又通过管路被回收到营养液收集箱19中，被收集的营养液再通过离心泵20 被送回到营养液储箱13，从而形成一个完整的循环系统。每个植物培养床输送管路间为并联，每个培养床输送管路上均安装有手动调节阀可调节培养液流量的大小。整个营养液输送及回收部分设计成“营养液储箱13+营养液收集箱19”的二级水箱结构，有效地解决了由于栽培床数量多、栽培面积大导致的水箱容积大而引起的空间结构布局不合理等问题。植物栽培床组件18由M个栽培床组成，其中8个栽培床用于植物I的栽培，另16 个栽培床用于植物II的栽培。各栽培床分为上、下两层，如图2所示。每层的上部均安装有植物光照系统17的主要部件，即3块LED灯板35。LED灯板的上部安装有用于灯板散热及舱内温湿度调节控制的温湿控制系统34 (包括冷板、轴流风扇及管路附件等)。每层的下部是设计成矩形形状的浅水箱式植物栽培盘37。栽培盘37和植物光照系统17间的距离为 30 50cm。栽培盘37内部装有可移动的支持隔板，支撑植物栽培板36。植物栽培在栽培板36的栽培孔中。栽培盘37两端头分别与培养液输送及回收管路相连，形成培养液循环通道。植物栽培板36选用高密度泡沫板材，其上有用于安装固定植物根茎部的孔位。在每层栽培床37、LED灯板35之间的培养床架39侧面墙壁上安装有采用吸风方式为植物送风的小轴流风扇38，每台风扇独立进行空气循环。采用负压送风方式使得植物栽培区通风更加柔和，避免由于风速过快而对植物的生长造成影响。对于植物光照系统17，其主要部件LED灯板35采用两种发光二极管作为植物模拟光源，一种是可产生480nm蓝光的蓝光二极管41，另一种是可产生670nm红光的红光二极管 42。两种二极管按照数量为88% 12%的比例以图3所示排列方式进行排列安装在电路板40上，以保证混合光源到达植物表面后的均勻性及光照强度符合要求。图3中每个虚线框内的一组发光二极管均为蓝光二极管，其余发光二极管则均为红光二极管。
权利要求
1.一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统，其特征在于该系统包括净水储箱1、潜水泵2和3、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9、母液A 储罐5和23、母液B储罐6和24、母液C储罐7和25、四通道蠕动泵10和沈、单通道蠕动泵11 12和21 22、营养液储箱13和27、传感器组件14和28、离心泵15(20,29和33)、 手动调节阀门组件16和33、光照系统17、植物栽培床组件18和31、营养液收集箱19和32 以及管路附件。
2.如权利要求1所述的一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统，其特征在于该植物栽培系统实际是两套系统。两套栽培系统共用冷凝水箱1、控制单元组件4、酸液储罐8、碱液储罐9以及光照系统17。
3.如权利要求1所述的一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统，其特征在于整个营养液输送及回收设计成“营养液储箱13+营养液收集箱19”的二级水箱结构。
4.如权利要求1所述的一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统，其特征在于培养床架39侧面墙壁上安装有采用吸风方式为植物送风的小轴流风扇38，每台风扇独立进行空气循环。
5.如权利要求1所述的一种受控生态生保系统环境条件下的植物栽培系统，其特征在于由产生670nm红光和产生480nm蓝光的两种二极管按照数量为88% 12%的比例、经一定排列后形成空间植物模拟光源的LED灯板结构植物光照系统17。
全文摘要
本发明涉及一种用于受控生态生保系统集成试验平台的植物栽培系统。该系统包括净水储箱、潜水泵、控制单元组件、酸液储罐、碱液储罐、营养液母液储罐、四通道蠕动泵、单通道蠕动泵、营养液储箱、传感器组件、离心泵、手动调节阀门组件、光照系统、植物栽培床组件、营养液收集箱等。在控制单元组件的监测控制下，按一定比例抽取净水储箱、酸液储罐、碱液储罐和营养液母液储罐中的液体，完成对栽培植物所需营养液的配制。营养液储箱、离心泵、手动调节阀门组件、光照系统、植物栽培床组件、营养液收集箱以及离心泵形成栽培植物的营养液输送管路。该发明不仅适用于受控生态生保技术试验平台，而且能为高效集约化农业生产提供新的技术途径。
文档编号A01G31/02GK102349436SQ201110246818
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者唐永康, 姜茜, 朱景涛, 柯钢, 秦利锋, 艾为党, 郭双生, 马加炉 申请人:中国航天员科研训练中心