一种空间微重力下蔬菜栽培的水分供给装置

1.一种空间微重力下的蔬菜栽培的水分供给装置，其特征在于：由水箱(1)、密闭缸(4)、栽培模块(20)、压力传感器(12)、过滤器(14)、气液分离器(15)、蠕动泵(16)、可编程控制器(19)通过第一水管支路(21)、第二水管支路(22)、第三水管支路(23)连接组成；水箱(1)通过第一水管支路(21)、第一电磁阀(2)与密闭缸(4)一侧相连；密闭缸(4)内的活塞(24)通过步进电机(5)、丝杠螺母(6)提供动力上升下降保证密闭缸(4)内水位；密闭缸(4)另一侧通过第二水管支路(22)、第二电磁阀(3)与栽培模块(20)中心多孔管(7)的一端相连；多孔管(7)的击穿压强为5-12kPa，其外部按由内向外的顺序紧密包裹吸水膨胀系数为200-300％亲水聚乙烯醇海绵层(8)、含有缓释肥的栽培基质层(10)、外被覆膜层(25)；多孔管(7)的另一端与第三水管支路(23)相连·上依次装有第三电磁阀(26)、水压传感器(12)、第四电磁阀(13)、过滤器(14)、气液分离器(15)、蠕动泵(16)与第五电磁阀(17)；步进电机(5)、压力传感器(12)、蠕动泵(16)以及所有电磁阀通过导线(18)与可编程控制器(19)相连；可编程控制器(19)控制密闭缸(4)的活塞(24)使得多孔管(7)内的水压处于略小于外部气压的稳定状态。
2.根据权利要求1所述的空间微重力下的蔬菜栽培的水分供给装置，其特征在于：第一水管支路(21)、第二水管支路(22)、第三水管支路(23)由直径为6-7mm黑色软管构成。
3.根据权利要求1所述的空间微重力下的蔬菜栽培的水分供给装置，其特征在于：通过过滤器(14)、气液分离器(15)、蠕动泵(16)去除水管内气泡与蔬菜根部代谢有机物质。

一种空间微重力下蔬菜栽培的水分供给装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种空间微重力下的蔬菜栽培的水分供给装置，主要用于长时间、远距离的深空载人探测飞船以及长期有人逗留空间站内进行蔬菜栽培时提供高效的水分供给。\n背景技术\n[0002] 随着航空生命保障技术的发展，人们越来越意识到新鲜绿色蔬菜对深空探测飞船的宇航员的重要性。绿色蔬菜不仅能够为有限空间内的宇航员提供视觉心理安慰，更为关键的是它还能够为宇航员提供新鲜绿色维生素与生物活性物质，满足机体的生理需求，降低服用合成维生素的潜在危险。目前，航天界已经逐步开展深空探测飞船的新鲜绿色蔬菜供给装置研究。在空间微重力下实现绿色蔬菜连续栽培一个关键的问题就是如何实现在空间条件下蔬菜根部水分的稳定供给。\n[0003] 当前，空间蔬菜栽培水分供给装置主要采取基于栽培基质湿度的湿度感器反馈控制系统。这种基于信号反馈的供水装置不足主要体现在：①由于连续栽培过程中存在收获时模块拆卸与种植时模块的再组装，使得传感器触点与环境基质位置或角度的改变，从而造成传感器信号输出不具有重复性；②传感器的输出容易受到植物根系的干扰；③由于栽培基质的毛细物质作用使得传感器输出存在很大的滞后性，容易产生错误信号输出。④每次收获或基质更新时，传感器的重复安装操作同样增加了航天员的劳作强度。此外，这种水分供给装置往往会使栽培基质湿润不均，各处的含水量相差较大，波动幅度较大。栽培基质含水量的大幅波动会使植物遭受旱涝胁迫，增加病虫害的发生，同时水分供给过剩容易导致硝态氮肥被淋移出作物根区以外，影响植物的正常生长。这种现象就曾在和平号空间站“SVET”蔬菜栽培装置中发生过。\n发明内容\n[0004] 本发明创造的目的在于提供一种空间微重力下的蔬菜栽培的水分供给装置，本装置不仅能够在空间微重力下为蔬菜培养提供稳定的水分供给，同时还能具有除气、净化、节水、省力、操作简便等优点。\n[0005] 为了达到上述目的，采取的技术方案是：本实验装置由水箱1，密闭缸4，栽培模块\n20，压力传感器12、过滤器14，气液分离器15，蠕动泵16、可编程控制器19组成。水箱1通过第一水管支路21、第一电磁阀2与密闭缸4相连。密闭缸4内的活塞24利用步进电机\n5、丝杠螺母6提供动力，实现活塞24的上升下降。密闭缸4通过第二水管支路22、第二电磁阀3与栽培模块20内部的多孔管7的一端相连。多孔管7外部从内向外依次紧密包裹亲水材料层8、含有缓释肥的栽培基质层10、外被覆膜层25，它们被固定于栽培支架9内部。\n栽培支架具有栽培种蔬菜的种植孔11。多孔管7的一端与第三水管支路23相连。第三水管支路23上依次装有第三电磁阀开关26、水压传感器12、第四电磁阀开关13、过滤器14、气液分离器15、蠕动泵16与第五电磁阀17。步进电机5、压力传感器12、蠕动泵16以及所有电磁阀通过导线18与可编程控制器19相连。\n[0006] 利用压力传感器12的压力信号反馈给可编程控制器19控制步进电机5，步进电机\n5进一步通过丝杠螺母6对密闭活塞24控制，使得多孔管7内的水压强大小始终控制在略小于外部环境气压的情况下。在这这种情况下，亲水材料层6与栽培基质8毛细作用力所产生的势能可以让水会通过多孔管7、亲水材料层8进入栽培基质层10内，溶解栽培基质内的缓释肥料，提供给蔬菜生长所需的水分与肥料。为了防止多孔管内出现大量气泡造成栽培基质水分分布不均，避免蔬菜根部代谢释放的有机化学物质堵塞多孔管7或对装置产生化学性负面效应，减少压力传感器长期工作的误差累积，要定期通过打开水管支路23，从多孔管7内抽水至水箱1中，在这个过程中利用过滤器14、气液分离器15、蠕动泵16实现供水的净化与除气。\n[0007] 所述的多孔管的击穿压强为5-12kPa。\n[0008] 所述的亲水材料层由聚乙烯醇海绵构成，厚度为2-8mm，吸水膨胀系数为\n200-300％。\n[0009] 所述的水管支路由直径为6-7mm黑色软管构成。\n[0010] 本发明的有益效果是完全根据蔬菜自身对水量的需求，通过多孔管7持续地向栽培基质10提供水分，栽培基质含水量变化幅度稳定，有利于蔬菜的生长以及高效利用水分。当收获或更换基质时只需关闭电磁阀3与26后取下栽培模块，无需对其他管路单元进行调整、重复装卸，操作简便，可降低航天员的劳作强度。\n附图说明\n[0011] 图1是本发明的示意图。\n[0012] 图2是栽培模块20的放大图。\n[0013] 图中：1是水箱；2、3、13、17、26是电磁阀，4是密闭缸；5是步进电机；6是丝杠螺母；7是多孔管；8是亲水材料层；9是栽培基质层；10是栽培支架；11是蔬菜种植孔；12是压力传感器；14是过滤器14；15是气液分离器、16是蠕动泵；18是导线；19是可编程控制器；20是栽培模块；21、22、23是水管支路；24是活塞；25是外被覆膜层。\n具体实施方式\n[0014] 下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。\n[0015] 如图1、图2所示，在开始工作之前，往水箱1内注入一定体积的水，所有电磁阀全部关闭。第一电磁阀2打开，启动步进电机5，利用步进电机5带动丝杠螺母6提升活塞24，使水沿着第一水管支路21进入密闭缸4内。关闭第一电磁阀2，打开第二电磁阀3与第三电磁阀26。启动压力传感器12，利用步进电机5带动丝杠螺母6下压活塞24，使密闭缸4内的水沿着第二水管支路22进入多孔管7内，达到压力传感器12的设定阈值。通过可编程控制器19根据压力传感器12的反馈信号，调节步进电机5从而控制活塞24，将多孔管内水压维持设定阈值，保证多孔管7中的压强略小于外部环境的压强。在亲水材料层8与栽培基质层10本身势能的作用下，水渗透过多孔管7、亲水材料层8进入栽培基质10内，溶解基质内部缓释肥料，源源不断为蔬菜生长水分与营养元素。外被覆膜层25用于防止水分散失以及外部污染。当需要去除多孔管7内的气泡与蔬菜根部代谢释放的有机化学物质时，关闭第二电磁阀3，打开第四电磁阀13、第五电磁阀17。停止压力传感器12与步进电机5，启动过滤器14、气液分离器15、蠕动泵16，将多孔管7内的水净化、除气后返回水箱1中。\n然后停止过滤器14、气液分离器15、蠕动泵16，关闭第四电磁阀13、第五电磁阀17，重新启动传感器12与步进电机5，打开第二电磁阀3继续为栽培基质供水。当密闭缸4中水位下降接近底部时，关闭第二电磁阀3，停止压力传感器12。再次打开第一电磁阀2，利用步进电机5带动丝杠螺母6提升活塞24，使水沿着水管支路21进入密闭缸4内提高水位。