Исследование и разработка метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах для условий микрогравитации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.26.02, кандидат технических наук Подольский, Игорь Григорьевич

• Подольский, Игорь Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Подольский, Игорь Григорьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОБЛЕМЫ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ МИГРАЦИИ ВЛАГИ В КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕДАХ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ В МОДЕЛЬНОМ УСТРОЙСТВЕ.

2.1. Разработка теоретической модели динамики капиллярной пропитки воды в корнеобитаемой среде.

2.2. Экспериментальные исследования особенностей миграции влаги в КС для условий микрогравитации.

2.2.1. Изучение эксплуатационных характеристик устройства для исследования массообменных свойств капиллярно-пористых тел в условиях микрогравитации.

2.2.2.Результаты экспериментальных исследований особенностей миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации и их обсуждение.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТЬЮ КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕД В КОСМИЧЕСКИХ ОРАНЖЕРЕЯХ.

3.1. Выбор метода измерения влажности корнеобитаемых сред для условий микрогравитации.

3.2. Разработка тепловой модели теплоимпульсного влагомера.

3.3. Изучение эксплуатационных характеристик теплоимпульсного влагомера в лабораторных условиях.

3.4. Результаты экспериментальных исследований теплоимпульсного влагомера в условиях микрогравитации и их обсуждение.

3.5. Исследование гидрофизических характеристик корнеобитаемых сред, обоснование диапазона регулирования влагосодержания КС.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЛАГОПЕРЕНОСА КС В ОРАНЖЕРЕЙНОМ УСТРОЙСТВЕ ДЛЯ УСЛОВИЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ

4.1 Экспериментальные исследования особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации.

4.2 Экспериментальные исследования особенностей выноса азота из корнеобитаемой среды при культивировании растений в условиях микрогравитации. .114 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОВОГО ПРОСТРАНСТВА КОРНЕОБИТАЕМЫХ СРЕД ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ

ОРАНЖЕРЕЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах для условий микрогравитации»

При разработке биологической системы жизнеобеспечения (БСЖО) человека для космических полетов в настоящее время приходится исходить из того, что невесомость еще долго будет обязательным условием её функционирования. Поэтому все, что относится к этой проблеме, необходимо рассматривать с точки зрения возможности функционирования БСЖО в этих условиях.

В данной работе рассматривается один из многих непрямых механизмов влияния невесомости на БСЖО, перечень которых приводится в работе Мелешко Г.И. и Шепелева ЕЯ. (1994). Здесь имеется в виду нарушение упорядоченного распределения газовой, жидкой и твердой фаз среды, процессов массопереноса в корнеобитаемой среде (КС) для выращивания высших растений в этих условиях.

В последние годы в интересах создания элементов БСЖО на различных космических объектах проводятся эксперименты по отработке различных технологий культивирования высших растений (Podolsky I.G.et al., 1991,1998, Bingham G.E.et al., 1996, 1997, 1998, Morrow R.S. et al.,1992, Ivanova T.N.et al., 1993, 1996,1998, Salisbury F.B., 1994).

Метод культивирования растений в КС наиболее полно отвечает принципу биологического единства "растение - почва" и позволяет создать наиболее адекватные условия для корневой системы растений, ее взаимоотношений с КС. Формирование высоких программируемых урожаев в условиях космического полета (КП) теснейшим образом связано с оптимизацией процессов массообмена в системе корнеобитаемая среда-посев, что определяется особенностями организации корнеобитаемого пространства, способом подачи к корням питательного раствора, эффективностью аэрации корней, составом раствора и содержанием в нем органических соединений, физическими и физико-химическими свойствами КС. В КС корни растений размещаются в средах различной степени дисперсности. КС являются аккумуляторами влаги и элементов питания, которыми они обеспечивают растения в межполивной период. Исходные КС состоят из твердой, жидкой и газовой фаз. При выращивании растений в них образуется четвертая биогенная фаза, представленная корневыми системами, микроорганизмами, простейшими и беспозвоночными (Ермаков Е.И.,1979). Формирующаяся четырехзвенная система "КС - корни растений", существенно отличается от исходной КС. Роль биогенной фазы возрастает с уменьшением объема КС, поэтому при выращивании растений лимитирующим фактором в оптимизации условий 5 жизнеобеспечения корневых систем становится водно-воздушный режим (Ермаков Е.И. с соавт.,1987). Если в земных условиях, адекватные соотношения жидкой и газовой фаз в КС организуются наличием гравитации, то в гравитационно-неорганизованной среде это становится невозможным. Тем самым возникает проблема самой возможности и путей обеспечения адекватного водно-воздушного режима КС в агравитационной среде. Изучению этой проблемы и посвящена данная работа.

Нормальное протекание важнейших физиологических процессов в растениях и в важных для их жизни почвенных микроорганизмах невозможно без постоянного и достаточного количества влаги. В частности, рост и развитие растений связаны с большими затратами воды: для создания 100 г сухой массы растение расходует до 100л воды (Гродзинский A.M., 1973). Это огромное количество влаги растения получают через КС.

Обеспеченность растений влагой определяется не только величиной запаса воды в КС, но также ее подвижностью и доступностью для растений. Эти важные свойства влаги зависят от механического состава (пористости, удельной поверхности) КС и от создающихся в ней физических условий (плотности, влажности, температуры, структурного состояния).

Известно, что особенности поведения жидкости в условиях микрогравитации определяются, прежде всего, возрастающей ролью капиллярных сил (Бабский В.Г. с соавт.,1976). Задача настоящего исследования состоит в том, чтобы определить те режимы массообмена капиллярно-пористых сред, которые существенно зависят от уровня массовых сил и, поэтому будут иначе реализоваться в условиях микрогравитации.

Этот поиск, как выяснилось, необходимо производить в рамках физического почвоведения, представляющего собой большой раздел агрофизики - науки, имеющей в России давние традиции и выдающиеся достижения (Вершинин П.В. с соавт.,1959; Мичурин Б.Н., 1975; Нерпин C.B., Чудновский А.Ф., 1975; Воронин А.Д., 1988). Основополагающие исследования в науке о почвенной влаге выполнены на хорошем общефизическом уровне и создают прочную базу для развития соответствующей теории для условий микрогравитации. Тем не менее, теоретических работ фундаментального характера явно недостаточно. Большинство крупных разработок в этой области направлены на прогнозирование урожая или планирование орошения. Они доведены до действующих пакетов вычислительных программ, но являются сугубо полуэмпирическими (Березников К.П., 1982; Бондаренко Н.Ф. с соавт.,1982). 6

Минеральное питание, дыхание и водообеспечение растений непосредственно связаны с химическим составом и структурой КС. Известно, что от преобладающего размера пор будут в сильнейшей степени зависеть гидрофизические характеристики почв, их воздушные свойства, жизнь и развитие биоты и корней растений.

В настоящее время предлагается большое разнообразие методов выращивания растений для условий микрогравитации, которые отличаются между собой по КС, способу подачи жидкости (воды или питательного раствора) в КС, а также по конструктивному решению отдельных элементов культивационных устройств. С точки зрения газожидкостного обеспечения КС, для условий микрогравитации различными разработчиками предлагаются две системы подачи жидкости к корням растений. Первая -путем принудительной дозированной подачи жидкости и воздуха в КС через распределительные перфорированные трубки по сигналу с датчика влагосодержания КС (Беркович Ю.А. с соавт., 1990, Podolsky I G. et al., 1991, Ivanova T N. et al., 1993). Вторая -путем подачи жидкости в КС с последующим формированием заданного влагосодержания или стока жидкости за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента, выполненного в виде пластины (Wright B.D. et al., 1988) или трубки (Bula R.J. et al., 1992, Tsao D.T. et al., 1996). В случае отсутствия КС предлагаются различные конструкции распыления питательного раствора в вегетационном сосуде с последующим удалением за счет отрицательного давления на границе капиллярно-пористого элемента (аэропоника).

Система с принудительной подачей жидкости в КС длительное время и надежно эксплуатируется в условиях микрогравитации. Общее время применения данных систем в космических экспериментах в настоящее время составляет около 3 лет. Однако из-за отсутствия гравитационного механизма передвижения жидкости в условиях микрогравитации может существовать неограниченный объем капиллярно - подвешенной влаги в КС и образовываться изолированные объемы защемленного воздуха. Эти объемы могут быть равны порозности аэрации, но они не будут обмениваться газами с атмосферой (Podolsky I.G. et al., 1994).

Применение систем второго типа не имело столь длительной эксплуатации в условиях микрогравитации. Следует отметить, что устойчивые режимы переноса жидкости в системах второго типа могут обеспечиваться лишь в ограниченном слое КС. Кроме того, изменение характерного порового пространства КС при развитии корневой системы, засоление, активное развитие микроорганизмов и засорение капиллярно7 пористого управляющего элемента ставит под сомнение перспективность длительной эксплуатации таких систем.

Жидкость в КС в природных условиях практически никогда не находится в состоянии устойчивого равновесия: поступление в КС осадков и испарение с поверхности, градиенты температуры, корневое осушение непрерывно создают условия для нарушения равновесия.

Исследования по организации движения жидкости в КС для условий микрогравитации можно разбить на два основных раздела:

- движение в условиях сплошного фильтрационного потока, когда КС поддерживается в состоянии насыщения, а поры целиком заполнены жидкостью - это предмет теории фильтрации;

- движение жидкости при частичном заполнении пор и, следовательно, при активном участии капиллярных сил. Именно этот второй случай представляет для нас основной интерес и будет рассмотрен в работе.

При выращивании растений под мощными источниками света важную роль в формировании температурных условий КС и растений играет такой физический параметр, как динамика капиллярной пропитки КС. Одновременно для создания благоприятных условий при выращивании растений на КС необходимо создание порового пространства, эффективного для аэрации.

Успешные эксперименты по выращиванию растений в условиях микрогравитации могут быть проведены с использованием систем жизнеобеспечения растений, созданных с не меньшей тщательностью, чем системы жизнеобеспечения человека в космических полетах.

Опыт выращивания растений в условиях микрогравитации свидетельствует о снижении продуктивности растений (Ivanova T.N. et al., 1993). Анализ данных полетных экспериментов (Podolsky I.G.et al., 1991) показал, что одной из основных причин, которая могла вызвать существенное снижение продуктивности, является несовершенство технологии культивирования растений в невесомости, вследствие которого происходило неадекватное газожидкостное обеспечение КС и возникновение анаэробных условий в корнеобитаемой зоне.

Задача обеспечения растений адекватной КС в условиях микрогравитации не ставилась ранее не только в практическом, но и в теоретическом аспекте. Условия в КС -температура, влажность, освещенность, фазность - гораздо более стабильны, чем в атмосфере. Будучи адаптированными, к стабильным условиям, именно корни являются 8 наиболее чувствительными и ранимыми органами растения. Адаптированность корневой системы к условиям среды максимальна, и в то же время эта адаптированность имеет узкие пределы.

Следующий серьезный недостаток при проведении опытов с растениями в космических полетах заключается не только в плохой регистрации изменения параметров окружающей среды, но, прежде всего, в непонимании того, что нужно регистрировать и что фактически регистрируется в условиях микрогравитации и с какой точностью. В экофизиологии растений существуют понятия (Парфенов Г.П., 1988) о микроклимате - условиях в данном ареале обитания, о биоклимате - условиях среды в зоне, непосредственно окружающей растения, и об ¡ШегГасе-климате - условиях около конкретного органа (листа, корня и др.). В космических исследованиях ранее в лучшем случае регистрировались изменения только микроклимата, а именно параметров среды внутри космического аппарата. Вследствие этого условия, являющиеся в высшей степени нестабильными, описываются как стабильные. В такой ситуации изменение структуры и функции клеток, будучи следствием реальных, но не зарегистрированных флуктуаций среды, зачастую относят за счет влияния микрогравитации.

Вот почему в настоящее время важны работы по разработке метода и оборудования для измерения и регулирования водно-воздушного режима КС для условий микрогравитации.

При выполнении работы нами были использованы некоторые методические подходы по исследованию КС, применяемые при исследовании физики почв (Воронин А.Д., 1988), гидромеханики невесомости (Бабский В.Г. с соавт.,1976) и теории и практике контроля влажности (Кричевский Е.С. с соавт.,1980), а также собственные теоретические разработки и экспериментальные устройства (Подольский И.Г. с соавт. а.с.4703849 от 12.06.90г.).

Целью представленной работы состоит в проведении теоретических и экспериментальных исследований водно-воздушного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации и разработке метода и оборудования для регулирования водно-воздушного режима капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) в оранжерейных устройствах.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обосновать математическую модель влагопереноса в корнеобитаемой среде, разработать устройство для исследования массообменных характеристик капиллярно-пористых систем для условий микрогравитации. 9

2. Разработка и испытание теплоимпульсного метода измерения влажности корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.

3. Обосновать структуру корнеобитаемой среды, обеспечивающую благоприятные водно-воздушные режимы в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации.

Задачи данной работы условно разделены на три группы. Первая группа - задачи, связанные с исследованием объекта регулирования - КС, в том числе в условиях микрогравитации. Вторая - группа задач, решение которых необходимо при разработке метода измерения и регулирования влажности КС для условий микрогравитации. Третья группа - задачи, связанные с разработкой требований к поровому пространству КС и системе водообеспечения КС. Решение этих задач позволит обеспечить благоприятные водно-воздушные условия вблизи корней растений в условиях микрогравитации.

Концептуальная часть нацелена на построение модели оптимального водно-воздушного обеспечения КС для условий микрогравитации.

Методологическая часть включает разработку теоретических моделей, экспериментального оборудования, эксплуатирующегося в условиях микрогравитации и проведение исследований в условиях микрогравитации.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые выполнен расчетно-теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

Предложен, обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации. Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравитации. Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАСА, впервые в пилотируемой космонавтике позволили анализировать направление миграции влаги в КС, обеспечить влагорегулирование и определить скорость миграции влаги в условиях космического полета.

10

Теоретическое и практическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные знания и представления о массообменных свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации.

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения для условий микрогравитации, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС в условиях микрогравитации (патент № 4951842, 1991).

Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО. Метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может эффективно использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел.

На основе разработанных теоретических основ и практических методов созданы:

1. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. С использованием этого оборудования автором в 1986-1993 гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов по исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;

2. Комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований раздела проекта международной программы МИР-НАС А в 1995-1998гг на орбитальной станции «МИР".

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты экспериментальных исследований миграции влаги в корнеобитаемой среде в условиях микрогравитации, выявившие существенные особенности миграции влаги (возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги).

2. Метод и устройство для исследований массообменных характеристик (динамика капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги при

11 ненасыщенной гидравлической проводимости) капиллярно-пористых тел для условий микрогравитации.

3. Теплоимпульсный метод и устройство для регулирования влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации.

4. Данные исследований особенностей жидкостного обеспечения корнеобитаемых сред при культивировании растений в условиях микрогравитации выявившие существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронта капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде).

5. Характеристики порового пространства корнеобитаемых сред для условий микрогравитации (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналов аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8 - 2,6 мм).

Автор благодарен к.б.н. Левинских М.А., консультациями которой он многократно пользовался при выполнении работы. Автор признателен всем сотрудникам лаборатории за помощь в проведении экспериментов.

12

Заключение диссертации по теме «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (по отраслям наук)», Подольский, Игорь Григорьевич

выводы

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод и создано устройство, позволяющее исследовать массообменные характеристики капиллярно-пористых тел (динамика капиллярной пропитки, коэффициент капиллярной диффузии влаги при ненасыщенной гидравлической проводимости) в условиях микрогравитации.

2. На основании теоретических и экспериментальных работ получены данные о характерном распределении влаги в перлите (фракционный состав 1,5-2,5мм) в условиях микрогравитации, выявившие возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги в корнеобитаемой среде.

3. Разработан метод и оборудование для измерения влажности капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред) на основе теплоимпульсного метода для условий микрогравитации, погрешность датчиков влажности корнеобитаемой среды ±1%

4. С помощью разработанного комплекса точечных датчиков произведен контроль влагосодержания корнеобитаемых сред (балканин 1-3мм, 1-2мм, турфейс 1-2мм) в длительных космических экспериментах по выращиванию растений на орбитальной станции «МИР», выявивший существенные особенности миграции влаги (отсутствие устойчивого фронта капиллярной пропитки, возможность создания локализованных слабо рассасывающихся зон влаги, образование капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде).

5. Получены экспериментальные данные о скорости капиллярной миграции влаги в корнеобитаемой среде для условий микрогравитации, максимальная скорость которой оценивается, как 5-10 мм/час.

6. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена корнеобитаемая среда с двумя характерными диаметрами пор (открытые водоудерживающие поры и каналы аэрации, имеющие два характерных диаметра; при этом характерный диаметр каналов аэрации в 2-13 раз больше характерного диаметра водоудерживающих пор, причем характерный диаметр каналов аэрации составляет 1,8-2,6 мм), способная обеспечить благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

7. Комплекс оборудования на базе оранжерейной установки "Свет" с использованием измерительной системы на основе разработанного метода измерения обеспечил проведение мониторинга и управления влагосодержанием корнеобитаемых

131 сред (балканин, турфейс) при выращивании пшеницы и брассики в условиях микрогравитации. Оперативные данные и их обработка во время проведения экспериментов позволили анализировать направление потоков воды и управлять влагорегулированием в экспериментах.

132

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выборе капиллярно-пористых тел (корнеобитаемых сред - перлит, балканин, турфейс) для теоретических и экспериментальных исследований мы не исходили из каких либо специальных критериев, которые к тому времени не были ещё сформулированы. Этот выбор был обусловлен накопленной информацией при проведении экспериментов по выращиванию растений в условиях микрогравитации. Используя эти корнеобитаемые среды в качестве модельных, удалось решить целый ряд биотехнических проблем, связанных с созданием благоприятных водно-воздушных условий культивирования растений в корнеобитаемых средах для условий микрогравитации.

Стало ясным, что водно-воздушное обеспечение корнеобитаемых сред является одной из основных проблем при выращивании растений в условиях космического полета. В этих условиях из-за уменьшения выталкивающей силы Архимеда отсутствует расслоение веществ с различными удельными весами (воздух и вода), что приводит к образованию большого количества капиллярно-защемленного воздуха в корнеобитаемой среде, с которым затруднен газообмен. Поэтому в ходе выполнения работы был выполнен расчетно - теоретический анализ процесса распределения влаги в специальных вегетационных устройствах с КС и проведены экспериментальные исследования особенностей влагопереноса в этих КС в условиях микрогравитации. Обоснована и разработана методология экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации с использованием специального устройства. Обоснован и реализован теплоимпульсный метод мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред для условий микрогравитации Создан комплекс оборудования для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС для условий микрогравитации. Это позволило подойти к постановке и решению задачи создания КС, обеспечивающей благоприятные газожидкостные режимы при культивировании растений в условиях микрогравитации.

Оперативные данные по влагосодержанию КС, полученные с этого комплекса во время проведения биологических экспериментов позволили анализировать динамику и направление миграции влаги в КС, определять скорость миграции влаги в КС, обеспечивать влагорегулирование корнеобитаемых сред и научиться выращивать в условиях космического полета полноценные растения.

Теоретическое значение работы заключается в том, что установленные в ней факты и сформулированные на их основе выводы существенно дополняют современные

129 знания и представления о массообменных свойствах капиллярно-пористых систем - КС в условиях микрогравитации, о методах экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации

Практическая значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть положены в основу проектирования вегетационных сосудов оранжерей различного назначения, а комплекс оборудования может быть использован для исследования различных технологий культивирования растений, основанных на КС. Разработанные автором методы экспериментальных исследований массообменных свойств капиллярно-пористых систем в условиях микрогравитации могут оказаться полезными при разработке и совершенствовании физико-химических СЖО, метод измерения влажности КС для условий микрогравитации может использоваться для мониторинга влажности капиллярно-пористых тел - конструкционных элементов орбитальных станций.

На основе разработанных теоретических основ и практических методов созданы:

- устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем (А.С.№ 1659790 от 12.06.89г). С использованием этого оборудования автором в 1986-1993гг на орбитальных станциях "Салют-7" и "МИР" проведена серия экспериментов по исследованию особенностей миграции влаги в капиллярно-пористых телах в условиях микрогравитации;

- комплекс оборудования для мониторинга влагосодержания корнеобитаемых сред в условиях микрогравитации. Комплекс успешно эксплуатировался во время проведения экспериментов по программе фундаментальных биологических исследований в 19951998гг на орбитальной станции "МИР".

- теоретическое обоснование оптимальных характеристик порового пространства корнеобитаемых сред для космических оранжерей (патент N 4951842, 1991).

130

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Подольский, Игорь Григорьевич, 2000 год

1. Абрамовитц М, Стиган И. Справочник по специальным функциям. М., Наука, 1979, 830 с.

2. Баренблатт Г.И. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. -JL, Гидрометеоиздат, 1978, 207 с.

3. Аринушкина Е В Руководство по химическому анализу почв, Изд. МГУ , 1961,с. 377.

4. Бабский В.Г., Воробьева JT.B. "Расчет динамики увлажнения искусственных заменителей почвы при выращивании высших растений в условиях космического полета" в кн. Гагаринские научные чтения по космонавтике и авиации 1986 г., М., Наука, 1987, с.306.

5. Бабский В.Г., Копачевский Н.Д., Мышкис А.Д., Слобожанин Л.А., Тюпцов А Д. Гидромеханика невесомости. М.: Наука, 1976, 504с.

6. Березников К.П. Комплексный метод исследования влагооборота в системе почва-растение-атмосфера и режимов орошения, Автореф на соиск. уч. степ, доктора географ. Наук, Иркутск, 1982. 45 с.

7. Беркович Ю.А., Симонов В.М., Стругов ОМ., Шайдоров Ю.И., Иванова Т., Кынчев Н., Костов П. Вегетационный сосуд для растений, Авторское свидетельство №1598926, 1990.

8. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина C O., 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.33, № 2, с.45-49.

9. Берлинер М.А. Измерение влажности. М., Энергия, 1973, с. 13-15.

10. Бондаренко Н.Ф., Жуковский Е Е., Мушкин И.Г., Нерпин С В., Полуэктов P.A., Усков И.Б. Моделирование продуктивности агроэкосистем., Л., Гидрометеоиздат, 1982, 264 с.

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

12. Воронин А Д. Основы физики почв. Изд. МГУ, 1986, 244 с.

13. Гершуни Г.В., Жуховицкий В.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости, М, Наука, 1972, 392с.

14. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л., Гидрометеоиздат, 1969,232 с.133

15. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев. Изд-во «Наукова думка», 1972, с 13-14.

16. Гришин С.Д., Дубовской В.Б., Обыденников С.С., Савичев В В Исследование малых ускорений на борту орбитальной научной станции «Салют-6». В кн. Технологические эксперименты в невесомости, Свердловск, 1983, с.6-14

17. Ермаков Е.И. Системы интенсивного культивирования растений в регулируемых условиях. В сб.тр. Всесоюз. Акад. с.-х. наук, Л., Агропромиздат, Ленингр. отд.,1987, с.3-21.

18. Ермаков Е.И. Теория и методы интенсивного культивирования растений в регулируемых условиях (на примере овощных культур). Автореф. дисс. на соис.у.с.д.с/х наук, Л., 1987, 49с.

19. Ермаков Е.И. Система растение-почва в искусственной биосфере., Потенциальная продуктивность растений. М., Колос, 1976, с.138-158.

20. Ермаков Е.И., Зверева Т.С. Закономерности изменения корнеобитаемых сред при длительном выращивании растений, Докл. ВАСХНИЛ. 1979, №1 с 17-1 8

21. Ермаков Е.И., Онищенко В.Г. Влияние корней на фильтрацию и давление влаги в корнеобитаемых средах, Научно-техн.бюл. по агроном. Физике, АФИ,1983. №54. С.52-57.

22. Закржевский ДА., Ладыгина ОН., Чугунова Н.Г. "Фотосинтез и темновое дыхание листьев гороха в условиях корневой гипоксии и дефицита железа" в журн. Физиология растений, т.36, вып.6 1989г., АН СССР, с 44-58

23. Козлов В.Г. О вибрационной тепловой конвекции в полости совершающей высокочастотные вращательные качания. Изв. АНСССР, МЖТ, 1988, N 3, с. 138-144.

24. Коллинз Р. Течение жидкости через пористые среды. М.: Мир, 1964, 350 с.

25. Костенков Н.М. Окислительно-восстановительные режимы в почвах периодического переувлажнения. М. Наука, 1987, 192 с.

26. Кошкин НИ., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. Наука, М., 1972, с.86-87.

27. Кричевский Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов, Москва, "Энергия", 1980г. 240с.134

28. Курмазенко Э.А. Гидродинамика слоя капиллярно-пористого покрытия при испарении со свободной поверхности. Тем.сб.н.трудов МАИ, выпуск №455, М.,1978, с.33-45.

29. Лауринавичус P.C., Ярошюс A.B., Марчукайтис А., Швягждене Д.В., Машинский A.JI. "Метаболизм растений гороха, выращенных в условиях космического полета" в кн. Биологические исследования на орбитальных станциях "Салют", М. "Наука", 1984, с.96-102.

30. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. Москва, Изд. "Высшая школа", 1979г., 495 с.

31. Ливанская О.Г., Подольский И.Г. Азотное питание растений пшеницы при выращивании в оранжерее "Свет" в условиях микрогравитации. Тезисы докл. XI конференции по космической биологии и авиакосмической медицине, М.,1998, с.12-13.

32. Лозе Ж., Матье К. Толковый словарь по почвоведению. М., Мир, 1998, с. 112.

33. Лыков A.B. Тепломассообмен, М., Энергия, 1978, 480 с.

34. Любимов Д.В., Черепанов A.A. О возникновении стационарного рельефа на поверхности раздела жидкостей в вибрационном поле. Изв.АН СССР МЖГ 1986.6.с.8-13.

35. Машинский А.Л., Нечитайло Г.С. Космическая биология. М.: Знание, сер. "Биология", N 10, 1988, 64 с.

36. Машинский А.Л., Алехина Т.П., Божко А Н. Triticum vulgare на первых фазах развития (онтогенеза) в условиях космического полета. Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1991, т.25. №1, С.39-42.

37. Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (замкнутые экологические системы) М: Синтез, 1994, с.243-245.

38. Мичурин Б.Н. Энергетика почвенной влаги, Л, Гидрометеоиздат, 1975, 140с.

39. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго и массообмен в системе растение -почва-воздух, Л., Гидрометеоиздат, 1975, 358с.135

40. Парфенов Г.П. Невесомость и элементарные биологические процессы, Проблемы космической биологии, 1988, т.57, с.268

41. Петербургский A.B. Обменное поглощение в почве и усвоение растениями питательных веществ, М., Высшая школа, 1959, 240 с.

42. Подольский И.Г., Машинский А.Л., Высочанский А.Ф Доллежаль В.В , Нечитайло Г.С. Устройство для определения массообменных свойств капиллярно-пористых систем. А.С.№ 4703849125 от 12.06.89г.

43. Подольский И.Г., Машинский A.JL, Нечитайло Г.С. Пористый субстрат для выращивания растений. Патент N 4951842, 1991.

44. Роде A.A. Основы учения о почвенной влаге. Том 1.Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги, Л, Гидрометеоиздат, 1965, 664с.

45. Рожнов В.Ф. Теория эксперимента и испытание систем. Средства измерения состава жидкостей и влажностей. Москва, Изд. МАИ, 1979 г. с.3-5.

46. Рубин Б. А. Курс физиологии растений. М., Высшая школа, 1976, с 392-394.

47. Рыжик В.М. О механизме капиллярной пропитки пористой среды. Изв. АНСССР, отд. техн. наук, Мех. и машиностроение, 1959 № 6, с. 151-153

48. Синяк.Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. В кн. Обитаемость космических летательных аппаратов, М, Наука, 1994, (Космическая биология и медицина, Т.2), с.337-369.

49. Солдатов B.C., Перышкина Н.Г., Хорошко Р.П. Ионитные почвы, Минск, Наука и техника, 1978, 272 с.

50. Солдатов B.C., Перышкина Н.Г. Искусственные почвы для растений, Минск, Наука и техника, 1985, с. 7-11.

51. Стапренс В.Я. Миграция капиллярно-связанной влаги в зоне аэрации: Изд. АН Латв. ССР,1954,с. 146.

52. Сумм Б.Д., Рауд Э.А., Горюнов Ю.В. Начальная стадия капиллярного впитывания. Колл.журн., 1979, т.41, с.601-604.

53. Унароков К.Л. Капиллярный подъем жидкости в пористой среде. Журн. физ.химии, 1979,T.LIII, №3, с.588-591.

54. Чайлдс 3. Физические основы гидрологии почв. Л., Гидрометеоиздат, 1973,128 с.

55. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. VI., Физматгиз, 1962, 267 с.

56. Bingham G.E. .Salisbury F.B., Campbell W.F., Carman J G , Bubenheim D. L., Kendler B S., Sytchev V.N., Berkovitch Yu.A., Levinskikh M A., Podolsky I.G The spaselab-nir-1 "Greenhouse-2" experiment. Adv.Spase Res. Vol. 18,No 4/5, p 225-232, 1996.

57. Bingham G.E., Jones S B., Or D., Podolsky IG., Sytchev V.N. Water management essons from plant full life cycle experiments on Mir. Gravitational and space biology bulletin, 1998, V12, N1 p56.

58. Bingham, G. E., Salisbury F. В., Campbell W. F., Carmen J. G., 1994. The Spacelab-V11R-1 "Greenhouse-2" Experiment and Equipment. Microgravity Science and Technology. Э. 199-214.

59. Blackwell J.H. A transient-flow metod for determination of thermal constants of insulating materials in bulk. Parti-Theory. J. of Apllied Phys., v.25, N2, 1954, p 137-144.

60. Bioemen G.W. Calculation of hydraulic conductivities of soil from texture and organic matter content. . Z.Pflanzenernaehr. Bodenkd., 1980, p.581-605.

61. Brooks RH. and Corey A.T. Hydraulic properties of porous media. Hydrology paper 3, Colorado State Univ., pp.27, 1964.

62. Bula R.J., Tibbitts. T.W., Morrow R.S., Dinauer W.R Commercial involvement in the development of space-based plant grown technology., Adv.Spase Res. Vol. 12, №5, 1992, p.5-10.

63. BurdineN.T. Relative permeability calculation from pore size distribution data. 1953, Pet. Trans.Am. Inst. Min. Metal. Pet. Eng. 198: 71-78.

64. Campbell G.S. A simple method for determining unsaturated conductivity from moisture retention data. Soil Sei. 117: 311-314, 1974.

65. Hillel D. Fundamentals of soil physics. Academic Press, N .Y., 1980, p.364.

66. Ivanova T.N. and Dandalov I.W., Moistening of the substrate in microgravity. // Microgravity science and technology. 1992, Vol. V (3), p. 151-155.

67. Ivanova l.Y., Antonyan A.A., Derendiayeva T.A., et. al. Plant metabolism in the conditions of space flight. Acta Vet.Brno, 1996, 65: p. 11-17.

68. Ivanova T.N., Bercovich Y.A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse by means of controlled environmental conditions. Astronáutica, vol. 29, n. 8, pp. 639-644, 1993.

69. Ivanova T.N., Rostov P.T., Sapunova S.M., et al. Sensors and methods for measurement of enviroment parameters in "Svet" space greenhouse. Comptes rendus de LAcademie bulgare des Sciences, Tome 45, № 11, 1992, p.55-58.

70. Ivanova T.N., Sapunova S.M. and Kostov P.T, New biotechnological experiment greenhouse SVET-2 for the MIR-SHUTTLE mission. Acta Vet. Brno. 1996, Vol. 65, N 1, p.5-9.

71. Ivanova T.N., Bercovich Y.A., Mashinskiy A.L., Meleshko G.I. The first "space" vegetables have been grown in the "Svet" greenhouse by means of controlled environmental conditions. Astronáutica, 1993, Vol. 29, N 8, pp. 639-644.

72. Jackson R.D. On the calculation of hydraulic conductivity. Soil Sei. Soc. Am. Proc. 36: 380-383,1972.138

73. Jones S.B., Or D. Mierogravity effects on water flow and distribution in unsaturated porous media: Analyses of flight experiments. Water resources research, 1999, Vol.35, N 4, pp. 929-942.

74. Jones S.B., Or D. Design of porous media for optimal gas and liquid fluxes to plant roots. Soil science society of America journal, 1998, Vol. 62, N 3, 563-573.

75. Jones S B., Or D. Particulated growth media for optimal liquid and gaseous fluxes to plant roots in mierogravity. Adv.Space Res. Vol. 22, №10, 1998, p. 1413-1418.

76. Jones S.B., Or D. A capillary-driven root module for plant growth in mierogravity, Adv.Space Res. Vol. 22, №10, 1998, p.1407-1412.

77. Mashinsky A.L., Ivanova I.E., Derendyaeva T.A., Nichitailo G.S., Salisbury F. From seed-to-seed experiment with wheat plants under space-flight conditions. Adv. Space Res. Vol. 14, №11, 1994, p. 13-19.

78. Mashinsky A.L., Ivanova I.E., Derendyaeva T.A., Nichitailo G.S., Salisbury F "From seed to seed" experiment with wheat plants under space-flight conditions. Abstract COSPAR 29 plenary meeting, Washington, 28 August-5 September 1992, p.592

79. Morrow R.S., Bula R.J., Tibbitts. T.W., Dinauer W.R The astroculturelm flight experiment series, validating technologies for growing plants in space. Adv.Spase Res. 29th COSPAR, 1992.

80. Moench A.F., Evans D.D. Thermal conductivity and dififusivity of soil using a cylindrical heat source. Soil Sci. Soc. Am. Proc. 34, 1970, p.377-381.

81. Mualem Y. A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media. Water resour.Res. 12, 1976, p.513-522.

82. Podolsky I.G., Mashinsky A.L. Peculiarities of moisture transfer in capillary porous soil substitutes during spase flight. Adv.Spase Res. Vol. 14, №11, 1994, p.39-46.

83. Podolsky I.G., Mashinsky A.L., Berkovich Y.A., Ivanova T.N. Gas-liquid supply of the root zone of the "Svet" greenhouse vegetative pot in space flight. Proceedings of the second micro-symposium Svet-90, Sofia, 1991, p.47-55.

84. Porterfield D.M., Matthews S.W., Daugherty C.J., Musgrave M.E Spaceflight exposure effects on transcription, activity, and localization of alcohol dehydrogenase in roots of arabidopsis thaliana. Plant Physiology (1997) 113: 685-693.

85. Salisbury F., Gillespie L. and Bingham G. Preparation for CELSS flight experiments with wheat. Adv. Space Res., 1994, Vol. 14, No.l 1, p. 11-27.

86. Salisbury, F.B., G.E Bingham, W.F. Campbell, J.G. Carmen, P. Hole, L S. Gillespie, V.N. Sychov, I. Podolsky, M. Levinskikh, D.L. Bubenheim, B. Yendler. Growth of super-drawf wheat on the Russian Space Station MIR, № 961392.

87. Saxton D.E., Rawls W.J., Romberger J.S. and Papendiek R.l. Estimating generalized soil-water characteristics from texture. Soil Sei. Soc. Am. J. 50,1986, 1031-1036.

88. Stout S.C., Kuang A., Musgrave M.E. Poliar detection of hypoxia in brassica rapa plants grown in microgravity. Gravitational and space biology bulletin V13, № 1, Pll, 1999, p.ll.

89. Tsao D.T., Okos M.R., Sager J.C. Controlling the water availability from a ceramic tube system subjected to non-standard gravities. 26th International Conference on Environmental Systems. Paper No 961505. 1996.

90. Van Genuchten M.Th. A closed form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Sei.Soc. Am. J. 44, 1980, p.892-898.

91. Wolf G.N. Dynamic stabilization of the interchange instability of a liquid-gas interface. Phys.Rev.Lett. 1970.V.24.n.9.pp.444-446.

92. Wright B.D., Bausch W.C., Knott W.M. Hydroponic sistem for microgravity plant experiments. Trans, of ASAE Vol. 31, N2,1988, p 440-446.

93. Yendler B., Webbon B., Podolski I. and Bula R. Capillary movement of liquid in granular in microgravity, Advances in Space Research, 18 ( 4/5), 1996, p. 233-237.

94. Yendler B.S., Podolsky I.G., Bingham G.E., et al. Moisture sensor for use in microgravity. 25th International Conference on Environmental Systems, paper № 95 1471, 1995

95. Yendler B.S. Thermal properties of unsaturated substrates used for space research. 26th International Conference on Environmental Systems, paper № 961548. 1996.140