В российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) исследуют влияние на организм экипажа тяжелых изотопов. Они появляются в атмосфере станции в результате работы аппаратуры. Эксперимент на МКС планируют провести в 2019 году. По мнению экспертов, полученные результаты помогут улучшить системы жизнеобеспечения и других изолированных объектов.
Как рассказали «Известиям» в МГТУ имени Баумана, на самочувствие экипажа и работу электронных устройств на борту оказывают негативное влияние тяжелые изотопы. Они образуются при работе установок для производства кислорода и очистки воздуха от углекислого газа.
Их скопление в клетках способствует развитию сахарного диабета, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний, - рассказала первый заместитель заведующего кафедрой холодильной, криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения МГТУ Анастасия Казакова.
В эксперименте «Криоатмосфера» специалисты МГТУ намерены получить информацию о влиянии тяжелых изотопов кислорода на здоровье и самочувствие экипажа МКС, а также на работу электронного оборудования.
Также планируется отработать доставку на станцию и использование там твердого азота (для создания атмосферы) и неона (для охлаждения электронных устройств).
Сейчас азот поступает на орбиту в сжатом виде под давлением в сотни атмосфер - это требует прочной и тяжелой оболочки баллона. Твердый азот можно хранить в сравнительно легком криостате при температуре ниже минус 210 градусов Цельсия и давлении ниже атмосферного. Это позволит уменьшить массу оборудования.
В таком же криостате при температуре ниже минус 245 градусов Цельсия можно хранить и твердый неон. При его плавлении поглощается много теплоты. Это используют для охлаждения электронного оборудования, например, инфракрасных телескопов. С их помощью можно обнаруживать на земной поверхности пожары, извержения вулканов и другие природные и рукотворные катаклизмы. Чем ниже температура сенсоров этих приборов, тем лучше они могут фиксировать относительно небольшие очаги повышения температуры на Земле.
В ходе эксперимента на борту российского сегмента МКС будет испытана система подачи азота для создания необходимого газового состава атмосферы станции. После этого работа продолжится на Земле. На корабле «Союз-МС» ученым доставят пробы атмосферы станции. Это позволит исследовать количество тяжелых изотопов кислорода и их влияние на состояние космонавтов.
- Важно определить состав воздуха на российском сегмента МКС. Это поможет оценить влияние его компонентов на жизнедеятельность космонавтов, - рассказала «Известиям » директор НИКИ КРИОГЕНМАШ Елена Тарасова. - Полученные данные позволят учитывать особенности изменения состава воздуха в зависимости от вида работающего оборудования. Речь не только о космосе, но и о других изолированных объектах - подводных станциях, подземных пунктах управления и других.
Аппаратуру для эксперимента изготовят и доставят на орбиту на транспортном грузовом корабле «Прогресс МС». Ориентировочные сроки изготовления и наземных испытаний образцов - конец 2018 - начало 2019 года. Затем предполагается провести космический эксперимент.
Для астронавтов, вода в космосе , впрочем, как и на Земле, является важнейшим ресурсом.
Все мы хорошо знаем, что без воды человек может прожить совсем не долго.
Так например:
- При температуре 16°С / 23°С, не более десяти дней;
- При 26°С, максимум девять дней;
- При 29°С, до семи дней;
- При 36°С, до трех дней.
Но вернемся к нашим астронавтам.
Норма воды на одного космонавта
Если с едой на орбите в общем ситуация понятна – ученые изобретают все новые и новые концентраты, которые при относительно малых объемах и малом весе обладают высокой калорийностью, то с водой ситуация сложней. Вода тяжелая , ее не ужать и не высушить, поэтому на нее уходит относительно много «полезной нагрузки» корабля, а это весьма важный фактор для космических путешествий.
По «российским космическим нормам» на одного космонавта в сутки требуется ориентировочно по 500/600 грамм еды (что составляет ~ 2500/2700 килокалорий) и 2,2 литра воды. Мы видим, что суточная норма воды гораздо тяжелее и больше в объеме чем порция еды. У американцев нормы еще более «щедрые» и выделяют астронавту ориентировочно 3,6 литра.
Технологий, позволяющих эффективно добывать чистую воду в открытом космосе:) или синтезировать ее на орбите пока нет, поэтому главную ее часть приходится доставлять с Земли специальными грузовыми космическими кораблями. Все это определяет режим жесткой экономии воды.
Как используется вода на космической орбите
Вода в космосе нужна не только для питья, но и для других целей:
- для «активации» сухих продуктов питания;
- для гигиенических целей;
- для успешного функционирования других систем космических кораблей;
Вода в космосе — режим экономии
С целью рационального использования воды на космической орбите, разработаны специальные правила ее экономии. В космосе не стирают одежду, а используют свежие комплекты. Гигиенические потребности удовлетворяют специальными влажными салфетками.
Из 8000 литров пресной воды в год, требуемых для обеспечения жизнедеятельности на космической станции, 80% из них могут быть воспроизведены непосредственно на самой станции из отходов жизнедеятельности человека и других систем космической станции.
Так, например, американские ученые создали во многом уникальную систему очистки мочи. Как утверждают разработчики этой системы, моча и конденсат, очищенные с помощью их аппарата практически ничем не отличается от стандартной бутилированной воды. Эти системы очистки воды способны перерабатывать до 6000 литров в год.
Источники воспроизводства воды на орбитальных станциях:
- конденсат;
- моча астронавтов;
- отходы работы кислородно-водородных топливных элементов — для технических нужд.
Будем надеяться, что на Земле чистая и вкусная вода будет нам всегда доступна и человечеству в глобальном смысле никогда не придётся использовать вышеописанные методы и технологии для ее получения и экономии.
В непривычных условиях внеатмосферного полета космонавтам должны быть созданы все условия для работы и отдыха. Им нужно есть, пить, дышать, отдыхать, спать положенное время. Такие простые и обыденные для земного бытия вопросы в условиях космоса перерастают в сложные научные и технические проблемы.
Человек может довольно долго обходиться без пищи, без воды - несколько дней. Но без воздуха он может жить лишь несколько минут. Дыхание - важнейшая функция человеческого организма. Как обеспечивается она в космическом полете?
Свободный объем в космических кораблях невелик. как правило, имеет на борту около 9 кубических метров воздуха. А за стенками корабля - почти полный вакуум, остатки атмосферы, плотность которой в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли.
9 кубометров - это все, что имеют для дыхания космонавты. Но это немало. Вопрос только в том, чем будет заполнен этот объем, чем будут дышать космонавты.
Атмосфера, окружающая человека на Земле, в сухом состоянии содержит по весу 78,09 процента азота, 20,95 процента кислорода, 0,93 процента аргона, 0,03 процента углекислого газа. Количество других газов в ней практически незначительно.
Такой газовой смесью привыкли дышать человек и почти все живое на Земле. Но возможности человеческого организма более широки. Из общего атмосферного давления на уровне моря на долю кислороде приходится примерно 160 миллиметров. Человек может дышать при понижении давления кислорода до 98 миллиметров ртутного столба, и лишь ниже наступает «кислородное голодание». Но возможен и другой вариант: когда содержание кислорода в воздухе больше нормы. Верхняя граница возможного для человека парциального давления кислорода проходит на уровне 425 миллиметров ртутного столба. При большей концентрации кислорода наступает кислородное отравление. Итак, возможности организма человека допускают колебания содержания кислорода примерно в 4 раза. В еще более широких пределах наш организм может переносить колебания атмосферного давления: от 160 миллиметров ртутного столба до нескольких атмосфер.
Азот и аргон - инертная часть воздуха. В окислительных процессах принимает участие только кислород. Поэтому возникла мысль: а нельзя ли в космическом корабле заменить азот на более легкий газ, скажем, гелий. Кубический метр азота весит 1,25 килограмма, а гелия - всего 0,18 килограмма, то есть в семь раз меньше. Для космических кораблей, где на учете каждый лишний килограмм веса, это отнюдь не безразлично. Эксперименты показали, что в кислородногелиевой атмосфере человек может нормально дышать. Это было проверено американскими акванавтами при длительных подводных погружениях.
В техническом отношении привлекает внимание также одногазовая атмосфера, состоящая из чистого кислорода. В американских космических кораблях для дыхания космонавтов применяется чистый кислород при давлении около 270 миллиметров ртутного столба. При этом проще (а значит, и легче) получается аппаратура для контроля давления и поддержания состава атмосферы. Однако чистый кислород имеет свои недостатки: возникает угроза пожара на космическом корабле; длительное вдыхание чистого кислорода вызывает неприятные осложнения в дыхательных путях.
При создании искусственной среды в отечественных космических кораблях за основу взята нормальная земная атмосфера. Специалисты, прежде всего — медики, настояли на том, чтобы на борту космических кораблей был создан уголок родной планеты с условиями, как можно более близкими к тем, которые окружают человека на Земле. Все технические выгоды, получаемые при применении одногазовой атмосферы, кислородно-гелиевой и других, были принесены в жертву ради полного комфорта для космонавтов. Все параметры очень близки к нормам той атмосферы, которой мы дышим на Земле. Они показывают, что автоматика «держит» параметры воздуха в кабине очень «жестко», стабильно. Космонавты как бы дышат чистым воздухом Земли.
После посадки космонавтов в корабль, после герметизации его отсеков состав атмосферы в корабле начинает изменяться. Два космонавта потребляют в час около 50 литров кислорода и выделяют 80-100 граммов водяных паров, углекислый газ, летучие продукты обмена веществ и др. Тогда вступает в действие система кондиционирования, которая доводит атмосферу «до кондиции», то есть поддерживает все ее параметры на оптимальном уровне.
В основу регенерации атмосферы положены эффективные, проверенные физические и химические процессы. Известны химические вещества, которые при соединении с водой или углекислым газом способны выделять кислород. Это надперекиси щелочных металлов - натрия, калия, лития. Чтобы при этих реакциях выделилось 50 литров кислорода - часовая потребность двух космонавтов, - необходимо 26,4 грамма воды. А выделение ее в атмосферу двумя космонавтами, как мы уже сказали, достигает 100 граммов в час.
Часть этой воды расходуется на получение кислорода, часть сохраняется в воздухе для поддержания нормальной относительной влажности (в пределах 40-60 процентов). Лишняя же вода должна улавливаться специальными поглотителями.
Наличие пыли, крошек, мусора в воздухе недопустимо. Ведь в невесомости все это не падает на пол, а свободно плавает в атмосфере корабля и может попадать в дыхательные пути космонавтов. Для очистки воздуха от механических загрязнений существуют специальные фильтры.
Итак, регенерация атмосферы в корабле сводится к тому, что часть воздуха из обитаемых отсеков постоянно забирается вентилятором и проходит через ряд устройств системы кондиционирования. Там воздух очищается, доводится до нормы по химическому составу, влажности и температуре и снова возвращается в кабину космонавтов. Такая циркуляция воздуха идет постоянно, а скорость ее и эффективность работы неослабно контролируются соответствующей автоматикой.
Например, если чрезмерно возросло содержание кислорода в атмосфере корабля, то система, контроля немедленно заметит это. Она подает соответствующие команды исполнительным органам; режим работы установки изменяется так, чтобы уменьшить выделение кислорода.
Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш»
Регенерация воды и атмосферы на космической станции: опыт орбитальных станций "Салют", "Мир" и МКС, перспективы развития
Л.С.Бобе, Л.И.Гаврилов, А.А.Кочетков, Э.А.Курмазенко (АО "НИИхиммаш"), П.О.Андрейчук, А.А.Зеленчуков, С.Ю.Романов (НПО "Энергия"), Ю.Е.Синяк (ИМБП РАН). Доклад на конференции IAC-10.A1.6.6., 27.10.2010
Реферат
На основе анализа опыта эксплуатации российских космических станций "Салют", "Мир" и Международной космической станции МКС представлены данные по балансу воды и кислорода на станции, параметрам работы и характеристикам систем регенерации воды и атмосферы. На основе этих данных проведен проектный анализ комплекса регенерационных системы жизнеобеспечения для космической станции на орбите Луны. Предложенный комплекс физико-химических систем жизнеобеспечения включает: комплексную систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, из конденсата витаминной оранжереи и воды из системы утилизации углекислого газа; систему регенерации воды из урины; систему регенерации санитарно-гигиенической воды; систему регенерации кислорода на основе электролиза воды; систему очистки атмосферы от микропримесей; систему очистки атмосферы от углекислого газа и его концентрирования и систему переработки углекислого газа; систему запасов воды, кислорода и азота. Стартовая масса систем жизнеобеспечения (включая ЗИП, резервное оборудование, эквивалентную массу потребления электроэнергии и сброса тепла) приемлема для лунной орбитальной станции. Обязательной стадией проверки новых процессов и систем регенерации воды и атмосферы для перспективных миссий является их испытания на МКС.Введение
Реализация перспективных орбитальных и межпланетных полётов связана с совершенствованием систем жизнеобеспечения (СЖО) экипажа. Эти системы должны осуществлять максимальное извлечение и регенерацию воды из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека и биотехнического комплекса, осуществлять электролизное получение кислорода из регенерированной воды, очищать атмосферу от углекислого газа и других примесей, преобразовывать углекислый газ с получением воды; обеспечивать потребности экипажа в воде и кислороде с минимальным добавлением этих веществ из запасов.
Источниками воды и кислорода на борту станции являются продукты жизнедеятельности человека: пот и выдыхаемая влага, собираемые в системе кондиционирования атмосферы (конденсат атмосферной влаги); урина; углекислый газ; влага, испаряемая растениями; санитарно-гигиеническая вода, а также вода, выделяемая техническими системами, например, топливными элементами электрохимического генератора.
Из-за энергетических, объёмных и массовых ограничений на космической станции в настоящее время и в ближайшей перспективе в системах регенерации воды и атмосферы будут использоваться физико-химические процессы. Использование биологических процессов и воспроизведение пищи являются задачами будущего и скорее всего будут реализованы на планетных базах.
Опыт эксплуатации систем жизнеобеспечения российских орбитальных космических станций (ОКС) "Салют" и "Мир" и международной космической станции МКС, основанных на регенерации воды и атмосферы с частичным использованием воды и кислорода из доставляемых запасов, позволил получить данные по балансу воды и кислорода на космической станции и параметрам работы систем регенерации. Использование этих данных позволяет провести проектный анализ систем жизнеобеспечения для перспективных в том числе для межпланетных, космических станций.
В представляемом докладе рассмотрены системы, основанные на физико-химических процессах. Предполагается, что витаминная оранжерея так же будет включена в состав комплекса СЖО. Степень возврата (регенерации) веществ рассмотрена на основе баланса по воде, используемой на потребление, получение электролизного кислорода и другие нужды.
Опыт разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы. Наземные испытания в составе комплекса систем жизнеобеспечения.
В 1967-1968 г.г. в ИМБП был испытан комплекс физико-химических регенерационных систем жизнеобеспечения РСЖО НЛК, укомплектованный системами, разработанными и изготовленными НИИхиммашем. . Структурная схема комплекса РСЖО НЛК представлена на рис.1 (вариант А). Физико-химические регенерационные системы в течение года обеспечивали жизнедеятельность экипажа из трёх человек, находившихся в герметичном макете межпланетного корабля. В составе комплекса работали системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической воды; система электролизного получения кислорода из регенерированной воды; система очистки атмосферы от микропримесей; системы очистки атмосферы от углекислого газа и его концентрирования; система утилизации углекислого газа путём его разложения на воду и метан по методу Сабатье. Была экспериментально подтверждена принципиальная возможность длительного регенерационного жизнеобеспечения, человека, находящегося в замкнутом ограниченном пространстве.На основании этих исследований и дальнейших работ по созданию и эксплуатации лётных систем сформировались основные методы регенерации воды и атмосферы. В настоящее время реализуются следующие методы. Для регенерации воды из конденсата атмосферной влаги используется сорбционно-каталитический метод с последующей минерализацией, консервацией серебром и пастеризацией очищенной воды. Извлечение воды из мочи осуществляется путём дистилляции с сорбционно-каталитической очисткой дистиллята.
Регенерация санитарно-гигиенической воды производится путём фильтрации с последующей сорбционной доочисткой. Получение кислорода производится путём электролиза водного раствора щёлочи с использованием воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществляется сорбционно-каталитическим методом на регенерируемых сорбентах. Очистка от углекислого газа путём сорбции на регенерируемых сорбентах с его концентрированием при регенерации сорбентов. Переработка углекислого газа методом гидрирования водородом по реакции Сабатье с получением воды и метана. Для реализации этих методов разработана малогабаритная аппаратура, работоспособная в условиях космического полёта. Особо следует отметить аппаратуру для осуществления процессов гидродинамики и тепломассообмена в газожидкостных средах в условиях невесомости.
Рис.1. Структурная схема комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения космической станции.
A. Наземный комплекс РСЖО НЛК: все системы, представленные на рисунке.
B. Комплекс РСЖО ОКС "Мир": позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
C. Комплекс РСЖО МКС: позиции 1, 2, 4, 5, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
D. Комплекс РСЖО перспективной станции: все системы, представленные на рисунке.
Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги на станциях "Салют"
Для использования в полёте первоначально были разработаны системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К для долговременных орбитальных станций "Салют". В январе 1975 г. впервые в мировой практике пилотируемых полётов экипаж космической станции "Салют-4" в составе А.А. Губарева и Г.М. Гречко использовал регенерированную из конденсата воду для питья и приготовления пищи и напитков. Система работала в течение всего пилотируемого полёта станции. Аналогичные системы типа СРВ-К работали на станциях "Салют-6" (1977-1981гг.- 570 суток) и "Салют-7" (1982-1986 гг.- 743 суток). Система СРВ-К совместно с системой запасов обеспечивала станцию водой и наряду с функцией регенерации осуществляла очистку воды с просроченными запасами, подогрев воды запасов и получение горячей воды для санитарно-гигиенических процедур .Жизнеобеспечение экипажей космической станции "Мир"
На орбитальной космической станции ОКС "Мир" впервые в мировой практике был реализован практически полный (за исключением системы концентрирования и утилизации углекислого газа) комплекс физико-химических систем регенерации воды и атмосферы, который в значительной мере обеспечил длительное и эффективное функционирование станции в пилотируемом режиме . Структурная схема жизнеобеспечения представлена на рисунке 1 (вариант В). Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической воды осуществлялась в отдельных системах, а кислород для дыхания получали методом электролиза воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществлялась в системе СОА-МП; очистка атмосферы от углекислого газа проводилась в системе "Воздух". Вода запасов доставлялись на станцию грузовыми кораблями "Прогресс" в баках системы "Родник" и ёмкостях ЕДВ. После начала российско-американского сотрудничества вода, образующаяся в топливных элементах космических кораблей "Шаттл", передавалась на станцию "Мир" для питья и получения электролизного кислорода. Системы регенерации обеспечили получение качественной воды и кислорода и чистоту атмосферы в течение всего полета станции. Некоторые характеристики систем представлены в таблице 1. Система СРВ-К работала в базовом модуле весь период пилотируемого полёта с 16.03.86 по 27.08.99; системы СПК-У, СРВ-У и СОА МП работали в модуле "Квант 2" с 16.01.90 по 27.08.99; система "Электрон-В" работала попеременно в модулях "Квант 1" и "Квант 2" весь период полёта, система "Воздух" работала в модуле "Квант 1" с апреля 1987 г до конца полёта, система СРВ-СГ работала кратковременно только для подтверждения работоспособности.
Как видно, массозатраты при регенерации воды и атмосферы значительно ниже, чем массозатраты при её доставке на космическую станцию. Удельные затраты массы при регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и для получения кислорода составили 0,14 кг массы системы на 1 кг получаемой воды или кислорода. Удельные затраты массы при очистке атмосферы от углекислого газа составили 0,08 кг массы системы на 1 кг удаляемого СО 2 .
Массозатраты при доставке 1 кг воды составляют с учетом массы тары - 1,25 кг/л H 2 O; при доставке кислорода - 2,8 кг/кг O 2 и 2,1 кг/кг СО 2 при доставке расходуемых материалов для очистки атмосферы от СО 2 нерегенерируемыми поглотителями. В процессе эксплуатации станции "Мир" за счет работы систем регенерации получена экономия массы доставляемых грузов 58650 кг. Следует также отметить уникально малые затраты энергии особенно в системах регенерации воды типа СРВ-К и СРВ-СГ: 2 Втч/л воды и 8 Втч/л воды соответственно.
Жизнеобеспечение экипажей международной космической станции МКС
Аналогичный комплекс жизнеобеспечения (рис. 1, вариант С), включая системы концентрирования и утилизации углекислого газа и витаминную оранжерею и регенерацию воды из этих систем, предполагалось постадийно воплотить на Международной космической станции МКС . В настоящее время в составе служебного модуля СМ работают усовершенствованные системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К2М, приёма и консервации урины СПК-УМ (1-я часть системы регенерации воды из урины), электролизного получения кислорода "Электрон-ВМ", очистки от микропримесей СОА-МП и очистки от углекислого газа "Воздух".
Характеристики усовершенствованных систем значительно лучше, чем у систем, работавших на станции "Мир". Значительно увеличена производительность систем, снижены массо- и энергозатраты. Производительность системы "Электрон-ВМ" увеличена по сравнению с системой "Электрон-В" в 2 раза и составляет 160 нл О 2 в час (для обеспечения 6 человек). В систему очистки от микропримесей, первоначально включавшую регенерируемый адсорбер ЗПЛ, нерегенерируемый адсорбер ФОА и низкотемпературный каталитический фильтр ПКФ, введён с 24.10.2003 г. высокотемпературный каталитический фильтр ПКФ-Т, обеспечивающий периодическую высокотемпературную каталитическую очистку атмосферы от метана. В системах СРВ-К2М и "Электрон-ВМ" удельные затраты массы на получение (поглощение) целевого продукта снизились, в 1,5 - 2 раза до 0,08 кг/кг и 0,07 кг/кг соответственно. Основные характеристики работы систем регенерации воды на международной космической станции МКС с 2.11.00. (начало пилотируемого полёта) по 1.06.10. приведены в таблице 2 . В системе СРВ-К2М регенерировано до питьевых кондиций 12970 литров конденсата атмосферной влаги, что составляет 63% от расхода питьевой воды и 44% от общего расхода воды на станции. В системах "Электрон-ВМ" и "Воздух" получено 5835 кг кислорода и поглощено 10250 кг углекислого газа. Работа систем позволила сэкономить более 50000 кг массы доставок воды и оборудования, т.е. несколько пусков грузовых кораблей "Прогресс".
Примечания. * - расшифровка в перечне условных обозначений и сокращений; **с учётом нагрева воды; ***- потребление воды запасов -16660 л, общее потребление воды на станции - 29630л, ****-для 6 человек.
Эффективность работы комплекса СЖО может быть существенно повышена при повышении степени его замкнутости. За рассматриваемый период на российском сегменте МКС собрано и удалено 15300 литров мочи со смывной водой. При коэффициенте извлечения воды 0,9 количество регенерированной в СРВ-УМ воды составило бы 13770 литров при собственной массе системы 15% от массы полученной воды. На МКС также собрано и удалено 10250 кг углекислого газа. В системе переработки углекислого газа по реакции Сабатье можно было бы получить, используя водород из системы "Электрон-ВМ", около 4610 литров воды. Получение на борту дополнительных 18380 литров воды практически обеспечивает баланс станции по воде и кислороду. Таким образом, одним из приоритетных направлений развития российского сегмента МКС и перспективных станций является введение в состав СЖО систем регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки углекислого газа. Это позволит снизить массу доставок воды, повысить надёжность водообеспечения и автономность полёта станции, при этом расширятся возможности доставки научного оборудования.
Качество воды и атмосферы
В настоящее время накоплен большой опыт по оценке качества регенерированной воды и воды запасов. По окончании каждой экспедиции, при экспедициях посещения и при совместных полётах с кораблями "Шаттл" отбирались и доставлялись на Землю пробы конденсата атмосферной влаги, регенерированной воды и воды из системы запасов. В таблице 3 приведены обобщённые данные за весь рассматриваемый период полёта МКС. Как видно, несмотря на относительно высокое содержание органических примесей в конденсате регенерированная вода полностью удовлетворяет нормативам. Питьевая вода запасов сохраняет свой состав и соответствует всем требованиям нормативов. Периодически проводимые американскими астронавтами непосредственно на борту станции бактериологические анализы показали, что в регенерированной воде и в воде запасов микрофлора практически отсутствует. Приведённые данные убедительно подтверждают химическую и бактериологическую безопасность воды на космической станции. Содержание примесей в атмосфере станции не превышает нормативы. Содержание основных примесей в электролизном кислороде приведено в таблице 4 . Как видно, качество кислорода полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Перспективы развития комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения
На основе опыта разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы в докладе рассмотрена перспективная физико-химическая система регенерационного жизнеобеспечения межпланетной станции. Рассмотрим в качестве примера регенерационное жизнеобеспечение космической станции на лунной орбите с экипажем до 4 человек. Доставка грузов на такую станцию чрезвычайно сложна, поэтому оптимальным для данной цели является практически замкнутый по воде и кислороду комплекс регенерационных СЖО. Комплекс представлен на рис.1 (вариант D) и включает все приведённые на схеме физико-химические системы регенерации, санитарно-гигиеническое оборудование и витаминную оранжерею с освещенной площадью 0,4 м² . Используются запасы пищи, содержащей 0,6 кг на человека в сутки сухого вещества и 0,5 кг на человека в сутки воды. Технический баланс по воде приведен в таблице 5. Первая колонка в правой и левой части таблицы относится к структуре СЖО МКС с минимальными потребностями в воде. Колонка 2 учитывает потребности в воде витаминной оранжереи и в воде для мытья и стирки. Колонка 1.2 характеризует первый этап развития СЖО при введении системы регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки СО 2 (по методу Сабатье). Колонка 2 характеризует второй этап развития СЖО при введении санитарно-гигиенического оборудования, витаминной оранжереи и соответствующих систем регенерации воды. Оценочный расчёт массы и энергопотребления комплекса СЖО по этому варианту представлен в таблице 6. На основании анализа возможностей увеличения ресурса блоков и оборудования систем регенерации удельные затраты массы на 1 кг получаемого продукта снижены до значений, приведённых в таблице. Нагрузка на системы принята на основании баланса веществ, приведенного в таблице 5.
Потребление, выделение и возможности возврата веществ на космической станции (для 1-го космонавта в сутки)
Потери воды и атмосферы и расход азота для продувки капсулы системы "Электрон-ВМ", точные значения которых не известны, не учитывались. Не учтён также расход воды и атмосферы для скафандров. Удельные массы доставляемых запасов воды приняты 1,3 кг/кг Н 2 О, кислорода - 3 кг/кг О 2 . Аварийные запасы принимались а 90 суток из расчёта потребностей в кислороде и азоте (5 кг/чел-сутки) и воде (4 кг/чел-сутки). Использованы американские данные по массозатратам на энергопитание и отвод тепла в системе обеспечения теплового режима: 230 кг/кВт и 146 кг/кВт соответственно . Принималось что количество отведённого тепла эквивалентно затратам электрической энергии, суммарный учёт 0,4 кг/Вт. При расчёте энергопотребления систем СРВ-К и СРВ-СГ учитывались затраты на нагрев воды. Следует ещё раз подчеркнуть, что в соответствии с направленностью доклада рассматривались затраты массы и энергии на регенерацию воды и атмосферы. Остальные статьи затрат на жизнеобеспечение: кондиционирование воздуха, пища, санитарно-гигиеническое и медицинское оборудование, системы для внекорабельной деятельности и т.д. не рассматривались.
Расчётные затраты массы и энергии для пребывания 4-х человек на лунной орбите в течение года составили:
- на регенерацию воды и водообеспечение 2810 кг оборудования и запасов воды и 280 Вт электрической энергии (среднесуточно);
- на регенерацию и запасы атмосферы 2630 кг оборудования и запасов кислорода и азота и 1740 Вт электрической энергии (среднесуточно).
Суммарные затраты на регенерацию воды и атмосферы и запасы составили 5440 кг (оборудования и запасов воды, кислорода и азота) и 2020 Вт электрической энергии (среднесуточно).
Масса аварийных запасов сравнима с затратами на регенерацию, поэтому необходимо обеспечить технические предпосылки для её снижения. Особое внимание следует обратить на коэффициенты регенерации веществ и на минимизацию потерь воды и атмосферы, которые непосредственно влияют на расход запасов (при расчётах эти потери не учитывались). Основным направлением развития комплексов СЖО является повышение их замкнутости и надёжности. Для повышения надёжности в комплекс СЖО должны входить не только запасные агрегаты, но и дублирующие системы, обеспечивающие экипаж водой и атмосферой при неисправности основных систем. С увеличением длительности и автономности полёта решающее значение приобретают увеличение ресурса оборудования, обеспечение ремонтопригодности, снижение затрат массы и энергопотребления систем и уменьшение занимаемого ими объёма. Необходимы повышение эффективности существующих и разработка новых процессов регенерации воды и атмосферы.
*С учётом дополнительных блоков и резервной подсистемы. **С учётом аварийного запаса.
В настоящее время системы и комплексы СЖО, полностью удовлетворяющие указанным требованиям, отсутствуют. Для их создания необходимо проведение целенаправленных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Важнейшей стадией проверки новых технологических процессов и систем для длительных автономных полётов являются их испытания и отработка на международной космической станции МКС.
При организации планетных баз следует обеспечить постепенный переход от работающего при невесомости оборудования межпланетных кораблей к более простому оборудованию, использующему гравитацию планет. Отдельной задачей является разработка процессов и систем, использующих планетные ресурсы.
Выводы
1. Созданы регенерационные системы жизнеобеспечения, успешно работавшие на Российских космических станциях "Салют", "Мир" и в настоящее время на МКС, обеспечивая длительное пребывание космонавтов на станции и значительный технико-экономический эффект.2. Проведенный анализ, использующий достигнутый опыт, подтверждает техническую возможность создания комплекса систем жизнеобеспечения, основанного на регенерации воды и атмосферы, для лунной орбитальной космической станции.
3. Для решения этой задачи необходимо повысить степень замкнутости комплекса СЖО за счёт повышения коэффициентов извлечения воды и введения в состав СЖО систем регенерации воды из урины, концентрирования и переработки углекислого газа.
На втором этапе совершенствования комплекса СЖО необходимо повысить его комфортность и ввести санитарно-гигиеническое оборудование, витаминную оранжерею и соответствующие системы регенерации воды.
4. Создание комплексов систем жизнеобеспечения для перспективных миссий требует разработки усовершенствованной аппаратуры, систем и технологий, позволяющих увеличить надёжность регенерации и значительно снизить расход массы на получение целевых продуктов. Необходимо также разработать и внедрить резервные системы, обеспечивающие функциональное дублирование основных систем в нештатных ситуациях.
Если ресурсы ограничены, то приходится работать с тем, что есть, особенно в суровых условиях космического пространства. Конечно, на МКС регулярно отправляют грузовые корабли с поставками, но для длительных миссий важна самодостаточность. Поэтому придется перерабатывать и повторно использовать драгоценные ресурсы, среди которых и кислород.
Свежий воздух
Сейчас ученые активно изучают как фотосинтез (процесс трансформации организмом света в энергию с побочным продуктом в виде кислорода) осуществляется в космосе. Для этого взяли микроводоросли Arthrospira (спирулина) и погрузили в фотобиореактор (цилиндр, наполненный светом). На станции углекислый газ через фотосинтез будет переходить в кислород и съедобную биомассу (белки).
Мы знаем, как это происходит в земных условиях, но важно протестировать процесс в пространстве. Эксперимент собираются проводить в течение месяца, когда количество кислорода из водорослей изменится достаточно.
После возвращения на Землю микроводоросли проанализируют в апреле 2018 года. Генетическая информация позволит получить более четкую картину влияния невесомости и радиации на растительную клетку. Известно, что Arthrospira наделена высокой устойчивостью к излучению, но нужно проверить ее максимальные способности.
Проект входит в часть программы Melissa (Альтернативная система жизнеобеспечения). Она отвечает за многие исследовательские и образовательные мероприятия, вроде проекта AstroPlant – собирает сведения о росте растений в разных уголках Земли.
Следом за этим последует проект Uriniss, изучающий рециркуляцию мочи, чтобы создать газообразный азот, энергию, потенциальные питательные вещества для растительности и воду.
Загрузка...