1. Зсжо – объекты, мало связанные друг с другом. Фактически комплекс таких систем представляет собой совокупность отдельных агрегатов. Функции систем и отдельных агрегатов мы с вами уже рассмотрели.

Остановимся кратко на процессах, происходящих в этих агрегатах и на критериях выбора целесообразных (оптимальных) вариантов процессов. Анализировать процессы мы будем по отдельным системам.

СОГС.

Как уже мы говорили ранее, СОГС включает следующие функции:

- снабжение (обеспечение) космонавтов кислородом путем выделения в жилые отсеки газообразного О₂ в количестве, равном количеству потребляемого экипажем газа;

- удаление из атмосферы жилых отсеков углекислоты, выделяемой экипажем,

- удаление из атмосферы жилых отсеков микропримесей, независимо от места их выделения,

- участие в поддержании в жилых отсеках комфортного давления (за счет подачи газообразного О₂),

- участие в поддержании в жилых отсеках комфортных значений влажности атмосферы (за счет включения и выключения поглотителей паров воды в подсистеме вентиляции).

Каждая из этих функций может выполняться несколькими способами, выбрать наилучший из которых – задача проектировщика СЖО.

Варианты хранения источников кислорода мы уже рассмотрели.

Рассмотрим теперь процессы извлечения О₂ из этих источников..

Реакция при прохождении воздуха с О₂, СО₂ и парами Н₂О через поглотитель СО₂ в форме надперекиси проходит в 2 стадии:

- в первой стадии надперекись реагирует с парами Н₂О:

2КО₂ + Н₂О = 2КОН + 3/2 О₂

Образующийся при этой реакции О₂ поступает в атмосферу.

Второе соединение, образующееся при реакции – щелочь – эффективно поглощает воздух из проходящего через нее воздуха:

2КОН + СО₂ = К₂СО3 + Н₂О (ж)

Образующаяся при этом вода впитывается веществом карбоната калия (К₂СО₃), ухудшая его физические свойства (вещество «оплавляется», разбухает, покрывается коркой, через которую СО₂ не может поступать к внутренним слоям вещества).

Рассмотрим теперь существующие процессы удаления СО₂.

КСЖО, основанный на запасах, включает контейнеры с запасами необходимых человеку веществ – кислорода, воды, продуктов питания, гигиенических средств. Сбор и изоляцию продуктов жизнедеятельности экипажа можно осуществлять также с помощью запасов химических и физических поглотителей газов и воды, емкостей для хранения этих поглотителей и твердых отходов.

Кислород

СОА

Осушитель

атмосферы

Сборник урины

Вода

Сборник твердых отходов

Пища

Рис. 1. Структура ЗСЖО.

Функции жизнеобеспечения космонавтов.

Основная функция систем жизнеобеспечения - обеспечение обмена организма космонавтов с ОС веществом, энергией и информацией.

Понятие «жизнедеятельность человека» на борту ПКК – шире, чем понятие «жизнь человека». Главный компонент жизнедеятельности космонавтов – их активная деятельность, которая может характеризоваться определенными результатами и определенной «эффективностью».

Для того, чтобы эффективность деятельности космонавтов была наибольшей, необходимо обеспечение соответствующих условий и наличие на борту ПКК специального оборудования. В частности, должны быть предусмотрены эргономические средства, повышающие производительность труда экипажа, а также средства, обеспечивающие поддержание на борту ПКК комфортных условий, (параметры микроклимата, освещенность, звукоизоляция, интерьер и т.д.). Благоприятные условия должны быть не только во время трудовых операций, но и во время отдыха, сна, приема пищи, удовлетворения гигиенических потребностей. К этим средствам относятся всевозможные тренажеры, средства развлечения (книги, аудио- и видео-программы), средства медицинского обеспечения в случае болезни или травмы. Все подобные средства можно назвать «средствами обеспечения жизнедеятельности экипажа» (СОЖ). Для объединения этих средств в единый взаимосвязанный комплекс в настоящее время особых оснований нет. Уж слишком разнородны и неоднозначны функции этих средств и их состав, да и связи между отдельными составляющими СОЖ не обнаруживаются.

Исключение составляет группа средств, задача которых – обеспечение немногих, но наиболее ответственных жизненных функций экипажа (дыхание, водообмен, питание, теплообмен и гигиенические процедуры). Она наиболее определенна по своим задачам, наиболее устойчива по составу среди всех СОЖ. Эти средства, обычно объединяются в несколько функционально самостоятельных, но взаимосвязанных систем, называемых «системами жизнеобеспечения» (СЖО). Совокупность этих систем обычно называют «комплексом систем жизнеобеспечения (КСЖО)». Поскольку человек практически не может потреблять вырабатываемые СЖО продукты вне среды, можно утверждать, что взаимодействие СЖО с экипажем происходит только через среду. Точно так же через среду происходит и воздействие экипажа на СЖО, заключающееся в загрузке этих систем продуктами метаболизма. Однако экипаж может также осуществлять и прямое, непосредственное воздействие на СЖО, выполняя ручные операции и операции контроля и управления системами (и ремонта их).

Определение функций комплекса СЖО: КСЖО – совокупность устройств, агрегатов, биологических объектов и запасов веществ, обеспечивающих обмен экипажа с ОС веществами и энергией.

Состав и проектные характеристики СЖО (особенно масса и объем) существенно зависят не только от числа космонавтов, но и от продолжительности пребывания их в космосе. При увеличении длительности космического полета масса и объем СЖО возрастают.

Вследствие ограниченности объемов жилых отсеков ПКК ранее всего проявляется потребность в кислороде, очистке атмосферы от углекислоты и вредных примесей и в отводе избыточного тепла, а потребность в питьевой воде и пище начинает сказываться значительно позже.

При создании КСЖО необходим учет взаимодействия КСЖО с другими системами ПКК. Одним из аспектов такого анализа является рассмотрение КСЖО как составляющей ИЭС на борту ПКК.

Особенность жизнедеятельности экипажа ПКК в том, что она проходит в искусственной среде, ограниченной оболочкой жилых отсеков (или выходных скафандров) и сформированной с участием самого экипажа в процессе космического полета. В процессе жизнедеятельности человек взаимодействует со средой, изменяет параметры и состав этой среды, поглощая из нее кислород и другие жизненно важные вещества и выделяя в нее продукты метаболизма. Восстановление параметров среды обитания человека, близких к первоначальным, - одна из главных функций СЖО. Таким образом, СЖО в своей деятельности должны постоянно взаимодействовать с искусственной средой ПКК.

Из сказанного ясно, что при проектировании КСЖО недостаточно (хотя и совершенно необходимо) рассматривать его как функционально определенную самостоятельную совокупность технических средств. Требуется также учет связей КСЖО с другими составляющими ИЭС (экипаж – среда – КСЖО).

Напоминаю, что жизнеобеспечение в космосе это – обеспечение массоэнергообмена организма космонавтов с окружающей их средой при одновременном поддержании параметров этой среды в комфортных условиях.

Из общих соображений очевидно, что СЖО должны одновременно обеспечивать:

1. поддержание параметров ОС в комфортных пределах различными, в том числе техническими средствами,

2. потребление космонавтами питьевой воды и пищи,

3. выполнение космонавтами необходимых гигиенических процедур, включая диурез и дефекацию

4. складирование, переработку и хранение газообразных, жидких и твердых отходов жизнедеятельности.

Также из общих соображений очевидно, что для выполнения функций жизнеобеспечения в составе СЖО должны быть:

5. запас веществ, потребляемых экипажем (О₂, питьевая и гигиеническая вода, пища);

6. запас материалов, поглощающих из атмосферы СО₂ , пары воды и другие примеси, токсичные для человека;

7. технические средства вентиляции жилых отсеков, выполняющие одновременно функции теплоотвода и очистки воздуха;

8. технические средства приема и складирования (или переработки) остатков пищи, урины, фекалий и других жидких и твердых выделений экипажа (волос, ногтей, гигиенических смывов и т. д.);

9. технические средства хранения отходов жизнедеятельности.

Все перечисленные элементы содержатся в каждом комплексе СЖО любого ПКК.

Современные системы жизнеобеспечения, основанные на запасах, имеют следующий состав.

Система кислородного обеспечения (СКО) – обеспечивает подачу в атмосферу жилого отсека ПКК О₂ в количестве 0,9 кг/сут.чел. и поддерживает Р_О2 в пределах 180-320 Ра.

Система очистки атмосферы (СОА) – обеспечивает сбор и удаление СО₂ в количестве 1,0 кг/сут.чел., поддерживает Р_СО2 < 10гПа, а также очищает атмосферу от вредных микропримесей, выделяемых человеком и оборудованием.

Эти две системы обычно объединяют под названием система обеспечения газового состава атмосферы (СОГС).

Система водообеспечения (СВО) – обеспечивает экипаж питьевой водой в количестве 2,5 л/сут.чел. В случае использования в рационе космонавтов натуральных продуктов питания, содержащих воду (0,5 л/сут.чел.) норма питьевой воды уменьшается до 2 л/сут.чел.

Система обеспечения пищей (СОП) – обеспечивает рационом, содержащим белки, жиры и углеводы в соотношении 1:1:4 с общей калорийностью до 12500 кДж/ сут.чел.

Система обеспечения теплового режима (СОТР) – отводит из жилого отсека тепло, выделяемое экипажем (145 Вт/ чел.), и пары воды (50 г/ч.чел.), поддерживает заданную температуру (18-22^оС), влажность (30-70%) и циркуляцию воздуха (0,1-0,4м/с).

Средства удаления отходов (СУО) – обеспечивает сбор и изоляцию от атмосферы отсеков жидких (урины) и твердых (фекалии) отходов жизнедеятельности экипажа.

Средства регулирования давления (СРД) – поддерживают в жилом отсеке давление в пределах 770-1270 гПа, осуществляют контроль герметичности отсека и компенсацию утечек воздуха из отсека.

Перечисленные системы составляют КСЖО, обеспечивающий непосредственные физиологические нужды космонавтов. Помимо этих систем в состав КСЖО входят также:

Средства санитарно-гигиенического обеспечения (СГО), предназначенные для личной гигиены экипажа (умывание, душ) и удовлетворения бытовых нужд – одежда, спальные принадлежности, уборка помещения.

Средства индивидуальной защиты экипажа (автономные СЖО, АСЖО) - аварийно-спасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях – при разгерметизации отсека, пожаре и др.;

Табл. 8.2.

Суточный расход элементов КСЖО на запасах (на 1 чел.)

№	Расходуемыеэлементы СЖО	Расход вещества qвещ кг/чел.сут.	Коэффициент конструкции емкостей Кк кг/кг	Общая переменная масса элемента, Мпер кг/чел.сут.
1	Кислород в баллонах	0,9	2,00	2,7
2	Питьевая вода в емкостях	2,0	0,15	2,3
3	Запас пищи в таре	1,1	0,40	1,5
4	Поглотитель СО2 (LiOH)	1,5	0,40	2,1
5	Емкости для сбора КАВ (gкав = 1,2 кг/сут)	-	0,25	0,3
6	Сборники твердых отходов (gфек = 0,2 кг/сут)	-	1,5	0,3
7	Сборники урины (gур = 1,6 кг/сут)	-	0,25	0,4
8	Санитарно-бытовые средства (одежда, спальные принадлежности, гигиенические средства)	0,2	-	0,2
	Всего	5,7		9,8

Средства медико-биологического обеспечения - приборы для медицинского контроля состояния экипажа, тренажеры для физической тренировки космонавтов, медикаменты.

(Разработка и проектирование этих средств относятся к задачам космической биологии и медицины).

Таблица 1.

Основные параметры атмосферы и физиологические нормативы для орбитальной станции

№	Параметр	Значение
		Оптимальное		Фактическое
		минимум	максимум	минимум	максимум
1	Общее кПа давление мм рт. ст.	33 250	107 800	97 730	118 890
2	Давление кПа О2 мм рт. ст.	16 120	40 300	21 157	38 285
3	Давление кПа СО2 мм рт. ст.	0 0	1 7,6	0,2 1,3	1,3 9,7
4	Температура оС воздуха	16	24	17	28
5	Относительная % влажность	30	70	40	70
6	Тепловыделение Вт человека ккал/сут	126 2600	179 3700	140 2900	153 3150
7	Потребление кг/сут О2 л/сут	1,1 760	1,4 990	0,9 620
8	Выделение кг/сут СО2 л/сут	1,7 870	2,4 1220	1,0 510
9	Дыхательный кг/ кг коэффициент О2 / СО2	0,8	1,0	0,83
10	Потребление л/сут питьевой воды	2,2	2,8	2,2	2,5
11	Потребление кг/сут пищи	0,5	0,8	1,1	1,7
12	Выделение л/сут паров воды	1,1	1,5	1,2
13	Выделение л/сут урины	1,0	1,5	1,3	1,6
14	Выделение кг/сут фекалий	0,1	0,3	0,15	0,3
15	Потребление л/сут гигиенической воды,	0,6	2,6	2,5 (за 1 душ)	3,0 (за 1 душ)
16	Выделение л/сут метаболической воды,	0,25	0,35	0,4

Состав систем жизнеобеспечения на запасах.

Обеспечение газового состава.

Функции систем.

- снабжение экипажа кислородом,

- удаление углекислоты,

- удаление микропримесей, пыли и бактериальной флоры,

- поддержание давления воздуха (а также Р_к, Р_уг, Р_в в комфортных пределах).

Средства СОГС.

Баллоны с кислородом, оборудование, содержащее поглотители СО₂, поглотители микропримесей, пыли и бактерий.

Варианты систем кислородного обеспечения.

- Запасы газа.

- Запасы жидкого О₂.

- Запасы О₂ в твердых химических соединениях.

Часть таких соединений привлекательна своей многофункциональностью. Они одновременно выделяют О₂, поглощают СО₂ и пары воды.

Варианты систем очистки атмосферы.

–обеспечивает сбор и удаление СО₂ в количестве 1,0 кг/сут.чел., поддерживает Р_СО2 < 10гПа, а также очищает атмосферу от вредных микропримесей, выделяемых человеком и оборудованием.

Эти две системы обычно объединяют под названием система обеспечения газового состава атмосферы (СОГС).

Варианты систем водообеспечения.

– обеспечивает экипаж питьевой водой в количестве 2,5 л/сут.чел. В случае использования в рационе космонавтов натуральных продуктов питания, содержащих воду (0,5 л/сут.чел.) норма питьевой воды уменьшается до 2 л/сут.чел.

Варианты систем обеспечения пищей.

– обеспечивает рационом, содержащим белки, жиры и углеводы в соотношении 1:1:4 с общей калорийностью до 12500 кДж/ сут.чел.

Варианты Система обеспечения теплового режима (СОТР) – отводит из жилого отсека тепло, выделяемое экипажем (145 Вт/ чел.), и пары воды (50 г/ч.чел.), поддерживает заданную температуру (18-22^оС), влажность (30-70%) и циркуляцию воздуха (0,1-0,4м/с).

Варианты средств удаления отходов.

– обеспечивает сбор и изоляцию от атмосферы отсеков жидких (урины) и твердых (фекалии) отходов жизнедеятельности экипажа.

Варианты Средства регулирования давления.

– поддерживают в жилом отсеке давление в пределах 770-1270 гПа, осуществляют контроль герметичности отсека и компенсацию утечек воздуха из отсека.

Перечисленные системы составляют КСЖО, обеспечивающий непосредственные физиологические нужды космонавтов. Помимо этих систем в состав КСЖО входят также:

Варианты Средства санитарно-гигиенического обеспечения.

предназначенные для личной гигиены экипажа (умывание, душ) и удовлетворения бытовых нужд – одежда, спальные принадлежности, уборка помещения.

Варианты средств индивидуальной защиты экипажа.

- мягкие аварийно-спасательные скафандры,

- мягкие скафандры для выхода в открытый космос,

- жесткие скафандры для выхода в открытый космос,

- полужесткие скафандры для выхода в открытый космос,

- многоместные капсулы для выхода в открытый космос.

- средства для перемещения космонавтов в открытом космосе или на планетах (луноходы, планетоходы).

Оборудование СЖО, основанных на запасах.

Криогенный кислород и химические поглотители СО₂

При температуре 90^оК (- 180^оС) О₂ переходит в жидкое состояние с плотностью 1,1 г/см₃ и может храниться при давлении, близком к атмосферному. Основные технические трудности создания таких систем связаны с терморегулированием и действием невесомости.

Терморегулирование криогенных емкостей обеспечивается ЭВТИ и должно обеспечивать теплоприток 2Вт. Выполнить это очень сложно.

Невесомость приводит к перемешиванию в емкости жидкости и газовых пузырей, что затрудняет подачу О₂. Практическая рекомендация – повышение давления в емкости до 5 Мпа (при Т = 154^оК: – 120^оС).

Относительная масса баков в этой системе снижается с 2,0 кг/кг до 0,3-0,7 кг/кг.

Наиболее простая система СОА – использование гидроокисей щелочных металлов. Особенно выгоден LiOH. Тем не менее на СОА приходится до 60% общей массы СОГС. Поэтому возможно повышение эффективности поглощения путем регенерации поглотителей после их насыщения. Наиболее интересен метод поглощения СО₂ адсорбентами с последующей его десорбцией (вакуумированием либо нагревом).