8.3.3. Этапы развития сжо.

Теоретически КСЖО на запасах веществ имеет проектные преимущества при полетах продолжительностью до 1 – 1,5 месяцев. С этого времени полета целесообразнее использовать частично замкнутые схемы СЖО. История ПКК показывает, что практическое осуществление космических полетов связано с постепенным усложнением СЖО путем использования отдельных циклов круговорота веществ.

Уже отработана и давно применяется очистка КАВ и использование очищенной воды для питья. Также часто включаются в состав оборудования средства очистки загрязненной гигиенической воды. Разработано, но пока не применяется оборудование для получения питьевой воды из урины.

Из схемы получения кислорода из углекислого газа отработано оборудование для получения кислорода из воды с помощью электролиза. Образующийся водород направляется в двигательную установку как дополнительное рабочее тело. Отработаны и применяются концентраторы углекислоты с применением сорбентов.

Таким образом, практика показала нецелесообразность полной замены систем на запасах регенеративными системами. Более удобно развитие СЖО путем постепенного включения отдельных регенеративных элементов (звеньев), позволяющих улучшать проектные и медицинские показатели систем.

Проектные проработки биотехнических систем также показали перспективность включения отдельных наиболее выгодных биотехнологических процессов в комплекс СЖО в целом основанный на запасах. Таким процессом единодушно признается процесс выращивания высших съедобных растений, позволяющий получать в условиях космического полета свежую растительную пищу. Размер оранжереи для осуществления такого процесса на первом этапе не может быть значительным прежде всего из-за малой энергетической эффективности оранжереи. Для выращивания растений требуется либо использование солнечного света, для заведения которого внутрь ПКК пока нет эффективных конструкций, либо применение искусственных источников света (ламп).

Оба этих проекта еще недостаточно проработаны и не проверены на Земле. Поэтому в проектах ДОС оранжереи пока предполагается использовать только в научных целях. Однако известно, что на ПКК практически все бортовые системы устанавливались сначала как экспериментальные. Разница лишь в том, что это были полномасштабные экспериментальные установки. А космическую оранжерею необходимо создавать с минимальной площадью посева из-за большого необходимого энергопотребления. Существенный прорыв может произойти при применении в качестве источника света светодиодов. В этом направлении работают специалисты из ИМБП. Возможно, и наша кафедра сможет принять участие в этих работах. Пока лишь ведутся переговоры. Все дело, как всегда, в финансировании.

В отличие от наземных условий регенерация О₂ и Н₂О в космосе осуществляется на основе специально разработанных методов, отличающихся высокой интенсивностью и энергетической эффективностью по сравнению с биологическими процессами.

4. Способы оценки вариантов сжо.

Эквивалентная (или приведенная) масса КСЖО, предназначенного для жизнеобеспечения L человек в течение τ сут.:

M_сжо.пр. = М_сжо + ΔМ_стр + ΔМ_сэп

M_сжо = Мо + mτ + m_NN

БТСЖО.

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.

Так, СО₂ в атмосфере эффективно связывается гидроокисями щелочных металлов, например, лития:

CO₂ + 2 LiOH = Li₂CO3 + H₂O

Удельное количество LiOH - 1,1 – 1,5 кг/кг СО₂

Вода, выделяемая человеком в атмосферу из легких при дыхании и через кожу с потом, может конденсироваться на холодной поверхности теплообменника и собираться в виде жидкого конденсата атмосферной влаги (КАВ), который можно хранить в специальных емкостях, заполненных физическим поглотителем, например, капиллярно-пористым влагопоглощающим веществом.

Типовая структура ЗСЖО:

- О₂ в баллонах высокого давления (20 Мпа) и дозатор;

- питьевая вода в емкостях и дозатор;

- рационы питания в упаковке и средства приготовления пищи;

- поглотители СО₂ в патронах, через которые продувается воздух вентилятором;

- холодильно-сушильный агрегат (ХСА) для охлаждения и осушки воздуха;

- ассенизационное устройство (АСУ) для сбора и хранения жидких и твердых отходов человека;

- набор гигиенических средств (лосьонов, салфеток и др.) для гигиенических процедур.

Общая масса (и объем) такого КСЖО складывается из двух компонентов: постоянной (масса оборудования – вентиляторов, насосов, теплообменников, клапанов, трубопроводов, элементов крепления и др.) и переменной, пропорциональной числу космонавтов и времени полета (масса запасов расходуемых элементов – кислород, вода, пища, поглотитель СО₂, емкости для складирования отходов и санитарно-хозяйственных материалов).

Постоянная масса оборудования: 50 кг/чел. Энергопотребление (потребление вентиляторов, насосов, клапанов, приборов автоматики) – 10 – 15 Вт/чел.

Такой КСЖО целесообразен лишь в кратковременных полетах. Запасы пищи и воды уже на 20-суточный полет по массе превышают массу экипажа. Поэтому на ПКК необходимо воспроизведение воды, кислорода, пищи и удаление отходов жизнедеятельности.

ФХСЖО должен состоять из нескольких циклов круговорота веществ:

• обеспечения кислородом,

• водообеспечения,

• обеспечения пищей,

• удаления, утилизации и хранения отходов.

Кроме того, на борту ПКК должна быть система обеспечения теплового режима (СОТР или СТР)

Такую структуру могут иметь только СЖО, основанные на запасах и на физико-химических методах регенерации веществ. БТСЖО состоят не из функциональных подсистем, а из подсистем выращивания определенных видов живых существ (растений, животных, микроорганизмов). Эти виды участвуют в выполнении практически всех функций СЖО. Правда, за счет технических средств, входящих во все подсистемы БТСЖО, доля участия подсистем в каждой функции, может существенно измениться.

Самый простой путь круговорота – непосредственное выделение потребляемого вещества из выделенного человеком в процессе жизнедеятельности (например, О₂ из выдыхаемого СО₂, питьевой воды из КАВ и урины, пищи из фекалий).

Однако такой возможности нет, поэтому необходимо получение исходных веществ, потребляемых человеком, из его отходов путем нескольких последовательных реакций, называемых обычно этапами или звеньями круговорота. Последовательность звеньев круговорота одного вещества называется цепью круговорота (а также циклами и контурами).

Основные требования к цепям круговорота веществ – чтобы их было немного. Укрупненно выделяют 3 цепи (цикла круговорота веществ в ПКК (Рис. 1):

Такая СЖО (называемая замкнутой или закрытой) позволяет многократно использовать одни и те же вещества и элементы для жизнеобеспечения космонавтов. Такие системы основаны на использовании биологических и физико-химических процессов восстановления (регенерации) потребляемых человеком веществ из его отходов.

Регенерируемые вещества состоят из двух групп. В первую группу входят так называемые энергетические вещества (белки, жиры, углеводы), являющиеся источником энергии для жизнедеятельности организма, во вторую группу – минеральные вещества, необходимые для осуществления в организме химических реакций (О₂, вода). Регенерация веществ второй группы – разрешимая проблема, необходимо лишь подобрать наиболее эффективный набор реакций. Для регенерации органических соединений наиболее целесообразно использовать биологические процессы.

Применение ФХСЖО реализует восстановление кислорода путем разложения СО₂ и воды и питьевую воду путем очистки КАВ и урины от содержащихся в них примесей.

Такой КСЖО создает замкнутый круговорот по О₂ и воде подобно тому, как это происходит в биосфере Земли. Однако в КСЖО используются другие химические реакции, подбирающиеся специально и отличающиеся от природных высокой интенсивностью и энергетической эффективностью.

Сейчас уже созданы средства концентрации СО₂ и получения из него О₂ с помощью определенной цепочки процессов, включающих разложение воды.

Расход веществ в ФХСЖО снижается до 2 кг/чел.сут. Использование обезвоженных пищевых продуктов позволяет снизить расход веществ до 1,5 кг/чел.сут. Потребные 0,5 кг/чел.сут. воды для гидратации пищи перед ее приемом можно брать из круговорота воды.

Масса оборудования в ФХСЖО возрастает до 200 – 250 кг/чел., а энергопотребление – до 500 – 800 Вт/чел.

Обеспечение существования человека на основе биологических процессов круговорота веществ впервые создает такую ситуацию, при которой СЖО становится в прямую зависимость от самого человека как составного и основного ее звена. Эта зависимость настолько велика, что привычный смысл самого понятия «система жизнеобеспечения» становится по отношению к человеку совершенно условным, поскольку человек в этих условиях оказывается объектов обеспечения только в той мере, в какой он сам обеспечивает нормальное функционирование остальных звеньев БТСЖО.