6.2. Разработка исследовательских проектов

Исследовательские проекты могут разрабатываться по литературным данным и на основании обобщений разных работ, не имеющих прямого отношения к космической технике, а также на предположениях специалистов. Результаты проектов дают материал для конструкторов, биологов и других специалистов, участвующих в подготовке будущих космических полетов.

Одно из направлений проектных исследований БТСЖО – анализ возможных вариантов совершенствования подсистем для более эффективного выполнения функций жизнеобеспечения космонавтов.

Возможны различные задачи, решаемые в проектах БТСЖО. Известны работы по оценке проектных параметров БТСЖО для долговременных лунных баз, для космических поселений с численностью жителей в десятки и сотни человек.

В одном из проектов для обеспечения 150 человек авторы предусмотрели БТСЖО, включающую высшие растения (овощные и зерновые), сельскохозяйственных животных, рыб. Общая площадь, занимаемая системой, – 0,5 км². Отходы людей и животных в системе после обработки физико-химическими методами используются как удобрение для растений. В другом проекте, получившем название Island One, разработана конструкция космического поселения для 10 000 человек в виде цилиндра диаметром 500 м. Предусмотрен ввод внутрь поселения солнечной энергии с помощью плоских зеркал и стеклянных окон. В БТСЖО используются высшие растения, животные, рыбы.

Особенно подробно исследованы проблемы создания космических поселений с большой численностью населения в работах O`Neill. Время существования космических поселений в этих работах предполагается 10–30 лет. Делается единодушный вывод об использовании в них БТСЖО. Предлагаются различные места для поселений – на стационарной орбите, в либрационных точках системы Земля–Луна, на поверхности Луны. Рассматриваются строительные и эксплуатационные аспекты создания поселений. В некоторых проектах для изготовления конструкции помещений используются лунные материалы, а изготовление их осуществляется с применением высоко эффективных процессов, невозможных на Земле. Считается, что будущие космические поселения продолжат работы, начатые в программах станций Салют, Мир, Skylab, МКС.

Приводятся оценки удельных величин площади (110 м²/чел) и объема (580 м³/чел) помещения для 100 человек, энергопотребления КСЖО для 1000 человек: 19,3 кВт/чел при наличии оранжереи и 10 кВт/чел без оранжереи.

Предполагается, что при создании БТСЖО на Луне возможно существенное уменьшение массы материалов, доставляемых с Земли на ракетах за счет использования лунного грунта и получения кислорода и воды из лунного сырья. Проведены проектные расчеты сокращения массы ПВР и БТСЖО в целом.

Проведены сравнительные оценки весовых, энергетических характеристик и грузопотоков для ФХСЖО и БТСЖО для экипажа орбитальной станции с ресурсом жилого модуля 10 лет.

Рассматривались три этапа развития станции:

- первый этап – экипаж 3 человека,

- второй этап – экипаж 6 человек,

- третий этап – экипаж 12 человек.

Продолжительность одной экспедиции Т_эк = 4–6 месяцев.

Частота полета транспортных кораблей – 1 раз в 3 месяца.

Энергопотребление БТСЖО:

- первый этап – N_бт = 8 кВт,

- второй этап – N_бт = 30 кВт,

- третий этап – N_бт = 1000 кВт.

В табл. 6.3 – 6.4 приведены результаты расчета проектных параметров двух вариантов БТСЖО для обеспечения экипажа из трех человек в течение трех лет (шестизвенная БТСЖО и трехзвенная БТСЖО; в трехзвенной не учитывалась ППП).

Некоторые проекты посвящены выявлению возможностей и направлений использования отдельных подсистем БТСЖО; проблем, решение которых необходимо для этого (например, проблемы ввода в БТСЖО солнечного света); путей и способов решения этих проблем.

Нередко в проектах рассматриваются параметры отдельных подсистем. Специалистам, исследующим отдельные группы биообъектов, интересно знать условия, в которых биообъекты должны функционировать в космическом полете, целесообразные режимы содержания их для максимальной продуктивности по веществам, важным для экипажа. Обычно в таких проектах связи между подсистемами принимаются постоянными или вообще не учитываются, тем более связи данной подсистемы с компонентами ЗСЖО и ФХСЖО.

Реже встречаются комплексные работы, рассматривающие многозвенные БТСЖО [16, 51, 52, 71, 78]. Обычно в одной работе исследуется один состав подсистем с вариацией численности биообъектов и общей продуктивности системы.

Совсем мало исследований, в которых БТСЖО рассматривается как функционально-структурный компонент КСЖО и учитывается функционирование не только биотехнических подсистем, но и других систем комплекса.

Наибольшее число проектов отдельных подсистем БТСЖО посвящено исследованию подсистемы низших растений, в которой культивируются водоросли. Долгое время большой интерес для специалистов проявлялся к водоросли хлорелла. Проектов культиваторов хлореллы в 1960–70-е годы было несколько. Были разработаны и испытаны плоские культиваторы хлореллы, освещавшиеся с двух сторон (проект «Биос-3», реализованный в наземном исполнении в ИФ СО АН СССР, г. Красноярск). Предлагались проекты с размещением источников света в самом культиваторе непосредственно в питательном растворе для уменьшения потерь световой энергии; культиваторы в виде спиральной трубки, размещенной вокруг источника света.

В [73] рассмотрены некоторые проектные параметры ряда культиваторов водорослей.

К началу 1980-х годов внимание исследователей ПНР переключилось с хлореллы на спирулину из-за проблем с использованием биомассы хлореллы в пищу. Это был один из сигналов для специалистов относительно необходимости при исследовании подсистем БТСЖО учитывать связи их с другими подсистемами и с экипажем. Почти одновременно появилось понимание роли высших растений на первых этапах будущего включения биотехнических звеньев в КСЖО. Такая позиция по времени совпала с публикацией автора о том, что основная функция БТСЖО – частичное удовлетворение экипажа свежей растительной пищей [46].

К настоящему времени проектных исследований по созданию ПВР проведено немало. Одними из первых начали работы по проектированию культиваторов высших растений специалисты ИМБП и ИФСО АН СССР. В ИМБП была создана и испытана овощная витаминная оранжерея [6]. В Красноярске наибольшее внимание уделялось культивированию пшеницы. Там были отобраны перспективные для БТСЖО сорта пшеницы, уточнены режимы ее выращивания, разработаны компактные технические средства для ПВР.

Интересны результаты одного из пионеров создания ПВР М.А. Милова, который с коллегами получил немало важных для БТСЖО результатов. Ими было рассмотрено большое число видов растений в качестве кандидатов для выращивания в ПВР [36], выявлены особенности выращивания отдельных групп растений (зеленных, овощных, углеводонакопителей, жироносов), предложено разделение блока культивирования растений на отдельные модули (модуль овощных растений, модуль углеводных культур и т.д.). М.А.Милов впервые предложил унифицированную конструкцию вегетационного сосуда для высших растений в виде прямоугольной ячейки с размерами 400х300 мм. Основу сосуда составляла прямоугольная пластмассовая рамка, заполненная натянутыми пропиленовыми нитями, в которые, как в субстрат, помещались семена растений. Этой группой специалистов решались различные проектные задачи, в том числе оптимальное размещение светоблока, упрощение обслуживания растений, был поставлен и решен вопрос о культурообороте. Для обеспечения возможности культурооборота в ПВР было предложено равенство посевных площадей разных модулей.

Проектные исследования ПВЖ проводились А.А.Турлиным. Им были проведены расчеты проектных параметров конвейеров кур с различной численностью птиц. Было определено, что экипаж из трех человек может быть полностью обеспечен яичным белком и куриным мясом при конвейере кур из 63 птиц. Была рассчитана минимальная численность кур в конвейере – 12 птиц.

Исследовательские проекты БТСЖО известны и в СССР и в США. В СССР специалисты длительное время отстаивали идею полной замены СОГС биотехническими технологиями. По этой причине главной функцией БТСЖО считалась функция обеспечения экипажа кислородом, основным биообъектом – хлорелла, а основной подсистемой – ПНР. Поэтому большинство проектов БТСЖО включали ПНР. Впоследствии основной подсистемой признали ПВР, однако комплексных проектов БТСЖО известно немного.

Еще меньше проектов, посвященных рассмотрению КСЖО, включающих БТСЖО, и сравнению их проектных параметров с КСЖО без биотехнических звеньев. Интересно, что в некоторых исследованиях показана возможность уменьшения общей массы КСЖО (но при увеличении энергопотребления) при включении некоторых вариантов БТСЖО.

Очевидно, что развитие БТСЖО будет происходить в направлении увеличения продуктивности ПВР по свежей растительной пище для экипажа. Это увеличение ограничивается продолжительностью отрыва экипажа от земных ресурсов и допустимым потреблением энергии подсистемами БТСЖО (главным образом допустимым энергопотреблением ПВР). В проектных исследованиях производятся расчеты потребных величин энергопотребления БТСЖО при разных значениях продуктивности ПВР. Возможно рассмотрение обратной задачи – определение продуктивности ПВР в зависимости от допустимой величины энергопотребления.

Для решения этих задач можно использовать соответствующие алгоритмы:

- алгоритмы определения продуктивности подсистем в зависимости от их энергопотребления;

- алгоритмы определения проектных характеристик подсистем и БТСЖО в целом.

Уже сейчас результаты работ по БТСЖО широко применяются в сельскохозяйственной практике. Так, использование методов выращивания высших растений в системах жизнеобеспечения, изолированных от земных природных условий, позволило снять проблему сезонности в исследованиях по селекции культур, что многократно ускорило работы. Сейчас, например, можно получать до шести последовательных вегетаций пшеницы в год [15].

Примеры исследовательских проектов

Направления практического применения БТСЖО связаны с обеспечением наиболее длительных космических полетов человека и с долговременным пребыванием человека на Луне и на Марсе. Использование БТСЖО на орбитальных пилотируемых станциях для обеспечения экипажа пищей в настоящее время мало актуально. Обсуждаются лишь направления использования орбитальных станций для отработки в длительных космических полетах различных компонентов КСЖО, в том числе технических агрегатов и культиваторов биообъектов (растений, животных, микроорганизмов) для БТСЖО.

В направлении обеспечения межпланетных полетов человека очевидны три вида проектных задач:

- обоснование формы использования БТСЖО в первой марсианской экспедиции [7, 18, 26, 51, 52, 85];

- анализ путей развития БТСЖО для последующих экспедиций на Марс;

- определение облика КСЖО для будущих экспедиций человека к другим планетам Солнечной системы – к Юпитеру и Сатурну.

Возможные темы проектов БТСЖО для марсианских экспедиций:

- ПВР (витаминная оранжерея);

- ПВР (сокращенный овощной набор культур), ППП;

- ПВР (полный овощной набор), ППП, ПУМО, ППРО.

Вероятные проекты БТСЖО для лунных баз:

- БТСЖО на поверхности грунта;

- БТСЖО, заглубленная в грунт;

- использование в БТСЖО лунных материалов.

Для долговременных орбитальных станций (ДОС) в обозримом будущем могут предполагаться лишь проекты отработки в длительном космическом полете отдельных экспериментальных компонентов ПВР, ПВЖ, ППРО, ПНР. В будущих ДОС оранжерея может занимать отдельный модуль ДОС, ее конструкция может быть разборной или надувной. Наличие ПВР на ДОС даже с небольшой посевной площадью существенно снизит потребности в доставке питьевой воды с Земли и повысит эффективность физико-химической СОГС за счет биогенных выделений растений.

Главный недостаток БТСЖО – большой объем конструкции культиваторов растений и животных. Из-за этого затруднено размещение их в жилых отсеках. Целесообразно размещать подсистемы БТСЖО в отдельных помещениях. В ПКА для межпланетных полетов модуль для БТСЖО может быть облегченным и даже разборным для удобства вывода на расчетную орбиту. Разборными могут быть и конструкции ПВР и ПВЖ.

При разработке БТСЖО для лунных баз важная задача – использование лунных материалов для сокращения массы грузов, доставляемых с Земли. Конструкция оранжереи может быть разборной или надувной. Кислород для заполнения объема оранжереи может быть доставлен в виде твердых соединений или получен на Луне из лунного грунта.

Расчет характеристик комбинированных КСЖО может проводиться в двух модификациях: расчет характеристик вариантов КСЖО с фиксированной структурой и расчет вариантов КСЖО со структурой, изменяющейся непрерывно в некотором диапазоне граничных условий.

В первом случае результат расчета представляет собой таблицу не связанных друг с другом значений критерия сравнения, среди которых требуется найти максимум. Во втором случае результатом расчета является некоторая область значений. За независимую переменную во втором случае целесообразно принять отличительную характеристику ПВР – выходную (например, производительность по пищевой биомассе, выражаемую количеством сухого вещества или калорийностью) либо входную (например, размер посевной площади). Более информативными являются относительные величины (отнесенные к одному члену экипажа или к полной потребности экипажа в пищевой биомассе и т.п.).

Преимуществом данной методики сравнения вариантов БТСЖО является то, что в качестве эталона для сравнения используется один и тот же вариант КСЖО – КСЖО без БТСЖО. Этим повышается надежность получаемых результатов даже на ранних этапах проектирования, когда точность определения характеристик сравниваемых вариантов БТСЖО невелика.

Определение проектных параметров вариантов БТСЖО

При проектировании БТСЖО рассматривается как совокупность подсистем. Поэтому параметры системы можно определять суммированием параметров подсистем.

Например:

Масса:

M_под M_б M_эл

G_бт = Σ Σ Σ (G_iju + G_дiju + G_дij + G_дi ) + G_дбт. (6.1)

i=1 j=1 u=1

Энергопотребление:

M_под M_б M_эл

N_бт = Σ Σ Σ (N_iju + N_дiju + N_дij + N_дi ) + N_дбт. (6.2)

i=1 j=1 u=1

Объем:

M_под M_б

V_бт = Σ Σ (V_ij + V_дi ) + V_дбт. (6.3)

i=1 j=1

Здесь: G_iju, N_iju, V_iju, G_дiju, N_дiju, G_дij, N_дij, G_дi, N_дi, V_дi, G_дбт, N_дбт, V_дбт – масса, энергопотребление и объем технологических и вспомогательных компонентов u-го элемента j-го блока i-й подсистемы и дополнительных компонентов (u-го элемента j-го блока i-й подсистемы, j-го блока i-й подсистемы, i-й подсистемы, БТСЖО), соответственно, кг, Вт, м³; M_под, M_б, M_эл - число подсистем в БТСЖО, блоков в подсистеме элементов блока, соответственно.

Возможно определение проектных характеристик по иным, унифицированным формулам.

Масса БТСЖО:

M_под M_б

G_бт = Σ Σ {[G_ij(1+k_квij)+G_дij](1+k_квi) + G_дi} + G_дбт, (6.4)

i=1 j=1

где G_{ij =} G_твij(1+k_коij); G_твij = g_пр /q_тв; g_пр = q_прL.

Энергопотребление БТСЖО:

M_под M_б

N_бт = Σ Σ {[N_ij(1+k_Nвij)+N_дij](1+k_Nвi) + N_дi} + N_дбт, (6.5)

i=1 j=1

где N_ij = N`_ij g_пр.

Объем БТСЖО:

M_под M_б

V_бт=Σ Σ {[V_ij(1+k_Vвij)+V_дij](1+k_Vвi)+V_дi}+V_дбт. (6.6)

i=1 j=1

Определение проектных параметров элементов БТСЖО

Есть несколько способов определения проектных параметров элементов БТСЖО. Самый точный – измерение параметров конкретных объектов – биологических и технических. Однако данные, полученные при этом, не могут использоваться для других объектов.

Возможна разработка математической зависимости вычисляемого параметра от внешних и внутренних факторов, влияющих на величину параметра. Например, для биологических объектов используются статистические средние величины (масса, габариты, потребление и выделение газов, воды, потребление питательных веществ, выделение отходов жизнедеятельности).

Для технических объектов существуют зависимости параметров от численности экипажа, условий и длительности функционирования.

Для определения массы ПВР можно использовать выражение

G_ПВР = G_БКР + G_БППР + G_БГО + G_СОТР + G_БА + G_зап + G_д. (6.7)

Здесь БГО – блок газового обеспечения; БА – блок автоматики.

Специфика БТСЖО в том, что в разных проектах состав подсистем разный, разный состав и отдельных подсистем, в том числе важнейшей – ПВР. Поэтому, строго говоря, в каждом проекте следует использовать свои данные для ввода в формулу (6.6). Для упрощения расчетов можно использовать унификацию исходных данных. Для этого предварительно следует провести расчеты для ПВР с максимальной продуктивностью в расчете на одного человека, а перед расчетом ПВР для экипажа с известной численностью провести перерасчет на эту численность. Впоследствии можно определять параметры ПВР в долях от максимальных значений пропорционально наиболее важному показателю для ПВР – посевной площади.

Базовым блоком в ПВР является блок культивирования растений. Во всех параметрах его доля максимальна – до 80%. Поэтому не будет большой ошибки, если параметры остальных блоков в расчетах определять в долях от параметра БКР:

G_ПВР = G_БКР (1 + k_БППР + k_БГО + k_СОТР + k_БА + k_зап) + G_д. (6.8)

Величину G_д в каждом проекте следует определять по-своему.

В ПВР с максимальной производительностью БКР состоит из трех модулей: овощного, углеводного (с картофелем) и зернового (с пшеницей).

Например, в овощном модуле, использование которого возможно на первой марсианской экспедиции, в расчете на одного человека максимальные площади под культурами:

морковь – 0,56 м²/чел (29,17 %),

капуста листовая – 0,48 м²/чел (25,00 %),

перец сладкий – 0,36 м²/чел (18,75 %),

свекла столовая – 0,28 м²/чел (14,58 %),

лук – 0,24 м²/чел (12,50 %).

Общая площадь 1,92 м²/чел (100 %).

При освещенности посева растений 80 ВтФАР/м², длительности светового дня для всех культур 18 час. и коэффициенте эффективности системы освещения 0,125 максимальное потребление электроэнергии в ПВР составит для витаминного набора 0,92 кВт/чел (22,0 кВтч/чел).

Каждый модуль – объединение одинаковых вегетационных ячеек, передвигающихся внутри корпуса либо неподвижных; корпуса, состоящего из каркаса, светоблока, зеркальных стенок. К вегетационным ячейкам подводятся трубопроводы для питательного раствора, подающегося к корням, и для охлажденного и обогащенного углекислотой воздуха, поступающего в зону листьев. Остальные блоки размещаются отдельно, и их параметры определяются индивидуально.

Масса вегетационного модуля включает массу каркаса, массу субстрата для крепления корней, массу воды, заполняющую субстрат, массу растений, массу конструктивных элементов (крепления, трубопроводы, кабели).

В каждом модуле обеспечивается свой режим освещения, режим подачи питательного раствора. Могут различаться габариты вегетационных ячеек (глубина корневой зоны, высота зоны листьев), шаг конвейера.

G_БКР = G_ов + G_угл + G_зер, (6.9)

где G_ов – масса овощного модуля, кг; G_угл – масса углеводного модуля, кг; G_зер – масса зернового модуля, кг.

При использовании в качестве исходного параметра посевной площади модуля S вместо (6.9) можно записать

G_БКР = k_Gов S_ов + k_Gугл S_угл + k_Gзер S_зер , (6.10)

G_ов G_угл G_зер

где k_Gов --------; k_Gугл -------- ; k_Gзер --------,

S_ов S_угл S_зер

а вместо (6.7):

G_ПВР = k_Gов1 S_ов + k_Gугл1 S_угл + k_Gзер1 S_зер + G_д . (6.11)

Здесь k_Gов, k_Gугл, k_Gзер – коэффициенты массы овощного, углеводного и зернового модулей ПВР; k_Gов1, k_Gугл1, k_Gзер1 – коэффициенты массы частей ПВР, относящихся к соответствующим модулям.

Аналогично могут определяться объем и энергопотребление ПВР:

V_ПВР = k_Vов1 S_ов + k_Vугл1 S_угл + k_Vзер1 S_зер + G_д , (6.12)

где k_Vов1 k_Vугл1 k_Vзер1 – коэффициенты объема частей ПВР, относящихся к соответствующим модулям.

N_ПВР = k_Nов1 S_ов + k_Nугл1 S_угл + k_Nзер1 S_зер + G_д , (6.13)

где k_Nов1 k_Nугл1 k_Nзер1 – коэффициенты массы частей ПВР, относящихся к соответствующим модулям.

При расчете ПВР разного масштаба посевную площадь следует распределять по модулям последовательно. Пока выполняется условие S₁ < S_овпред, следует считать S_угл = S_зер = 0.

При S_овпред < S₁ < (S_овпред + S_{углпред}) следует считать S_зер = 0.

Здесь S_овпред, S_{углпред} – предельно допустимые величины посевных площадей овощного и углеводного модулей.