6.3. Разработка реальных проектов

Работы по проектированию реальной БТСЖО для обеспечения космонавтов в длительном (более одного года) космическом полете с отрывом от Земли включают в себя несколько стадий работ с биологическими, техническими и биотехническими объектами. Они будут проводятся различными по профилю деятельности и предыдущему опыту специалистами разных ведомств, находящимися в разных городах и даже в разных странах. Очевидно, что все эти работы фактически будут проводиться в разное время, с разной интенсивностью и глубиной детализации, по разным методам и с разными техническими средствами.

Биологические объекты (растения, животных, микроорганизмы) изучают биологи (ботаники, зоологи, микологи), специалисты по сельскому хозяйству (агрономы, зоотехники, ветеринары) и по промышленной микробиологии. В каждом биологическом ведомстве свое разделение сфер деятельности. Разумеется, исследовательские работы углубленного характера на этапе проектирования не ведутся, но многие вопросы по культивированию биообъектов в космическом полете будут возникать впервые, и без участия в их решении квалифицированных биологов узкого профиля не обойтись. А некоторые проблемы придется исследовать на этапе проектирования вследствие отсутствия необходимого опыта в традиционной биологии.

Технические объекты при проектировании и конструировании БТСЖО будут разрабатывать и исследовать в случае необходимости инженеры различного профиля. Но, к сожалению, узких специалистов по этому космическому направлению пока не только не готовят, но и нет вообще. Разработкой конструкций технических объектов для БТСЖО могут заниматься инженеры, имеющие опыт в одной из следующих сфер:

- экспериментальные установки для культивирования растений, животных и микроорганизмов в космическом полете на орбитальной пилотируемой станции и в автоматических космических аппаратах;

- земные промышленные установки по выращиванию сельскохозяйственных растений в теплицах;

- оборудование для культивирования сельскохозяйственных птиц (преимущественно кур) в крупномасштабных птицефермах;

- оборудование для промышленного выращивания шляпочных грибов (шампиньонов, вешенок);

- физико-химические системы жизнеобеспечения для экипажей околоземных орбитальных космических станций.

Одна из важных задач при составлении проекта БТСЖО – обеспечить единое понимание проводящихся работ всеми ее участниками, несмотря на их разнообразие. Это может быть выполнено, например, формулированием единой задачи, единого подхода к ее решению, общими для всех исходными данными.

При проведении работ по составлению проекта БТСЖО могут использоваться разные подходы:

- обеспечение выполнения системой заданной степени реализации основной функции и определение необходимых для этого проектных параметров системы;

- обеспечение выполнения заданных ограничений на проектные характеристики системы (энергопотребление, массу, объем) и определение наибольшей степени выполнения при этом основной функции системы.

При проектировании БТСЖО важными факторами являются:

- задачи ПКА (межпланетный полет, длительное пребывание экипажа на Луне, периодическое посещение экипажами орбитальной станции, постоянное космическое поселение);

- длительность функционирования БТСЖО;

- численность экипажа.

Известны два подхода к созданию штатной БТСЖО.

А. На первых этапах создания БТСЖО включать в состав КСЖО отдельные экспериментальные образцы оборудования БТСЖО с растениями и животными для их отработки (проверки биообъектов и технических объектов в длительных космических полетах, а также для совершенствования режимов осуществления технологических процессов), не требуя от них штатного функционирования.

На последующих этапах начать включение в КСЖО в качестве штатных компонентов БТСЖО отработанных и усовершенствованных экспериментальных образцов.

Б. Разработать проект БТСЖО с ощутимой долей выполнения системой функций обеспечения экипажа свежей пищей и кислородом (20–30%) и реализовывать его по этапам по мере роста энерговооруженности ПКА.

Автор придерживается второго подхода. Используя этот подход, все специалисты, участвующие в разработке и поэтапной реализации проекта БТСЖО, смогут длительное время принимать участие в решении существующих общих и частных проблем, связанных с реализацией проекта (отбор биообъектов и подготовка их к космическому полету, обеспечение высокой продуктивности конкретных видов биообъектов в течение всего времени космического полета, создание испытательной базы для отработки режимов длительного культивирования выбранных видов растений и животных, в том числе с участием испытателей, создание методов длительных испытаний определенных видов растений и животных, а также создание технических средств измерения свойств биообъектов).

При разработке проекта БТСЖО прежде всего необходимо определить место БТСЖО в КСЖО и в ИЭС ПКА. Живые объекты (растения, животные), выполняющие функции жизнеобеспечения космонавтов, в ПКА играют многообразную роль. Помимо прямых прагматических функций поставщиков кислорода и пищевой биомассы растения и животные на борту ПКА являются живыми представителями земной природы, живущими вдали от Земли по тем же правилам, что и члены экипажа, и объективно объединенными с экипажем в общий «коллектив землян», в общее население космической экосистемы. Помещения для «проживания» биообъектов БТСЖО в ПКА – не только технологические агрегаты для получения биообъектами пищи и кислорода, как электропечь и электролизер, но и органическая часть жилых отсеков, выполняющая разнообразные роли, в том числе роль объединения космонавтов друг с другом и с далекой Землей.

Технологическое проектирование ФХСЖО удобно осуществлять путем использования готовых и отработанных технических элементов в блоки, не обязательно связанные друг с другом, подсистемы и системы.

При проектировании БТСЖО ее сразу следует рассматривать как единое целое, поскольку все ее подсистемы и биообъекты связаны друг с другом, с системами ФХСЖО, с экипажем и с атмосферой жилых отсеков и без учета этих связей эффективно функционировать не могут.

Начинать следует с объединения биологических объектов. В ПВР важны не столько отдельные особи и даже не отдельные виды растений; функции ПВР выполняет весь набор культур – и по производству биомассы (состоящей из разных углеводов, белков и жиров) и по производству разных витаминов.

В табл. 6.5 приведены значения биологических показателей отдельных растений и фиксированных наборов культур. Такие данные используются при расчете различных вариантов ПВР.

Перечисленные специфические свойства БТСЖО определяют специфику работ по их проектированию:

- длительный цикл работ из-за невозможности ускорения процессов, связанных с растениями и животными;

- зависимость начала разработки подсистем БТСЖО от наличия технических заданий на проектирование с конкретными исходными данными и ограничениями;

- неопределенность в начале работ по проекту степени выполнения системой основной функции.

В число задач реального проекта БТСЖО входят:

- определение наилучшего состава биообъектов (растений, животных, микроорганизмов);

- разработка технических средств, обеспечивающих комфортные условия для существования в длительном космическом полете выбранных биообъектов;

- согласование производительности подсистем с потребностями экипажа и с производительностью физико-химических систем жизнеобеспечения;

- согласование показателей массоэнергетического обмена между подсистемами БТСЖО;

- определение режимов культивирования выбранных биообъектов и процессов обработки получаемых продуктов для потребления их экипажем в длительном космическом полете;

- подготовка рекомендаций для разработки системы автоматического управления процессами в БТСЖО;

- размещение выбранных в проекте БТСЖО технических и биотехнических объектов в отсеках ПКА.

Главное отличие реального проекта – выбор одного базового варианта состава БТСЖО с последующей детализацией и совершенствованием параметров системы, подсистем и всех объектов – биологических, технических и биотехнических. Выбранный вариант станет основой для реализации в космическом исполнении всех компонентов БТСЖО и объединит в этом процессе многочисленный коллектив разных специалистов.

Некоторые биообъекты, рассматриваемые в проекте БТСЖО, будут достаточно хорошо изучены к моменту начала работы над проектом, но вопросы культивирования в космическом полете не будут ясны для всех объектов. Даже для наземных условий вопросы длительного культивирования в макетах космических конструкций для большинства рассматриваемых в проекте биообъектов начнут последовательно и целенаправленно изучаться только по окончании работ над проектом, когда специалистам по подсистемам будут выданы конкретные технические задания. До этого могут проводиться лишь поисковые биологические эксперименты в стандартном оборудовании, имеющем мало общего с устройствами в космическом исполнении.

Стандартные технические объекты (насосы, вентиляторы, кронштейны, клапаны, дозаторы, смесители, фильтры газов и воды, трубопроводы) могут быть использованы из набора объектов, разработанных для других космических систем. Но некоторые из них (светильники, регуляторы) потребуется существенно изменять либо создавать новые.

Биотехнических объектов БТСЖО в космическом исполнении для длительного функционирования в настоящее время в подавляющем большинстве еще не начали создавать. Поэтому спрогнозировать, как будет организована эта работа, пока трудно. Можно лишь предположить, что космические биотехнические объекты будут создаваться по аналогии с известными наземными видами технического оборудования и по мере их отработки совершенствоваться в направлении замены наземных элементов на космические.

В связи с изложенным проектирование БТСЖО, по-видимому, будет многоэтапным. На первом этапе будет разработан предварительный проект (возможно, в форме технических предложений), содержащий:

- функции БТСЖО,

- состав подсистем,

- перечень выбранных видов биообъектов для подсистем,

- описание:

- выбранных режимов культивирования биообъектов,

- выбранной технологии обработки производимой в БТСЖО пищевой продукции,

- рекомендуемых конструкций биотехнических объектов и основных стандартных и нестандартных технических объектов,

Итогом проектных работ первого этапа станет определение состава БТСЖО, размещение подсистем БТСЖО в обитаемых отсеках, определение связей БТСЖО с другими компонентами КСЖО, получение расчетных оценок массы, энергопотребления, объема, тепловыделения КСЖО, включающего БТСЖО.

Принятые на первом этапе решения станут основой для проведения экспериментальных работ по отработке процессов длительного культивировангия выбранных видов растений, животных, грибов, бактерий и работ по созданию наземных макетов биотехнических и технических объектов.

Второй этап проектирования БТСЖО будет посвящен оптимизации свойств выбранных биологических и технических объектов за счет уточнения реальных данных, полученных в экспериментах, улучшению режимов длительного культивирования выбранных биообъектов в установках, максимально приближенных к реальным космическим изделиям.

Второй этап может завершиться разработкой предварительного технического проекта БТСЖО, в котором будут изложены уточненные проектные параметры подсистем БТСЖО, уточненный состав биообъектов и уточненные режимы их культивирования.

На третьем этапе могут быть проведены различные виды испытаний компонентов БТСЖО; испытания автономные и совместные, итоговые с участием испытателей.

Начинается работа над реальным проектом БТСЖО с выдачи исходных требований на систему. На основании этого документа проводится предварительный анализ структуры системы, определяется состав возможных подсистем и формулируются исходные требования на эти подсистемы. Таким образом, формулирование исходных требований осуществляется сверху вниз – от требований на БТСЖО как систему штатного комплекса СЖО к требованиям на отдельные подсистемы и более мелкие элементы БТСЖО.

Для обеспечения исходных требований проводятся необходимые расчеты, а в ряде случаев и экспериментальные исследования с целью получения ответов на возникающие в процессе проектирования вопросы. Эти исследования, направленные на получение научно обоснованных данных, позволяющих спроектировать работоспособную систему, осуществляются снизу вверх – сначала исследуются более мелкие элементы, потом они объединяются в блоки и подсистемы, и в заключение проводится экспериментальное исследование системы в целом.

Наличие в БТСЖО живых биологических объектов, жизнедеятельность которых обеспечивает осуществление возложенных на систему функций, приводит к необходимости введения новых, дополнительных этапов исследования и разработки системы, в том числе и дополнительных этапов проектирования.

Этапы предварительного изучения биообъектов детально рассмотрены Г.И. Мелешко [32]. «1) выбор объектов по специальным критериям; 2) исследование физиолого-гигиенических оптимумов среды для плотных популяций организмов с целью получения исходных данных для высокопродуктивных культиваторов; 3) экспериментальное обоснование метода непрерывного культивирования, удовлетворяющего требованиям замкнутого массообмена; 4) исследование основных функциональных характеристик высокопродуктивной популяции организмов и их динамики во времени; 5) расчет материального баланса высокопродуктивной популяции как возможного функционального звена системы с замкнутым круговоротом веществ».

В процессе проектирования разработка исходных требований на БТСЖО опирается на результаты предварительных исследований. Тем не менее иногда потребуется проводить на этом этапе как дополнительные исследования технических средств, что обычно для проектов сложных технических систем [21, 27, 54, 59], так и специальные биологические исследования. Как правило, проектанты и конструкторы ПКА требуют, чтобы используемые для культивирования биообъектов установки были максимально приближены к конструкции будущих подсистем. Такой промежуточный тип культиватора биообъектов обычно называется лабораторным макетом подсистемы. Наличие подэтапа исследований биообъектов БТСЖО на лабораторных макетах подсистем – одна из специфических особенностей проектирования БТСЖО. На этом этапе определяются предварительые требования к режимам культивирования биообъектов. В дальнейшем эти режимы могут быть скорректированы, прежде всего из-за уточнения технических возможностей используемых конструкций и видов оборудования (источников света, теплообменников, элементов автоматики и т.д.). Но основные, наиболее важные требования к режимам определяются на этом подэтапе.

Таким образом, вместо одной стадии проектирования при создании технических систем при проектировании БТСЖО необходимо последовательное осуществление двух стадий:

- стадии разработки технологических регламентов на биологические подсистемы;

- стадии разработки исходных требований на технические средства подсистем и общесистемные блоки.

Новизна и специфичное отличие этих подэтапов от обычного в космической технике этапа заключается в том, что в БТСЖО удовлетворение требований заказчика обеспечивается за счет биологических процессов, а технические средства подсистем лишь создают наивыгоднейшие условия для осуществления этих процессов.

При разработке исходных требований на подсистемы разработчики используют экспериментальные данные о функционировании и производительности рассматриваемых ими биообъектов в реальных условиях эксплуатации ПКА (условиях космического полета, условиях пребывания на Луне или Марсе). Если такие данные отсутствуют, анализ возможности применения соответствующих биообъектов проводится в предварительном порядке, с получением экспериментальных данных на последующих этапах разработки системы.

При разработке проекта БТСЖО могут использоваться данные лабораторных биологических исследований. Поскольку в этих исследованиях применяется стандартное лабораторное оборудование, не соответствующее по своим возможностям техническим средствам, на которых обычно основываются служебные системы ПКА, иногда в проекте БТСЖО не могут быть окончательно выбраны ни биообъекты, ни режимы их культивирования. Поэтому в проекте могут рекомендоваться два – три лучших варианта, которые в дальнейшем должны пройти экспериментальную отработку на лабораторных макетах подсистем. Этот этап, в отличие от работ по физико-химическим СЖО, содержит подэтап уточнения технологических регламентов на подсистемы и подэтап уточнения исходных данных на технические средства.

Специфика последующих этапов разработки БТСЖО проявляется в том, что перед комплексными испытаниями БТСЖО в макете ПКА с участием испытателей каждая подсистема должна пройти автономные испытания на ресурс. Методов ускорения испытаний биологических объектов, входящих в БТСЖО, пока не разработано, поэтому этап автономных испытаний подсистем может оказаться продолжительным.

Основная причина введения дополнительных этапов в процесс проектирования БТСЖО – невозможность определения всех исходных данных о биообъектах без проведения экспериментов вследствие зависимости характеристик их продуктивности от многих факторов, которые в полной мере могут быть изучены лишь после изготовления подсистем в штатном варианте. К этим факторам относятся: технические возможности стандартного оборудования, используемого в подсистемах; взаимное влияние биообъектов друг на друга, влияние газового состава среды на продуктивность биообъектов и на химический состав получаемой пищевой продукции.

Можно предположить, что в обозримом будущем будут разрабатываться проекты БТСЖО для следующих направлений развития пилотируемой космической техники.

- Проект БТСЖО для первой марсианской экспедиции (L = 6 чел., T_экс =2–3 года).

- Проект БТСЖО для лунной базы (L = 10–15 чел., T_экс = 1–2 года).

- Проект БТСЖО для длительной межпланетной экспедиции экспедиции (L = 10 чел., T_экс = 5–10 лет).

- Проект БТСЖО для космического поселения (L = 20–50 чел., T_экс = 10–20 лет).

Теоретический анализ и состояние работ по БТСЖО показывает, что наиболее логично ожидать, что в первой марсианской экспедиции будет использоваться лишь ПВР в виде небольшой по продуктивности космической оранжереи, т.е. однозвенная схема БТСЖО. Однако объективно действующие связи БТСЖО убедительно требуют при наличии в ПКА растительной биомассы производить кулинарную обработку этой биомассы (отмывку от загрязнений, измельчение, перемешивание с другими компонентами блюд рациона), для чего потребуется существенное изменение современной «космической кухни» и превращения ее фактически в ППП. Таким образом, уже в первой штатной БТСЖО велика вероятность использования двухзвенной (ПВР–ППП) схемы. При этом вместе с проблемой наиболее эффективного использования экипажем съедобной растительной биомассы остро стоит вопрос о водообмене в КСЖО при наличии высших растений. Для увлажнения их корней необходима вода, круговорот которой можно получить только за счет использования влаги, ушедшей из ПВР с пищевой биомассой растений и потребленной экипажем. В то же время эта влага ежесуточно выделяется экипажем в атмосферу в составе КАВ и в СРВ-У, входящую в ФХСЖО. Возникает естественная потребность использования хотя бы части воды из КАВ и урины для потребностей ПВР. Таким образом, возможно включение в БТСЖО ПУМО, в которой из урины может извлекаться раствор, используемый при приготовлении питательного раствора для растений, и БРТВ, в котором может очищаться до питьевых кондиций транспирационная влага, выделяемая листьями растений в атмосферу, для использования ее в питье экипажем взамен питьевой воды, получаемой из направляемых в БТСЖО КАВ и урины. Поэтому вполне вероятно, что уже первая штатная БТСЖО на марсианском ПКА будет состоять на из одной ПВР, а из трех подсистем (ПВР–ППП–ПУМО), т.е. сразу будет трехзвенной.