5.1. Обеспечение жизнедеятельности космонавтов в длительных космических полетах

5.2. Принципы формирования систем жизнеобеспечения.

Задачи жизнеобеспечения человека в космосе четко определены, но вариантов решения этих задач и условий использования решений чрезвычайно разнообразны. Поэтому с первых лет подготовки к осуществлению космического полета человека стало ясно, что одного способа жизнеобеспечения, приемлемого во всех космических полетах, нет.

Группирование возможных вариантов предлагалось по разным критериям. Со временем все критерии были сведены в 2:

- продолжительность полета,

- принцип построения систем жизнеобеспечнения.

Было установлено, что есть 3 принципа формирования КСЖО:

- Набор независимых систем, основанных на запасах веществ, потребляемых экипажем (О₂, питьевой, санитарно-гигиенической, хозяйственной и технической Н₂О, пищи) и складировании продуктов жизнедеятельности экипажа (СО₂ и других газообразных токсичных веществ, содержащихся в выдыхаемом экипаже воздухе; пота, мочи, фекалий).

- Круговорот части веществ в ИЭС ПКК с помощью физико-химических методов и технических средств, при использовании запасов не возобновляющихся веществ, потребляемых экипажем, и складирования не используемых в круговороте продуктов жизнедеятельности экипажа (отходов).

- Круговорот веществ в ИЭС ПКК с помощью биологических процессов, дополненных физико-химическими методами круговорота, запасами не возобновляющихся веществ, потребляемых экипажем, и складированием не используемых в круговороте продуктов жизнедеятельности экипажа (отходов).

О продолжительности полета мы говорили на прошлой лекции.

Теоретически существуют 3 вида КСЖО:

- комплекс СЖО, основанных на запасах (ЗСЖО),

- комплекс физико-химических регенеративных СЖО (ФХСЖО),

- комплекс биотехнических СЖО (БТСЖО).

На практике только ЗСЖО может использоваться в чистом виде. Ни ФХСЖО, ни БТСЖО не могут обходиться без запасов, а БТСЖО никогда не заменит все функции, выполняемые ФХСЖО.

Состав каждого КСЖО, его конкретные функции и характеристики определяются задачами ПКК, численностью экипажа, длительностью полета, ограничениями по массе и энергопотреблению. ЗСЖО и ФХСЖО можно условно разделить на отдельные самостоятельные системы:

- система обеспечения газового состава (СОГС),

- система водообеспечения (СВО),

- система обеспечения пищей (СОП),

- система обеспечения теплового режима (СОТР),

- система гигиенического обеспечения (СГО),

- система утилизации отходов (СУО),

- автономная система жизнеобеспечения вне ПКК (АСЖО).

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.

Конструктивно БТСЖО – совокупность многофункциональных биотехнических подсистем, отличающихся основной функцией, выполняемой определенным биологическим видом живых объектов комплекса:

- подсистема высших растений (ПВР),

- подсистема высших животных (ПВЖ),

- подсистема переработки (микробиологической) растительных отходов (ППРО),

- подсистема низших растений (ПНР),

- подсистема утилизации и минерализации (микробиологической) отходов (жидких – урины и твердых – фекалий) экипажа (ПУМО).

В БТСЖО также входит физико-механическая подсистема приготовления пищи (ППП) или «космическая кухня».

Экипаж

Другие

живые

объекты

Неживая

среда

КСЖО

Рис. 7.1. Схема ИЭС на борту ПКК.

5.1. Принципы осуществления жизнеобеспечения.

Мы с вами перечислили:

- Виды ПКК – по функциям (миссиям) и по времени функционирования.

- Виды веществ, потребляемых экипажем.

- Виды отходов, выделяемых экипажем.

Очевидно, что для обеспечения жизни космонавтов на всех видах ПКК в составе СЖО должны быть:

- запас веществ, потребляемых экипажем (О₂, питьевая вода, пища, гигиеническая вода, моющие средства);

- запас материалов, поглощающих из атмосферы токсичные для человека вещества (СО₂, пары воды пыль и другие примеси);

- технические средства вентиляции жилых отсеков, выполняющие одновременно функции охлаждения воздуха, очистки его от токсичных веществ и обогащения кислородом;

- технические средства приема и складирования:

- жидких выделений экипажа (конденсат атмосферной влаги, урина, загрязненная гигиеническая вода, загрязненная хозяйственная вода);

- твердых выделений экипажа (фекалии, волосы, ногти, остатки пищи, хозяйственные отходы);

- технические средства переработки отходов жизнедеятельности.

Действительно, все перечисленные элементы содержатся в каждом комплексе СЖО любого ПКК.

Однако не любой набор элементов КСЖО одинаково эффективен, прежде всего по общей массе, энергопотреблению и другим проектным показателям.

Для СЖО показатели массы и энергопотребления взаимозависимы. К тому же масса СЖО зависит от продолжительности работы.

Если в других космических системах масса зависит от точности и надежности, то в СЖО уменьшение массы может быть получено только за счет увеличения энергопотребления.

Существует большое разнообразие технологий выполнения функций жизнеобеспечения экипажа, которые группируются в 3 резко различающиеся группы:

- обеспечение за счет запасов (ЗСЖО),

- обеспечение за счет физико-химического круговорота веществ (ФХСЖО),

- обеспечение за счет биологического круговорота веществ (БТСЖО).

Поскольку причиной чрезмерного роста массы СЖО является продолжительность полета, эти 3 группы принципов жизнеобеспечения часто делят по времени полета, называя их:

- СЖО для кратковременных полетов,

- СЖО для полетов средней продолжительности,

- СЖО для особо длительных полетов.

СЖО первой группы требуют минимального энергопотребления, СЖО второй группы – повышенного, но приемлемого для современных возможностей РКТ. СЖО третьей группы требуют увеличения энергопотребления в десятки раз.

Очевидно, что СЖО на запасах веществ – самые простые и дешевые в изготовлении, потребляют меньше всего энергии, но имеют наибольшую массу. Поэтому их целесообразно использовать только для кратковременных полетов.

Самый эффективный способ сокращения массы ЗСЖО – организация круговорота веществ на борту ПКК. Это и осуществляется в ФХСЖО и в БТСЖО. Различие между ними в том, что:

- ФХСЖО не обеспечивает получение свежих пищевых продуктов на борту ПКК, а БТСЖО обеспечивает;

- кислород и вода, производимые в ФХСЖО – абиогенные по происхождению, что может негативно проявляться для здоровья экипажа при больших длительностях полета; в БТСЖО кислород и вода, поступают человеку для потребления из живых растений, выделяющих кислород при фотосинтезе, а пары воды при транспирации через листья.

Теоретически последовательность: ЗСЖО – ФХСЖО – БТСЖО зависит только от продолжительности космического полета. Однако создание и эксплуатация ФХСЖО существенно сложнее и дороже, чем систем на запасах. Создание и эксплуатация БТСЖО еще сложнее и дороже, чем ФХСЖО. Поэтому на практике разработчики ПКК стараются использовать системы на запасах как можно шире, переходя на круговорот веществ только по медицинским требованиям или из-за экономических преимуществ.

СЖО, основанная на запасах, может удовлетворять экипаж лишь в кратковременных полетах. Запасы пищи и воды уже на 20-суточный полет по массе превышают массу экипажа. Поэтому на ПКК необходимо как воспроизведение пищи, воды, кислорода, так и удаление всех отходов жизнедеятельности.

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).

Кислород

СОА

Осушитель

атмосферы

Сборник урины

Вода

Сборник твердых отходов

Пища

Рис. 1. Структура ЗСЖО.

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.

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 индивидуальной защиты экипажа (автономные СЖО, АСЖО):

• аварийно-спасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях – при разгерметизации отсека, пожаре и др.;

• Средства медико-биологического обеспечения, включающие приборы для медицинского контроля состояния экипажа, тренажеры для физической тренировки космонавтов, медикаменты. (Разработка и проектирование этих средств относятся к задачам космической биологии и медицины).

Самый простой путь круговорота – непосредственное выделение потребляемого вещества из выделенного человеком в процессе жизнедеятельности. 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. 2):

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. Регенерация веществ второй группы – разрешимая проблема, необходимо лишь подобрать наиболее эффективный набор реакций. Для регенерации органических соединений наиболее целесообразно использовать биологические процессы.

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.