Канд. техн. наук, с.н.с. Д.К. Дедков; А.П. Коровкин; Т.Ю. Маликова;
А.А. Тощева (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина»)
В статье представлены некоторые подходы к созданию и модернизации систем жизнеобеспечения отечественных и зарубежных разработок. Рассмотрены способы формирования атмосферы, средства водообеспечения, средства санитарно-гигиенического обеспечения, средства обеспечения питанием на отечественных орбитальных станциях.
Классическое положение естествознания о единстве организма и среды лежит в основе всех творческих поисков создания систем жизнеобеспечения (СЖО) человека и животных как для длительных полетов на космических кораблях, так и для обитания на других планетах.
При конструировании СЖО учитывают четыре группы факторов:
–– космическое пространство как своеобразная среда обитания (невесомость);
–– динамика полета (ускорения, вибрации);
–– комфортность условий жизнедеятельности на борту ПКА;
–– длительное пребывание в искусственной газовой среде герметичных кабин (изоляция, эмоциональное напряжение).
Поддержание и сохранение работоспособности организма – первое и непременное требование, которое стремятся выполнить специалисты при создании комплекса систем обеспечения жизнедеятельности (КСОЖ) различного назначения.
Среди многочисленных проблем, связанных с практической разработкой СЖО, ведущей является формирование газовой среды и регулирование ее параметров. Советские и российские космические корабли и станции обеспечиваются двухкомпонентной газовой средой, состоящей из кислорода и азота, с максимальным приближением ее параметров к наземным. Этот принцип в условиях орбитальных полетов полностью себя оправдал. В американских космических кораблях «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» использовалась однокомпонентная газовая среда из кислорода, что позволяло держать давление газовой среды в кабине ПКА ниже атмосферного и, как следствие, обеспечить упрощение конструкции и снижение веса космического аппарата. В дальнейшем NASA отказалось от кислородной среды из-за опасности возникновения пожара.
С помощью средств обеспечения газового состава в отсеках объектов поддерживаются следующие значения параметров атмосферы МКС:
• общее (абсолютное) давление Робщ – 734–770 мм рт. ст.
• парциальное давление: кислорода РО2 составляет 140–160 мм рт. ст., углекислого газа РСО2 составляет 0,5–3 мм рт. ст., паров воды (влажность) поддерживается в диапазоне от 6 до 8 мм рт. ст.
Первое десятилетие пилотируемой космонавтики все СЖО базировались на запасах расходных веществ на борту. На первых орбитальных космических станциях «Салют» в качестве источника кислорода использовались патроны на основе надперекиси калия. Эти патроны поглощали выделяемый при дыхании космонавтами углекислый газ. На американских многоразовых кораблях «Шаттл» кислород доставлялся в криогенном состоянии в сосудах Дьюара.
Для длительных полетов потребовалась разработка регенеративных систем. В 1986 году на орбитальной станции «Мир» впервые была установлена система получения кислорода «Электрон-В», работавшая на принципе электрохимического разложения воды на кислород и водород, обеспечивавшая жизнедеятельность трех членов экипажа. Параллельно была установлена экспериментальная электролизная система «Вика», которая в итоге из-за ряда технологических недостатков была демонтирована и удалена с орбитальной станции. Для Международной космической станции (МКС) система «Электрон-В» была модернизирована и получила название «Электрон-ВМ».
Система кислородообеспечения «Электрон-ВМ»(стенд)
Андрей Борисенко, Александр Самокутяев и Сергей Волков с тремя блоками «Электрон-ВМ»
В результате модернизации ее производительность возросла вдвое, а управление и контроль частично возложены на бортовую вычислительную систему.
Разработана новая система получения кислорода «Янтарь» также на принципе электролиза воды, но уже с использованием твердого электролита, в отличие от щелочного жидкого электролита в системе «Электрон-ВМ». Использование твердого электролита позволяет обеспечить более высокую производительность системы при меньшем весе оборудования. Но отработанность и надежность системы «Электрон-ВМ» определили выбор в ее пользу.
Модернизация системы «Электрон-ВМ» за 21-летний период работы экипажей на борту МКС шла по двум направлениям: с одной стороны – совершенствование алгоритма работы, предварительная подготовка воды для получения кислорода, ввод дополнительных датчиков для контроля работоспособности системы и обеспечения безопасности ее функционирования, а с другой стороны – упрощение, повышающая надежность ее безотказной работы. Так упростили схему подпитки системы водой, отказались от использования автоматического режима работы системы и автоматической продувки при ее консервировании, ввели обязательную предварительную сепарацию воды от воздуха и т.д. Эти изменения привели к увеличению количества операций, выполняемых космонавтами, что непосредственно сказалось и на подготовке космонавтов. Добавились ручные операции, отработка процедуры сепарации воды от воздуха, визуальный контроль аэрозольных фильтров.
Непростая судьба сложилась и у дублирующей системы получения кислорода: твердотопливного генератора кислорода (ТГК). Первый вариант ТГК, явившийся причиной пожара на станции «Мир» в 1997 году, просуществовал на МКС около трех лет, после чего был заменен на модель второго поколения ТГК с поджигом кассеты с кислородосодержащим веществом путем подачи питания на нагревательную спираль, расположенную внутри кассеты.
ТГК второго поколения(стенд)
В 2007 году на МКС были доставлены два комплекта генераторов кислорода (ГКС). В них использовались кассеты, стоимость которых была втрое меньше стоимости кассет предыдущих моделей ТГК. Генераторы кислорода последней модификации планировалось ввести в строй после полного использования кассет предыдущим ТГК. Но практически безупречная работа основной системы получения кислорода «Электрон-ВМ» за последние годы не потребовала использования ТГК.
С доставкой ГКС на борт МКС началась подготовка космонавтов по его эксплуатации на стенде штатного изделия. Претензии и замечания к новой модели генератора кислорода накапливались как снежный ком. Упаковка кассет при вскрытии консервным ножом приобретала острые и рваные края, что не раз приводило к порезам рук операторов. Установка кассет в специальный
контейнер (реактор) требовала приложения значительных усилий, что обеспечить при отсутствии гравитации было бы крайне затруднительно. Поджиг кассеты осуществлялся за счет тепла галогеновой лампы. Из-за неудачного исполнения конструкции нагревательного элемента в генераторе вероятность его безотказной работы составляла 0,5. С той же вероятностью обеспечивался запуск кассеты при работающем нагревателе. При извлечении отработанной кассеты требовалась крайняя осторожность, чтобы кассета не рассыпалась в порошок (последствия в невесомости очевидны). Отработанная кассета подлежала тщательной упаковке с последующей герметизацией, т.к. через несколько часов при контакте с атмосферной влагой кассета выделяла щелочь в виде желе, которая при случайном попадании на предметы приводила к разрушению материала. Негативные отзывы космонавтов при подготовке и регулярные обращения к разработчику ГКС привели к кардинальному решению по удалению с МКС обоих комплектов генераторов в начале 2014 года.
Третьим источником кислорода на борту РС МКС служит система запасов кислорода или воздуха, доставляемая грузовым кораблем «Прогресс».
Другой задачей при формировании атмосферы МКС является удаление углекислого газа, выделяемого при дыхании членами экипажа. На орбитальной станции «Мир» впервые была установлена регенерационная система очистки атмосферы от углекислого газа «Воздух», работа которой основана на использовании сорбентов из молекулярных сит и предусматривающая одновременно адсорбцию из отсека и десорбцию в космический вакуум углекислого газа.
В настоящее время побочный продукт электролиза воды – водород на российском сегменте МКС также, как и углекислый газ, выбрасывается за борт. Но уже более 35 лет назад в НИИхиммаш разработана система переработки углекислого газа и водорода на основе реактора Сабатье, на выходе которого получаются вода и метан. Вода идет на получение кислорода, а метан может использоваться в качестве топлива для двигателей коррекции. Ни на орбитальной станции «Мир», ни на РС МКС реактор Сабатье не был установлен. На американском сегменте МКС нашими партнерами проводились испытания реактора Сабатье около трех лет, выявившие ряд его недоработок.
Подготовка космонавтов к работе с системой очистки атмосферы от углекислого газа «Воздух» проводится на специализированном стенде-тренажере «Воздух» и полунатурном макете системы комплексного тренажера РС МКС.
Помимо получения кислорода и удаления углекислого газа разработаны системы очистки атмосферы от микропримесей: блок очистки атмосферы от микропримесей – БМП, фильтр вредных примесей – ФВП, фильтр А-2 для очистки атмосферы от продуктов горения после пожара, устройство обеззараживания воздуха от бактерий «Поток».
Специализированный стенд-тренажер системы «Воздух»
Стенд-тренажер очистки атмосферы от микропримесей - БМП
Фильтр вредных примесей(стенд) - ФВП
Устройство обеззараживания воздуха «Поток»
В перспективе для обеззараживания атмосферы станции планируется использовать установку на основе фотокатализа.
Формирование атмосферы орбитальной станции включает также регулирование общего давления, контроль герметичности отсеков и стыков, газовый анализ. Регулирование давления в станции обеспечивается клапанами выравнивания давления, клапанами сбрасывания давления и др. Верхняя граница общего давления (786 мм рт. ст.) обусловлена прочностными характеристиками модулей американского сегмента станции. Нижняя граница обусловлена содержанием кислорода в атмосфере, а также требованиями технических характеристик работы систем жизнеобеспечения американского сегмента МКС. Нет необходимости говорить о значимости контроля герметичности отсеков станции. Для этих целей на орбитальной станции имеются мановакуумметры, датчики давления, задействованные в работе алгоритма поиска негерметичного отсека и определении резервного времени (оставшееся время до падения давления в отсеках, при котором необходимо покидать станцию).
Трудно переоценить роль подготовки космонавтов к контролю газового состава атмосферы станции. В бортовых системах МКС присутствуют аммиак, водород, триол, ртуть, щелочной электролит, серная кислота. Попадание этих веществ в атмосферу делает ее токсичной со всеми вытекающими последствиями. Подготовка космонавтов проводится по имеющимся на борту как по непрерывно действующим газоанализаторам, так и по переносным, используемым периодически и в экстренных случаях.
Часть 2.
Фрагмент статьи из журнала "Пилотируемые полеты в космос" № 1(42)/2022
