Как получают кислород в космосе. Откуда берутся вода и кислород на МКС? Источники воспроизводства воды на орбитальных станциях

Не космонавты мы, не летчики,
Не инженеры, не врачи.
А мы водо-водопроводчики:
Мы гоним воду из мочи!
И не факиры, братцы, вроде мы,
Но, не бахвалясь, говорим:
Круговорот воды в природе мы
В системе нашей повторим!
Наука наша очень точная.
Вы только дайте мысли ход.
Мы перегоним воды сточные
На запеканки и компот!
Проехав все дороги Млечные,
Не похудеешь вместе с тем
При полном самообеспеченьи
Наших космических систем.
Ведь даже торты превосходные,
Люля кебаб и калачи
В конечном счете - из исходного
Материала и мочи!
Не откажите ж, по возможности,
Когда мы просим по утрам
Наполнить колбу в общей сложности
Хотя бы каждый по сто грамм!
Должны по-дружески признаться мы,
Что с нами выгодно дружить:
Ведь без утили-тилизации
На белом свете не прожить!!!

(Автор - Варламов Валентин Филиппович - псевдоним В.Вологдин)

Вода–основа жизни. На нашей планете уж точно.
На какой нибудь «Гамма-Центавра» возможно всё по другому.
С наступлением эпохи освоения космоса, значение воды для человека лишь возросло. От Н2О в космосе зависит очень многое, начиная от работы самой космической станции и заканчивая выработкой кислорода. Первые космические аппараты не имели замкнутой системы «водоснабжения». Вся вода и прочие «расходники» бралась на борт изначально, еще с Земли.

«Предыдущие космические миссии – Меркурий, Джемини, Аполлон, брали с собой все необходимые запасы воды и кислорода и сбрасывали жидкие и газообразные отходы в космос» , - поясняет Роберт Багдижян (Robert Bagdigian) из Центра Маршалла .

Если сформулировать кратко: системы жизнеобеспечения космонавтов и астронавтов были «разомкнутыми» – они полагались на поддержку с родной планеты.

Про йод и КА «Апполон», роль туалетов и варианты (UdSSR or USA) утилизации отходов жизнедеятельности на ранних КА я расскажу в другой раз.

На фото: портативная система жизнеобеспечения экипажа «Аполлон-15», 1968 г.

Оставив рептилоида я подплыл к шкафчику санитарных средств. Повернувшись спиной к счетчику, достал мягкий гофрированный шланг, расстегнул брюки.
– Потребность в удалении отходов?
Господи…
Отвечать я, конечно, не стал. Включил отсос, и попытался забыть про любопытный взгляд рептилоида, буравящий спину. Ненавижу эти мелкие бытовые проблемы. Но что поделаешь, если у нас нет искусственной гравитации.

«Звёзды - холодные игрушки», С.Лукьяненко

Вернусь к воде и О2.

Сегодня на МКС частично замкнутая система регенерации воды, и я попробую рассказать о подробности (на сколько сам в этом разобрался).

Для доставки 30 000 литров воды на борт орбитальной станции «МИР» и «МКС» потребовалось бы организовать дополнительно 12 запусков транспортного корабля «Прогресс», величина полезной нагрузки которого составляет 2,5 тонны. Если принять во внимание тот факт, что «Прогрессы» оборудованы баками для питьевой воды типа «Родник» емкостью 420 л, то количество дополнительных запусков транспортного корабля «Прогресс» должно было бы увеличиться в несколько раз.

На МКС цеолитовые поглотители системы «Воздух» захватывают углекислый газ (CO2) и высвобождают его в забортное пространство. Теряемый в составе CO2 кислород восполняется за счет электролиза воды (разложения ее на водород и кислород). Этим на МКС занимается система «Электрон», расходующая 1 кг воды на человека в сутки. Водород сейчас стравливают за борт, но в перспективе он поможет превращать CO2 в ценную воду и выбрасываемый метан (CH4). И конечно, на всякий случай на борту есть кислородные шашки и баллоны.

На фото: кислородный генератор и тренажер для бега на МКС, которые вышли из строя в 2011.

На фото: астронавты налаживают систему дегазации жидкостей для биологических экспериментов в условиях микрогравитации в лаборатории «Дестини».

На фото: Сергей Крикалёв с устройством электролиза воды «Электрон»

К сожалению полного круговорота веществ на орбитальных станциях пока не достигнуто. На данном уровне технологий с помощью физико-химических методов не удается осуществить синтез белков, жиров, углеводов и других биологически активных веществ. Поэтому диоксид углерода, водород, влагосодержащие и плотные отходы жизнедеятельности космонавтов удаляются в вакуум космического пространства.

Санузел на космической станции выглядит так

В служебном модуле МКС введены и функционируют системы очистки «Воздух» и БМП, усовершенствованные системы регенерации воды из конденсата СРВ-К2М и генерации кислорода «Электрон-ВМ», а также система приема и консервации урины СПК-УМ. Производительность усовершенствованных систем увеличена более чем в 2 раза (обеспечивает жизнедеятельность экипажа до 6 человек), а энерго- и массозатраты снижены.

За пятилетний период (данные на 2006 г.) их эксплуатации регенерировано 6,8 тонны воды 2,8 тонны кислорода, что позволило уменьшить массу доставляемых на станцию грузов более, чем на 11 тонн.
Задержка с включением в состав комплекса СЖО системы регенерации воды из урины СРВ-УМ не позволила осуществить регенерацию 7 тонн воды и уменьшить массу доставки.

«Второй фронт»- американцы.

Техническая вода из американского аппарат ECLSS поставляется в российскую систему и американскую OGS (Oxygen Generation System), где затем «перерабатывается» в кислород.

Процесс восстановления воды из мочи – сложная техническая задача: «Моча гораздо «грязнее» водяных испарений , - объясняет Карраскилло, - Она способна разъедать металлические детали и засорять трубы». Система ECLSS использует для очищения мочи процесс, называемый парокомпрессионная дистилляция: моча кипятится до тех пор, пока вода из неё не превратится в пар. Пар – естественно очищенная вода в парообразном состоянии (за исключением следов аммиака и других газов) – поднимается в дистилляционную камеру, оставляя концентрированную коричневую жижу нечистот и солей, которую Карраскилло милосердно называет «рассолом» (который затем выбрасывается в открытый космос). Затем пар охлаждается, и вода конденсируется. Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой и фильтруется до состояния, пригодного для питья. Система ECLSS способна восстановить 100% влаги из воздуха и 85% воды из мочи, что соответствует суммарной эффективности около 93%.
Описанное выше, однако, относится к работе системы в земных условиях. В космосе появляется дополнительная сложность – пар не поднимается вверх: он не способен подняться в дистилляционную камеру. Поэтому в модели ECLSS для МКС «…мы вращаем дистилляционную систему для создания искусственной гравитации, чтобы разделить пары и рассол» , - поясняет Карраскилло.

Перспективы:
Известны попытки получить синтетические углеводы из продуктов жизнедеятельности космонавтов для условий космических экспедиций по схеме:

По этой схеме продукты жизнедеятельности сжигаются с образованием диоксида углерода, из которого в результате гидрирования образуется метан (реакция Сабатье). Метан может быть трансформирован в формальдегид, из которого в результате реакции поликонденсации (реакция Бутлерова) образуются углеводы-моносахариды.

Однако полученные углеводы-моносахариды представляли собой смесь рацематов - тетроз, пентоз, гексоз, гептоз, не обладающих оптической активностью.
Прим. Я даже боюсь покопаться в «вики-знаниях», чтобы вникнуть в их смысл.

Современные СЖО, после их соответствующей модернизации могут быть положены в основу создания СЖО, необходимых для освоения дальнего космоса.
Комплекс СЖО позволит обеспечить практически полное воспроизводство воды и кислорода на станции и может являться основой комплексов СЖО для намечаемых полетов к Марсу и организации базы на Луне.

Большое внимание уделяется созданию систем, обеспечивающих наиболее полный круговорот веществ. С этой целью вероятнее всего будут использовать процесс гидрирования диоксида углерода по реакции Сабатье или Боша-Будуара , которые позволят реализовать круговорот по кислороду и воде:

СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О
СО2 + 2Н2 = С + 2Н2О

В случае экзобиологического запрета выброса СН4 в вакуум космического пространства метан может быть трансформирован в формальдегид и нелетучие углеводы-моносахариды по следующим реакциям:

СН4 + О2 = СН2О + Н2О
поликонденсация
nСН2О - ? (СН2О)n
Са (ОН)2

Хочется отметить, что источниками загрязнения среды обитания на орбитальных станциях и при длительных межпланетных перелётах являются:
-конструкционные материалы интерьера (полимерные синтетические материалы, лаки, краски)
-человек (при перспирации, транспирации, с кишечными газами, при санитарно-гигиенических мероприятиях, медицинских обследованиях и др.)
-работающая электронная аппаратура
-звенья систем жизнеобеспечения (ассенизационное устройство-АСУ, кухня, сауна, душ)
и многое другое

Очевидно, что потребуется создание автоматической системы оперативного контроля и управления качеством среды обитания. Некая АСОКУКСО?

Не зря, когда я учился, специальность по СЖО КА называлась студентами:
ЖОПА …
Что расшифровывалось, как:

ж изнео беспечение п илотируемых а ппаратов

Код точно не помню, кафедра Э4.

Окончание: может я не всё учел и где-то перепутал факты, цифры. Тогда дополняйте, поправляйте и критикуйте.
На это «словоблудие» меня подтолкнула интересная публикация:Овощи для астронавтов: как растят свежую зелень в лабораториях НАСА.
Мой младший отпрыск сегодня в школе начал сколачивание «исследовательской группы- банды» для выращивания пекинского салата в старой микроволновке. Вероятно решили себя обеспечить зеленью при путешествии на Марс. Старую микроволновку придётся покупать на AVITO, т.к. мои пока все функционируют. Не ломать ведь специально?

Прим. на фото, конечно не мой ребёнок, да и не будущая жертва эксперимента-микроволновка.

Как я и обещал marks@marks, если, что-то выйдет-фотки и результат скину на ГИК. Выращенный салат могу послать почтой РФ желающим, за отдельную плату конечно.

Первоисточники:

АКТОВАЯ РЕЧЬ доктора технических наук, профессор, заслуженного деятеля науки РФ Ю.Е. СИНЯК (РАН) «СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ОБИТАЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
(Прошлое, настоящее и будущее)» /Москва Октябрь 2008. Основная часть текста отсюда
«Живая наука» (http://livescience.ru)-Регенерация воды на МКС.
АО «НИИхиммаш» (www.niichimmash.ru). Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш».
Интернет-магазин «Еда космонавтов»

Быт на орбите существенно отличается от земного. Невесомость, изоляция от Земли и автономность станции накладывают свой отпечаток на повседневную жизнь космонавтов во время полёта. Комфортные условия, которые так естественны на Земле, что мы даже не замечаем их, обеспечиваются на борту МКС целым рядом сложных систем, таких как системы обеспечения газового состава, водообеспечения, санитарно-гигиенического обеспечения, питания и других. Выполнение самых привычных земных дел на орбите — это целая наука. Космонавты изучают бортовые системы на специальных курсах и тренируются на практических занятиях правильно «наливать сок», «умываться», «варить суп». В кавычках — потому что на МКС нельзя просто открыть холодильник, достать пакет сока и налить его в стакан или включить воду для умывания. Всем тонкостям повседневной жизни на МКС космонавтов учат специалисты научно-исследовательского испытательного отделения технической подготовки космонавтов к лётным и наземным испытаниям и эксплуатации систем жизнеобеспечения орбитальных пилотируемых комплексов, сопровождения, создания и испытаний тренажёрных средств по системам жизнеобеспечения, экспертизы, оценки безопасности полётов, разработки методик и учебно-методических средств подготовки.

Возглавляет отделение Андрей Викторович Скрипников, выпускник Тамбовского авиационно-инженерного института имени Ф. Э. Дзержинского. В 2002 году Андрей Викторович был принят на работу в Центр подготовки космонавтов.

В отделе систем жизнеобеспечения он сначала готовил экипажи МКС к действиям в случае пожара и разгерметизации, а затем обучал космонавтов работе с системами жизнеобеспечения транспортного корабля «Союз» и скафандром «Сокол-КВ2». В настоящее время Андрей Викторович занимается организацией и координацией работы в своём отделении.

Легко ли дышится космонавтам?

Создание атмосферы, пригодной для дыхания на борту МКС, — задача средств кислородообеспечения и очистки атмосферы. В их комплекс входят как источники кислорода, так и системы по очистке атмосферы, которые удаляют углекислый газ, микропримеси, пахучие вещества, обеззараживают атмосферу.

Практически все системы жизнеобеспечения, используемые на МКС, прошли испытания и хорошо себя зарекомендовали во время эксплуатации станции «Мир».

« Электрон » — система кислородообеспечения, построенная на принципе электрохимического разложения воды на кислород и водород. Дважды в сутки необходимо контролировать состояние системы и докладывать о нём на Землю. Почему?

Во-первых, система связана с вакуумом: водород, образующийся в процессе разложения воды, сбрасывается за борт, а значит, существует возможность разгерметизации станции.

Во-вторых, в системе присутствует щёлочь, и ни в коем случае нельзя допустить её попадания на кожу или в глаза.

В-третьих, водород и кислород образуют вместе в определённых пропорциях «гремучий газ», который может взорваться, и потому особенно важно следить за стабильным состоянием системы.

Учебный стенд системы «Электрон»

Все системы обеспечения жизнедеятельности МКС дублируются на случай отказов. Дублирующей для «Электрона» системой является твердотопливный генератор кислорода (ТГК).

Инструктор космонавтов по средствам жизнеобеспечения Дмитрий Дедков демонстрирует работу твердотопливного генератора кислорода

Кислород в генераторе получают из шашек, в которых находится кислородосодержащее вещество в твёрдом виде. Шашки «поджигают» (конечно, речь идёт не об открытом пламени), и в процессе горения выделяется кислород. Температура внутри шашки достигает +450˚С. Для одного человека необходимо около 600 литров кислорода в сутки. В зависимости от типа шашки при её сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.

Кроме того, кислород доставляется на МКС грузовыми кораблями «Прогресс» в газообразном виде под высоким давлением в шар-баллонах.

Для нормальной жизнедеятельности на станции нужно не только пополнять атмосферу кислородом, но и очищать её от углекислого газа. Превышение содержания углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем снижение количества кислорода. Основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа является система «Воздух». Принцип работы этой системы состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.

Подготовка системы «Воздух» к работе

Блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП) очищает воздух от всевозможных вредных газообразных примесей в атмосфере станции. Это тоже система регенерационного типа, только если очистка атмосферы и регенерация поглотительных элементов в системе «Воздух» происходит в автономном режиме циклами по 10, 20 или 30 минут и в автоматическом режиме от 10 до 50 минут, то в БМП патроны работают в режиме очистки на 18 — 19 суток с последующей регенерацией. Ресурс её главных функциональных элементов — патронов очистки атмосферы — составляет 3 года, но за 10 лет работы системы необходимость их замены не возникла: газоанализаторы показывают отличное состояние атмосферы.

Учебный стенд блока очистки от микропримесей

Кроме того, нормальный состав атмосферы поддерживают дублирующие системы: одноразовые поглотительные патроны, фильтры удаления вредных примесей и очистки от дыма, а также устройство обеззараживания воздуха «Поток», которое автоматически включается каждые сутки на 6 часов и обеззараживает атмосферу МКС.

В случае нештатной ситуации и проблем в какой-нибудь из систем срабатывает аварийная сигнализация. Космонавты должны обнаружить, распознать нештатную ситуацию и найти способ выхода из неё. На земных тренировках космонавтам нужно отработать все возможные нештатные ситуации, даже если вероятность их возникновения на МКС очень мала.

Учебный класс (стенды «Воздух», «БМП», «Электрон», «Поток»)

Для выхода из нештатной ситуации космонавты должны разбираться не только в устройстве системы, но и хорошо понимать принцип её работы. На занятиях, кроме знаний по системам станции, экипаж обучают специальным расчётам, например, для прогнозирования изменения состояния атмосферы при отказах в системах обеспечения газового состава.

Подготовку космонавтов к работе со средствами обеспечения газового состава на МКС ведёт ведущий научный сотрудник отделения Дмитрий Кузьмич Дедков. Д. К. Дедков по образованию — радиоинженер, выпускник Киевского высшего инженерно-авиационного военного училища. После окончания училища он получил распределение в отдельный испытательно-тренировочный авиационный полк при Центре подготовки космонавтов, где служил начальником лаборатории контрольно-регистрирующей аппаратуры. «Мы записывали параметры полётов самолётов-лабораторий во время выполнения режимов невесомости, все экспериментальные научные параметры, медицинские параметры операторов, участвующих в экспериментах. Каждый раз было что-то новое», — рассказывает инструктор.

Д. К.Дедков

В 1975 году Дмитрий Кузьмич перешёл в научно-исследовательский методический отдел Центра в качестве младшего научного сотрудника. Там он занимался научно-исследовательской работой и принимал участие в практических экспериментах по подготовке космонавтов на летающих лабораториях. На его счету около двух сотен полётов «на невесомость». Параллельно, в рамках подготовки космонавтов к экстремальной деятельности, Дедков увлёкся парашютными прыжками для отработки методик подготовки космонавтов при действиях в экстремальных ситуациях. Во время прохождения специальной парашютной подготовки космонавт до раскрытия парашюта, находясь в свободном падении, должен выполнять логические задания и вести репортаж. Всё, через что пришлось пройти космонавтам, прежде на себе испытал Дмитрий Кузьмич. Кроме того, он занимался испытаниями индивидуальных плавательных средств в случае приводнения спускаемого аппарата.

В 1987 году Д. К. Дедков защитил кандидатскую диссертацию, посвящённую изучению методов и моделей формирования планов деятельности экипажа пилотируемого космического аппарата. Целью работы являлась автоматизация составления плана полёта и циклограммы деятельности экипажа на тренировку. В 1988 году он стал начальником лаборатории в отделе систем обеспечения жизнедеятельности. В 1994 году он возглавил этот отдел и оставался на этой должности до выхода на пенсию в 1999 году. Сейчас он продолжает работать в отделении СОЖ ведущим научным сотрудником, ведёт научную и преподавательскую деятельность, разрабатывает технические задания на стенды-тренажёры и поддерживает их в работоспособном состоянии. Д. К. Дедков — заслуженный испытатель космической техники, инструктор парашютно-десантной подготовки (330 прыжков с парашютом), почётный радист.

В следующий раз мы расскажем о питании космонавтов и « водных процедурах » на орбите.

«Предыдущие космические миссии – Меркурий, Джемини, Аполлон, брали с собой все необходимые запасы воды и кислорода и сбрасывали жидкие и газообразные отходы в космос», - поясняет Роберт Багдижян (Robert Bagdigian) из Центра Маршалла. Вкратце, системы жизнеобеспечения астронавтов были «разомкнутыми» – они полагались на поддержку с Земли, что частично верно и сегодня для Международной космической станции (МКС).

Однако для продолжительных миссий на или появляется смысл в том, чтобы замкнуть систему – то есть перерабатывать воздух и грязную воду, вместо того чтобы выбрасывать их. В ближайшее время на МКС будут проводиться испытания такой системы регенерации. Название проекта – Системы контроля среды и жизнеобеспечения (Environmental Control and Life Support Systems), более известное под аббревиатурой ECLSS. Роберт Багдижян является руководителем данного проекта.

Система регенерации воды ECLSS

«Русские опередили нас в этой области, - говорит Робин Карраскилло (Robyn Carrasquillo), технический руководитель проекта ECLSS, - Ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду – для производства кислорода». Разработанная в NASA система ECLSS будет запущена на МКС в 2008 году и пойдёт в вопросах регенерации ещё дальше – она способна получать питьевую воду не только из испарений, но и из мочи.

Процесс восстановления воды из мочи – сложная техническая задача: «Моча гораздо «грязнее» водяных испарений, - объясняет Карраскилло, - Она способна разъедать металлические детали и засорять трубы». Система ECLSS использует для очищения мочи процесс, называемый парокомпрессионная дистилляция: моча кипятится до тех пор, пока вода из неё не превратится в пар. Пар – естественно очищенная вода в парообразном состоянии (за исключением следов аммиака и других газов) – поднимается в дистилляционную камеру, оставляя концентрированную коричневую жижу нечистот и солей, которую Карраскилло милосердно называет «рассолом» (который затем выбрасывается в открытый космос). Затем пар охлаждается, и вода конденсируется. Полученный дистиллят смешивается со сконденсированной из воздуха влагой и фильтруется до состояния, пригодного для питья. Система ECLSS способна восстановить 100% влаги из воздуха и 85% воды из мочи, что соответствует суммарной эффективности около 93%.

Описанное выше, однако, относится к работе системы в земных условиях. В космосе появляется дополнительная сложность – пар не поднимается вверх: он не способен подняться в дистилляционную камеру. Поэтому в модели ECLSS для МКС «…мы вращаем дистилляционную систему для создания искусственной гравитации, чтобы разделить пары и рассол», - поясняет Карраскилло.

Более того, в микрогравитации космического аппарата человеческие волосы, частицы кожи, пух и другие примеси взвешены в воздухе и не падают на пол. В связи с этим необходима внушительная система фильтрации. В конце процесса очистки в воду добавляется йод для замедления роста микробов (хлор, используемый для очистки воды на Земле, слишком химически активен и опасен для хранения в условиях космоса).

Система регенеративного восстановления воды для МКС, имея вес около полутора тонн, будет «…производить полгаллона воды в час, что больше, чем потребности команды из трёх человек, - заявляет Карраскилло, - Это позволит космической станции непрерывно поддерживать жизнедеятельность шести астронавтов». Система разработана для производства питьевой воды «…стандарты чистоты которой выше большинства муниципальных водопроводных систем на Земле», - добавил Багдижян.

В добавление к производству питьевой воды для экипажа, система восстановления воды будет снабжать водой другую часть ECLSS: систему генерации кислорода (oxygen generation system, OGS). Принцип действия OGS – электролиз. Молекулы воды расщепляются на кислород, необходимый для дыхания, и водород, который выводится из космического аппарата. «Цикл производства воздуха требует достаточно чистую воду, чтобы электролизные камеры не засорялись», - подчёркивает Багдижян.

«Регенерация гораздо более эффективна, чем пополнение запасов станции с Земли», - заявляет Карраскилло, особенно после того, как закончится срок эксплуатации Шаттлов в 2010 году. Восполнение 93% грязной воды впечатляет, однако для многомесячных и многолетних миссий к Луне и Марсу, последующие версии системы ECLSS должны достигать эффективности, близкой к 100%. В таком случае астронавты будут готовы к выживанию в условиях нашей «Дюны».

Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш»

Регенерация воды и атмосферы на космической станции: опыт орбитальных станций "Салют", "Мир" и МКС, перспективы развития

Л.С.Бобе, Л.И.Гаврилов, А.А.Кочетков, Э.А.Курмазенко (АО "НИИхиммаш"), П.О.Андрейчук, А.А.Зеленчуков, С.Ю.Романов (НПО "Энергия"), Ю.Е.Синяк (ИМБП РАН). Доклад на конференции IAC-10.A1.6.6., 27.10.2010

Реферат

Введение

Источниками воды и кислорода на борту станции являются продукты жизнедеятельности человека: пот и выдыхаемая влага, собираемые в системе кондиционирования атмосферы (конденсат атмосферной влаги); урина; углекислый газ; влага, испаряемая растениями; санитарно-гигиеническая вода, а также вода, выделяемая техническими системами, например, топливными элементами электрохимического генератора.

Из-за энергетических, объёмных и массовых ограничений на космической станции в настоящее время и в ближайшей перспективе в системах регенерации воды и атмосферы будут использоваться физико-химические процессы. Использование биологических процессов и воспроизведение пищи являются задачами будущего и скорее всего будут реализованы на планетных базах.

Опыт эксплуатации систем жизнеобеспечения российских орбитальных космических станций (ОКС) "Салют" и "Мир" и международной космической станции МКС, основанных на регенерации воды и атмосферы с частичным использованием воды и кислорода из доставляемых запасов, позволил получить данные по балансу воды и кислорода на космической станции и параметрам работы систем регенерации. Использование этих данных позволяет провести проектный анализ систем жизнеобеспечения для перспективных в том числе для межпланетных, космических станций.

В представляемом докладе рассмотрены системы, основанные на физико-химических процессах. Предполагается, что витаминная оранжерея так же будет включена в состав комплекса СЖО. Степень возврата (регенерации) веществ рассмотрена на основе баланса по воде, используемой на потребление, получение электролизного кислорода и другие нужды.

Опыт разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы. Наземные испытания в составе комплекса систем жизнеобеспечения.

На основании этих исследований и дальнейших работ по созданию и эксплуатации лётных систем сформировались основные методы регенерации воды и атмосферы. В настоящее время реализуются следующие методы. Для регенерации воды из конденсата атмосферной влаги используется сорбционно-каталитический метод с последующей минерализацией, консервацией серебром и пастеризацией очищенной воды. Извлечение воды из мочи осуществляется путём дистилляции с сорбционно-каталитической очисткой дистиллята.

Регенерация санитарно-гигиенической воды производится путём фильтрации с последующей сорбционной доочисткой. Получение кислорода производится путём электролиза водного раствора щёлочи с использованием воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществляется сорбционно-каталитическим методом на регенерируемых сорбентах. Очистка от углекислого газа путём сорбции на регенерируемых сорбентах с его концентрированием при регенерации сорбентов. Переработка углекислого газа методом гидрирования водородом по реакции Сабатье с получением воды и метана. Для реализации этих методов разработана малогабаритная аппаратура, работоспособная в условиях космического полёта. Особо следует отметить аппаратуру для осуществления процессов гидродинамики и тепломассообмена в газожидкостных средах в условиях невесомости.

Рис.1. Структурная схема комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения космической станции.

A. Наземный комплекс РСЖО НЛК: все системы, представленные на рисунке.
B. Комплекс РСЖО ОКС "Мир": позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
C. Комплекс РСЖО МКС: позиции 1, 2, 4, 5, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
D. Комплекс РСЖО перспективной станции: все системы, представленные на рисунке.

Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги на станциях "Салют"

Жизнеобеспечение экипажей космической станции "Мир"

На орбитальной космической станции ОКС "Мир" впервые в мировой практике был реализован практически полный (за исключением системы концентрирования и утилизации углекислого газа) комплекс физико-химических систем регенерации воды и атмосферы, который в значительной мере обеспечил длительное и эффективное функционирование станции в пилотируемом режиме . Структурная схема жизнеобеспечения представлена на рисунке 1 (вариант В). Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической воды осуществлялась в отдельных системах, а кислород для дыхания получали методом электролиза воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществлялась в системе СОА-МП; очистка атмосферы от углекислого газа проводилась в системе "Воздух". Вода запасов доставлялись на станцию грузовыми кораблями "Прогресс" в баках системы "Родник" и ёмкостях ЕДВ. После начала российско-американского сотрудничества вода, образующаяся в топливных элементах космических кораблей "Шаттл", передавалась на станцию "Мир" для питья и получения электролизного кислорода. Системы регенерации обеспечили получение качественной воды и кислорода и чистоту атмосферы в течение всего полета станции. Некоторые характеристики систем представлены в таблице 1. Система СРВ-К работала в базовом модуле весь период пилотируемого полёта с 16.03.86 по 27.08.99; системы СПК-У, СРВ-У и СОА МП работали в модуле "Квант 2" с 16.01.90 по 27.08.99; система "Электрон-В" работала попеременно в модулях "Квант 1" и "Квант 2" весь период полёта, система "Воздух" работала в модуле "Квант 1" с апреля 1987 г до конца полёта, система СРВ-СГ работала кратковременно только для подтверждения работоспособности.

Как видно, массозатраты при регенерации воды и атмосферы значительно ниже, чем массозатраты при её доставке на космическую станцию. Удельные затраты массы при регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и для получения кислорода составили 0,14 кг массы системы на 1 кг получаемой воды или кислорода. Удельные затраты массы при очистке атмосферы от углекислого газа составили 0,08 кг массы системы на 1 кг удаляемого СО 2 .

Массозатраты при доставке 1 кг воды составляют с учетом массы тары - 1,25 кг/л H 2 O; при доставке кислорода - 2,8 кг/кг O 2 и 2,1 кг/кг СО 2 при доставке расходуемых материалов для очистки атмосферы от СО 2 нерегенерируемыми поглотителями. В процессе эксплуатации станции "Мир" за счет работы систем регенерации получена экономия массы доставляемых грузов 58650 кг. Следует также отметить уникально малые затраты энергии особенно в системах регенерации воды типа СРВ-К и СРВ-СГ: 2 Втч/л воды и 8 Втч/л воды соответственно.

Жизнеобеспечение экипажей международной космической станции МКС

Аналогичный комплекс жизнеобеспечения (рис. 1, вариант С), включая системы концентрирования и утилизации углекислого газа и витаминную оранжерею и регенерацию воды из этих систем, предполагалось постадийно воплотить на Международной космической станции МКС . В настоящее время в составе служебного модуля СМ работают усовершенствованные системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К2М, приёма и консервации урины СПК-УМ (1-я часть системы регенерации воды из урины), электролизного получения кислорода "Электрон-ВМ", очистки от микропримесей СОА-МП и очистки от углекислого газа "Воздух".

Характеристики усовершенствованных систем значительно лучше, чем у систем, работавших на станции "Мир". Значительно увеличена производительность систем, снижены массо- и энергозатраты. Производительность системы "Электрон-ВМ" увеличена по сравнению с системой "Электрон-В" в 2 раза и составляет 160 нл О 2 в час (для обеспечения 6 человек). В систему очистки от микропримесей, первоначально включавшую регенерируемый адсорбер ЗПЛ, нерегенерируемый адсорбер ФОА и низкотемпературный каталитический фильтр ПКФ, введён с 24.10.2003 г. высокотемпературный каталитический фильтр ПКФ-Т, обеспечивающий периодическую высокотемпературную каталитическую очистку атмосферы от метана. В системах СРВ-К2М и "Электрон-ВМ" удельные затраты массы на получение (поглощение) целевого продукта снизились, в 1,5 - 2 раза до 0,08 кг/кг и 0,07 кг/кг соответственно. Основные характеристики работы систем регенерации воды на международной космической станции МКС с 2.11.00. (начало пилотируемого полёта) по 1.06.10. приведены в таблице 2 . В системе СРВ-К2М регенерировано до питьевых кондиций 12970 литров конденсата атмосферной влаги, что составляет 63% от расхода питьевой воды и 44% от общего расхода воды на станции. В системах "Электрон-ВМ" и "Воздух" получено 5835 кг кислорода и поглощено 10250 кг углекислого газа. Работа систем позволила сэкономить более 50000 кг массы доставок воды и оборудования, т.е. несколько пусков грузовых кораблей "Прогресс".

Примечания. * - расшифровка в перечне условных обозначений и сокращений; **с учётом нагрева воды; ***- потребление воды запасов -16660 л, общее потребление воды на станции - 29630л, ****-для 6 человек.

Эффективность работы комплекса СЖО может быть существенно повышена при повышении степени его замкнутости. За рассматриваемый период на российском сегменте МКС собрано и удалено 15300 литров мочи со смывной водой. При коэффициенте извлечения воды 0,9 количество регенерированной в СРВ-УМ воды составило бы 13770 литров при собственной массе системы 15% от массы полученной воды. На МКС также собрано и удалено 10250 кг углекислого газа. В системе переработки углекислого газа по реакции Сабатье можно было бы получить, используя водород из системы "Электрон-ВМ", около 4610 литров воды. Получение на борту дополнительных 18380 литров воды практически обеспечивает баланс станции по воде и кислороду. Таким образом, одним из приоритетных направлений развития российского сегмента МКС и перспективных станций является введение в состав СЖО систем регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки углекислого газа. Это позволит снизить массу доставок воды, повысить надёжность водообеспечения и автономность полёта станции, при этом расширятся возможности доставки научного оборудования.

Качество воды и атмосферы

Перспективы развития комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения

На основе опыта разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы в докладе рассмотрена перспективная физико-химическая система регенерационного жизнеобеспечения межпланетной станции. Рассмотрим в качестве примера регенерационное жизнеобеспечение космической станции на лунной орбите с экипажем до 4 человек. Доставка грузов на такую станцию чрезвычайно сложна, поэтому оптимальным для данной цели является практически замкнутый по воде и кислороду комплекс регенерационных СЖО. Комплекс представлен на рис.1 (вариант D) и включает все приведённые на схеме физико-химические системы регенерации, санитарно-гигиеническое оборудование и витаминную оранжерею с освещенной площадью 0,4 м² . Используются запасы пищи, содержащей 0,6 кг на человека в сутки сухого вещества и 0,5 кг на человека в сутки воды. Технический баланс по воде приведен в таблице 5. Первая колонка в правой и левой части таблицы относится к структуре СЖО МКС с минимальными потребностями в воде. Колонка 2 учитывает потребности в воде витаминной оранжереи и в воде для мытья и стирки. Колонка 1.2 характеризует первый этап развития СЖО при введении системы регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки СО 2 (по методу Сабатье). Колонка 2 характеризует второй этап развития СЖО при введении санитарно-гигиенического оборудования, витаминной оранжереи и соответствующих систем регенерации воды. Оценочный расчёт массы и энергопотребления комплекса СЖО по этому варианту представлен в таблице 6. На основании анализа возможностей увеличения ресурса блоков и оборудования систем регенерации удельные затраты массы на 1 кг получаемого продукта снижены до значений, приведённых в таблице. Нагрузка на системы принята на основании баланса веществ, приведенного в таблице 5.

Потребление, выделение и возможности возврата веществ на космической станции (для 1-го космонавта в сутки)

Потери воды и атмосферы и расход азота для продувки капсулы системы "Электрон-ВМ", точные значения которых не известны, не учитывались. Не учтён также расход воды и атмосферы для скафандров. Удельные массы доставляемых запасов воды приняты 1,3 кг/кг Н 2 О, кислорода - 3 кг/кг О 2 . Аварийные запасы принимались а 90 суток из расчёта потребностей в кислороде и азоте (5 кг/чел-сутки) и воде (4 кг/чел-сутки). Использованы американские данные по массозатратам на энергопитание и отвод тепла в системе обеспечения теплового режима: 230 кг/кВт и 146 кг/кВт соответственно . Принималось что количество отведённого тепла эквивалентно затратам электрической энергии, суммарный учёт 0,4 кг/Вт. При расчёте энергопотребления систем СРВ-К и СРВ-СГ учитывались затраты на нагрев воды. Следует ещё раз подчеркнуть, что в соответствии с направленностью доклада рассматривались затраты массы и энергии на регенерацию воды и атмосферы. Остальные статьи затрат на жизнеобеспечение: кондиционирование воздуха, пища, санитарно-гигиеническое и медицинское оборудование, системы для внекорабельной деятельности и т.д. не рассматривались.

Расчётные затраты массы и энергии для пребывания 4-х человек на лунной орбите в течение года составили:
- на регенерацию воды и водообеспечение 2810 кг оборудования и запасов воды и 280 Вт электрической энергии (среднесуточно);
- на регенерацию и запасы атмосферы 2630 кг оборудования и запасов кислорода и азота и 1740 Вт электрической энергии (среднесуточно).
Суммарные затраты на регенерацию воды и атмосферы и запасы составили 5440 кг (оборудования и запасов воды, кислорода и азота) и 2020 Вт электрической энергии (среднесуточно).

Масса аварийных запасов сравнима с затратами на регенерацию, поэтому необходимо обеспечить технические предпосылки для её снижения. Особое внимание следует обратить на коэффициенты регенерации веществ и на минимизацию потерь воды и атмосферы, которые непосредственно влияют на расход запасов (при расчётах эти потери не учитывались). Основным направлением развития комплексов СЖО является повышение их замкнутости и надёжности. Для повышения надёжности в комплекс СЖО должны входить не только запасные агрегаты, но и дублирующие системы, обеспечивающие экипаж водой и атмосферой при неисправности основных систем. С увеличением длительности и автономности полёта решающее значение приобретают увеличение ресурса оборудования, обеспечение ремонтопригодности, снижение затрат массы и энергопотребления систем и уменьшение занимаемого ими объёма. Необходимы повышение эффективности существующих и разработка новых процессов регенерации воды и атмосферы.

*С учётом дополнительных блоков и резервной подсистемы. **С учётом аварийного запаса.

В настоящее время системы и комплексы СЖО, полностью удовлетворяющие указанным требованиям, отсутствуют. Для их создания необходимо проведение целенаправленных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Важнейшей стадией проверки новых технологических процессов и систем для длительных автономных полётов являются их испытания и отработка на международной космической станции МКС.

При организации планетных баз следует обеспечить постепенный переход от работающего при невесомости оборудования межпланетных кораблей к более простому оборудованию, использующему гравитацию планет. Отдельной задачей является разработка процессов и систем, использующих планетные ресурсы.

Выводы

2. Проведенный анализ, использующий достигнутый опыт, подтверждает техническую возможность создания комплекса систем жизнеобеспечения, основанного на регенерации воды и атмосферы, для лунной орбитальной космической станции.

3. Для решения этой задачи необходимо повысить степень замкнутости комплекса СЖО за счёт повышения коэффициентов извлечения воды и введения в состав СЖО систем регенерации воды из урины, концентрирования и переработки углекислого газа.

На втором этапе совершенствования комплекса СЖО необходимо повысить его комфортность и ввести санитарно-гигиеническое оборудование, витаминную оранжерею и соответствующие системы регенерации воды.

4. Создание комплексов систем жизнеобеспечения для перспективных миссий требует разработки усовершенствованной аппаратуры, систем и технологий, позволяющих увеличить надёжность регенерации и значительно снизить расход массы на получение целевых продуктов. Необходимо также разработать и внедрить резервные системы, обеспечивающие функциональное дублирование основных систем в нештатных ситуациях.

В непривычных условиях внеатмосферного полета космонавтам должны быть созданы все условия для работы и отдыха. Им нужно есть, пить, дышать, отдыхать, спать положенное время. Такие простые и обыденные для земного бытия вопросы в условиях космоса перерастают в сложные научные и технические проблемы.

Человек может довольно долго обходиться без пищи, без воды - несколько дней. Но без воздуха он может жить лишь несколько минут. Дыхание - важнейшая функция человеческого организма. Как обеспечивается она в космическом полете?

Свободный объем в космических кораблях невелик. как правило, имеет на борту около 9 кубических метров воздуха. А за стенками корабля - почти полный вакуум, остатки атмосферы, плотность которой в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли.

9 кубометров - это все, что имеют для дыхания космонавты. Но это немало. Вопрос только в том, чем будет заполнен этот объем, чем будут дышать космонавты.

Атмосфера, окружающая человека на Земле, в сухом состоянии содержит по весу 78,09 процента азота, 20,95 процента кислорода, 0,93 процента аргона, 0,03 процента углекислого газа. Количество других газов в ней практически незначительно.

Такой газовой смесью привыкли дышать человек и почти все живое на Земле. Но возможности человеческого организма более широки. Из общего атмосферного давления на уровне моря на долю кислороде приходится примерно 160 миллиметров. Человек может дышать при понижении давления кислорода до 98 миллиметров ртутного столба, и лишь ниже наступает «кислородное голодание». Но возможен и другой вариант: когда содержание кислорода в воздухе больше нормы. Верхняя граница возможного для человека парциального давления кислорода проходит на уровне 425 миллиметров ртутного столба. При большей концентрации кислорода наступает кислородное отравление. Итак, возможности организма человека допускают колебания содержания кислорода примерно в 4 раза. В еще более широких пределах наш организм может переносить колебания атмосферного давления: от 160 миллиметров ртутного столба до нескольких атмосфер.

Азот и аргон - инертная часть воздуха. В окислительных процессах принимает участие только кислород. Поэтому возникла мысль: а нельзя ли в космическом корабле заменить азот на более легкий газ, скажем, гелий. Кубический метр азота весит 1,25 килограмма, а гелия - всего 0,18 килограмма, то есть в семь раз меньше. Для космических кораблей, где на учете каждый лишний килограмм веса, это отнюдь не безразлично. Эксперименты показали, что в кислородногелиевой атмосфере человек может нормально дышать. Это было проверено американскими акванавтами при длительных подводных погружениях.

В техническом отношении привлекает внимание также одногазовая атмосфера, состоящая из чистого кислорода. В американских космических кораблях для дыхания космонавтов применяется чистый кислород при давлении около 270 миллиметров ртутного столба. При этом проще (а значит, и легче) получается аппаратура для контроля давления и поддержания состава атмосферы. Однако чистый кислород имеет свои недостатки: возникает угроза пожара на космическом корабле; длительное вдыхание чистого кислорода вызывает неприятные осложнения в дыхательных путях.

При создании искусственной среды в отечественных космических кораблях за основу взята нормальная земная атмосфера. Специалисты, прежде всего — медики, настояли на том, чтобы на борту космических кораблей был создан уголок родной планеты с условиями, как можно более близкими к тем, которые окружают человека на Земле. Все технические выгоды, получаемые при применении одногазовой атмосферы, кислородно-гелиевой и других, были принесены в жертву ради полного комфорта для космонавтов. Все параметры очень близки к нормам той атмосферы, которой мы дышим на Земле. Они показывают, что автоматика «держит» параметры воздуха в кабине очень «жестко», стабильно. Космонавты как бы дышат чистым воздухом Земли.

После посадки космонавтов в корабль, после герметизации его отсеков состав атмосферы в корабле начинает изменяться. Два космонавта потребляют в час около 50 литров кислорода и выделяют 80-100 граммов водяных паров, углекислый газ, летучие продукты обмена веществ и др. Тогда вступает в действие система кондиционирования, которая доводит атмосферу «до кондиции», то есть поддерживает все ее параметры на оптимальном уровне.

В основу регенерации атмосферы положены эффективные, проверенные физические и химические процессы. Известны химические вещества, которые при соединении с водой или углекислым газом способны выделять кислород. Это надперекиси щелочных металлов - натрия, калия, лития. Чтобы при этих реакциях выделилось 50 литров кислорода - часовая потребность двух космонавтов, - необходимо 26,4 грамма воды. А выделение ее в атмосферу двумя космонавтами, как мы уже сказали, достигает 100 граммов в час.

Часть этой воды расходуется на получение кислорода, часть сохраняется в воздухе для поддержания нормальной относительной влажности (в пределах 40-60 процентов). Лишняя же вода должна улавливаться специальными поглотителями.

Наличие пыли, крошек, мусора в воздухе недопустимо. Ведь в невесомости все это не падает на пол, а свободно плавает в атмосфере корабля и может попадать в дыхательные пути космонавтов. Для очистки воздуха от механических загрязнений существуют специальные фильтры.

Итак, регенерация атмосферы в корабле сводится к тому, что часть воздуха из обитаемых отсеков постоянно забирается вентилятором и проходит через ряд устройств системы кондиционирования. Там воздух очищается, доводится до нормы по химическому составу, влажности и температуре и снова возвращается в кабину космонавтов. Такая циркуляция воздуха идет постоянно, а скорость ее и эффективность работы неослабно контролируются соответствующей автоматикой.

Например, если чрезмерно возросло содержание кислорода в атмосфере корабля, то система, контроля немедленно заметит это. Она подает соответствующие команды исполнительным органам; режим работы установки изменяется так, чтобы уменьшить выделение кислорода.