Системи життєзабезпечення екіпажу космічного літального апарату

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Системи життєзабезпечення в герметичній кабіні стратостатах, ракет І перших штучних супутників Землі

2. Системи життєзабезпечення біологічних супутників Землі типу «Біон» і «Фотон»

3. Системи життєзабезпечення на основі запасів для екіпажів космічних кораблів типу «Схід», «Восход», «Союз», «Меркурій», «Джеміні», «Апполон», «Шаттл», орбітальних станцій «Скайлеб»

3.1 Системи життєзабезпечення космічних кораблів типу «Схід», «Восход», «Союз»

3.2 Системи життєзабезпечення екіпажу космічних кораблів типу «Меркурій», «Джеміні», «Апполон», «Шаттл», орбітальних станцій «Скайлеб»

4. Регенераційні системи життєзабезпечення на основі фізико-хімічних процесів для екіпажів орбітальної космічної станції «Салют», «Світ», «Мікс»

Висновки

Список використаних джерел та літератури



Вступ

Система життєзабезпечення (СЖЗ) екіпажу космічного літального апарату є одним з найважливіших умов успішного виконання будь-якої програми пілотованої космонавтики.

Велике значення системам життєзабезпечення надавали К. Е. Ціолковський, Ф. А. Цандер, С.П.Корольов, Н.М.Сісакян [1-5] та багато інших основоположники космічних досліджень.

Відповідно до ГОСТ 28040-89 [6] "Система життєзабезпечення космонавта в пілотованому космічному апараті" - СЖЗ космонавта - це "Сукупність функціонально взаємопов'язаних засобів і заходів, призначених для створення в жилому відсіку пілотованого космічного апарату умов, які забезпечують підтримку енергомасообміну організму космонавта з навколишнім середовищем на рівні, необхідному для збереження її здоров'я і працездатності ". До складу СЖЗ космонавта входять наступні системи:

СЗГС - система забезпечення газового складу,

СВЗ - система водозабезпечення,

ССГЗ - система санітарно-гігієнічного забезпечення,

СЗХ - система забезпечення харчуванням,

СЗТР - система забезпечення теплового режиму.

Крім терміна "СЖЗ космонавта" в ГОСТ 28040-89 дається поняття "КСЗЖ космонавта" - "Комплекс систем забезпечення життєдіяльності космонавта в пілотованому космічному апараті".

До складу КСЗЖ космонавта (крім "СЖЗ космонавта") входять наступні системи:

СЗК - система захисту космонавта (засоби захисту космонавта від перевантажень, динамічної невагомості, іонізуючих випромінювань),

СЗД - система забезпечення діяльності космонавта (засоби забезпечення умов праці, засоби організації діяльності, засоби підтримки космонавта в працездатному стані),

СМЗ - система медичного забезпечення космонавта (засоби медичного контролю стану космонавта, засоби оперативного медичного контролю стану космонавта, кошти періодичних поглиблених медичних обстежень, засоби медичної профілактики захворювань космонавта, засоби специфічної і неспецифічної медичної профілактики захворювань космонавта, засоби надання медичної допомоги космонавту, засоби консервативної терапії , кошти невідкладної та спеціалізованої медичної допомоги,

Система аварійного забезпечення життєдіяльності космонавта (індивідуальні засоби захисту космонавта, ношений аварійний запас космонавта, кошти наддуву при розгерметизації населеного відсіку),

МОР ВКД - система забезпечення життєдіяльності космонавта при внекорабельной діяльності.

Системи життєзабезпечення (СЖЗ) населених космічних об'єктів (космічних кораблів, орбітальних станцій, Місячних, Марсіанських баз і поселень) призначені для вирішення наступних завдань [7]:

· забезпечення екіпажу киснем,

· видалення діоксиду вуглецю,

· видалення шкідливих мікродомішок,

· підтримання фізичних і хімічних характеристик атмосфери (оптимальної температури, складу, тиску, вологості, аероіонного складу, швидкості вентиляції газового середовища, оптимальних рівнів електростатичних і електромагнітних полів),

· постачання екіпажу необхідною кількістю питної води і води для санітарно-гігієнічних та побутових потреб,

· постачання екіпажу необхідною кількістю їжі заданого складу і калорійності, вітамінами і мінеральними солями,

· забезпечення санітарно - гігієнічних процедур і побутових потреб екіпажу, забезпечення мікробіологічної безпеки,

· забезпечення стабілізації (знезараження), зберігання (консервації) та / або трансформації фізіологічних і побутових відходів,

· забезпечення радіаційної безпеки,

· забезпечення оперативного аналізу, оперативного контролю та управління якістю середовища проживання, а також штатного протікання технологічних процесів в різних ланках системи.

Від надійної роботи космічних систем життєзабезпечення залежить виконання програм польотів і безпека екіпажів космічних кораблів, орбітальних комплексів, інопланетних баз і поселень.

Ми повинні пам'ятати, що не ефективність системи життєзабезпечення на другому штучному супутнику Землі з'явилася причиною загибелі собаки Лайка, коли температура в кабіні піднялася до 41°С і вище.

Зовнішність СЖЗ залежить від тривалості польоту, енергоозброєності космічного жилого об'єкта, від умов і місця функціонування (на борту орбітальної космічної станції, у складі пілотованого міжпланетного корабля або на поверхні планети), від можливості використання місцевих ресурсів.

Вибір принципової схеми СЖЗ ґрунтується на таких критеріях і вимогах:

Вимогах забезпечення безпеки та надійності функціонування з урахуванням специфіки експедиції;

Вимогах, пропонованих сценарієм польоту і проектним виглядом корабля;

Вимогах мінімальних мас, габаритів і енергоспоживання СЖЗ;

Вимогах, зумовлених сучасними уявленнями про поняття "населеності" пілотованого космічного апарату.

Системи життєзабезпечення космонавта в пілотованому космічному апараті можуть бути створені або на основі запасів витрачених речовин, узятих із Землі, або на основі процесів регенерації та повернення, що забезпечують кругообіг речовин, або на поєднанні цих систем з переважанням тієї або іншої в залежності від тривалості експедиції і енергоозброєності космічного об'єкта. Система життєзабезпечення, заснована на запасах витрачаються речовин, найкращим чином відповідає критерію 1 - забезпеченню безпеки космічного польоту з урахуванням специфіки експедиції, а також частково критерієм 3 в частині вимог мінімального енергоспоживання СЖЗ.



1. Системи життєзабезпечення в герметичній кабіні стратостатах, ракет І перших штучних супутників Землі

Першому польоту людини в космічному кораблі передували запуски стратостатів, ракет і штучних супутників Землі, в яких були системи життєзабезпечення для людей і тварин (здебільшого для собак).

В стратостатах "СССР-1" (1933 г.) і "Тсоавіахім-1" (1934 г.) системи життєзабезпечення включали запаси криогенного і газоподібного кисню; останній знаходився в балонах під тиском 150 атм. Діоксид вуглецю віддалявся за допомогою ХПІ - хімічного поглинача вапняного [8,9] відповідно до реакцією:

Са (ОН) 2 + СО2 = Са (СО3) + Н2О

До складу ХПІ входить 95% Са (ОН) 2 і 5% азбесту.

В ракетах, за допомогою яких проводилося зондування ближнього космосу, перебувала герметична кабіна з тваринами, що має в своєму складі три балони для суміші повітря і кисню. Діоксид вуглецю, що виділяється тваринами, віддалявся за допомогою ХПІ [10].

На борту перших штучних супутників Землі до складу систем життєзабезпечення для собак входили деякі елементи майбутніх СЖЗ для космонавтів [11]: пристрій для прийому їжі, асенізаційні пристрій; очистка атмосфери і забезпечення киснем здійснювалося за допомогою надперекісних сполук, які при поглинанні діоксиду вуглецю і пари води виділяли кисень відповідно до реакціями:

4КО2 + 2 Н2О = 3О2 + 4 КОН

2КОН + СО2 = К2 СО3 + Н2О

К2 СО3 + Н2О + СО2 = 2 КНСО3



2. Системи життєзабезпечення біологічних супутників Землі типу «Біон» і «Фотон»

Біологічні супутники Землі - автоматичні космічні апарати "БІОН" і "ФОТОН" призначені для досліджень впливу факторів космічного польоту (невагомість, радіація і ін.)

На організм тварин. При цьому створюються екстремальні умови польоту, при яких експерименти за участю людини виключені. Слід зазначити, що Росія - єдина країна в світі, що має автоматичні космічні апарати для досліджень на біологічних об'єктах. Інші країни змушені посилати тварин в Космос на наших апаратах.

В різні роки науковими керівниками програми "БІОН" були О.Г.Газенко і Е.А.Ільін. В даний час науковим керівником програми "БІОН" є О.І.Орлов, заступниками - Е.А.Ільін і Е.Н.Ярманова.

Біологічний супутник "БІОН" забезпечений системами водозабезпечення та годування тварин, системою термовлагорегулювання, системою "день-ніч", системою забезпечення газового складу і ін.

Система забезпечення газового складу автоматичних космічних апаратів "БІОН" і "ФОТОН" призначена для забезпечення тварин киснем, видалення діоксиду вуглецю і газоподібних микропримисів в спусковому апараті. Система складається з:

· патронів з кисневмісним речовиною і поглиначем шкідливих мікродомішок;

· патрона з поглиначем діоксиду вуглецю і шкідливих мікродомішок;

· електровентиляторів;

· датчиків для індикації працездатності вентиляторів і герметичності газових трактів;

· газоаналізатора;

· блоку управління і контролю.

Система забезпечує комфортні умови в газовому середовищі спускається апарату (замкнутий герметичний об'єм, що містить 4,0-4,5 м3 повітря). Система являє собою три регенеративних патрона і поглинювальний патрон з електровентилятором на кожен патрон, що забезпечують регенерацію повітря по діоксиду вуглецю, кисню, оксиду вуглецю і шкідливих домішок. Включення і виключення мікрокомпресори дозволяє забезпечити заданий склад атмосфери об'єкта.

Система працює наступним чином. Повітря об'єкта вентилятором прокачується через регенеративний патрон, де очищається від діоксиду вуглецю і шкідливих домішок і збагачується киснем.

Надлишок діоксиду вуглецю прибирається шляхом періодичного включення поглинаючого патрона. Поглинаючий патрон також забезпечує очищення від шкідливих домішок. Система працює з блоком управління та контролю і газоаналізатором по кисню і діоксиду вуглецю. При падінні парціального тиску кисню до 20,0 кПа включається перший регенеративний патрон.

Якщо парціальний тиск кисню більше або дорівнює 20,8 кПа, регенеративний патрон відключається і включається знову при парціальному тиску кисню 20,5 кПа. Включення другого і наступних патронів відбувається при парціальному тиску кисню 20,0 кПа (за умови падіння концентрації), причому раніше включені патрони продовжують працювати.

Поглинаючий патрон включається періодично при парціальному тиску діоксиду вуглецю 1,0 кПа, вимикається при парціальному тиску діоксиду вуглецю 0,8 кПа, незалежно від роботи регенеративного патрона.



3. Системи життєзабезпечення на основі запасів для екіпажів космічних кораблів типу «Схід», «Восход», «Союз», «Меркурій», «Джеміні», «Апполон», «Шаттл», орбітальних станцій «Скайлеб»

3.1 Системи життєзабезпечення космічних кораблів типу «Схід», «Восход», «Союз»

До складу СЖЗ на борту кораблів "Восток" і "Восход" для видалення діоксиду вуглецю і очищення атмосфери входило пристрій з використанням надперекісі калію і активованого вугілля. У кораблі "Союз" для цих цілей додатково застосовувався гідроксид літію. Забезпечення киснем засноване на використанні надперекісі калію і запасів кисню і повітря в балонах під високим тиском. Склад атмосфери (суміш азоту і кисню) в цих умовах контролювався за допомогою газоаналізатора на кисень і діоксид вуглецю. Вода перебувала в ємностях, виготовлених з двошаровою поліетиленової плівки всередині металевого кожуха. Якість запасів питної води, консервованої препаратом срібла "Кумазін", в умовах польотів не визначалася. Починаючи з польотів кораблів "Союз", почали використовувати систему запасів води "Колос" і консервант - розчини електролізного срібла; при цьому концентрації срібла в питній воді складали 0,1 - 0,2 мг/л. Для видалення продуктів життєдіяльності космонавтів використовувався сечі - калоприймач, що дозволяє виконувати природні потреби не знімаючи скафандр. Система регулювання температури і вологості заснована на використанні рідинно-повітряного конденсуючого теплообмінника. Як холодоагент застосовувався водний розчин етиленгліколю. Температура підтримувалася автоматично зміною швидкості проходження повітря через теплообмінник. Вологість регулювалася температурою холодоагенту, а також зневодненим силікагелем і активованим вугіллям, імпрегнованим хлоридом літію.



3.2 Системи життєзабезпечення екіпажу космічних кораблів типу «Меркурій», «Джеміні», «Апполон», «Шаттл», орбітальних станцій «Скайлеб»

Системи життєзабезпечення на американських космічних кораблях "Меркурій", "Джеміні", "Аполлон" "і" Шаттл "відрізнялися від СЖЗ на радянських космічних літальних апаратах. Так, діоксид вуглецю віддалявся за допомогою гідроксиду літію. Атмосфера на відміну від радянських космічних літальних апаратів складалася з чистого кисню під тиском, рівним 246 мм. рт. ст. до складу СЖЗ кораблів "Джеміні", "Аполлон" і "Шаттл" входили електрохімічні генератори струму - паливні елементи, в яких з криогенного кисню і кріогенної водню синтезувалася питна вода, як побічний продукт при вироблення електроенергії для системи енергоживлення. Знезараження та консервація води здійснювалися методом хлорування, в СЖЗ кораблів "Аполлон" - гіпохлоритом натрію і йодом з концентрацією 10 мг / л. Оскільки вода, що виходить з електрохімічних генераторів струму-паливних елементів, містила водень як в розчиненому стані, так і у вигляді пухирців був передбачений пристрій для його видалення. На кораблях "Аполлон 1-11" використовувався гідрофобно - гідрофільний газожидкісний роздільник. Починаючи з польотів кораблів "Аполлон 12" експлуатувався срібно - паладієвий роздільник, який представляє з себе пористу гідрофобну трубку, через яку водень дифундувати з потоку води в вакуум космічного простору.

На борту орбітальної станції "Скайлеб" на відміну від попередніх космічних кораблів США застосовувалася атмосфера, що складається з 72% кисню і 28% азоту (за об'ємом). Азот і кисень зберігалися в балонах високого тиску. Для видалення СО2 застосовувався цеоліт-5А, для видалення парів води - цеоліт-3Х. Десорбція СО2 відбувалася в результаті вакуумування за борт; очистка повітря від мікродомішок - за допомогою активованого вугілля і молекулярних сит. Контроль за оксидом вуглецю та іншими шкідливими мікропримисами здійснювався за допомогою системи трубок Дрегера. Запаси води (близько 3000 кг), консервованої йодом в концентрації 0,5 мг / л, зберігалися в 10 контейнерах з нержавіючої сталі. Проводився бортовий мікробіологічний контроль за якістю питної води. Для цієї мети використовувався колориметричний метод визначення концентрації йоду за допомогою смужок з нанесеним на їх поверхню крохмалем.



4. Регенераційні системи життєзабезпечення на основі фізико-хімічних процесів для екіпажів орбітальної космічної станції «Салют», «Світ», «Мікс»

Незважаючи на підвищену безпеку і надійність, незначні енергетичні потреби при функціонуванні систем життєзабезпечення на основі запасів витрачених речовин, узятих із Землі, останні мають істотний недолік: їх маса і габарити зростають прямо пропорційно тривалості космічної експедиції та кількістю членів екіпажів.

По досягненні певної тривалості польоту СЖЗ на основі запасів можуть бути перешкодою для реалізації експедиції. В табл. 1 наведені масові характеристики СЖЗ, заснованих на запасах витрачаються речовин стосовно до експедиції тривалістю 50, 100 і 500 діб для екіпажу, що складається з 6 чоловік.

Ґрунтуючись на нормах споживання основних компонентів СЖЗ, отриманих в результаті багаторічної практики тривалих орбітальних польотів на станціях типу "САЛЮТ", "МИР" і "МКС" (кисень - 0,96 кг / чел.сут., Питна вода - 2,5 кг /люд.доб., їжа - 1,75 кг / люд.доб. і т.д.), легко підрахувати, що необхідна маса запасів для екіпажу, що складається з 6 - і людина в умовах 500-добового польоту без урахування маси тари і систем зберігання склало б величину більше 58 тон (табл.1).

У разі використання систем життєзабезпечення, заснованих на запасах витратних матеріалів, знадобиться створення систем зберігання продуктів життєдіяльності космонавтів: фекалій, сечі, конденсату атмосферної вологи, використаних санітарно-гігієнічних і кухонних вод і т.д.

Дані, вміщені в табл.1, свідчать про те, що системи життєзабезпечення на основі запасів практично виключають реалізацію тривалих експедицій. Габаритно-масові обмеження можуть бути подолані за рахунок застосування регенераційних систем життєзабезпечення.

Створенню штатних космічних регенераційних систем життєзабезпечення передували великі дослідження медико-біологічних та технологічних основ їх розробок з подальшою санітарно-гігієнічної та токсикологічної оцінкою експериментальних систем.

Таблиця 1 Маса компонентів СЖЗ (кисень, вода і їжа) для марсіанських експедицій - 6 членів екіпажу, тривалість експедицій - 50, 100 і 500 діб (без врахування маси тари, упаковки, засобів зберігання)

№ з/п	Найменування компонентів СЖЗ	Маса на 1 люд/доб, кг	Маса на 6 чол 1 добу,кг	Маса на 6 чол. 50 діб, кг	Маса на 6 чол. 100 діб,кг	Маса на 6 чол.500 діб,кг
1.	Кисень	0,96	5,76	288,0	576,0	2 880,0
2.	Вода:	16,9	101,4	5 070,0	10 140,0	50 700,0
	- питна	2,5	15,0	750,0	1 500,0	7 500,0
	- душ, вмивання	4,5	27,0	1 350,0	2 700,0	13 500,0
	- на прання білизни	7,0	42,0	2 100,0	4 200,0	21 000,0
	- технічна (на злив АСУ)	0,6	3,6	180,0	360,0	1 800,0
	- для вітамінної оранжереї	0,3	1,8	90,0	180,0	900,0
	- для миття посуду	2,0	12,0	600,0	1 200,0	6 000,0
3.	Їжа	1,75	10,50	525,0	1 050,0	5 250,0
	Всього:	19,51	117,66	5 883,0	11 766,0	58 830,0

Наприклад, для регенераційних систем водозабезпечення був розроблений ряд фізико-хімічних методів і технологій, таких, як метод ліофілізації, метод низькотемпературного випаровування і вакуумної дистиляції, окислювально-каталітичний метод, методи фотохімічного і радіаційного окислення, мембранні методи (ультрафільтрації, мембранного випаровування і зворотного осмосу), електрохімічні методи (метод анодного окислення і електродіаліз), газогідратних метод [16]. Деякі з перерахованих вище методів лягли в основу створення експериментальних систем регенерації води з влагосодержащих продуктів життєдіяльності людини та біолого-технічних систем. Створені експериментальні системи видалення діоксиду вуглецю, генерування кисню, регенерації води з сечі, з конденсату атмосферної вологи, блок видалення шкідливих мікродомішок проходили всебічну оцінку в тривалих наземних медико-технічних експериментах за участю випробувачів.

В 1967-1968 роках в Інституті медико-біологічних проблем МОЗ було проведено унікальний річної медико-технічний експеримент за участю трьох випробувачів: Г.А.Мановцева, А.Н.Божко і Б.Н.Улибишева. В гермокамерном експерименті, який тривав 365 діб, проходила медико-біологічна і технічна оцінка нового комплексу регенераційних систем життєзабезпечення [23]. До складу СЖЗ наземного лабораторного комплексу входили:

· система видалення діоксиду вуглецю,

· система очищення атмосфери від шкідливих мікродомішок,

· система генерування кисню,

· система регенерації води з влагосодержащих продуктів життєдіяльності випробувачів,

· санітарно-гігієнічне обладнання,

· оранжерея,

· система контрольно-вимірювальної апаратури.

Діоксид вуглецю віддалявся за допомогою регенерованих синтетичних цеолітів. Процес регенерації цеолітів здійснювався термо-вакуумним способом.

Для очищення атмосфери від шкідливих мікродомішок використовувалися процеси каталітичного окислення.

Кисень виходив в системі, заснованої на електролізному розкладанні води з використанням лужного електроліту.

Система регенерації води з влагосодержащих продуктів життєдіяльності випробувачів включала регенерацію води з їх сечі, з конденсату атмосферної вологи, з використаних санітарно-гігієнічних та побутових вод. Вода з сечі і побутових вод регенерувалася за допомогою окислювально-каталітичного методу [24]; з конденсату атмосферної вологи - за допомогою окислювально-сорбційного методу; з використаних санітарно-гігієнічних вод - методом коагуляції з подальшою фільтрацією і сорбційної доочищенням [16].

У річному медико-технічному експерименті по суті вперше в світі був реалізований повний кругообіг води.

До складу санітарно-гігієнічного устаткування входило умивальну пристрій і душ.

Експериментальні регенераційні системи життєзабезпечення на основі фізико-хімічних процесів, випробувані в річному медико-технічному експерименті, з'явилися прототипом штатних СЖЗ для екіпажів орбітальних станцій "Салют", "СВІТ" і "МКС".

Вперше в світовій практиці пілотованих польотів на космічній станції "Салют-4" функціонувала регенераційна система "СРВ-К" - система отримання питної води з конденсату атмосферою вологи. Екіпаж у складі А.А.Губарева і Г.М.Гречко використовував воду, регенеровану в системі "СРВ-К", для пиття та приготування їжі і напоїв. Система працювала протягом всього пілотованого польоту станції. Аналогічні системи типу "СРВ-К" працювали на станціях "Салют-6", "Салют-7", "МИР".

Ефективність використання регенераційних систем підтверджена досвідом багаторічної експлуатації наприклад орбітальної станції "МИР" [24-27], на борту якого успішно функціонували такі підсистеми СЖЗ, як:

"СРВ-К" - система регенерації води з конденсату атмосферної вологи,

"СРВ-У" - система регенерації води з сечі (урини),

"СПК-У" - система прийому та консервації сечі (урини),

"Електрон" - система генерування кисню на основі процесу електролізу води, "Повітря" - система видалення діоксиду вуглецю,

"БМП" - блок видалення шкідливих мікродомішок і ін.

Аналогічні регенераційні системи (за винятком "СРВ-У") успішно функціонують в даний час на борту Міжнародної космічної станції (МКС) [28]. Ці системи можуть бути покладені в основу проектування і створення СЖЗ для екіпажів в тривалих космічних експедиціях.

Гідністю цих систем є реалізація можливості зниження стартової маси порівняно з системою життєзабезпечення, заснованої на запасах.

В табл. 1 і 2 (як приклад) показані масо-енергетичні характеристики систем водозабезпечення для екіпажу марсіанського космічного корабля, збудованих на фізико-хімічних процесах регенерації води, аналогічних системам, функціонували на ОК "МИР".

Маса регенераційних систем водозабезпечення складе величину 2, 4 тони, тоді як маса системи водозабезпечення, заснована на запасах води, була б рівна більше 50 тон.

Про ефективність регенераційних систем життєзабезпечення свідчать наступні цифри: на борту орбітальної станції "МИР" було отримано близько 14 000 л питної води, регенерованої системою "СРВ-К", 6000 л води, регенерованої з сечі за допомогою системи "СРВ-У", 4650 л кисню, отриманого в системі "Електрон" в результаті електролізу води, регенерованої з сечі в системі "СРВ-У". На 31.03.2008 р в результаті функціонування системи регенерації води з конденсату атмосферної вологи "СРВК-2М" на борту "МКС" було отримано 10 000 л питної води.

космонавт орбітальний життєзабезпечення регенераційний

Таблиця 2 Масо-енергетичні характеристики систем водозабезпечення марсіанського космічного корабля, збудованих на системах регенерації води, аналогічних ОК

N	Характеристики систем	"СРВ-К"	"СРВ-У" с "СПК-У"	"СРВ-Г"
1.	Встановлена маса, кг	97,3	245,5	312.5
2.	Маса змінного обладнання, кг	528,4	509,2	727,6
3.	Стартова маса системи, кг	625,7	754,7	1040,1
4.	Середньодобова споживана потужність , Вт	40	340	100

Для доставки 30 000 літрів води на борт орбітальної станції "МИР" і "МКС" було б потрібно організувати додатково 12 запусків транспортного корабля "Прогрес", величина корисного навантаження якого становить 2,5 тони. Якщо взяти до уваги той факт, що "Прогресси" обладнані баками для питної води типу "Родник" ємністю 420 л, то кількість додаткових запусків транспортного корабля "Прогрес" мало б збільшитися в кілька разів.

На жаль повного кругообігу речовин на орбітальних станціях не досягнуто - поки за допомогою фізико-хімічних методів не вдається здійснити синтез білків, жирів, вуглеводів та інших біологічно активних речовин. Тому діоксид вуглецю, водень, вологовмісні і щільні відходи життєдіяльності космонавтів видаляються в вакуум космічного простору.

В цілому сучасні регенераційні системи життєзабезпечення орбітальних станцій, засновані на фізико-хімічних процесах, забезпечують нормальні умови перебування космонавтів і виконання програм польотів тривалістю до року (приклад - рекордний за тривалістю 348-добовий політ космонавта В.В.Полякова).

Результати робіт регенераційних систем життєзабезпечення екіпажів космічних літальних апаратів відображені в багатьох публікаціях: доповідях, статтях, монографіях [24-34].

Системи життєзабезпечення для екіпажів населених космічних об'єктів в умовах освоєння далекого космосу відрізнятимуться від СЖЗ орбітальних навколоземних об'єктів. Основні відмінності полягають у відсутності можливості поновлення витрачених матеріалів, вузлів, агрегатів, в підвищеної радіаційної обстановці, що вимагає проведення пошуку нових ефективних методів і засобів радіаційного захисту, в наявності гіпомагнітних умов навколишнього середовища, в можливості використання місцевих планетних ресурсів. Для інопланетних баз і станцій кардинальним рішенням було б створення замкнутої екологічної, біолого-технічної СЖЗ на основі повної кругообігу речовин. Проте в даний час для інопланетних космічних кораблів енергетичні та масогабаритні обмеження не дозволяють створювати подібні системи. У цих випадках основні функції СЖЗ підтримуватимуться фізико-хімічними системами із зростаючою роллю біологічних систем у міру збільшення енергоозброєності космічних літальних апаратів і тривалості польотів.

Сучасні системи життєзабезпечення після їх модернізації можуть бути покладені в основу створення СЖЗ, необхідних для освоєння далекого космосу.

В систему регенерації санітарно-гігієнічних вод необхідно ввести мембранні модулі, що використовують мембранні процеси: ультрафільтрацію і зворотний осмос.

Разом з тим є ряд невирішених медико-технологічних проблем, які можуть утруднити реалізацію тривалих космічних місій.

Так, наприклад великі корективи у створення СЖЗ в тривалих експедиціях можуть бути внесені екзобіологічними заборонами на видалення продуктів життєдіяльності космонавтів в вакуум космічного простору. Небезпека забруднення поверхонь планет (наприклад, Марса) можуть представляти не тільки вологовмісні продукти життєдіяльності, які містять мікрофлору, але також наявність органічних сполук, наприклад СН4, синтезованого з реакції Сабатье. В цьому випадку результати пошуку нізкоорганізованних форм життя (однієї з цілей Марсіанської експедиції) можуть бути помилковими. Під час польотів орбітальних космічних станцій типу "Салют", орбітального комплексу "МИР" і в даний час на Міжнародній космічній станції (МКС) все вологовмісні і щільні продукти життєдіяльності космонавтів (фекалії, сеча, концентрат сечі), пакувальні матеріали, використані кошти після прийняття санітарно-гігієнічних процедур і деякі інші відходи складуються, потім переносяться з борту МКС у вантажний корабель "Прогрес" для подальшого спалювання під час спуску в щільних шарах земної атмосфери.

Для СЖЗ в умовах тривалих міжпланетних польотів досліджений широкий спектр фізико-хімічних і біологічних методів трансформації відходів життєдіяльності екіпажів: сушка (дегідратація), термічне - високотемпературне спалювання, окислювально-каталітичний метод мінералізації, мокре спалювання при використанні високих температур і тисків окислювача (повітря або кисню ), мокре спалювання при використанні пероксиду водню, трансформація відходів за допомогою аеробних мікроорганізмів (біофільтри, аеротенки), мінералізація відходів при використанні анаеробних мікроорганізмів (метантенки).

У разі заборони забруднення далекого космосу продуктами життєдіяльності людини найбільш ймовірними технологіями їх тривалого зберігання можуть бути сушка (дегідратація) з подальшим каталітичним окисленням всіх виділяються при цьому шкідливих летючих органічних сполук.

При знятті екзобіологічних обмежень перспективна технологія мінералізації відходів при використанні анаеробних мікроорганізмів. Утворені газоподібні продукти можуть бути використані в двигунах малої тяги для стабілізації та орієнтації літального апарату. У майбутніх замкнутих біолого-фізико-хімічних СЖЗ повинна використовуватися трансформація відходів за допомогою аеробних мікроорганізмів (біофільтрів, аеротенків) з метою отримання поживних розчинів для фотореакторів з водоростями і вищих рослин в оранжереях.

Велику увагу слід приділити роботам в області створення автоматичної системи оперативного контролю та управління якістю середовища проживання. На борту майбутніх жилих об'єктів необхідно створити систему аналізу за фізико-хімічними та мікробіологічними показниками атмосфери, води, їжі, інтер'єру, а також окремих технологічних вузлів, агрегатів, ланок, складових загальну систему життєзабезпечення.

Джерелами забруднення середовища проживання є:

конструкційні матеріали інтер'єру (полімерні синтетичні матеріали, лаки, фарби),

чоловік (при перспірації, транспірації, з кишковими газами, при санітарно-гігієнічних заходах, медичних обстеженнях та ін.)

працююча електронна апаратура,

ланки систем життєзабезпечення (Асенізаційне пристрій - АСУ, кухня, сауна, душ).

Під час гермокамерних наземних випробувань в атмосфері жилих відсіків виявлялося понад 200 летючих шкідливих мікродомішок. В даний час в атмосфері "МКС" контролюється лише частина органічних сполук, таких як оксид вуглецю СО, ціанід водню (синильна кислота), фтороводень (фтористий водень), хлороводень (хлористий водень), аміак, формальдегід, оксиди азоту, діоксид вуглецю, кисень , водень, а також величина загального тиску.

Оперативного автоматичного контролю якості води за фізико-хімічними та мікробіологічними показниками в системі запасів "Родник" і питної води, регенерованої з конденсату атмосферної вологи (а на станції "МИР" і з сечі) на борту "МКС" немає.

Багато в чому санітарно-гігієнічний контроль середовища проживання на "МКС" проводиться в земних лабораторіях, на основі результатів фізико-хімічних і бактеріологічних аналізів зразків повітря та води, що доставляються на Землю космічними кораблями "Союз" або "Шаттл".

Однією з невирішених завдань пілотованої космонавтики є боротьба з підвищеним шумовим фоном. Гранично допустимі рівні шуму відповідно до норм MORD складають величини 60 дБ на робочому місці космонавта і 50 дБ в каюті. Численні вентилятори, насоси та компресори, робота героскопічних приладів та іншої апаратури створюють шумовий фон на борту МКС, перевищує ці нормативи.

Розробка медико-біологічних і інженерно-конструкторських методів зниження шумового фону в тривалих польотах при освоєнні далекого космосу є однією з пріоритетних задач.

Санітарно-гігієнічне забезпечення екіпажів є одним з факторів, що підвищують комфортність перебування космонавтів в тривалих місіях і отже сприяють підтримці високої працездатності екіпажів. Однак на борту "МКС" ні душового пристрою, умивальника, теплової камери-сауни, пристрої для прання та сушіння білизни. Розробка вищеперелічених засобів санітарно-гігієнічного забезпечення сприятиме успішному виконанню програм освоєння далекого космосу.

В області радіаційної безпеки розроблені нормативи доз опромінення космонавтів, створена система радіаційного захисту їх для умов орбітальних польотів. Однак для умов тривалих експедицій необхідно розробити:

методи прогнозування ступеня радіаційної небезпеки від галактичних космічних випромінювань і сонячних спалахів,

нові підходи до зниження наслідків радіаційного впливу іонізуючої радіації не тільки при використанні пасивних фізичних, активних фізичних, фармакохімічних (адаптогени, радіопротектори), а й інших методів і засобів (наприклад, постійного вживання води з пониженими концентраціями важких стабільних ізотопів водню і кисню),

необхідна токсикологічна оцінка в експериментах з участю тварин наслідків радіаційного впливу на космонавтів доз і видів радіації, властивих дальнього космосу.

Залишається маловивченою проблема, пов'язана з впливом гіпомагнітних умов на організм людини. Є експериментальні дані, що свідчать про те, що знижені величини магнітного поля негативно діють на організм вищих тварин. Тому необхідно розробити пристрої для створення постійного штучного магнітного поля по напруженості і індукції, рівними земним. Підвищені величини магнітного поля також не байдужі для людини.

Слід зазначити, що офіційних нормативів (ГОСТ) для гранично допустимих рівнів постійного магнітного поля, чинного на людину, поки немає. Не знайшли широкого застосування результати проведених досліджень в області оптимального ізотопного складу середовища проживання космонавта і зокрема, в галузі використання легкоізотопної води [34-37].

Поруч авторів встановлено, що легко-ізотопна вода володіє багатьма позитивними медико-біологічними властивостями.

Для умов місячних і марсіанських експедицій наявність радіопротекторних властивостей легко-ізотопної води набуває особливо великого значення, оскільки радіаційна обстановка буде набагато складніше порівняно з радіаційними умовами орбітальних земних польотів. Вибір методів отримання легко-ізотопної води в умовах невагомості досить обмежений. Так, в умовах невагомості практично не реалізуємо, наприклад, метод ректифікації, широко використовуваний в хімічній практиці для поділу стабільних ізотопів.

Найбільш повно вимогам тривалих міжпланетних експедицій відповідає метод електролізу води, що включає стадії розкладання води на кисень і водень з наступною конверсією утворюються газів в воду. За певних ступенях розкладання води на катоді виділяється протій, який утворює з виділеним киснем легко-ізотопну воду.

Джерелами отримання легко-ізотопної води в цих умовах можуть служити конденсат атмосферної вологи, конденсат сечі, вода, що утворюється в результаті реакції Сабатье або Боша - будуар. Одним з варіантів використання легко-ізотопної води можуть служити її запаси, взяті із Землі. Однак, дейтерій, 17О і 18О входитимуть до складу метаболічної води, що утворюється в результаті окислення білків, жирів і вуглеводів, надходити в сечу, транспіраційної, перспіраціонної вологи і в системи регенерації води, збільшуючи таким чином концентрації важких стабільних ізотопів у питній воді.

На борту міжпланетних жилих об'єктів, на місячних або марсіанських станціях легко-ізотопна вода може використовуватися для культивування вищих рослин при виробництві вітамінної зелені в оранжереях, для вирощування гетеротрофів з метою отримання тварин білків, для нормалізації процесів метаболізму в організмі космонавта, а також у вигляді радіопротекторної речовини з метою зниження ризику радіаційних впливів і радіаційного катаракто- і канцерогенезу. Модернізовані і нові фізико-хімічні системи життєзабезпечення космонавтів, розроблені з урахуванням медико-біологічних та медико-технологічних основ їх створення та функціонування, повинні пройти стадію сумісності і взаємовпливу екіпажів і штатних систем життєзабезпечення в тривалих наземних гермокамерних експериментах з метою вивчення закономірностей у системі "людина - машина ".



Висновки

Розроблені фізико-хімічні системи життєзабезпечення на основі запасів витратних матеріалів дозволили реалізувати програми космічних польотів тварин на ракетах і перших штучних супутниках Землі, програми космічних польотів людини на кораблях типу "Восток", "Восход", "Союз", "Меркурій", "Джеміні "," Аполлон "," Шаттл ", орбітальної станції" Скайлеб ". Системи життєзабезпечення на основі фізико-хімічних процесів регенерації дозволили реалізувати Програми космічних польотів екіпажів орбітальних космічних станцій "Салют", "Мир", "МКС". Ці результати стали можливими завдяки праці широкого спектра фахівців: медиків, хіміків-технологів, інженерів-конструкторів, проектантів та широкої кооперації інститутів, конструкторських бюро, науково-виробничих підприємств, заводів. В СРСР, а потім в Росії ці проблеми вирішувалися в Інституті авіаційної та космічної медицини, Інституті медико-біологічних проблем, РКК "Енергія", "НДІХІММАШ", "Гідромаш", "Нііпластмасс", НПП "Зірка", НПП "Наука", інституті "Біотехніка", інституті біофізики СО РАН і мн. інших підприємств та установ.

Створення космічних екологічних, біолого-технічних систем життєзабезпечення потребуватиме не менших зусиль, як в області фундаментальних академічних досліджень, так і прикладних інженерно-конструкторських робіт.

Системи життєзабезпечення для населених космічних об'єктів, створені на основі сучасних і майбутніх медико-біологічних, технологічних та інженерно-конструкторських розробок і незалежні від тривалості міжпланетних місій, створять комфортні та безпечні умови населеності на борту населених космічних об'єктів, які дозволять виконати Програми освоєння далекого космосу.



Список використаних джерел та літератури

1. Циолковский К.Э. Жизнь в межзвездной среде. Грезы о Земле и небе. Научно-фантастические произведения. Тула. 1986.

2. Цандер Ф.А. Перелеты на другие планеты. М. 1924.

3. С.П. Королев. Избранные труды и документы. М. 1980.

4. Сисакян Н.М., Газенко О.Г., Генин А.М. Некоторые проблемы космической биологии.// Журнал общей биологии. 1961. Т.22.№ 5.С.325-332.

5. Сисакян Н.М, Парин В.В., Черниговский В.И., Яздовский В.И. Некоторые проблемы изучения и освоения космического пространства. //Проблемы космической биологии. М. 1962.С. 5-16.

6. ГОСТ 28040-89 "Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате". М.Государственный комитет СССР по стандартам. 1989.

7. Гост Р 50804-95 "Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования". М. Госстандарт России.1995.

8. Аполлонов А., Гурвич Х., Стрельцов В.В. Санитарное обеспечение полета стратостата "СССР". //В кн.: Труды всесоюзной конференции по изучению стратосферы. 31.3-6.4. 1934 г. Изд. АН СССР. Л.- М.1935.

9. Бресткин М.П. Регуляция содержания углекислоты и влаги в гондоле стратостата. //В кн.: Труды всесоюзной конференции по изучению стратосферы. 31.3-6.4. 1934 г. Изд. АН СССР. Л.- М.1935.

10. Стрельцов В.В. Снабжение стратонавтов кислородом. //В кн.: Труды всесоюзной конференции по изучению стратосферы. 31.3-6.4. 1934г. Изд. АН СССР. Л.- М.1935.

11. Ильин Е.А. Биология в полетах беспилотных космических аппаратов. // Актовая речь. М.2007.

12. Воронин Г.И., Поливода А.И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей. Изд. "Машиностроение". М., 1967.

13. Гришаенков Б.Г. Регенерация и кондиционирование воздуха. //Основы космической биологии и медицины. М., "Наука". 1975.Т.3.С.70-121.

14. Хамфриз В.Р., Сезанн П.К., Эванич П.Л. Физико-химические системы жизнеобеспечения. //Космическая биология и медицина. Совместное российско-американское издание в пяти томах. Под общей редакцией О.Г. Газенко, А.И. Григорьева (Россия), А.Е. Никогосяна, С.Р. Молера (США). М. "Наука".1994.С.461-499.

15. Гузенберг А.С. Регенерация и кондиционирование воздуха. //Космическая биология и медицина. Совместное российско-американское издание в пяти томах. Под общей редакцией О.Г. Газенко, А.И. Григорьева (Россия), А.Е. Никогосяна, С.Р. Молера (США).М. "Наука".1994.С.252-296.

16. Чижов С.В., Синяк Ю.Е. Водообеспечение экипажей космических кораблей.// Проблемы космической биологии. М. "Наука". 1973. С. 268.

17. "Союз" и "Аполлон". Сборник под редакцией К.Д. Бушуева. Изд-во Политической литературы. М., 1976.

18. Бурназян А.И., Парин В.В., Нефедов Ю.Г., Адамович Б.А., Максимов С.Б., Гольдшвенд Б.Л., Самсонов Н.М., Кириков Г.Н. Годовой медико-технический эксперимент в наземном комплексе систем жизнеобеспечения. //Космическая биология и медицина. 1969. Т.3. № 1.

19. Синяк Ю.Е. Чижов С.В. Регенерация воды в кабине космического корабля.// В кн. Проблемы космической биологии. М. "Наука". Т.3. 1964. С.104-112.

20. А.И.Григорьев, М.Баранов, Ю.Е. Синяк, В.М.Скуратов Ю.И.Григорьев, С.Ю. Романов, А.С. Гузенберг, Н.Н.Протасов, А.М. Рябкин, П.О. Андрейчук, Н.М.Самсонов, Л.С.Бобе, Л.И.Гаврилов, В.М. Новиков, Н.С. Фарафонов. Результаты эксплуатации комплекса систем жизнеобеспечения космической станции "МИР". //Х11 конференция по космической биологии и авиакосмической медицине, Материалы конференции, 10-14 июня 2002 г, Москва, 2002. С. 308-309.

21. Л.С.Бобе, Н.М.Самсонов, В.А.Солоухин, Ю.Е.Синяк, В.М.Скуратов. Водообеспечение МКС за счет регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и доставки воды. //5-ый научно технический семинар "Технические средства и технологии для тренажёров". Звёздный городок. 13-14 октября 2004 г.

22. Синяк Ю.Е. О возможности физико-химического синтеза углеводов в кабине космического корабля. //Проблемы космической биологии. М. Изд. "Наука". 1964. Т.3.

23. Серебряков В.Н. Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов. М. "Машиностроение".1983.

24. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций //Изв. РАН. Энергетика. 2007.№ 3.С. 57-74.

25. Малоземов В.В., Рожнов В.Ф., Правецкий В.Н. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. М., "Машиностроение". 1986.

26. Яздовский В.И. Искусственная биосфера. М. "Наука". 1976.

27. Морозов Г.И. Теоретические основы проектирования систем жизнеобеспечения. //Проблемы космической биологии. М. "Наука". Т.36.1977.

28. Синяк Ю.Е. Григорьев А.И. Оптимальный изотопный состав биогенных химических элементов на борту пилотируемых космических аппаратов. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1996.Т.30. №4. С.26-30.

29. Синяк Ю.Е., Григорьев А.И. Вода с измененным изотопным составом: получение и ее медико-биологические свойства. //Друга мIжнародна науково-практична конференцiя Iнформоенергетика 111-го тисячолIття: соцiолого-синергетичний та медико-екологiчний пiдходи, 21-22 березня 2003 р. Збiрник наукових праць, випуск 11, Киiв - Кривий Рiг, зат з тнвф коло, 2003.

30. Варнавський І.М., Пономарьов В.О., Шестаков В.І., Курик М.А., Бердишев Г.Д., Конєв Ф.А., Чернилевський В.Й., Варнавський Г.І. Установка ВІМ-7 "Надія" для одержання цілющої питної води зі зниженим вмістом дейтерію та тритію "Реліктова вода" від 25.12.1997 р. Патент України № 20185 від 08.10.1997 р. Бюллетень изобр. и откр. Украины. 1997. № 6.

31. Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я. Биологические системы жизнеобеспечения (замкнутые экологические системы). Под редакцией академика О.Г. Газенко. М. "Синтез", 1994.

32. Шепелев Е.Я. Системы жизнеобеспечения человека в кабине космических кораблей на основе биологического круговорота веществ. //Космическая биология и медицина. М. 1966. С.330-362.

33. Клешнин А.Ф. Растение и свет. Л. Изд-во АН СССР. 1954.

34. Газенко О.Г., Григорьев А.И., Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я. Обитаемость и биологические системы жизнеобеспечения //Космическая биология и авиакосмическая медицина. № 2.1990.С.12-17.

35. Киренский Л.В., Терсков И.А.. Гительзон И.И., Лисовский Г.М., Ковров Б.Г., Окладников Ю.Н., Рерберг М.С., Белянин В.Н., Трубачев И.Н., Сидько Ф.Я., Базанова М.И. Биологическая система жизнеобеспечения с низшими и высшими растениями. В кн.: Управляемый биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всесоюзное совещание. Красноярск. 1969.

36. Терсков И.А.. Гительзон И.И., Ковров Б.Г и др. Замкнутая система: человек - высшие растения. Новосибирск. "Наука". 1979.

37. Гительзон И.И., Ковров Б.Г, Лисовский Г.М. и др. Экспериментальные экологические системы, включающие человека. //Проблемы космической биологии. М. "Наука". Т. 28.1975.

38. Гительзон И.И., Терсков И.А.. Ковров Б.Г, и др. Проблемы создания биолого-технических систем жизнеобеспечения. //Материалы 1Х Всесоюзного совещания по вопросу круговорота веществ в замкнутой системе на основе жизнедеятельности низших организмов. Киев. 1976.26-31.

39. Меркис А.И., Лауринавичус Р.С. Полный цикл индивидуального развития растений Арабидопсиса на борту орбитальной станции "Салют-7". //Доклады АН СССР.1983.Т.271. № 2.С. 509-512.

40. Иванова Т.Н, Дандалов И., Сапунова С., Беркович Ю.А., Машинский А.Л. Итоги эксплуатации космической оранжереи "СВЕТ" в условиях орбитальной станции "МИР".// Труды ХХ1V Совещания постоянной рабочей группы по космической биологии и медицине стран - участниц программы "Интеркосмос". Ленинград. 1991.С.59

41. Левинских М.А., Сычев В.Н., Дерендяева Т.А., Сигналова О.Б., Салсбери Ф., Кэмбелл У., Бабенхайм Д.. Анализ влияния факторов космического полета на рост и развитие суперкарликовой пшеницы при выращивании в оранжерее "Свет". //Авиакосмическая и экологическая медицина. 1999.Т.33. № 2. С.37-41.

42. Сычев В.Н. Результаты экспериментов с активной культурой хлореллы на космическом комплексе "Салют-Союз".//Космическая биология и авиакосмическая медицина. Калуга, 1982. С.197.

43. Сычев В.Н., Шепелев Е.Я., Мелешко Г.И., Гурьева Т.С., Левинских М.А., Подольский И.Г., Дадашева О.А., Попов В.В. Биологические системы жизнеобеспечения - исследования на борту орбитального комплекса "Мир". // Авиакосмическая и экологическая медицина, 1999, Т. 33, № 1, С.10-16.

44. Гурьева Т.С., Дадашева О.А., Мелешко Г.И., Соловьев А.Я. и др. Реакция взрослых перепелов на условия космического полета. // Авиакосмическая и экологическая медицина, 1993.Т.27. № 5-6. С.71-73.

45. Адамович Б.А., Горшенин В.А. Жизнь вне Земли. М. 1997.

46. Ю.А. Беркович, Н.М. Кривобок, С.О. Смолянина, А.И. Ерохин. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М. Фирма "Слово". 2005.

Размещено на Allbest.ru

...