CC BY
56УДК 629.78.048
концепция комплекса систем жизнеобеспечения экипажей межпланетных экспедиций
© 2017 г. романов С.ю., гузенберг А.С., рябкин А.м.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
В статье определен состав систем, обеспечивающих регенерацию воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности экипажа в замкнутом физико-химическом комплексе системы жизнеобеспечения межпланетных космических экспедиций. Это комплекс с модернизированными системами регенерации воды из всех возможных источников, с обезвоженными рационами питания, системой регенерации кислорода из диоксида углерода на основе электролиза диоксида углерода с получением кислорода и монооксида углерода с его последующей гидрогенизацией до воды и метана, и с включением биологических звеньев.
Такой комплекс может быть создан как базовый на основе модернизации комплекса систем жизнеобеспечения станций «Мир» и МКС как для лунных и межпланетных полетов, так и для полетов на орбите Земли. При этом значительно уменьшается грузопоток на пилотируемую орбитальную станцию ресурсных элементов систем и продуктов для экипажа. В статье приведены схемы и параметры основных проектируемых систем регенерации и базового комплекса в целом, а также массоэнергетическая сводка комплекса.
Ключевые слова: экипаж, космический полет, среда обитания, физико-химический комплекс систем жизнеобеспечения, регенерация воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности, переменная масса систем, биологические системы жизнеобеспечения.
crew life support system concept for interplanetary missions
Romanov S.Yu., Guzenberg A.S., Ryabkin A.M.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
The paper defines the configuration of the systems which provide water and oxygen recycling from the crew waste products within the physically and chemically closed-looped life support system for interplanetary space missions. This is a system with upgraded subsystems for reclaiming water from all possible sources, dehydrated food rations, a subsystem for recovering oxygen from carbon dioxide through electrolysis of carbon dioxide producing oxygen and carbon monoxide, which is subsequently hydrogenated down to water and methane, and includes biological elements.
Such a system can be built as a standard life support system based on upgraded life support systems of space stations Mir and ISS for both lunar and interplanetary missions, and missions in low-Earth orbit. It also significantly reduces the traffic to the manned space station carrying subsystems consumables and food for the crew. The paper discusses the concepts and parameters of the proposed major regenerative subsystems and of the standard system as a whole, as well as the mass and power budget of the system.
Key words: crew, spaceflight, habitat, a system of physical and chemical life support subsystems, water and oxygen recycling from waste products, variable mass of systems, biological life support systems.
романов с.ю. гузенберг а.с. рявкин А.м.
РОМАНОВ Сергей Юрьевич — кандидат технических наук, Первый заместитель генерального конструктора — Главный конструктор пилотируемых космических комплексов РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
ROMANOV Sergey Yurievich — Candidate of Science (Engineering), First deputy General designer — Chief Designer of manned space systems at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: post@rsce.ru
GUZENBERG Arkadiy Samuilovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
РЯБКИН Александр Моисеевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: alexander.ryabkin@rsce.ru
RYABKIN Alexander Moiseevich — Candidate of Science (Engineering), Lead research scientist at RSC Energia, e-mail: alexander.ryabkin@rsce.ru
Введение
Ввиду огромной роли освоения космического пространства для дальнейшего развития науки и экономики и необходимости больших финансовых затрат, дальнейшее развитие пилотируемой космонавтики в ближайшие десятилетия вероятно будет связано прежде всего с международными космическими проектами. В первую очередь это присоединение новых научных модулей к Международной космической станции (МКС). В дальнейшие десятилетия такими проектами могут стать международные станции в точках Лагранжа, на лунной орбите и, наконец, базы на Луне [1]. Одновременно они лягут в основу самого значительного проекта — марсианской экспедиции. Продолжительность первых марсианских экспедиций предполагается не более трех лет с образованием орбитальной марсианской станции и пребыванием на поверхности Марса экспедиции в течение одного - трех месяцев [2].
Для долговременных экспедиций одним из основных является физико-химический комплекс систем жизнеобеспечения (СЖО), задачей которого является поддержание искусственной среды обитания для
обеспечения безопасной комфортной жизнедеятельности экипажа в многомодульных герметичных космических объектах с минимальными затратами переменной массы продуктов и оборудования для обеспечения ресурса систем [3].
Опыт эксплуатации комплексов СЖО орбитальных космических станций может быть использован для дальнейшей модернизации комплекса СЖО МКС и разработки замкнутых комплексов СЖО с регенера-ционными системами для осуществления лунной и марсианской экспедиций [3].
Перспективы развития комплексов СЖО орбитальных космических станций и межпланетных экспедиций
Созданный для орбитальных станций «Мир» и МКС комплекс СЖО с частичной регенерацией воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности экипажа позволяет осуществлять полет человека в околоземном космическом пространстве при регулярной доставке с Земли продуктов питания, воды, газов и запасного бортового оборудования.
Для уменьшения грузопотока с Земли на околоземную станцию, минимизации массы и объема доставляемых грузов целесообразно
увеличить степень регенерации воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности. Для этого необходимо осуществить разработку и установку на модулях МКС систем концентрирования и переработки диоксида углерода по процессу Сабатье, систем полного извлечения и регенерации воды из всех отходов. Для осуществления полетов в космическом пространстве Земля - Луна для уменьшения грузопотока (так как доставка грузов значительно усложнится) должна быть решена проблема создания обезвоженных рационов питания, что обеспечит уменьшение грузопотока по пище на ~0,6 кг/чел в сутки.
В настоящее время для орбитальных полетов в основу концепции обитаемости на космических объектах закладываются только физиолого-гигиенические требования человека без учета биологической полноценности среды обитания. Задача СЖО заключается в обеспечении в течение ограниченного времени необходимых физико-химических параметров среды, а также количества и качества потребляемых веществ (кислорода, воды, пищи) и удаления продуктов жизнедеятельности [3]. При этом не учитывается биогенная составляющая среды, магнитное, гравитационное и электрическое поля, аэроионный состав атмосферы, органические вещества различного происхождения в атмосфере и воде, ультрафиолетовое излучение и т. п.
Межпланетный комплекс СЖО должен быть создан в виде единой интегрированной системы, отработанной предварительно на Земле и в космосе («планшет»), либо в виде комплекса отдельных взаимоувязанных систем («настольный компьютер»), агрегаты которых могут заменяться, а сами системы могут отрабатываться индивидуально, а затем соединяться и отрабатываться как комплекс СЖО. На данном этапе развития технологии, обитаемой космической техники и систем комплекса СЖО при предполагаемой возможности начала создания лунных баз и осуществления межпланетных полетов в ближайшие 20-30 лет с учетом факторов неизвестности межпланетных полетов рациональной следует считать концепцию строительства комплекса СЖО из отдельных взаимосвязанных систем с заменяемыми агрегатами (системами), с возможностью перестроения комплекса СЖО в полете при необходимости. При этом следует еще учесть изменения в связи с надвигающейся биоинформационной и материаловедческой революцией в ближайшие десятилетия [4-9].
Исследование массового баланса и выбор комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения
Для космических станций на орбите Земли это исследование было проведено в статье [4]. В настоящей статье так же, как и в работе [4], величины потребления продуктов и выделения веществ человеком соответствуют отечественному стандарту по среде обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате [10].
Самый распространенный способ извлечения кислорода из диоксида углерода с получением воды для ее дальнейшего электролиза — реакция Сабатье, легко осуществимая за один проход газового потока при температуре 260...300 °С. Однако при отсутствии пиролиза метана при реакции Сабатье можно использовать только 61% выделяемого человеком диоксида углерода [6].
Недостающая для баланса вода может быть получена только при полном извлечении кислорода из диоксида углерода. Поэтому для межпланетных полетов необходимо использовать другие процессы извлечения кислорода из диоксида углерода. Недостатком всех остальных процессов, связанных с гидрогенизацией диоксида углерода, является то, что они не осуществляются за один проход (в отличие от процесса Сабатье). Для полного извлечения кислорода из диоксида углерода может быть рассмотрена реакция Боша с дальнейшим электролизом образующейся воды (с возвращением водорода в реакцию с СО2, как и во всех остальных реакциях) [7, 8].
СО2 + 2Н2 = С + 2Н2О — реакция Боша при 450...650 °С (с использованием катализатора), в результате которой происходит удаление углерода, извлечение всего кислорода из диоксида углерода. При этой реакции так же, как и при пиролизе метана, образуется трудноуда-ляемый углерод, поэтому процессы по этим реакциям не рекомендуются к использованию.
Следующий процесс — гидрогенизация СО2 до СО с последующим извлечением кислорода.
СО2 + Н2 = СО + Н2О — реакция при 500.700 °С.
2СО = СО2 + С — реакция Будуара при 500.550 °С (с использованием катализатора) с удалением углерода. В этом процессе используется весь СО2 с образованием СО для извлечения кислорода, при этом образуется легкоудаляемый углерод.
Однако более предпочтительным из-за непосредственного получения части кислорода является процесс без гидрогенизации диоксида углерода, осуществляемый за один
проход — высокотемпературный электролиз СО2 с получением СО и части кислорода [7, 10]: 2СО2 = 2СО + О2 — электролиз СО2 при 800...1 000 °С;
2СО = СО2 + С — реакция Будуара при 500.550 °С (с использованием катализатора) с удалением углерода.
В этом процессе используется весь диоксид углерода и образуется легко удаляемый углерод, но его удаление потребует дополнительной переменной массы оборудования.
В табл. 1 представлена схема массообме-на комплекса СЖО с извлечением кислорода из СО2 с использованием высокотемпературного электролиза, реакции Будуара с добавлением недостающего количества кислорода за счет высокотемпературного электролиза воды. Степень замкнутости комплекса и по воде, и по кислороду составляет 100%, при этом остается избыток воды 0,17 кг/чел в сутки. Недостаток этого комплекса — необходимость удаления твердого углерода.
Таблица 1
Массообмен в комплексе СЖО с полной регенерацией воды и кислорода высокотемпературным электролизом СО2 и Н2О и реакцией Будуара при обезвоженном рационе питания
Потребности Выделение Обеспечение потребностей Отходы
Вода для приготовления пищи и питья 2,50 кг/сут
г
Влага с потом и респирацией (конденсат) 1,50 кг/сут Регенерация воды из влагосодержащих отходов Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги (100%): вода 1,50 кг/сут
Вода для питья и приготовления пищи 2,50 кг/сут Урина 1,20 кг/сут Регенерация воды из урины (100%): вода 1,20 кг/сут
Пища 0,60 кг/сут Фекалии 0,30 кг/сут (в т. ч. 0,15 кг/сут воды) Регенерация воды из фекалий: вода 0,15 кг/сут Сухая масса фекалий 0,15 кг/сут -У
Кислород 0,86 кг/сут Диоксид углерода 0,96 кг/сут Регенерация кислорода из СО2 Переработка СО2 высокотемпературным электролизом и по реакции Будуара: кислород 0,70 кг/сут Углерод 0,26 кг/сут -»
К Вода для электролиза 0,18 кг/сут
Электролизная генерация 4 кислорода из воды: кислород 0,16 кг/сут г Водород 0,02 кг/сут ...........
Кислород 0,86 кг/сут
2 3,96 кг/сут 3,96 кг/сут По воде 2,85 кг/сут 0,43 кг/сут
Получено воды: — регенерированной воды 2,85 кг/сут Всего 2,85 кг/сут Водный баланс комплекса: Расход воды: — для питья и приготовления пищи 2,50 кг/сут — для производства кислорода 0,18 кг/сут Всего 2,68 кг/сут Избыток воды: 2,85 - 2,68 = +0,17 кг/сут
Анализ показал, что процесс высокотемпературного электролиза можно усовершенствовать, избавившись от углерода.
2СО2 = 2СО + О2 — электролиз СО2 при 800.1 000 °С.
СО + 3Н2 = СН4 + Н2О — реакция мета-нирования из процесса Фишера-Тропша при 500.600 °С (с использованием катализатора)
с удалением СН4 и частично СО и возвратом водорода в реакцию с СО.
Схема массообмена этого комплекса СЖО представлена в табл. 2.
В этой схеме предлагается не только использовать высокотемпературный электролиз диоксида углерода, но в этом же электролизере проводить электролиз недостающей
воды, а полученную смесь монооксида углерода и водяного пара направлять в реактор для образования метана и воды. Из-за удаления метана в этом случае можно использовать для получения воды только 51% монооксида углерода. Потери кислорода за счет удаления 49% монооксида углерода составляют 0,20 кг/чел в сутки, 25% кислорода от имеющегося в диоксиде углерода или 23% от всего необходимого человеку кислорода для дыхания. То есть, при использовании электролиза СО2
и воды и реакции из процесса Фишера-Троп-ша необходимое дополнительно количество воды составляет 0,18 + 0,20 = 0,38 кг/чел в сутки, что с учетом 0,35 кг/чел в сутки метаболической воды составляет по балансу недостаток воды 0,03 кг/чел в сутки. Однако в этом процессе необходимо удалять только газообразные продукты, тогда как удаление углерода потребует дополнительной переменной массы оборудования. В табл. 3 обобщены результаты суточных расходов элементов в рассмотренных комплексах СЖО.
Таблица 2
Массообмен в комплексе СЖО с полной регенерацией воды и кислорода высокотемпературным электролизом СО2 и Н2О и реакцией гидрирования СО до метана при обезвоженном рационе питания
Потребности Выделение Обеспечение потребностей Отходы
Вода для приготовления пищи и питья 2,50 кг/сут
г
Влага с потом и респирацией (конденсат) 1,50 кг/сут Регенерация воды из влагосодержащих отходов Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги (100%): вода 1,50 кг/сут
Вода для питья и приготовления пищи 2,50 кг/сут Урина 1,20 кг/сут Регенерация воды из урины (100%): вода 1,20 кг/сут
Пища 0,60 кг/сут Фекалии 0,30 кг/сут (в т. ч. 0,15 кг/сут воды) Регенерация воды из фекалий: вода 0,15 кг/сут Сухая масса фекалий 0,15 кг/сут ->
Кислород 0,86 кг/сут Диоксид углерода 0,96 кг/сут Регенерация кислорода из углекислого газа Переработка монооксида углеро (по реакции Фишера-Тропша) вода 0,20 кг/сут * да СО 0,14 кг/сут СН4 0,27 кг/сут ---►
Л Водород для реакции 0,02 кг/сут Вода для электролиза 0,18 кг/сут
высокот 1 кислород 0 \ (из них 0,35 > Переработка СО2 и Н2О емпературным электроли ,86 кг/сут кг/сут из диоксида угле < 1зом: ода) Водород 0,06 кг/сут
Кислород 0,86 кг/сут
2 3,96 кг/сут 3,96 кг/сут По воде 3,05 кг/сут 0,62 кг/сут
Получено воды: — регенерированной воды 2,85 кг/сут — из моноксида углерода 0,20 кг/сут Всего 3,05 кг/сут Водный баланс комплекса: Расход воды: — для питья и приготовления пищи 2,50 кг/сут — для производства кислорода 0,60 кг/сут Всего 3,10 кг/сут Недостаток воды: 3,05 - 3,10 = -0,05 кг/сут
Таблица 3
Суточный расход элементов на одного члена экипажа в комплексах СЖО по сравнению с высокотемпературным электролизом и реакцией Будуара
№ 1 2 3 4
Варианты комплексов СЖО Регенерация Н2О, электролиз Н2О для О2, переработка СО2 в Н2О (реакция Сабатье), удаление СН4 и части СО2, пища без воды Регенерация Н2О, электролиз Н2О для О2, переработка СО2 в Н2О (реакция до СО и реакция Будуара), удаление С и Н2, пища без воды Регенерация Н2О, электролиз Н2О для части О2, электролиз СО2 для получения О2, переработка СО в Н2О (реакция Будуара), удаление С и Н2, пища без воды Регенерация Н2О, электролиз Н2О для части О2, электролиз СО2 для получения О2, переработка СО в Н2О (реакция Фишера-Тропша), удаление СН4, Н2 и части СО, пища без воды
Переменная масса веществ и продуктов (с конструкцией), кг/чел в сутки 1,39 1,25 + 0,05 = 1,30 0,05 — удаление С 1,25 + 0,05 = 1,30 0,05 — удаление С 1,26
При расчете суточных расходов элементов в случаях избытков воды в комплексах учитывалась только масса требуемой конструкции для хранения этих избытков. Анализ приведенных данных свидетельствует о следующем. Одним из проблемных является вопрос удаления углерода. В реакциях Боша и пиролиза метана на внутренних металлических конструкциях реактора образуется твердый трудноудаляемый налет углерода, поэтому эти процессы не рассматриваются для практического применения в космической технике. В реакции Будуара углерод образуется в виде легко удаляемых хлопьев (столб. 2 и 3 табл. 3). При этом при использовании его в сочетании с высокотемпературным электролизом диоксида углерода в балансе при 100% извлечения воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности получается избыток воды 0,17 кг/чел в сутки при обезвоженном рационе питания (столб. 3 табл. 3). Однако, несмотря на образование легко удаляемого углерода, выброс твердого вещества или его складирование потребуют дополнительных запасов необходимых элементов для удаления, т. е. увеличит требуемую массу доставляемых грузов или запасов. Оценка минимальной дополнительной массы конструкции для выброса 0,45 кг в сутки углерода — 0,05 кг (табл. 3).
Исходя из вышеизложенного, преимущество перед предыдущим методом имеет высокотемпературный электролиз в сочетании с реакцией метанирования монооксида углерода по реакции из процесса Фишера - Тропша (столб. 4 табл. 3). В этом случае, несмотря на недостаток воды, удаляются газы — метан и частично монооксид углерода, выброс которых не требует расходуемых элементов.
Из проведенного анализа следует, что на первом этапе построения комплекса СЖО для извлечения кислорода из диоксида углерода целесообразно воспользоваться наиболее простой и отработанной реакцией Сабатье и регенерацией воды из конденсата и урины при обезвоженной пище на основе полной регенерации воды из всех возможных источников — не только из конденсата атмосферной влаги и урины, но и из фекалий, бытовых отходов, одежды, полотенец и салфеток [4].
Следующий шаг — переход к высокотемпературному электролизу диоксида углерода и воды с использованием реакции из процесса Фишера - Тропша при этом же условии регенерации воды из всех продуктов и оборудования, содержащих воду (столб. 4 табл. 3). К реакции Будуара и новому сравнению можно вернуться после ее осуществления в инженерном исполнении, пригодном для эксплуатации в космических условиях.
Величины в табл. 3 являются условно переменными, так как практически масса конструкции — постоянная величина, которая определяется по максимальному запасу воды, а пополняемая масса запасов является величиной переменной. Поэтому минимально доставляемое (или запасаемое) количество воды будет только у комплексов СЖО № 2-4 в табл. 3, ас учетом удаляемой массы оборудования при удалении угля самым выгодным по переменной массе оказывается комплекс СЖО с высокотемпературным электролизом с прямым получением части кислорода из СО с гидрированием последнего до метана и воды (столб. 4 табл. 3), в котором баланс по запасу воды остается положительным.
Проведенный анализ является теоретическим, реальные балансы имеют разброс вокруг приведенных в табл. 3 величин. Поэтому даже при положительном теоретическом балансе на борту должен быть предусмотрен запас воды.
Основные задачи создания комплекса СЖО для межпланетных экспедиций
Максимальное извлечение и регенерация воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности экипажа. Прежде всего, для осуществления межпланетной экспедиции требуется минимизировать массу и объем расходуемых материалов и сменного оборудования — для снижения стартовой массы. Максимальный эффект, как показано выше, может быть достигнут только при полном извлечении воды из продуктов жизнедеятельности экипажа и кислорода — из выделяемого человеком диоксида углерода.
Для этого комплекс СЖО должен быть максимально замкнут по воде и кислороду с регенерацией всех видов воды, использованием обезвоженной (обводняемой при потреблении) пищи, стиркой и сушкой белья, сушкой отходов жизнедеятельности человека, сушкой и прессованием бытовых отходов, а запасы газов должны использоваться
только для компенсации потерь при шлюзованиях, аварийных ситуациях и непредвиденных случаях. Проблема регенерации воды может решаться, в основном, за счет модернизации систем, так как системы для регенерации всех видов воды (из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической) уже созданы и эксплуатировались на космических станциях [11].
Структурная схема модернизированной системы регенерации воды из урины представлена на рис. 1. В автоматическом режиме совместной работы ассенизационного устройства (АСУ) и модернизированной системы регенерации воды из урины (СРВ-УМ) смесь урины с консервантом и смывной водой поступает из АСУ в емкость для урины, и включается режим дистилляции. Получаемая из урины в процессе дистилляции вода может подаваться в емкости для электролиза воды или со смывной водой. Продолжительность режима дистилляции не более трех часов, достаточно одного цикла в сутки для экипажа из трех человек (1,5-1,7 л урины со смывной водой на одного человека).
Уникальным агрегатом является пятиступенчатый центробежный дистиллятор, в роторе которого осуществляется выпаривание воды из урины методом вакуумной дистилляции.
Рис. 1. Структурная схема системы регенерации урины СРВ-УМ
Примечание. БК ВИ — блок клапанов интерфейса по воде; БП — блок переключения воды; ЕВ — емкость воды; БЖВ — блок жидкостный воды; БТТН — блок термоэлектрического теплового насоса; СТР — система терморегулирования; БЦД — блок дистилляции; БЖУ — блок жидкостный урины; БК УИ — интерфейс блока клапанов магистралей урины; БП-У — блок перекачки урины; БКП — блок клапанов магистралей урины; ЕУ— емкость урины; БГЖ — блок газожидкостный; ЕР — емкость-ресивер; БНВ — блок наддува и вакуумирования; ВН1, ВН2 — вакуумнасосы; СОТ2 — сборник с отжимом; С2 — сигнализатор проскока; Ф2 — фильтр воздушный.
Вакуумирование дистиллятора осуществляется при помощи вакуумнасосов. Урина поступает в последнюю ступень дистиллятора, выпаривается, протекая по ступеням, и концентрируется в контуре первой ступени. Образующийся в каждой ступени пар конденсируется на теплообменных плоскостях следующей ступени. Конденсат стекает в камеру сбора конденсата, включенную в ее контур. Тепло для выпаривания поступает к урине из термобатареи термоэлектрического теплового насоса через теплообменник и циркуляционный контур. И в дистилляторе, и в термобатарее происходит рекуперация тепловой энергии. Выпаривается 86% воды, оставшийся конденсат поступает в емкость блока жидкостного воды и далее перекачивается для использования, остаток урины удаляется через блок жидкостный урины. Воздух из системы удаляется в атмосферу через газожидкостный блок, сборник отжима и фильтр.
Кроме этого, необходима организация получения и регенерации воды из твердых отходов жизнедеятельности, бытовых отходов, одежды (после стирки) и из санитарно-
гигиенической воды (включая воду от сушки салфеток и полотенец).
Для извлечения кислорода из диоксида углерода необходимо создание систем концентрирования диоксида углерода и его переработки.
Наиболее отработанный способ концентрирования диоксида углерода — использование адсорбентов, однако не исключено использование и других перспективных способов. Создание системы концентрирования диоксида углерода на адсорбентах -это, прежде всего, вопрос выбора сорбента и способа его регенерации. Использование сорбентов, регенерируемых нагревом при температурах до 130 °С и не теряющих эффективность при попадании водяных паров, дает возможность создать эффективную систему концентрирования. Другим перспективным методом является использование паровой регенерации адсорбентов.
На рис. 2 представлена одна из возможных принципиальных схем концентрирования диоксида углерода с гидрированием СО2 в реакторе Сабатье (может быть заменен на более перспективную схему переработки диоксида углерода).
Рис. 2. Принципиальная схема систем концентрирования и переработки СО2
Примечание. В — вентилятор; К1, К2 — клапаны шаровые; К3, К4 — электромагнитные клапаны; ОС — осушитель СО2 с электронагревателем; РПД — регулятор давления, поддерживающий до себя давление 1,4 кгс/см2; Р — ресивер; К — компрессор; Е — емкость сбора диоксида углерода; С — смеситель; ХК — холодильник-конденсатор; КОМ — компенсатор; ТО СТР — теплообменник системы терморегулирования; Нг — нагреватель теплоносителя; Н — насос; П — фильтр; Рк — реактор Сабатье; Д — дроссельная шайба; ПРЦ — слой ПРЦ — поглотителя СО2; 81 — слой осушителя-силикагеля; А — место подсоединения очередного фильтра.
Данная схема основана на одном из перспективных способов концентрирования диоксида углерода — способе паровой регенерации с использованием силикагеля как источника пара. Цикл работы фильтра (сорбция - регенерация) составляет 60 мин. Производительность по сконцентрированному СО2 — 27 л/ч. При экипаже до четырех человек в состав системы входят два фильтра, при шести — три фильтра, работающих по самостоятельной программе. Место подсоединения очередного фильтра — позиция А на схеме.
Регенерация осушителя осуществляется при нахождении фильтра в режиме сорбции. Полуцикл регенерации заканчивается перекладкой клапана К3 для направления теплоносителя в теплообменник и отключением нагревателя. Полуцикл сорбции начинается открытием клапанов К1, К2 и включением нагревателя в осушительном патроне после снижения температуры в силикагеле на ~10 °С. На схеме представлена одна ветвь (В1) системы, обеспечивающая концентрирование СО2 от двух человек (40 л/ч).
Принципы переработки диоксида углерода путем гидрирования с получением воды и промежуточных продуктов — метана, углерода или моноксида углерода — разработаны. При этом по самому простому процессу Сабатье создана и отрабатывается полномасштабная экспериментальная система (процесс автотермический), которая осуществляется с эффективностью, близкой к единице, за один проход на катализаторе при температуре до 260 °С. Недостатком процесса Сабатье, как указывалось выше, является возможность использования в гидрировании только 61% диоксида углерода. В этом случае требуется дополнительное количество воды для получения кислорода, в то же время пищевой рацион содержит воду в количестве 0,5 кг/чел в сутки. Поэтому эффективность использования диоксида углерода зависит прежде всего от уменьшения влагосодержания рациона питания. Таким образом, перспективными становятся процессы высокотемпературного электролиза диоксида углерода и воды на керамических электродах до СО и О2 с последующим получением кислорода из СО на основе процесса Фишера - Тропша с получением метана и воды. Масса системы рассчитана для шести человек, энергопотребление требуется только при запуске (~250 Вт), далее система работает в авторежиме.
Экономия массы и объема также должна быть проведена за счет организации стирки и последующей сушки одежды — разработки
стиральной машины и средств для сушки влажных текстильных материалов. Стиральная машина с подсистемой очистки санитарно-гигиенической воды позволит уменьшить массу сухих средств личной гигиены примерно в пять раз. Для экономии массы и объема служат средства сушки, измельчения, прессования и удаления отходов.
Для экономии массы важен вопрос модернизации СЖО выходного скафандра за счет создания регенерируемой системы удаления диоксида углерода и вредных примесей и системы дозаправки баллонов скафандров из системы электролиза воды.
Использование обезвоженных рационов питания и новых методов хранения и изготовления пищи. В настоящее время масса рациона питания составляет 1,1 кг/чел в сутки, при этом в нем содержится 500 г воды, а также упаковка, масса которой составляет 0,2 кг/кг пищи. В перспективе предполагается уменьшение этой величины до 0,04 кг, в т. ч. за счет использования съедобной упаковки.
При создании обезвоженного рациона питания может быть использован не только известный процесс лиофилизации, но и перспективный метод приготовления пищи с помощью 3Л-принтера. Ожидается, что принтер будет готовить еду из ингредиентов, которые в форме порошка будут содержаться в съемных картриджах. Срок годности заправленного картриджа будет достигать 30 лет [12].
Структура пищевого рациона человека требует включения в его состав животного белка. В настоящее время идет разработка перспективного метода обеспечения космонавтов животным белком — получения искусственного мяса. Производство искусственного мяса (из пробирки или «выращенное в лаборатории» — не имитация мяса из соевого или пшеничного белка) относится к области биотехнологии, известной как «тканевый инжиниринг». В настоящее время в нескольких исследовательских проектах ученые пытаются выращивать искусственное мясо в лабораториях, промышленного производства искусственного мяса для общественного потребления пока не существует. Вероятно, этот метод станет основным для снабжения космонавтов животным белком [13].
Увеличение безопасности, надежности и ремонтопригодности систем и агрегатов. Это один из основных вопросов для всех систем и агрегатов космических обитаемых объектов вне земной орбиты, поскольку в этом случае нельзя быстро вернуть экипаж на Землю или ориентироваться на доставку
(или быструю доставку) оборудования на космическую станцию. Особенно это важно для комплекса СЖО, от которого непосредственно зависит жизнедеятельность человека, и большое количество оборудования которого работает непрерывно. Вопросы безопасности должны быть решены прежде всего за счет требований к системам по пожарной, взрыво- и токсической безопасности [14] не только при хранении и работе, но и при любых отказах в системах комплекса СЖО.
Обеспечение надежной работы систем должно осуществляться за счет общих принципов:
• полноценной наземной отработки систем и агрегатов;
• горячего и холодного дублирования;
• ремонтопригодности с возможностью быстрой замены экипажем отдельных блоков с минимальной затратой времени.
Здесь важны распределение надежности по элементам и блокам каждой функциональной системы и выработка концепции замены элементов, блоков, агрегатов, важна унификация сменного оборудования, возможность его использования в нескольких системах. Это относится к блокам клапанов, микронагнетателям, насосам, механическим фильтрам, разъемам, датчиковой аппаратуре, электрическим блокам общего назначения (усилители, преобразователи, фильтры помех). Не менее важно повышение ремонтопригодности сложных моноблоков с максимально возможным применением модульной конфигурации систем — из отдельных, легко заменяемых блоков. При этом в пнев-могидросхемы должны быть введены гибкие трубопроводы и металлорукава с соответствующими разъемами.
Особую роль при ремонте оборудования может сыграть использование на борту космических станций новейших технологий с использованием 3-О-принтера, что должно являться задачей ближайшего будущего.
Кроме рассмотренных общих принципов может быть предложен ряд специфических принципов для СЖО:
• возможность работы систем и агрегатов за пределами ресурсов до отказа;
• независимость работы систем, не связанных друг с другом функционально;
• дублирование системами, работающими на основе других принципов;
• многоуровневое управление системами с широким диапазоном характеристик.
На МКС (как и на станции «Мир) большинство российских СЖО могут работать до отказа, не являясь при этом источником
аварийных ситуаций, после чего производится замена соответствующих блоков систем из бортового резерва.
Российские системы очистки воздуха от диоксида углерода и удаления вредных примесей забирают воздух непосредственно из атмосферы модулей космической станции. Американская система очистки от диоксида углерода забирает из системы обеспечения теплового режима более сухой воздух, чем в модулях станции, что облегчает осушку поступающего в нее воздуха. Воздух, поступающий в американскую систему удаления вредных микропримесей, забирается из системы очистки от диоксида углерода, что уменьшает нагрузку на систему удаления примесей. Однако в этом случае отказы в одной системе влияют на работоспособность остальных систем. К тому же отработка механически связанных между собой систем более сложна.
Так, из-за жалоб на головную боль отдельных членов американского экипажа МКС для уменьшения концентрации СО2 в атмосфере станции намного ниже нормативов американская сторона понизила температуру контура в системе терморегулирования. Это привело к конденсации в Американском сегменте станции большей части водяного пара из атмосферы и понижению относительной влажности воздуха до нижнего допустимого предела (30%), что неблагоприятно сказалось на самочувствии всего экипажа.
Важен для обеспечения надежности вопрос осуществления одной и той же функции системами с разными технологическими принципами. Наземная отработка систем не может охватить все особенности работы СЖО в условиях космического полета. Возможно изменение характеристик системы в длительном полете при сочетании определенных факторов. Поэтому целесообразно дублировать системы, работающие на существующих принципах, вновь разрабатываемыми перспективными системами с другими принципами работы. Так, жидкостную щелочную систему электролиза воды для получения кислорода целесообразно дополнить системой электролиза на твердых электролитах, сорбционно-каталитическую систему удаления вредных примесей — фотокаталитической системой.
Место биологических звеньев в перспективных комплексах СЖО
На Земле человек является только частью экологической системы, в пределах которой продукты ее жизнедеятельности преобразуются до исходных, необходимых человеку
веществ. В отличие от комплекса физико-химических СЖО комплекс биологических СЖО (БСЖО) обеспечивает неограниченную по времени биологически полноценную среду обитания человека, пригодную для нормального развития последующих поколений. Однако реализовать подобный земному биологический цикл на борту современного космического корабля представляется весьма сложной задачей из-за низкого энергетического КПД природных процессов, их ненадежности в малом объеме корабля, недостаточного уровня исследований и готовности, большой стартовой массы оборудования в десятки тонн и энергопотребление в тысячи кВт-ч в сутки. Вопрос создания такого комплекса встанет, вероятно, на этапе колонизации Луны и планет [15].
В сентябре 1962 г. С.П. Королёв в ОКБ-1 инициировал разработку проекта тяжелого межпланетного корабля, для которого начались исследования биологических звеньев жизнеобеспечения. Теоретические исследования по биологическому комплексу жизнеобеспечения и наземные испытания лабораторных установок по использованию растений и водорослей были продолжены в Институте биофизики Сибирского отделения РАН и Институте космической биологии и медицины (в дальнейшем — Институт медико-биологических проблем РАН (ИМБП)) [16]. Результаты исследований ИМБП на борту МКС подтвердили, что условия космического полета и отсутствие гравитации не оказывают заметного влияния на протекание основных процессов жизни растений, что позволило сделать вывод о реальности создания полноразмерных космических оранжерей [17].
Учитывая сложность и требование долговечности работы комплекса БСЖО, он должен создаваться за счет постепенного внедрения отдельных звеньев в физико-химический комплекс регенерации воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности человека. Первым кандидатом из биологических звеньев для космического полета является оранжерея, обеспечивающая психологическую поддержку и дающая естественную добавку к пище, прежде всего — витамины (с учетом ограниченного срока хранения искусственных витаминов) и пищевые волокна. Поскольку основную массу отходов будут составлять несъедобная растительная биомасса, кухонные отходы, упаковка, фекалии, следующим необходимым процессом в БСЖО должно быть бактериальное разложение органики с выделением диоксида углерода и воды с последующей утилизацией.
Проведенные с исследовательскими оранжереями наземные эксперименты и опыты на борту космических аппаратов позволили перейти к разработке оранжерей, частично обеспечивающих потребности экипажа. В дальнейшем при создании полноразмерной оранжереи к этим функциям могут быть добавлены частичная регенерация пищевых продуктов, атмосферы, воды и утилизация пищевых отходов. Один из важнейших факторов роста растений — освещение. С появлением таких высокоэффективных источников света, как полупроводниковые светодиоды, стали очевидны преимущества их применения для освещения растений. Их применение обеспечивает повышенную безопасность (из-за отсутствия деталей из стекла и высокотемпературных узлов), большую светоотдачу при относительно малых массах и объемах, механическую прочность, длительный ресурс работы, возможность плавного регулирования яркости по каждой спектральной составляющей.
Для использования в космосе может быть рекомендована разработанная в России в наземном исполнении с учетом эксплуатации в условиях невесомости цилиндрическая конвейерная оранжерея (рис. 3) [5, 18-20].
Рис. 3. Общий вид витаминной оранжереи: 1 — воздуховоды; 2 — ростовая камера; 3 — корневые модули; 4 — узел натяжения кабеля; 5 — привод вращения ростовой камеры; 6 — рама; 7 — пульт управления; 8 — блок увлажнения и аэрации
Эта цилиндрическая оранжерея основана на экономичном способе выращивания посевов на выпуклых криволинейных поверхностях, что позволяет в условиях невесомости создать самораздвигающуюся структуру посева, за счет чего можно увеличить удельную производительность оранжереи на единицу потребляемой энергии на ~30%, вдвое уменьшить объем, занимаемый посевом, и снизить эквивалентную массу системы по сравнению с традиционными технологиями с использованием плоской поверхности. В табл. 4 представлены расчетные параметры такой оранжереи с четырьмя цилиндрическими
модулями для получения ежедневно съедобной массы листовых культур, моркови и томатов по 100 г и сладкого перца — 50 г [5, 18].
Для космической оранжереи, работающей в условиях невесомости, была разработана система увлажнения и аэрации корневой зоны путем реверсной водопода-чи через запорную мембрану (рис. 4). При потребляемой мощности не более 10 кВт и суммарном объеме модулей ~3 м3 оранжерея описанной конструкции могла бы полностью обеспечить экипаж марсианского транспортного корабля из шести человек витаминами С и А и на 15-20% покрыть его потребность в витаминах группы В и основных минеральных элементах.
Общая масса съедобной части ежедневного урожая составит 1,92 кг при калорийности ~600 ккал и суммарном количестве сырой биомассы отходов за сутки не более 630 г. Удельное производство овощной продукции в такой оранжерее будет достигать более 10 г съедобной биомассы на 1 кВтч потребленной энергии. При этом существенно снизится эквивалентная масса для производства овощей не только вследствие экономии объема вегетационных модулей при их цилиндрической компоновке, но и из-за снижения трудозатрат при обслуживании ротационных конвейерных посевов по сравнению с традиционными стеллажными посадками.
Таблица 4
Параметры витаминной оранжереи из четырех конвейерных цилиндрических модулей со светодиодным освещением для марсианского экспедиционного комплекса
Параметр, единица измерения Модуль для листовых овощей Модуль для моркови Модуль для томатов Модуль для перцев Сумма
Длина, м 1,5 1,8 1,0 0,9
Диаметр, м 0,75 1,1 1,3 1,0
Посадочная площадь, м2 0,9 2,8 0,7 0,5 4,9
Освещаемая площадь, м2 2,4 4,5 5,0 3,7 15,6
Число корневых модулей 10 10 10 10 40
Электропотребление, кВт 1,0 3,0 3,0 2,5 9,5
Рис. 4. Принципиальная пневмогидравлическая схема оранжереи
Примечание. БР — быстрые разъемы, не проливаемые; БИОНА-312 — иононасыщенный гранулированный ионит; ДД1, ДД2, ДД3, ..., ДД10 — датчики давления; ДК — датчик кондуктометрический; ЕДВ — емкость для воды; КМ1, КМ2, КМ3, ... КМ10 — корневые модули; К1... К13 — клапаны; КС — камера смесительная; МДУ — медленно действующее удобрение, гранулированное; НД — насос-дозатор; НМ — насос-мешалка; Н1, Н2, Н3, ... Н20 — насосы перистальтические; ПВ — почвозаменитель волокнистый; РВ — резервуар водяной; УМК — узел минерального кондиционирования.
Базовый комплекс СЖО
Анализ результатов эксплуатации комплекса СЖО станций «Мир» и МКС и требований к комплексу СЖО для лунных и межпланетных экспедиций показал, что его целесообразно создавать на основе модернизации и совершенствования средств жизнеобеспечения орбитальной станции «Мир» и Российского сегмента МКС с продолжительностью полета до трех лет, что даст возможность осуществить работу длительно действующих станций на лунной орбите, Луне и осуществить пилотируемую экспедицию к Марсу (планетам).
Если уменьшить массы запасов за счет максимально возможной степени регенерации кислорода и воды из продуктов жизнедеятельности человека, можно разработать единый базовый комплекс физико-химических СЖО как для околоземных полетов, так и для первоначальных лунных и межпланетных экспедиций, обратив особое внимание на увеличение надежности и ремонтопригодности систем и агрегатов.
Опыт создания СЖО долговременных орбитальных станций показывает, что на разработку и отработку новых комплексов СЖО необходимо не менее 10 лет, поскольку в межпланетном полете невозможна доставка заменяемого оборудования. Поэтому
параллельно с длительной наземной отработкой систем целесообразно проводить их летную отработку в проектируемых модулях Российского сегмента МКС или другой орбитальной станции. Проведение летных испытаний в составе МКС позволит отработать в более короткие сроки базовый комплекс СЖО и расширить возможности использования МКС, увеличив надежность ее жизнеобеспечения. Примерная принципиальная схема межпланетного комплекса СЖО приведена на рис. 5.
Предложенный физико-химический комплекс СЖО с включением оранжереи следует считать базовым для любой космической экспедиции, так как технически и экономически целесообразно иметь один базовый комплекс СЖО. Размер этого комплекса целесообразно рассчитывать на три-четыре человека, а количество таких комплексов должно определяться в соответствии с программой и составом межпланетной экспедиции и архитектурой межпланетной базы. Для земной и окололунной орбит он будет иметь большие преимущества по уменьшению грузопотока на орбиту и, следовательно, по обеспечению безопасности автономного полета. Для лунной экспедиции герметичный модуль с базовым комплексом СЖО должен позволить осуществлять долгосрочное строительство Лунной базы.
Рис. 5. Принципиальная структурная схема межпланетного комплекса СЖО
Для развития производственной базы на Луне (планете) необходимы большие герметичные помещения и большое количество персонала. Атмосфера базы будет нуждаться в большом количестве газов — как в кислороде для дыхания, так и в азоте, при больших объемах базы значительно возрастут потери газов. Для жизнеобеспечения производственного персонала целесообразно будет воспользоваться ресурсами Луны.
Массовая и энергетическая сводка ре-генерационных систем базового комплекса СЖО приведена в табл. 5-7. При расчете характеристик был сделан ряд допущений. Было принято, что масса ЗИП систем составляет 10% в год от установленной массы
системы. Массовый эквивалент системы терморегулирования и системы энергоснабжения был принят в сумме максимальным — равным 1,0 кг/Вт (в дальнейшем эта величина может быть снижена до 0,5 кг/Вт). Для оранжереи эквивалентная масса рассчитана по специальной методике [20]. Массовая сводка не охватывает элементы конструкции космического объекта (включая трубопроводы и арматуру), необходимые для установки системы. В массовой сводке не приведены массы нерегенерируе-мых систем и оборудование комплекса жизнеобеспечения, в т. ч. космические скафандры, у которых отдельные СЖО могут быть выполнены регенерируемыми. В данной работе не рассматривается стирка одежды.
Таблица 5
Ориентировочные характеристики средств регенерации воды для базового комплекса СЖО (экипаж из шести человек при длительности полета до трех лет)
Система Количество воды V, л/сут Кизвл Масса установленной системы M + МЗИП, кг уст ЗИП' Коэффициент переменной массы по ресурсу оборудования Кпер, кг/кг Н2О Среднесуточные энергозатраты, Вт
Совр. Персп.
1. СРВ-К — регенерации воды из конденсата 9,60 1 140 + 42 0,08 0,020 60 (6 Вт/л Н2О)
2. СПК-У — приема и консервации урины 9,60 1 75 + 22,5 0,07 0,020 10 (1 Вт/л)
3. СРВ-У — регенерации воды из урины 8,64 0,9 120 + 36 0,08 0,021 60 (6 Вт/л Н2О)
4. СРВ-УК — регенерации воды из урины и концентрата 9,12 0,95 140 + 42 0,09 0,022 80 (8,8 Вт/л Н2О)
5. СРВ-СГ — регенерации санитарно-гигиенической воды 36,00 0,98 85 + 25,5 0,06 0,018 22 (0,6 Вт/л Н2О)
6. СОВ-С (СОВ-ВЭ) — очистки воды для электролиза Сабатье 2,70 1 22 + 7,5 0,05 0,020 2
Электролиз СО2 и Н2О 3,84 1 22 + 7,5 0,05 0,020 2
7. СРВ-СО — сушки твердых отходов 0,9 0,95 30 + 9 0,09 0,030 30 (35 Вт/л Н2О)
8. СРВ-ТВО — очистки транспирационной влаги из оранжереи 24 1 22 + 6,6 0,08 0,025 60 (6 Вт/л Н2О)
9. СВО-ЗВ 1 1,25 1,25 1,25 2
Примечание. СРВ-К — многоступенчатая сорбционно-каталитическая очистка; СПК-У — прием, центробежная сепарация и консервация урины (урина + консервант + смывная вода); СРВ-У — центробежная вакуумная многоступенчатая дистилляция с сорбционно-каталитической очисткой; СРВ-УК — регенерации воды из урины с извлечением воды из концентрата; СРВ-СГ — фильтрация и обратный осмос; СОВ-С (СОВ-ВЭ) — сорбционно-каталитическая очистка с удалением СО2; СРВ-СО — сушка или сублимация с каталитической очисткой паров; СРВ-ТВО — сорбционно-каталитическая очистка; СВО-ЗВ — хранение воды в емкостях ЕДВ с консервацией ионным серебром. Масса ЗИП принимается 30% от установленной.
Таблица 6
Ориентировочные характеристики средств регенерации воздуха для базового комплекса СЖО (экипаж из шести человек при длительности полета до трех лет)
Системы Технология регенерации Количество газа Масса установленной системы М + М„„_, кг уст ЗИП' Среднесуточные энергозатраты, Вт
л/ч кг/сут
1. «Воздух М», очистка от СО2 (1 система) Адсорбционная 120 6,0 285(220 + 65) 350
2. СПДУ (СО2) - СКДУ - СГДУ (2 системы) Адсорбционная Каталитическая ООО 00 00 00 4,0 465(360+105) 310(240+70) 155(120+35) 1 200 1 200 (250 при запуске)
3. СБМП, удаление вредных примесей (1 система) Адсорбционно-каталитическая — до 0,02 105 (80 + 25) 25
4. Фотокатализ, удаление вредных примесей (1 система) Фотокаталитическая — до 0,02 155 (50 + 15 + + 90 (сменные фильтры)) 190
5. «Электрон», обеспечение О2 (2 системы) Электролизная 150 5,4 415(320+95) 1 700
6. «Янтарь», обеспечение О2 (2 системы) Электролизная 150 5,4 285 (220 + 65) 1 700
7. Система электролиза высокотемпературного СО2 и воды; обеспечение О2 (2 системы) Электролизная высокотемпературная 150 5,4 325 (250 + 75) 1 200
8. Система переработки СО2, реакции Будуара; СО2 для О2 (2 системы) Адсорбционно-каталитическая 150 5,4 325 (250 + 75) 1 200
Примечание. СПДУ — система переработки диоксида углерода; СКДУ — система концентрирования диоксида углерода; СГДУ — система гидрирования диоксида углерода. Масса ЗИП принимается 30% от установленной.
Таблица 7
Массовые характеристики базового комплекса СЖО (экипаж из шести человек при длительности полета до трех лет)
Системы и оборудование М ст, кг (V, л) МЗИП, кг (V, л) Продукт, масса, кг (V, л) Кпер, кг/кг Мп, кг N среднесут на 6 человек, Вт (Мэкв, кг) Мсум, М СУ" , сум экв' кг Мо0щ, кг
Сбор и регенерация воды 495 150 63 150 0,019 1 200 204 (204) 1 845 2 050 4 172
Запасы воды 580 (465) 720 (540) (660) 1,250 820 2 (2) 2 120 2 122
Сбор и регенерация воды с оранжереей 520 155 88 120 0,0208 1 835 264 (264) 2 510 2 774 6 551
Запасы воды с оранжереей витаминной 580 (465) 720 (540) (1 980) 1,250 2 475 2 (2) 3 775 3 777
Обеспечение питанием 40 10 3 940 1,040 4 100 10 (10) 4 150 4 160 4 160
Сбор СО2 и регенерация О2 1 255 370 5 915 (О2) — — 2 965 (2 965) 1 625 4 590 4 725
Запасы воздуха 40 (32 850) 15 (12 320) — 3 80 — 135 135
Оранжерея витаминная 1 170 850 ЗИП и расходные материалы Овощи и витамины — — 9 500 (1 870) 2 020 3 890 3 890
Примечание. V — объем; Муст — установочная масса; МЗИП — масса запасных изделий прилагаемых; Мп — масса переменная; Мэкв — масса эквивалентная с учетом затрат массы терморегулирования и энергопотребления; Мс м = М ст + МЗИП + Мп; М = М + М ; М. = 2М по видам жизнеобеспечения. Масса суммарная базового комплекса без
сум экв сум экв' оощ сум экв ^ J г
оранжереи — 9 875 кг; с оранжереей — 14 215 кг; энергопотребление без оранжереи — 3 180 Вт; с оранжереей — 5 110 Вт; масса общая базового комплекса без оранжереи — 13 055 кг; с оранжереей — 19 325 кг.
Выводы
1. Для межпланетных полетов предложен комплекс СЖО с применением модернизированных систем регенерации воды из всех возможных источников, с обезвоженными рационами питания, системой регенерации кислорода из диоксида углерода и воды с максимально возможным извлечением кислорода и применением оранжереи. Такой комплекс отличается минимизацией переменной массы, а также объема продуктов (запасов с конструкцией хранения) и оборудования.
2. Комплекс СЖО целесообразно создавать как единый базовый комплекс на основе модернизации комплекса СЖО станций «Мир» и МКС как для лунных и межпланетных полетов, так и для полетов на орбите Земли, при этом значительно уменьшается грузопоток на пилотируемую орбитальную станцию ресурсных элементов систем и продуктов для экипажа, увеличивается безопасность полетов.
3. Для осуществления межпланетных полетов необходимо решить целый ряд задач жизнеобеспечения в предложенном комплексе, основные из которых — максимальное извлечение и регенерация воды и кислорода из продуктов жизнедеятельности экипажа, использование обезвоженных рационов питания и новых методов хранения и изготовления пищи, создание планетарного скафандра, увеличение безопасности, надежности и ремонтопригодности систем и агрегатов.
4. В отличие от комплекса физико-химических СЖО комплекс биологических СЖО обеспечивает неограниченную по времени биологически полноценную среду обитания человека, пригодную для нормального развития последующих поколений. Однако реализовать биологический цикл, подобный земному, на борту современного космического корабля представляется маловыполнимой задачей из-за низкого энергетического КПД природных процессов, их ненадежности в малом объеме корабля, недостаточного уровня исследований, большой стартовой массы оборудования (десятки тонн) и энергопотребления в тысячи кВтч в сутки.
В связи с этим комплекс биологических СЖО для межпланетных полетов целесообразно создавать за счет постепенного внедрения отдельных звеньев (в первую очередь — оранжереи) в физико-химический комплекс СЖО.
Список литературы
1. Луна — шаг к технологиям освоения Солнечной системы / Под ред. Легостае-ва В.П., Лопоты В.А. М.: РКК «Энергия», 2011. 584 с.
2. Пилотируемая экспедиция на Марс / Под ред. Коротеева А.С. М.: Российская академия космонавтики им. К.Э. Циолковского, 2006. 320 с.
3. Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Космические системы жизнеобеспечения: основные требования к разработке средств жизнеобеспечения экипажей длительных космических экспедиций // Инженерная экология. 2013. № 2(110). С. 2-15.
4. Гузенберг А.С., Железняков А.Г., Романов С.Ю. Телегин А.А, Юргин А.В. Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций // Космическая техника и технологии. 2015. № 1(8). С. 67-80.
5. Романов С.Ю., Железняков А.Г., Телегин А.А., Гузенберг А.С., Андрейчук П.О., Протасов Н.Н., Беркович Ю.А. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 57-74.
6. Самсонов Н.М., Бобе Л. С., Гаври-лов Л.И., Кочетков А.А., Курмазенко Э.А., Томашпольский М.Ю., Романов С.Ю., Андрейчук П.О., Гузенберг А.С., Железняков А.Г., Протасов Н.Н., Рябкин А.М., Телегин А.А., Григорьев А.И., Баранов В.М., Синяк Ю.Е. Опыт работы регенерационных систем жизнеобеспечения экипажей на космических станциях «Салют», «Мир» и МКС // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2008. Т. 42. № 6/1 доп. С. 10-13.
7. Гузенберг А.С. Регенерация и кондиционирование воздуха // Космическая биология и медицина. Обитаемость космических летательных аппаратов. М. - Вашингтон: Наука - А1АА, 1994. Т. 2. Гл. 9. С. 252-296.
8. Абрамов И.П., Брюханов Н.А., Григорьев Ю.И., Зеленщиков Н.И., Романов С.Ю, Самсонов Н.М., Соколов Б.А. Системы жизнеобеспечения орбитальной станции «Мир» и МКС // Известия РАН. Энергетика. 2003. № 3. С. 33-52.
9. Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А., Гав-рилов Л.И. Системный подход к созданию комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения для обитаемых космических станций // Тезисы докладов 9-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика — 2010», ноябрь 2010, Москва. Санкт-Петербург: Мастерская печати, 2010. С. 145-146.
10. ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М.: Госстандарт России, 1995. 118 с.
11. Бобе Л.С., Кочетков А.А., Самсонов Н.М., Романов С.Ю., Андрейчук П.О., Железняков А.Г., Синяк Ю.Е. Космические системы жизнеобеспечения: регенерация воды на космических станциях // Инженерная экология. 2013. № 2(110). С. 34-50.
12. Christopher M. The audacious plan to end hunger with 3D printed food // Quartz. NASA-funded research. 20 May 2013.
13. Harvey F. Artificial meat could slice emissions, say scientists. The Guardian. Monday, 20 June 2011.
14. Мухамедиева Л.Н., Гузенберг А.С., Микос К.Н. Вредные примеси в атмосфере обитаемых космических станций // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 31-49.
15. Kubasov V.N., Zaitsev E.N., Korsakov V.A., Gusenberg A.S., Lepsky A.A. Regenerative life support system development problems for the Mars missions//Acta Astronaut. 1991. V. 23. P. 271-274.
16. Мелешко Г.И., Шепелев Е.Я., Авери-ер M.M., Волк Т. Биологические системы жизнеобеспечения человека // Космическая
биология и медицина. Обитаемость космических летательных аппаратов. М. - Вашингтон: Наука-А1АА, 1994. Т. 2. Гл. 16. С. 502-518.
17. Сычев В.Н. Исследование влияния невесомости на биологические объекты — звенья замкнутых экологических систем жизнеобеспечения и создание технологии их культивирования. Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук. ГНЦ РФ ИМБП РАН. Москва, 2000.
18. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Синяк Ю.Е., Смолянина С.О., Григорьев Ю.И., Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Проблема создания салатной оранжереи для международной космической станции и последующих межпланетных полетов // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002. Т. 36. № 5. С. 8-12.
19. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Ерохин А.Н. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М.: ООО Фирма «Слово», 2005. 367 с.
20. Drysdale A., Hanford A. Advanced life support research and technology development metric - baseline. CTSD-AD-384. JSC NASA 39503, November 1999.
Статья поступила в редакцию 19.06.2017 г.
Reference
1. Luna — shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoi sistemy [The Moon - a step towards technologies of the Solar system development]. Ed. Legostaev V.P., Lopota V.A. Moscow, RKK «Energiya»publ, 2011. 584p.
2. Pilotiruemaya ekspeditsiya na Mars [The manned expedition to Mars]. Ed. Koroteev A.S. Moscow, Rossiiskaya akademiya kosmonavtiki im. K.E. Tsiolkovskogo publ., 2006. 320 p.
3. Romanov S.Yu., Guzenberg A.S. Kosmicheskie sistemy zhizneobespecheniya: osnovnye trebovaniya k razrabotke sredstv zhizneobespecheniya ekipazhei dlitel'nykh kosmicheskikh ekspeditsii [Space life-support systems: basic requirements for the development of life-support systems for crews of long space expeditions]. Inzhenernaya ekologiya, 2013, no. 2( 110), pp. 2-15.
4. Guzenberg A.S., Zheleznyakov A.G., Romanov S.Yu. Telegin A.A, Yurgin A.V. Vybor kompleksa zhizneobespecheniya dlya ekipazhei dolgovremennykh kosmicheskikh stantsii [Selecting life support system for the crews of long duration space stations]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 67-80.
5. Romanov S.Yu., Zheleznyakov A.G., Telegin A.A., Guzenberg A.S., Andreichuk P.O., Protasov N.N., Berkovich Yu.A. Sistemy zhizneobespecheniya ekipazhei dlitel'nykh mezhplanetnykh ekspeditsii [Life-support systems for crews of long interplanetary expeditions]. Izvestiya RAN. Energetika, 2007, no. 3, pp. 57-74.
6. Samsonov N.M., Bobe L.S., Gavrilov LI, Kochetkov A.A., Kurmazenko E.A., Tomashpol'skiy M.Yu., Romanov S.Yu., Andreichuk P.O., Guzenberg A.S., Zheleznyakov A.G., Protasov N.N., Ryabkin A.M., Telegin A.A., Grigor'ev A.I, Baranov V.M., Sinyak Yu.E. Opyt raboty regeneratsionnykh sistem zhizneobespecheniya ekipazhei na kosmicheskikh stantsiyakh «Salyut», «Mir» i MKS [Operational experience of regenerative life-support systems for crews on the Salyut, Mir space stations and ISS]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2008, vol. 42, no. 6/1,pp. 10-13.
7. Guzenberg A.S. Regeneratsiya i konditsionirovanie vozdukha. In: Kosmicheskaya biologiya i meditsina. Obitaemost' kosmicheskikh letatel'nykh apparatov [Air regeneration and conditioning. In: Space Biology and Medicine. Inhabitability of space flight vehicles]. M.-Vashington, Nauka - AIAA publ, 1994. Vol. 2, ch. 9, pp. 252 -296.
8. Abramov I.P., Bryukhanov N.A., Grigor'ev Yu.I., Zelenshchikov N.I., Romanov S.Yu., Samsonov N.M., Sokolov B.A. Sistemy zhizneobespecheniya orbital'noi stantsii «Mir» i MKS [Life-support systems for the Mir orbital station and the ISS]. Izvestiya RAN. Energetika, 2003, no. 3, pp. 33-52.
9. Proshkin V.Yu., Kurmazenko E.A., Gavrilov L.I. Sistemnyi podkhod k sozdaniyu kompleksa regeneratsionnykh sistem zhizneobespecheniya dlya obitaemykh kosmicheskikh stantsii. Tezisy dokladov 9-oi Mezhdunarodnoi konferentsii «Aviatsiya i kosmonavtika — 2010» [A systematic approach to the creation of a complex of regenerative life-support systems for inhabited space stations. Heads of the reports of the 9th International Conference «Aviation and Cosmonautics — 2010»]. November 2010, Moskva. Saint-Petersburg: Masterskaya pechati publ., 2010. P. 145-146.
10. GOST R 50804-95 Sreda obitaniya kosmonavta v pilotiruemom kosmicheskom apparate. Obshchie mediko-tekhnicheskie trebovaniya [Cosmonaut habitat in a manned spacecraft. General medical and technical requirements]. Moscow, Gosstandart Rossiipubl., 1995. 118p.
11. Bobe L.S., Kochetkov A.A., Samsonov N.M., Romanov S.Yu., Andreichuk P.O., Zheleznyakov A.G., Sinyak Yu.E. Kosmicheskie sistemy zhizneobespecheniya: regeneratsiya vody na kosmicheskikh stantsiyakh [Space life-support systems: water regeneration on space stations]. Inzhenernaya ekologiya, 2013, no. 2( 110), pp. 34-50.
12. Christopher M. The audacious plan to end hunger with 3D printed food. Quartz. NASA-funded research. 20 May 2013.
13. Harvey F. Artificial meat could slice emissions, say scientists. The Guardian. Monday, 20 June 2011.
14. Mukhamedieva L.N., Guzenberg A.S., Mikos K.N. Vrednye primesi v atmosfere obitaemykh kosmicheskikh stantsii [Harmful impurities in the atmosphere of inhabited space stations]. Izvestiya RAN. Energetika, 2006, no. 1, pp. 31-49.
15. Kubasov V.N., Zaitsev E.N., Korsakov V.A., Gusenberg A.S., Lepsky A.A. Regenerative life support system development problems for the Mars missions. Acta Astronautica, 1991, vol. 23, pp. 271-274.
16. Meleshko G.I., Shepelev E.Ya., Averier M.M., Volk T. Biologicheskie sistemy zhizneobespecheniya cheloveka. In: Kosmicheskaya biologiya i meditsina. Obitaemost' kosmicheskikh letatel'nykh apparatov [Biological life-support systems for man. In: Space Biology and Medicine. Inhabitability of space flight vehicles]. M. - Vashington: Nauka-A1AA publ., 1994. Vol. 2, ch. 16, pp. 502-518.
17. Sychev V.N. Issledovanie vliyaniya nevesomosti na biologicheskie ob"ekty — zven'ya zamknutykh ekologicheskikh sistem zhizneobespecheniya i sozdanie tekhnologii ikh kul'tivirovaniya: Dissertatsiya na soiskanie uchenoi stepeni doktora biologicheskikh nauk. GNTs RF IMBP RAN [Investigation of the weightlessness effect on biological objects - links of the closed-cycle ecological life-support systems and the development of technology for their cultivation. Thesis for a doctor's degree in biological science. State Scientific Center of the Russian Federation of RAS IBMP]. Moscow, 2000.
18. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Sinyak Yu.E., Smolyanina S.O., Grigor'ev Yu.I., Romanov S.Yu., Guzenberg A.S. Problema sozdaniya salatnoi oranzherei dlya mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii i posleduyushchikh mezhplanetnykh poletov [The problem of creating a salad greenhouse for the International Space Station and the subsequent interplanetary flights]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2002, vol. 36, no. 5, pp. 8-12.
19. Berkovich Yu.A., Krivobok N.M., Smolyanina S.O., Erokhin A.N. Kosmicheskie oranzherei: nastoyashchee i budushchee [Space greenhouses: the present and the future]. Moscow, Firma «Slovo» ltd. publ., 2005. 367p.
20. Drysdale A., Hanford A. Advanced life support research and technology development metric - baseline. CTSD-AD-384. JSC NASA 39503, November 1999.
