CC BY
7УДК 629.78.046.7:648.23
ПЕРСПЕКТИВНАЯ СИСТЕМА САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОДЕЖДЫ НА БОРТУ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
© 2016 г. Глебов И.В., Железняков А.Г., Романов С.Ю., 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: [email protected]
Статья посвящена рассмотрению вопросов введения в комплекс систем жизнеобеспечения экипажа пилотируемого космического модуля оборудования для санитарно-гигиенической обработки средств личной гигиены и предметов одежды космонавтов. Предложена перспективная технология для разработки такой системы, рассмотрены варианты схем ее реализации в пилотируемом космическом модуле, определены преимущества и недостатки каждой из предложенных схем. Предлагаемая технология санитарно-гигиенической обработки средств личной гигиены и предметов одежды космонавтов на борту пилотируемого космического модуля позволит существенно уменьшить массу и объем доставляемых грузов. Кроме того, наличие в составе комплекса систем жизнеобеспечения такого оборудования увеличит степень замкнутости этого комплекса.
Ключевые слова: пилотируемый космический модуль, комплекс систем жизнеобеспечения, средства личной гигиены, степень замкнутости комплекса.
ADVANCED GARMENT WASHING SYSTEM ONBOARD
THE MANNED SPACE MODULE
Glebov I.V., Zheleznyakov A.G., Romanov S.Yu., 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:[email protected]
The paper considers the issues of using equipment for sanitary and hygiene processing (washing) of astronauts' personal hygiene items and garment as part of the crew life support systems complex of the manned space module. An advanced technology to develop a sanitary and hygiene processing system for astronauts' personal hygiene items and garment is proposed, options of its design concepts to be implemented in the manned space module are addressed, advantages and disadvantages of each proposed concept are identified. The proposed technology of sanitary and hygiene processing of astronauts' personal hygiene items and garment onboard the manned space module will make it possible to significantly reduce the mass and volume of delivered cargo. The use of equipment for sanitary and hygiene processing (washing) of astronauts' personal hygiene items and garment within the life support systems complex will increase the degree of the complex enclosure.
Key words: manned space module, life support systems complex, personal hygiene items, degree of the complex enclosure.
ГЛЕБОВ И.В.
ЖЕЛЕЗНЯКОВ А.Г.
РОМАНОВ С.Ю.
РЯБКИН А.М.
ГЛЕБОВ Игорь Васильевич — заместитель начальника отделения РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
GLEBOV Igor Vasil'evich — Deputy Head of Division at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЖЕЛЕЗНЯКОВ Александр Григорьевич — руководитель НТЦ РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
ZHELEZNYAKOV Alexander Grigor'evich — Head of STC at RSC Energia, e-mail: [email protected]
РОМАНОВ Сергей Юрьевич — кандидат технических наук, генеральный конструктор пилотируемых космических комплексов РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
ROMANOV Sergey Yur'evich — Candidate of Science (Engineering), General Designer of manned space systems at RSC Energia, e-mail: [email protected]
РЯБКИН Александр Моисеевич — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
RYABKIN Alexander Moiseevich — Candidate of Science (Engineering), Lead Research Scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
введение
По мере развития пилотируемой космонавтики, увеличения длительности полетов, начала полетов за пределами низких околоземных орбит, длительных автономных полетов, появления перспективы создания лунных и марсианских баз все большую актуальность приобретает задача разработки комплекса систем жизнеобеспечения (КСЖО) экипажа с максимальной степенью замкнутости [1].
Одним из проблемных вопросов является обеспечение экипажа средствами личной гигиены (СЛГ) и предметами одежды. Грузопоток СЛГ, белья и одежды для обеспечения трех членов экипажа околоземной космической станции в течение года — до 3 400 дм3 по объему, до 660 кг по массе, что составляет значительную часть общего грузопотока в рамках транспортно-технического обслуживания Международной космической станции.
При решении аналогичной задачи для долговременной лунной базы или межпланетной экспедиции проблема становится еще более актуальной. Так, для двухлетнего полета к Марсу при экипаже шесть человек масса СЛГ и предметов одежды может составить около трех тонн, а объем — до 14 м3.
Анализ показывает, что столь значительное количество СЛГ и предметов одежды обусловлено не их широкой номенклатурой, а необходимостью иметь запас одинаковых изделий с малым ресурсом, связанной с невозможностью их повторного использования вследствие биологического загрязнения.
Наличие в составе КСЖО оборудования для гигиенической обработки (стирки) способно существенно уменьшить запасы СЛГ
и предметов одежды за счет их очистки на борту и последующего многократного использования. Максимальная экономия может быть достигнута при многократном использовании средств гигиены с малым ресурсом, но большими суммарной массой и объемом.
перспективная технология санитарно-гигиенической обработки одежды в космосе
Использование традиционных методов стирки потребует наличия дополнительных запасов воды (из-за ее потерь при регенерации мыльного раствора). При условии возврата в цикл стирки не менее 95% очищенной воды ее потери составят 0,2...0,5 кг за процесс стирки.
Поэтому наиболее перспективной представляется санитарно-гигиеническая обработка СЛГ и предметов одежды с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии. Главным преимуществом использования диоксида углерода является то, что это не доставляемый ресурс, а продукт жизнедеятельности экипажа, значительная часть которого подлежит утилизации.
Сверхкритическое состояние вещества — четвертая форма агрегатного состояния, в которую способны переходить многие органические и неорганические вещества при достижении определенной температуры и давления.
Точка, в которой происходит такой переход, называется критической, а состояние вещества, находящегося выше этой точки — сверхкритическим. В связи с тем, что внешне оно напоминает жидкость, в применении к нему сейчас используется специальный термин — сверхкритический флюид (от английского
слова fluid, т. е. «способный течь»). В современной литературе принято сокращенное обозначение сверхкритических флюидов — СКФ [2].
С конца 1980 гг. в промышленности все большее применение находят технологии с использованием газов в сверхкритическом состоянии для растворения органических соединений. Наиболее широко стали применять СО2 в сверхкритическом состоянии, который является растворителем широкого круга органических соединений с высоким коэффициентом диффузии. Он легко проникает в глубинные слои различных твердых веществ и материалов. Диоксид углерода стал лидером в мире сверхкритических технологий, поскольку обладает целым комплексом преимуществ. Перевести его в сверхкритическое состояние достаточно легко (t = 31 °С, ркр = 73,8 атм), кроме того, он не токсичен, не горюч, не взрывоопасен. При переводе диоксида углерода из сверхкритического состояния в газообразное или жидкое растворенные в нем органические вещества выделяются и могут быть утилизированы.
Свойства сверхкритического СО2 как растворителя можно регулировать — при повышении давления его растворяющая способность увеличивается [3].
Диоксид углерода, который выделяется космонавтом со скоростью ~480 нл/чел. в сутки, будет удаляться из атмосферы станции системой переработки диоксида углерода (СПДУ) и накапливаться в емкости для хранения СО2. Из емкости для хранения диоксида углерода ~63% газа поступает в блок гидрирования для переработки, а оставшийся диоксид углерода (~0,33 кг/чел. в сутки) сбрасывается в вакуум [4].
В сутки на поверхности СЛГ и одежды скапливается сухой остаток органических примесей в количествах: слизь — 0,4 г, слюна — 0,01 г, пот — 3,0 г, слущенный эпителий — 3,0 г, выпавшие волосы — до 0,14 г [5].
Без учета слущенного эпителия и выпавших волос, которые должны быть удалены пылесосом перед загрузкой в камеру обработки одежды, суммарный вес органических примесей не превысит 3,41 г/чел. в сутки.
Схемы реализации системы в пилотируемом космическом модуле
Процесс санитарно-гигиенической обработки СЛГ и предметов одежды может быть представлен в следующей последовательности операций:
• удаление твердых частиц с использованием пылесоса;
• загрузка в камеру обработки;
• сушка предметов в камере обработки при температуре ~100 °С для удаления адсорбированной влаги;
• заполнение камеры обработки СКФ под давлением ~80 кгс/см2 и при температуре не менее 32 °С;
• выдержка в течение времени, необходимого для растворения органических примесей в СКФ;
• замещение СКФ с растворенными органическими веществами чистым СКФ. Количество чистого СО2 в сверхкритическом состоянии не менее одного свободного объема камеры (ламинарный процесс замещения) и не более трех объемов (турбулентный процесс замещения);
• снижение давления в камере обработки до давления в отсеке пилотируемого космического модуля (ПКМ);
• извлечение СЛГ и предметов одежды из камеры обработки.
Количество СКФ, необходимое для замещения отработанного СКФ в камере обработки (операция № 6), определяет вариант схемы системы санитарно-гигиенической обработки СЛГ и предметов одежды.
Замкнутая схема (рис. 1), в которой СКФ после удаления из него растворенных органических примесей снова поступает в емкость-ресивер для хранения и для дальнейшего использования в процессе санитарно-гигиенической обработки следующей партии. После загрузки СЛГ и предметов одежды камера обработки продувается горячим воздухом для удаления адсорбированной воды. Затем свободный объем камеры обработки заполняется СО2 в сверхкритическом состоянии из емкости-ресивера при включенном компрессоре. После завершения процесса санитарно-гигиенической обработки СКФ проходит через:
• дроссель, для перевода его в газообразное состояние;
• фильтр, для сбора органических примесей;
• нагреватель, обеспечивающий отсутствие жидкой фазы диоксида углерода;
• компрессор, который закачивает СО2 в емкость-ресивер, где он хранится в сверхкритическом состоянии.
Вместе с извлеченными из камеры обработанными вещами оставшийся диоксид углерода сбрасывается в отсек ПКМ. Потери СО2 в системе компенсируются СПДУ. Фильтрующий элемент в системе заменяется после достижения заданного значения перепада давления, контролируемого соответствующим датчиком.
Ф 17 16 15
Рис. 1. Замкнутая схема системы: 1 — емкость хранения диоксида углерода; 2 — емкость-ресивер; 3, 4, 5, 7, 9, 14, 15 — электропневмоклапаны; 6 — компрессор; 8 — датчик давления; 10, 19 — нагреватель; 11 — вентилятор; 12 — камера обработки; 13 — вакуумный насос; 16 — дроссель; 17 — фильтр; 18 — датчик перепада давления
Примечание. СПДУ — система переработки диоксида углерода.
Разомкнутая схема (рис. 2), в которой отработанный СКФ с растворенными органическими примесями выбрасывается в космическое пространство при одновременной продувке камеры чистым СО2 в сверхкритическом состоянии. В случае реализации ламинарного процесса продувки камеры, 50% собранного в процессе накопления между последующими стирками диоксида углерода расходуется на продувку камеры. При экипаже три человека и периодичности стирки каждые четыре дня количество СКФ для заполнения камеры и продувки будет составлять 10,5 л (4,2 кг).
Рис. 2. Разомкнутая схема системы: 1 — емкость хранения диоксида углерода; 2, 4, 5, 8, 12, 13 — электропневмоклапаны; 3 — компрессор; 6 — емкость-ресивер; 7 — датчик давления; 9 — нагреватель; 10 — вентилятор; 11 — камера обработки; 14 — безмоментный сопловый насадок
Примечание. ПКМ — пилотируемый космический модуль; СПДУ — система переработки диоксида углерода.
Основным преимуществом разомкнутой схемы является упрощенная пневмогидрав-лическая схема (отсутствие блока очистки диоксида углерода, меньшее количество клапанов и т. д.) и, как следствие, простота и надежность, меньшее энергопотребление
оборудования. Основным недостатком является повышенный расход диоксида углерода.
Выбор схемы, технический облик оборудования и ожидаемые нормы расхода диоксида углерода должны быть обоснованы на этапе разработки технических предложений.
Заключение
Предложенная технология санитарно-гигиенической обработки СЛГ и предметов одежды космонавтов на борту ПКМ позволит существенно уменьшить массу и объем доставляемых грузов. Наличие в составе КСЖО оборудования для гигиенической обработки (стирки) увеличит степень замкнутости комплекса.
Основными вопросами, которые должны быть решены при разработке оборудования для санитарно-гигиенической обработки СЛГ и предметов одежды космонавтов с использованием диоксида углерода в сверхкритическом состоянии, являются следующие:
• определение состава загрязнителей и необходимой степени очистки СЛГ и предметов одежды для их повторного использования;
• целесообразность использования сверхкритического СО2 для стирки (степень растворимости жиров и других загрязнителей);
• устойчивость и ресурс СЛГ и предметов одежды при обработке их СО2 в сверхкритическом состоянии;
• выбор схемы (замкнутая или разомкнутая), разработка оптимальной пневмоги-дравлической схемы;
• надежность и резервирование оборудования для длительного автономного полета;
• анализ безопасности размещения на борту ПКМ оборудования с высоким давлением.
Список литературы
1. Романов С.Ю., Гузенберг А.С. Космические системы жизнеобеспечения: основные требования к разработке средств жизнеобеспечения экипажей длительных космических экспедиций // Инженерная экология. 2013. № 2. С. 2-15.
2. Поляков В.Н., Баграташвили В.Н. Сверхкритические среды: новые реакции и технологии // Российский химический журнал. 1999. Т. 43. № 2. С. 25-28.
3. Леменовский Д.А., Баграташвили В.Н. Сверхкритические среды. Новые химические реакции и технологии // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 10. С. 36-41.
4. Глебов И.В., Курмазенко Э.А., Романов С.Ю., Железняков А.Г. Прогнозирование функционирования перспективной системы обеспечения газового состава для длительных пилотируемых космических полетов // Труды МАИ. 2014. № 73. С. 5-8.
5. ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М.: Госстандарт, 1995. С. 60. Статья поступила в редакцию 10.04.2015 г.
Reference
1. Romanov S.Yu., Guzenberg A.S. Kosmicheskie sistemy zhizneobespecheniya: osnovnye trebovaniya k razrabotke sredstv zhizneobespecheniya ekipazhei dlitel'nykh kosmicheskikh ekspeditsii [Space life support systems: Key requirements for developing crew life support systems for long-duration space missions]. Inzhenernaya ekologiya, 2013, no. 2, pp. 2-15.
2. Polyakov V.N., Bagratashvili V.N. Sverkhkriticheskie sredy: novye reaktsii i tekhnologii [Supercritical fluids: new reactions and technologies]. Rossiiskii khimicheskii zhurnal, 1999, vol. 43, no. 2, pp. 25-28.
3. Lemenovskii D.A., Bagratashvili V.N. Sverkhkriticheskie sredy. Novye khimicheskie reaktsii i tekhnologii [Supercritical fluids. New chemical reactions and technologies]. Sorosovskii obrazovatel'nyi zhurnal, 1999, no. 10, pp. 36-41.
4. Glebov I.V., Kurmazenko E.A., Romanov S.Yu., Zheleznyakov A.G. Prognozirovanie funktsionirovaniya perspektivnoi sistemy obespecheniya gazovogo sostava dlya dlitel'nykh pilotiruemykh kosmicheskikh poletov [Predicting the functional performance of an advanced environmental support system for long-duration manned space flight]. Trudy MAI, 2014, no. 73, pp. 5-8.
5. GOSTR 50804-95 Sreda obitaniya kosmonavta v pilotiruemom kosmicheskom apparate. Obshchie mediko-tekhnicheskie trebovaniya [Crew Habitable Environment in a Manned Spacecraft. General medical and technical requirements]. Moscow, Gosstandartpubl., 1995. P. 60.
