CC BY
37УДК 629.78.048
расходные характеристики систем очистки атмосферы от диоксида углерода в условиях гермообъема космической станции
© 2020 г. гузенберг A.C., телегин A.A., Юргин А.в.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: [email protected]
Очистка атмосферы гермообъемов долговременных космических станций от диоксида углерода (СО2) является одним из основных вопросов жизнеобеспечения космонавтов, поскольку каждый человек в среднем выделяет в сутки 480 л СО2 (~1 кг). Хотя СО2 является одним из газов, необходимых для дыхания человека, его уровень следует поддерживать в атмосфере гермоообъема ниже нормативов, превышение которых делает СО2 вредной для человека газовой примесью. При этом следует учесть, что в настоящее время установленные нормативы содержания СО2 в атмосфере космической станции не являются научно обоснованными.
Основным параметром системы очистки, определяющим содержание СО2 в атмосфере гермообъема космической станции, является эффективный расход очищаемого воздуха через систему его очистки. Установлено, что для очистки атмосферы необходимо выполнить два требования: подвести воздух с необходимым расходом к системе очистки (это требование одинаково для всех типов систем) и обеспечить необходимую эффективность системы очистки для удаления примеси.
Определена формула для расчета эффективного расхода через систему очистки атмосферы, позволяющая не только рассчитать необходимый расход через систему очистки, но и сравнить эффективность работы систем разных типов. Установлено, что наиболее эффективной системой очистки атмосферы от СО2 является сорбционная система, как обладающая наибольшей поверхностью поглощения при прочих равных условиях и, следовательно, наибольшим коэффициентом эффективности.
Ключевые слова: космическая станция, диоксид углерода, очистка атмосферы, нормативы содержания СО2, эффективный расход воздуха, формула расчета, коэффициент эффективности, адсорбционная система очистки атмосферы от СО2.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-1-23-33
flow characteristics of systems for carbon dioxide scrubbing from the atmosphere in the pressurized volume
of a space station
Guzenberg A.S., Telegin A.A., Yurgin A.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:[email protected]
Carbon dioxide (C02) scrubbing from pressurized volumes of long-term space stations is one of the most critical aspects of crew life support, since each person, on average, releases 480 liters of C02 (~1 kg) per day. Meanwhile, C02 is one of the gases required for human breathing, but at the same time its content in the atmosphere
of the pressurized cabin must be kept below established standards, exceedance of which makes C02 a contaminant harmful to humans. It should also be taken into account that at present the established standards for C02 content in the space station atmosphere are not based on scientific research.
The key parameter of the scrubbing system, which determines the C02 content in the atmosphere of the space station pressurized cabin, is the effective flow rate of the scrubbed air through the system. It was established that in order to scrub the atmosphere, two requirements must be met: 1) supply the required air flow rate to the scrubbing system (this requirement applies to all types of the system); 2) provide the required efficiency of the scrubbing system for the contaminant removal.
A formula has been derived for calculating the effective flow rate through the air scrubbing system, allowing not only to calculate the necessary charge through system of clearing, but also which makes it possible to compare performances of various types of systems. It was established that the most efficient system for scrubbing C02 from the air is the sorption system, since it has the largest absorption surface, all other conditions being equal, and, therefore, it has the highest efficiency factor.
Key words: space station, carbon dioxide, air scrubbing, standards for C02 content, effective airflow rate, calculation formula, efficiency factor, absorption system for scrubbing C02 from air.
ГУЗЕНБЕРГ А.С.
ТЕЛЕГИН А.А.
ЮРГИН А.В.
ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: [email protected] GUZENBERG Arkadiy Samuilovich — Candidate of Science (Engineering), Senior research scientist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ТЕЛЕГИН Александр Анатольевич — ведущий специалист РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
TELEGIN Aleksandr Anatolyevich — Lead specialist at RSC Energia, e-mail: [email protected]
ЮРГИН Алексей Викторович — ведущий инженер-математик РКК «Энергия», e-mail: [email protected] YURGIN Aleksey Viktorovich — Lead engineer-mathematician at RSC Energia, e-mail: [email protected]
Введение
Человек выделяет среднесуточно 20 л/ч (40 г/ч) и ежесуточно — ~1 кг диоксида углерода (СО2), который является одним из газов, необходимых для дыхания. Это вещество постоянно вырабатывается в каждой клетке организма как конечный продукт окисления
углеводородов (в основном — глюкозы). СО2 выделяется из организма через легкие, на пути к легким СО2 некоторое время находится в крови, играя при этом роль естественного регулятора просвета артериол (мелкие артерии, по току крови непосредственно предшествующие капиллярам), сдерживая их сужение и расширяя их. Без присутствия
диоксида углерода кислород не может высвободиться из связанного состояния с гемоглобином (эффект Вериго - Бора), что приводит к кислородному голоданию организма даже при высокой концентрации кислорода в крови [1, 2].
Процесс удаления СО2 из организма через легкие регулируется дыхательным центром в головном мозгу человека, увеличивая или уменьшая темп дыхания (количество вдохов-выдохов). Главным физиологическим стимулом дыхательных центров является диоксид углерода. При увеличении темпа дыхания количество поступающего кислорода и, следовательно, его концентрация в альвеолах легких и крови увеличиваются, а СО2 вымывается из легких, и его концентрация в альвеолах легких и в крови уменьшается. При уменьшении темпа дыхания все происходит в обратном порядке [2, 3].
Содержание СО2 в альвеолах легких человека составляет ~40 мм рт. ст. У здоровых людей в каждый момент времени уровень вентиляции легких (частота и глубина дыхания) таков, что СО2 удаляется из организма в таком количестве, чтобы его содержание всегда оставалось в артериальной крови в пределах 46-49 мм рт. ст. (6,0-6,5% об.) [2].
СО2 становится вредной примесью для человека только тогда, когда его содержание в артериальной крови превышает верхний допустимый уровень 6,5% (49 мм рт. ст.), что, вероятно, соответствует его содержанию в воздухе более 1,3% (10 мм рт. ст.).
Нормальная концентрация СО2 в артериальной крови человека препятствует стойкому повышению артериального давления, повышение это является естественной компенсаторной реакцией мозга на ухудшение мозгового кровообращения вследствие сужения артериол. Повышая артериальное давление, мозг защищает себя от угрозы инсульта, но повышает нагрузку на сердце. Пониженный уровень СО2 в артериальной крови создает постоянный спазм артериол — артериальную гипертонию, порождающую гипертоническую болезнь [3].
В молодом возрасте человек сравнительно много двигается, интенсивность его дыхания соответствует физиологическим нормам и в состоянии покоя составляет 2-4 л/мин. С возрастом, вследствие стрессов и малоподвижного образа
жизни, интенсивность дыхания постепенно увеличивается, и к 50-60 годам у большинства людей уже составляет 8-12 л/мин, превышая норму в два-три раза. Избыточная вентиляция легких приводит к избыточному вымыванию из артериальной крови СО2. Например, при интенсивности дыхания 10 л/мин в состоянии покоя в артериальной крови содержится ~4% СО2 (~30 мм рт. ст.), что и приводит к гипертонии. В условиях земной атмосферы с возрастом содержание СО2 в альвеолах легких и крови человека уменьшается, при падении до 3,5% (~27 мм рт. ст.) из-за сужения капилляров человеку угрожает инсульт и инфаркт [3].
Содержание диоксида углерода в атмосфере обитаемых космических объектов
Системы жизнеобеспечения экипажей (СЖО), основанные только на запасах продуктов, используемые в первых полетах, крайне неэкономичны при длительных космических полетах из-за объемных и массовых ограничений. Поэтому в настоящее время разработаны и используются на космических станциях регенерационные физико-химические СЖО на основе продуктов жизнедеятельности человека, в частности, система очистки от СО2 [4].
Принципиальная схема российской системы «Воздух» очистки от СО2 атмосферы космической станции «Мир» и Международной космической станции (МКС) с регенерируемыми поглотителями представлена на рис. 1. Система работает следующим образом. Воздух прокачивается вентилятором через перекидной клапан и через осушительный фильтр блока осушки, где разогревается, далее охлаждается в газожидкостном теплообменнике обратным потоком из блока очистки и жидкостным контуром системы терморегулирования и поступает на очистку в один из фильтров блока очистки. Далее через блок вакуумных клапанов очищенный от СО2 воздух снова проходит через газожидкостный теплообменник, где подогревается и через перекидной клапан поступает в нагреватель, а затем — во второй осушительный фильтр, из которого выносит влагу в атмосферу станции (так называемая «обратная продувка»).
Рис. 1. Структурная схема системы очистки атмосферы от СО2 «Воздух»: АВК1—АВК3 — аварийные вакуумные клапаны; АВК-СОА — аварийный вакуумный клапан системы; БВК1—БВК3 — блок вакуумных клапанов; БОА — блок очистки атмосферы; БПО — блок предварительной осушки; В — микронагнетатель; ВН — вакуумный насос; ГЖТА — газожидкостный теплообменный агрегат; КП — клапан предохранительный; ОС1, ОС2 — осушительные фильтры; ПКО — перекидной клапан; ПП1-ПП3 — поглотительные фильтры; СТР — система терморегулирования; Ф1, Ф2 — фильтр механический; ЭН1, ЭН2 — электронагреватель
В это время второй фильтр очистки через блок вакуумных клапанов подключается к забортному вакууму и регенерируется от СО2 без подогрева. Перед подключением поглотительного фильтра к забортному вакууму вакуумный насос через предохранительный клапан обеспечивает откачку в атмосферу модуля газовой смеси из внутренней полости этого фильтра. Далее происходит переключение перекидного клапана и блока вакуумных клапанов. Воздух поступает во второй осушительный фильтр, который охлаждается проходящим воздухом и поглощает из него влагу. Далее воздух проходит через газожидкостный теплообменник и блок вакуумных клапанов и поступает во второй отрегене-рированный фильтр очистки, после чего через газожидкостный теплообменник, перекидной клапан и нагреватель возвращается в первый фильтр осушки, вынося из него влагу. Циклы очистки и регенерации могут изменяться по времени (10, 20, 30 мин), меняя производительность системы. В состав блока очистки включен третий фильтр очистки, который может работать как в горячем резерве, так и одновременно с другим фильтром очистки, увеличивая эффективность системы. От несанкционированного подключения к вакууму, помимо вакуумных клапанов, система защищена двумя
последовательно установленными аварийными вакуумными клапанами, которые закрываются как автоматически, так и вручную, и открываются вручную. В дальнейшем диоксид углерода будет собираться и перерабатываться для получения кислорода [4-6].
Требуемое удаление большого количества СО2 — 1 кг/(чел-сут) — при поддержании его допустимого содержания в атмосфере является одним из основных вопросов создания атмосферы обитаемых космических объектов. От этого параметра зависит расход очищаемого от выделяемого людьми СО2 воздуха, прокачиваемого через систему очистки атмосферы обитаемого космического объекта. Расход очистки является основной характеристикой этой системы, определяющей все ее параметры [4-6].
Данные по допустимому содержанию СО2 в гермообъемах были получены при многочисленных наземных экспериментах в герметичных камерах с людьми и отражены в российских и американских нормативах. Российский норматив при продолжительности полета до одного года по содержанию СО2 составляет среднесуточно не более 6,0 мм рт. ст. (0,8%) [1], американский норматив — в среднем за пять суток — не более 5,3 мм рт. ст. (0,7%) при полете до 180 сут. [7]. Эти величины более чем на порядок превышают величины
в чистой земной атмосфере (0,23 мм рт. ст. или 0,03%), их допустимость связана прежде всего с барьером СО2 в легких человека (как указывалось выше, содержание СО2 в альвеолах легких человека составляет ~40 мм рт. ст.).
На борту космической станции при повышенном по отношению к земному содержании СО2 для сохранения его концентрации в альвеолах легких человека на уровне 40 мм рт. ст. по команде дыхательного центра в головном мозгу возрастает интенсивность дыхания для вымывания поступающего излишка СО2. Чем выше концентрация СО2 в атмосфере станции, тем чаще дыхание для поддержания 40 мм рт. ст. в альвеолах (при 1%, т. е. при 7,6 мм рт. ст., частота дыхания увеличивается не более, чем на 12%), а при достижении каких-то больших (в настоящее время не определенных) величин содержания СО2 в атмосфере частоты (и глубины) дыхания человека не хватает. Содержание СО2 сначала возрастает более 40 мм рт. ст. в альвеолах легких, затем возрастает в крови, и СО2 начинает действовать как вредная примесь. При кратковременном повышении в замкнутых герметических кабинах концентрации СО2 до 5-8% у обследуемых наблюдалось увеличение легочной вентиляции в семь-восемь раз [2].
При полетах на МКС до 2008 г. при содержании СО2 в ее атмосфере 5,0-6,0 мм рт. ст. жалоб космонавтов на самочувствие, связанных с содержанием диоксида углерода, практически не поступало в соответствии с устными отчетами экипажей [5]. Однако после этого периода головную боль, возникающую у отдельных членов американских экипажей, стали связывать не с невесомостью, из-за которой увеличивается прилив крови к головному мозгу, а с указанным выше содержанием СО2 в атмосфере станции. В результате американская система очистки была переведена в режим поддержания в атмосфере станции уровня СО2 сначала не более 4 мм рт. ст., а затем — не более 3 мм рт. ст. (обеспечивается совместно с российской системой очистки «Воздух») [4, 5].
Низкое содержание СО2 в атмосфере МКС достигается в т. ч. снижением температуры воздуха, поступающего в американскую систему очистки, за счет снижения температуры низкотемпературного контура системы терморегулирования
Американского сегмента МКС до уровня 2,3-6,7 °С, что привело к сбору 70% конденсата атмосферной влаги в Американском сегменте и к периодическому уменьшению относительной влажности в атмосфере станции менее нижнего допустимого предела, который равен 30%.
Подгруппа по качеству атмосферы Международной многосторонней группы медицинских операций МКС в результате констатировала в своем протоколе в 2017 г., что в настоящее время нет согласованных научно обоснованных нормативов по содержанию СО2 в атмосфере космических объектов, и что для их обоснования нужны дальнейшие научные исследования [8].
методика расчета расхода воздуха через систему очистки атмосферы от Со2
В равновесном состоянии содержание газовой примеси в атмосфере герметичного модуля при заданном выделении этой примеси не зависит от объема модуля и начального содержания газовой примеси и определяется формулой [9]:
ср = я/с^
(1)
где С
р
газовой
— равновесная концентрация составляющей
з атмосфере; Со — расход воздуха через систему очистки (расход очистки) для удаления газовой составляющей, м3/ч; я — поступление газовой составляющей в атмосферу модуля, м3/ч.
Преобразовав выражение (1), получаем формулу для определения расхода очистки:
С = Я/Ср. (2)
Чем более низкое содержание газовой примеси в атмосфере требуется поддерживать при ее постоянном выделении, тем больше должен быть расход очистки. При требовании очистки атмосферы до нулевого содержания примеси при ее выделении в гермомодуле расход воздуха через систему очистки должен быть равен бесконечности, как следует из формулы (2).
Для очистки воздуха необходимо выполнить два требования:
• подвести воздух с необходимым расходом к системе очистки (это требование одинаково для всех типов систем);
• обеспечить необходимую эффективность системы очистки для удаления примеси.
Реально за один проход воздуха через систему очистки примесь полностью не удаляется — выходящий из оборудования поток воздуха имеет меньшую концентрацию примеси, чем входящий (имеет место «проскок», при адсорбционной очистке проскок наступает через определенное время). С учетом проскока формула принимает следующий вид:
С = д/О + КС^ (3) ,
где К = С /С — коэффициент инте-
^ п вых вх Т Т
грального проскока (средняя интегральная величина проскока за ограниченный промежуток времени); Свых — концентрация примеси на выходе из слоя поглотителя; С — на входе в слой поглотителя (С = С ).
вх ^ V вх р'
Следует отметить, что проскок с допущением считается интегральным для больших гермообъемов космических станций. Для гермообъемов транспортных кораблей требуется учитывать постепенное увеличение проскоковой концентрации по времени цикла. Для этого используются как экспериментальные данные, так и формулы для расчетов выходной кривой концентрации в зависимости от типов адсорбентов и удаляемых веществ [10].
Ср = 4/[С(1 - Кп)]; (4)
С = 4/СрКэф; (5)
Кэф = (1 - К) (6)
где Кэф — коэффициент эффективности расхода воздуха через систему очистки.
Как следует из формул (2) и (4), концентрация СО2 определяется подводимым к системе расходом воздуха для поддержания ее на необходимом уровне, а наличие проскока приводит к увеличению требуемого расхода. При этом для определения эффективности системы очистки не требуется гермокамерных испытаний, достаточно измерения содержания очищаемого вещества в воздухе на выходе из системы.
Для сравнения систем различных типов, имеющих разные коэффициенты проскока, перейдем к формуле эффективного расхода, исключив влияние проскока:
Соэф = СоКэф — очищающий (7) эффективный расход (действующий).
Получаем аналоги формул (1) и (2):
Ср = д/О,
оэф
Ооэф д/Ср.
(8) (9)
Как видно из формулы (9), концентрация примеси (в нашем случае — диоксида углерода) не зависит от объема
очистки, от типа системы очистки, а зависит от эффективного расхода воздуха через эту систему.
Коэффициент эффективности следует определять экспериментально при разных концентрациях, так как его величина изменяется для любой системы в зависимости от концентрации газовой примеси (для адсорбентов эта зависимость самая большая).
Полученные формулы универсальны не только для удаления химических и механических примесей из атмосферы гермообъемов, но и для удаления любых выделяющихся или поступающих продуктов из любой герметичной среды.
Эффективность адсорбционных систем очистки атмосферы гермообъемов
Следует отметить, что использование адсорбентов — практически единственный способ, позволяющий получить Кэф = 1, т. е. самую эффективную систему с минимальным расходом воздуха за счет увеличения количества адсорбента или уменьшения цикла очистки. Это связано с тем, что адсорбенты имеют на порядок большую площадь поверхности, необходимую для реакции с удаляемым веществом, по сравнению с другими способами [11, 12], при применении которых будет постоянный большой проскок. К тому же, в остальных способах (фотокатализ, вымораживание, электрохимия), особенно при увеличении расхода, необходима установка перед системами пыле-сборников (что не требуется для сорбентов). При этом увеличение расхода из-за больших проскоков приводит к увеличению массы оборудования, электропотребления, усилению шума вентиляторов.
Поэтому можно сделать вывод, что работавшие на станции «Мир» и работающие на МКС адсорбционные системы очистки от примесей в атмосфере гермо-отсеков — самые экономичные по массе, расходу воздуха, энергопотреблению, шуму вентиляторов, самые простые, надежные и отработанные по конструкции [5, 11-13].
Выбор расходных характеристик систем очистки атмосферы гермообъемов
Изменение концентрации СО2 во время полета в атмосфере модулей при современных объемах космических станций на одного человека и системах
очистки, рассчитанных на среднесуточ-
ное выделение СО2
характеризуется
повторяющейся практически ежесуточно квазистационарной конфигурацией концентрации, зависящей от «дня»/«ночи» и физических упражнений [9]. Максимальный диапазон перепада концентраций может достигать величин более 1,0 мм рт. ст. относительно модуля, в котором установлены системы очистки. Это ведет к превышению нормативов при расчете расхода системы по среднесуточному выделению СО2.
В то же время, увеличение эффективности системы очистки атмосферы (уменьшение проскока или увеличение расхода) позволяет уменьшить как перепад концентраций, так и пиковую концентрацию. В связи с этим рекомендуется расход системы очистки с целью его увеличения, в соответствии с формулами (2) и (9), определять не по среднесуточному выделению человека (20 л/ч), а по среднедневному (25 л/ч) — без учета сна и с учетом физических упражнений [9].
Учитывая технические и организационные требования и отсутствие научно обоснованного норматива по содержанию СО2 в атмосфере для космических полетов, предлагается проектировать систему очистки атмосферы космических объектов от СО2 с расходом не менее 12,5 м3/ч на одного человека и с Кэф не менее 0,50 (50%) на основном режиме (при коэффициенте 0,63 этот расход составит 10 м3/ч). При проектировании системы на трех человек рекомендуемый необходимый расход составит 37,5 м3/ч. Такая система позволит поддерживать содержание СО2 в атмосфере не более 3,0 мм рт. ст. на основном режиме. На форсированном режиме при аварийном выбросе СО2 необходимо либо увеличить расход воздуха через систему очистки (но одновременно увеличится проскок СО2, что приведет к уменьшению Кэф и необходимости уменьшения времени цикла очистки), либо использовать более эффективный метод — подключить параллельно дополнительный регенерируемый фильтр (одновременно уменьшится проскок СО2), что приведет к увеличению Кэф. Второй метод является более предпочтительным.
В случае недостаточной внутренней кинетики адсорбента, когда он первоначально работает с большим проскоком при допустимых габаритах фильтра, идут на значительное увеличение расхода через
систему очистки. При этом последняя часть цикла очистки проходит с полным проскоком, понижая содержание СО2 за счет увеличения объемов воздуха гермомодуля, проходящих через систему очистки. Такая система очистки применима при малом объеме гермо-модуля, например, для транспортного корабля. Хотя по затратам энергии и из-за повышенного шума такая система неэффективна, она применяется также для транспортных кораблей в случаях объединенной системы вентиляции, кондиционирования (с расходом воздуха, на порядок превышающим необходимый расход очистки) и очистки атмосферы от СО2 и вредных примесей (американские транспортные коммерческие корабли).
расходные характеристики систем очистки атмосферы на космической станции
Основное отличие российской и американской систем по эффективному расходу очистки — в разнице основных параметров их проектирования. Система очистки от СО2 «Воздух» Российского сегмента МКС проектировалась на основном режиме из расчета на троих человек при среднесуточном выделении СО2 20 л/ч на человека, т. е. на удаление 60 л/ч, с поддержанием СО2 не более 6 мм рт. ст. в соответствии с российским стандартом [1, 5]. Эта система эксплуатировалась на станции «Мир» и была модернизирована для применения на МКС (увеличение расхода, введение автоматических циклов работы и ряд других изменений).
Американская система очистки от диоксида углерода проектировалась на семь человек при среднесуточном выделении СО2 20,8 л/(чел-ч), т. е. на удаление 145 л/ч с поддержанием СО2 не более 5,3 мм рт. ст. в соответствии с американскими нормативами [5, 7].
Поэтому эти системы отличаются эффективными расходами очищаемого воздуха. При уменьшении содержания СО2 емкости фильтров обеих систем уменьшаются.
Ниже приведены расчетные данные среднесуточного содержания СО2 в атмосфере МКС при реальных коэффициентах эффективности систем.
Реальный Кэф при работе российской системы ~0,35 (Кп = 0,65) при основном режиме — работе трех регенерируемых фильтров в режиме очистки (соответственно,
и в режиме регенерации) по 30 мин и =0,56 (Кп = 0,44) — при форсированном режиме, когда фильтры работают по 10 мин [7]. При расходе рассчитанной на троих человек российской системы Со = 27 м3/ч, при среднедневном выделении диоксида углерода 25 л/(чел-ч) рассчитанный по формуле (7) эффективный расход составит:
С
оэф = 9,5 м3/ч (Кэф = 0,35
ном режиме);
С ф = 15 м3/ч (К. = 0,56
оэф ' ^ эф
сированном режиме).
при основ-
при фор-
За счет дополнительного охлаждения очищаемого потока воздуха путем понижения температуры контура американской системы терморегулирования (что приводит к уменьшению относительной влажности атмосферы ниже норматива 30%) при работе американской системы очистки был достигнут Кэф = 0,75. При расходе рассчитанной на семь человек американской системы Со = 37 м3/ч эффективный расход (рассчитанный при тех же условиях) составляет Соэф = 27,5 м3/ч.
Общий эффективный расход двух систем (российской — на форсированном режиме, и американской) составляет 42,5 м3/ч, при нем в соответствии с формулой (9) две системы в станции поддерживают среднесуточно (с учетом разницы между сном и бодрствованием) Ср = 0,35% или ~2,7 мм рт. ст. при шести членах экипажа (выделение СО2 шестью членами экипажа 150 л/ч).
Общий эффективный расход этих двух систем на основном режиме Соэф = 37 м3/ч поддерживает среднесуточно при шести членах экипажа Ср = 0,4% или ~3,0 мм рт. ст. при тех же условиях.
Одна американская система при шести членах экипажа среднесуточно поддерживает ~4 мм рт. ст. СО2. Одна же российская система при тех же условиях (выделение СО2 шестью членами экипажа 150 л/ч) на форсированном режиме поддерживает среднесуточно ~7,6 мм рт. ст. (1%) СО2. При трех членах экипажа российская система поддерживает среднесуточно ~4 мм рт. ст.
Фактические данные, приведенные ниже, достаточно хорошо совпадают с расчетными (с учетом изменения содержания в режимах «день»/«ночь»).
В настоящее время российская система «Воздух» поддерживает содержание СО2 в атмосфере МКС 4,0...6,0 мм рт. ст.
для 2-5 членов экипажа, используя различные режимы работы. Американская система поддерживает 2,0. 3,0 мм рт. ст. в соответствии с данными Центра управления полетами. Для поддержания этих параметров для шести человек требуется подключение нерегенерируемых поглотителей СО2 или включение второй американской системы очистки.
Полученные характеристики систем связаны с тем, что эффективный расход американской системы в результате проектных требований к ней для семи человек больше эффективного расхода российской системы (проектные требования для трех человек) в 2,9 раза на основном режиме российской системы, и в 1,8 раза — на форсированном.
При увеличении эффективного расхода российской системы ее характеристики будут близки к характеристикам очистки американской системы. Наиболее простой способ увеличения эффективного расхода и доведения его до рекомендуемого (см. выше) — за счет уменьшения проскока путем увеличения диаметра фильтров (т. е. толщины поглотительного слоя адсорбента) или увеличения их количества.
Российская система обеспечивала очистку атмосферы от диоксида углерода на всех этапах пилотируемого полета МКС с ноября 2000 г. При этом до 2009 г. американская система работала только при экспедициях посещения. Российская система обеспечивала выполнение заданных требований по поддержанию парциального давления СО2 не выше 5,3 мм рт. ст. (среднее за 5 сут) и не выше 6,0 мм рт. ст. среднесуточно) для трех членов экипажа [1, 4, 5].
Для надежного обеспечения трех человек американской стороной была доставлена на станцию вторая система в качестве резервной. С 2009 г. работали обе системы — российская и американская — обеспечивая шестерых человек. При этом американская сторона сначала поддерживала содержание диоксида углерода в общей атмосфере станции ниже 4,5 мм рт. ст., а в настоящее время поддерживает уровень СО2 ниже 3,0 мм рт. ст., ссылаясь на головную боль некоторых астронавтов при большем содержании [4, 5].
Представленные в таблице и на рис. 2 данные расчетов снижения концентрации СО2 в атмосфере гермообъема и доведения ее до уровня земной атмосферы при использовании российской системы очистки «Воздух», показывают существенное
увеличение массы, электропотребления и объема этого оборудования [9]. Причем зависит это в первую очередь от необходимости увеличения расхода для поддержания низкой концентрации СО2 в соответствии с формулами (2) и (9).
Экспериментальные данные по удалению С02 и расчетные данные по расходу
СО2, мм рт. ст. СО2, % Экспериментальные данные по удалению СО2 российской системой (цикл 30/10 мин), л/ч Требуемый расчетный расход очистки (по формуле (4)), м3/ч Требуемое количество российских систем, шт
7,6 1,000 98/150 21,5 1
6,0 (норматив) 0,800 75/120 27,0 1
5,0 0,650 62/100 33,0 1-2
4,0 0,500 50/80 43,0 2
3,0 0,400 37/60 53,5 2-3
2,0 0,250 25/40 85,5 3-4
1,0 0,150 12/20 143,0 5-6
0,5 0,065 6/10 330,0 12
0,23 (воздух земной атмосферы) 0,030 3/5 714,0 26
Рис. 2. Зависимость необходимого количества российских систем «Воздух» от поддерживаемого парциального давления диоксида углерода: ф — точки, рассчитанные по экспериментальным данным системы по ее производительности; — кривая по экспериментальным точкам
Представленные результаты показывают, что снижение концентрации диоксида углерода может привести к существенному неоправданному увеличению массы, электропотребления и объема, занимаемого системой очистки атмосферы космической станции от диоксида углерода.
Поэтому установление научно обоснованного норматива по содержанию СО2 при длительных полетах приобретает чрезвычайно важное значение для дальнейшего развития СЖО.
Российская система «Воздух» до замены блока очистки атмосферы в 2011 г. эксплуатировалась 11,5 лет без повышения гидравлического сопротивления, так как для поглотителей были приняты специальные меры по увеличению их вибропрочности.
Суммарно за это время было удалено ~13 900 кг СО2 с учетом снижения производительности системы при совместной работе с системой Американского сегмента МКС с 2009 г. из-за поддержания в атмосфере станции низкой концентрации СО2 на уровне 2,5...4,5 мм рт. ст. Экономия массы доставок по отношению к системе с нерегенерируемыми поглотителями составила в среднем ~1 910 кг/год [4, 5].
В американской системе шло нарастание гидравлического сопротивления из-за пыления поглотителей в фильтрах, что приводило к замене фильтров примерно раз в два года. После изменения конструкции фильтров вместо их замены проводится удаление пыли пылесосом.
Выводы
1. Показано, что СО2 является одним из газов, необходимых для дыхания, с установившимся содержанием у здорового человека в альвеолах легких (~5,3%) и в крови (в артериальной крови — 6,0-6,5%). При этом следует поддерживать в атмосфере гермоообъема космической станции содержание СО2 ниже нормативов, превышение которых делает СО2 вредной для человека газовой примесью. Применяющиеся в настоящее время нормативы содержания СО2 в атмосфере космической станции (0,4. 0,8%, или 3. 6 мм рт. ст.) не являются научно обоснованными [8], требуется установление научно обоснованных нормативов.
2. Установлено, что основным параметром системы очистки (при заданном количестве выделяемой газовой примеси в единицу времени), определяющим содержание СО2 в атмосфере гермообъема космической станции, является эффективный расход очищаемого воздуха через систему. Для очистки атмосферы необходимо выполнить два требования: подвести воздух с необходимым расходом
к системе очистки и обеспечить необходимую эффективность системы очистки для удаления примеси.
3. Введено понятие коэффициента эффективности очистки атмосферы гермо-объема. Установлено, что наиболее эффективной системой очистки атмосферы от СО2 является сорбционная система как обладающая наибольшей поверхностью поглощения при прочих равных условиях и, следовательно, наибольшим коэффициентом эффективности.
4. Определена формула для расчета эффективного расхода воздуха через систему очистки атмосферы гермообъема космической станции от СО2, позволяющая не только рассчитать расход через систему очистки, но и сравнить эффективность работы систем разных типов.
5. Проведено сравнение российской и американской систем очистки атмосферы МКС. Показано, что, поскольку российская система проектировалась на поддержание концентрации СО2 не более 6 мм рт. ст. (0,8%) при экипаже три человека, т. е. на удаление 60 л/ч, ее эффективный расход в ~2,9 раза меньше эффективного расхода американской системы, проектировавшейся на поддержание концентрации СО2 не более 5,3 мм рт. ст. (0,7%) при экипаже семь человек, т. е. на удаление 145 л/ч. При увеличении эффективного расхода российской системы (за счет уменьшения проскока путем увеличения диаметра фильтров, т. е. толщины поглотительного слоя адсорбента, или их количества), ее характеристики будут близки к характеристикам очистки американской системы.
6. Рекомендовано проектировать систему очистки атмосферы гермообъемов космических объектов от СО2 с расходом не менее 12,5 м3/ч на одного человека и с коэффициентом эффективности не менее 0,50 (50%) (при коэффициенте 0,63 этот расход составит 10 м3/ч). При проектировании системы на трех человек необходимый расход составит не более 37,5 м3/ч. Такая система позволит поддерживать среднесуточное содержание СО2 в атмосфере не более 3,0 мм рт. ст. на основном режиме.
7. Полученные формулы (2)—(9) универсальны не только для удаления химических и механических примесей из атмосферы гермообъемов, но и для удаления любых выделяющихся в гермообъеме или поступающих в него продуктов в любой
герметичной среде. При этом для определения эффективности системы не требуется гермокамерных испытаний, достаточно измерения содержания очищаемого вещества в воздухе на выходе из системы.
Список литературы
1. ГОСТ Р 50804-95 Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М.: Госстандарт России, 1995. 118 с.
2. Агаджанян Н.А., Смирнов В.М. Нормальная физиология. М.: Медицинское информационное агентство, 2009. С. 52-59.
3. Мишустин Ю.Н. Выход из тупика. Ошибки медицины исправляет физиология. Самара: Самарский дом печати, 2010. 80 с.
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. Юргин А.В., Романов С.Ю., Гузенберг А. С., Рябкин А.М., Телегин А.А. Эксплуатация системы удаления диоксида углерода из атмосферы Международной космической станции // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2008. Т. 42. № 6-1. С. 92-93.
6. Романов С.Ю., Гузенберг А. С., Ряб-кин А.М. Концепция комплекса систем жизнеобеспечения экипажей межпланетных экспедиций // Космическая техника и технологии. 2017. № 3(18). C. 80-97.
7. Spacecraft maximum allowable concentrations for airborne contaminants // JSC-20584. NASA. Houston, Texas. November 2008. 19 p.
8. Multilateral Protocol. Medical Operations Panel — Air Quality Subgroup. Technical Interchange Meeting. IBMP, Moscow, Russia, September 25-29, 2017. AQS-2017 - 01. P. 12.
9. Романов С.Ю., Елчин А.П., Гузен-берг А.С. Система вентиляции многомодульного обитаемого космического комплекса как связующая систем регенераци-онного комплекса жизнеобеспечения // Пилотируемые полеты в космос. 2017. № 3(24). С. 58-71.
10. Кинетика и динамика физической адсорбции / Сб. ст. под ред. Дубинина М.М. и Радушкевича Л.В. Труды III
Всесоюзной конференции по физической адсорбции. М.: Наука, 1973.С. 247-248.
11. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984, 592 с.
12. Серпионова Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М.: Высшая школа, 1969. 416 с.
13. Шумяцкий Ю.И. Афанасьев Ю.М. Адсорбция: процесс с неограниченными возможностями. М.: Высшая школа, 1998. 78 с.
Статья поступила в редакцию 22.04.2019 г. Окончательный вариант — 01.08.2019 г.
Reference
1. GOST R 50804-95. Sreda obitaniya kosmonavta v pilotiruemom kosmicheskom apparate. Obshchie mediko-tekhnicheskie trebovaniya [Cosmonaut's habitable environments on board of manned spacecraft. General medicotechnical requirements]. Moscow, Gosstandart Rossiipubl., 1995. 118p.
2. Agadzhanyan N.A., Smirnov V.M. Normal'naya fiziologiya [Normal physiology]. Moscow, Meditsinskoe informatsionnoe agentstvo publ., 2009. Pp. 52-59.
3. Mishustin Yu.N. Vykhod iz tupika. Oshibki meditsiny ispravlyaet fiziologiya [Way out of the deadlock. Medical errors corrected by physiology]. Samara, Samarskii dompechatipubl., 2010. 80p.
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. Yurgin A.V., Romanov S.Yu., Guzenberg A.S., Ryabkin A.M., Telegin A.A. Ekspluatatsiya sistemy udaleniya dioksida ugleroda iz atmosfery Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [Operation of a system for removing carbon dioxide from the atmosphere of the International Space Station]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2008, vol. 42, no. 6-1, pp. 92-93.
6. Romanov S.Yu., Guzenberg A.S., Ryabkin A.M. Kontseptsiya kompleksa sistem zhizneobespecheniya ekipazhei mezhplanetnykh ekspeditsii [Crew life support system concept for interplanetary missions]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 3(18), pp. 80-97.
7. Spacecraft maximum allowable concentrations for airborne contaminants. JSC-20584, NASA, Houston, Texas, November 2008, 19 p.
8. Multilateral Protocol. Medical Operations Panel — Air Quality Subgroup. Technical Interchange Meeting. IBMP, Moscow, Russia, September 25-29, 2017. AQS-2017 - 01. P. 12.
9. Romanov S.Yu., Elchin A.P., Guzenberg A.S. Sistema ventilyatsii mnogomodul'nogo obitaemogo kosmicheskogo kompleksa kak svyazuyushchaya sistem regeneratsionnogo kompleksa zhizneobespecheniya [Ventilation system for a muti-modular space habitat as an interlink between regenerative life support systems]. Pilotiruemye polety v kosmos, 2017, no. 3(24), pp. 58-71.
10. Kinetika i dinamika fizicheskoi adsorbtsii [Physical adsorption kinetics and dynamics]. Ed. by Dubinin M.M., Radushkevich L.V. Trudy III Vsesoyuznoi konferentsii po fizicheskoi adsorbtsii. Moscow, Naukapubl, 1973. Pp. 247-248.
11. Kel'tsev N.V. Osnovy adsorbtsionnoi tekhniki [Fundamentals of adsorption technology]. Moscow, Khimiya publ, 1984. 592 p.
12. Serpionova E.N. Promyshlennaya adsorbtsiya gazov i parov [Industrial gas and vapor adsorption]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1969. 416 p.
13. Shumyatskii Yu.I. Afanas'ev Yu.M. Adsorbtsiya: protsess s neogranichennymi vozmozhnostyami [Adsorption: a process with infinite possibilities]. Moscow, Vysshaya shkola publ., 1998. 78p.
