CC BY
33УДК 629.78.048:389.6(100)
РАЗРАБОТКА МЕЖДУНАРОДНОГО СТАНДАРТА ПО СИСТЕМАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ
© 2013 г. Гузенберг А.С., Романов С.Ю., Телегин А.А., Юргин А.В.
ОАО «Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева» (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королев, Московская область, Россия, 141070, e-mail: [email protected]
Международной организацией по стандартизации принята разработанная российскими специалистами трехуровневая структура стандартов по интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) в космическом полете. Были подготовлены рабочие редакции трех проектов стандартов (по одному из каждого уровня). Такой подход позволяет быстро разрабатывать и согласовывать отдельные стандарты по каждому виду обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете. Россия, как головной разработчик этих стандартов, получает приоритет в области стандартизации СОЖ.
Ключевые слова: человек, космический полет, среда обитания, системы обеспечения жизнедеятельности, международные стандарты.
DEVELOPMENT OF THE INTERNATIONAL STANDARD ON LIFE SUPPORT SYSTEMS FOR SPACEFLIGHT
Guzenberg A.S., Romanov S.Yu., Telegin A.A., Yurgin A.V.
S.P. Korolev Rocket and Space Сorporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russia, e-mail:[email protected]
The International Organization for Standardization approved a three-level standard structure developed by Russian specialists on human integration with the life support (LSS) systems and equipment in a spaceflight, and prepared working revisions of three draft standards (one for each level). Such approach makes it possible to rapidly develop and coordinate separate standards for each type of habitability in a spaceflight. Russia being a prime developer of these standards gets a priority in the area of LSS standardization.
Key words: human being, spaceflight, habitation environment, life support system, international standards.
ГУЗЕНБЕРГ А.С. РОМАНОВ С.Ю. ТЕЛЕГИН А.А. ЮРГИН А.В.
ГУЗЕНБЕРГ Аркадий Самуилович — старший научный сотрудник РКК «Энергия», ктн, e-mail: [email protected]
GUZENBERG Arkady Samuilovich — Senior Research Engineer, Candidate of Science (Engineering) at RSC Energia
РОМАНОВ Сергей Юрьевич — первый заместитель генерального конструктора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
ROMANOV Sergey Yuriyevich — First Deputy General Designer at RSC Energia
ТЕЛЕГИН Александр Анатольевич — начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: [email protected] TELEGIN Alexander Anatolyevich — Head of Department at RSC Energia
ЮРГИН Алексей Викторович — и. о. начальника сектора РКК «Энергия», e-mail: [email protected]
YURGIN Alexey Viktorovich — acting Head of Sector at RSC Energia
Введение
Подготовка международных стандартов выполняется техническими комитетами Международной организации по стандартизации (ISO, Всемирная федерация государственных органов по стандартизации), в состав которых входят подкомитеты с рабочими группами. Правительственные и неправительственные международные организации, сотрудничающие с ISO, также принимают участие в этой работе. Международные стандарты разрабатываются в соответствии с утвержденными правилами ISO. Проекты международных стандартов, принятые техническими комитетами, распространяются среди их членов для голосования и утверждения.
В 2006 году РКК «Энергия» были разработаны предложения по проведению работ по международной стандартизации ракетно-космической техники в части среды обитания и систем жизнеобеспечения (СЖО) на пилотируемых космических аппаратах (ПКА). Практическая работа была начата в 2007 году с обсуждения предложений в рабочей группе и международном подкомитете ISO ТК20/ПК14, в работе которого принимали участие специалисты США, Великобритании, Германии, Бразилии, Японии, Китая, Израиля, Франции и Украины.
За период с 2007 по 2012 годы были осуществлены разработка и обсуждение рабочих редакций (заключительная стадия) трех международных стандартов по интеграции человека с системами и оборудованием СОЖ в космическом полете.
Необходимость разработки стандартов по среде обитания человека в космическом полете
Российской стороной накоплен уникальный опыт обеспечения безопасной для жизне-
деятельности экипажа среды обитания при успешной летной эксплуатации кораблей «Восток», «Восход», транспортных кораблей «Союз» и орбитальных станций «Салют», «Мир», Международной космической станции (МКС).
Впервые в законодательном порядке российские требования к СЖО в космическом полете были установлены в разработанных Институтом медико-биологических проблем (ГНЦ РФ ИМБП РАН) с участием РКК «Энергия» и вышедших в 1978 и 1989 годах государственных стандартах. Это ГОСТ 23149-78 «Системы жизнеобеспечения экипажей космических объектов» (в настоящее время прекратил действие), а затем ГОСТ 28040-89 «Комплекс систем обеспечения жизнедеятельности космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Термины и определения» [1].
Опыт российской пилотируемой космонавтики в обеспечении среды обитания во время длительных космических полетов (до одного года) был обобщен в ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования» [2]. Этот ГОСТ был разработан ГЦН РФ ИМБП РАН с участием РКК «Энергия» на основе наземных экспериментов с животными и человеком и результатов длительных полетов на орбитальных станциях «Салют» и «Мир». При обобщении этих данных и разработке нормативов вводились коэффициенты безопасности, необходимые для того чтобы среда обитания в ПКА не оказывала влияния на здоровье космонавтов.
В качестве международного стандарта ISO 17399 в 2003 году был принят NASA-STD-3000 «Man-Systems Integration Standards» («Стандарты интеграции человека с системами»), выпущенный в 1994 году [3].
В нем был обобщен опыт полетов на кораблях «Аполлон», «Шаттл» и орбитальной
станции «Скайлэб». Для всех американских пилотируемых объектов была принята атмосфера с повышенным содержанием кислорода и пониженным общим давлением. Она была признана неперспективной для длительных полетов, и при проектировании долговременной станции на орбите Земли NASA перешло на атмосферу, близкую к земной. Поэтому американский стандарт, который не опирается на опыт работы в нормальной атмосфере, не может использоваться в условиях длительных полетов в ПКА.
Анализ стандарта STD-3000 "Man-Systems Integration Standards" показал, что он требует переработки с учетом опыта полетов станций «Мир» и МКС и принятых российских и международных документов. Большинство конкретных нормативов этого документа по космической среде обитания устарело и не соответствует международным соглашениям по МКС.
Указанный стандарт содержал недостаточно данных по основным параметрам условий жизнедеятельности экипажа (в нем даже не была указана длительность пребывания человека в космическом полете), и в то же время в нем было большое количество подробных сведений, которые не могут быть отнесены к международному стандарту. В результате критических замечаний действие стандарта NASA-STD-3000 было прекращено. Представленная экспертами США версия нового стандарта NASA-STD-3001 «Человек-системы в космическом полете» («Space Flight HumanSystem Standard») [4, 5] была заимствована с незначительными изменениями из стандарта NASA 3000 и содержит те же недостатки:
• название стандарта охватывает системы космического аппарата, такие как системы ориентации, связи, энергопитания, управления движением, двигательные установки и т.д., а требования к системам и оборудованию, поддерживающим жизнедеятельность человека, не учтены;
• структура стандарта непригодна для разработки новых стандартов, направленных на создание требований к системам и оборудованию, поддерживающим жизнедеятельность человека; в нее не укладываются требования к будущим биологическим системам (космическая оранжерея и др.); она перегружена большим количеством избыточных подробных данных, которые нецелесообразно включать в международный стандарт;
• в стандарте отсутствуют данные по среднесуточному массовому балансу человека, необходимому как для контроля его здоровья, так и для проектирования систем и оборудования обеспечения жизнедеятельности (нет данных по
потреблению кислорода, выделению диоксида углерода, выделению воды через легкие и кожу человека (конденсат атмосферной влаги), содержанию воды и сухой массы в фекалиях; нет требований по микробиологии; требования к атмосфере содержат данные по парциальному давлению кислорода, непригодные для практического использования (не связанные с данными по общему давлению); по качеству атмосферы отсутствуют данные о составе вредных примесей и их нормативах, в том числе данные по диоксиду углерода, по выделению вредных примесей человеком, по ограничению или запрету доставки высокотоксичных веществ на станцию, нет требований по ограничению вредных примесей при наземной подготовке;
• содержащиеся в стандарте требования в части антропометрии, биометрии, аэробных возможностей не нужны, так как существуют общие наземные стандарты.
Реализация российско-американских программ «Мир-Шаттл», «Мир-МА5А» показала целесообразность использования требований и стандартов, единых для всех международных партнеров, что было подтверждено совместной работой на МКС.
В перспективе расширяющегося международного сотрудничества становится актуальной разработка единых международных стандартов в части интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Разрабатываемые документы должны основываться на российских и американских стандартах и совместных документах всех стран, участвующих в программе МКС.
Российские предложения по разработке стандарта по интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности
Цель российских предложений - принятие нового международного стандарта по интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности, в который входит и стандарт «Среда обитания космонавта» на основе российской концепции.
Вместо громоздкого одноуровневого стандарта была предложена трехуровневая структура нового международного стандарта на основе российского ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования». В нем верхний уровень - стандарт «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете», в который входят стандарты
второго уровня по каждой из проблем (требования к среде обитания и др.), а в них - стандарты третьего уровня по каждой из задач (качество воздуха, воды и т.д.) Разработанная схема построения стандарта представлена на рис. 1.
Основная цель стандарта - создать требования к системам и оборудованию обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете, что отражено в его названии. Представленный стандарт логично привязан к видам деятельности человека. При этом в основу было положено создание функциональных стандартов третьего уровня.
Концепция трехуровневой структуры стандартов по СОЖ была одобрена подкомитетом ISO. Данный подход позволяет быстро разрабатывать и согласовывать отдельные стандарты по каждому аспекту обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете.
Подкомитетом ISO ТК20/ПК14 были приняты для редактирования и согласования разработанные российской стороной в соответствии с вышеобозначенной схемой три следующих международных стандарта (рабочие редакции, номера присвоены ISO, по одному из каждого уровня структуры стандартов по СОЖ):
• стандарт первого уровня «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете» (WD-17763);
• стандарт второго уровня «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Технико-медицинские требования к среде обитания экипажа космического аппарата» (WD-16157);
• стандарт третьего уровня «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Технико-медицинские требования к среде обитания экипажа космического аппарата. Требования по обеспечению качества атмосферы в части вредных химических примесей» (WD-16726).
В подкомитете ISO было принято решение о возможности разработки стандарта нулевого уровня «Космические системы. Интеграция человек-системы в космическом полете» с полным сохранением трехуровневой структуры стандартов по системам обеспечения жизнедеятельности (см. рис.1).
Термин «Интеграция человека с системами» слишком широко охватывает многие проблемы обеспечения человека в космическом полете, такие как эргономика, человек-компьютер и др. Это обстоятельство затрудняет разработку и международное согласование стандарта как одного документа.
По некоторым видам обеспечения (например, по эргономике) уже имеются международные стандарты. Целесообразность отдельной стандартизации для условий человека в космосе не очевидна.
Рис. 1. Структурная схема построения стандарта «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете»
Стандарт «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете» (WD-17763)
Этот стандарт первого уровня является головным по отношению к другим стандартам по требованиям к системам и оборудованию обеспечения жизнедеятельности. Вместе с входящими в него стандартами второго и третьего уровней он образует комплексный трехуровневый международный стандарт.
Целью данного стандарта является создание единых требований к комфортной и безопасной среде обитания космонавтов, обеспечивающей условия жизнедеятельности в космическом полете (совокупность параметров среды обитания человека в ПКА, обеспечивающих сохранение здоровья, безопасности человека и поддержание его работоспособности на уровне, необходимом для выполнения запланированной программы). Поддержание этих условий является требованиями к системам и оборудованию обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете и мероприятиям перед запуском ПКА. Требования устанавливаются для среды, создаваемой в обитаемых отсеках автономно функционирующих ПКА с долговременным (до трех лет) изолированным пребыванием в них космонавтов. Стандарт применим для всех пилотируемых программ, включая космические корабли и станции, лунные и планетарные базы, забортную космическую деятельность, и охватывает все фазы развития ПКА от проектирования до эксплуатации.
Задачами стандарта первого уровня являются:
• определение требований к созданию экологической обитаемости человека в ограниченном гермообъеме,
• определение состава стандартов второго и третьего уровней, требования которых должны обеспечить жизнедеятельность человека в условиях космического полета.
Для создания данного стандарта был обобщен опыт работы РКК «Энергия» и смежных российских организаций в разработке и эксплуатации СОЖ космических станций «Салют», «Мир», МКС, а также опыт совместной работы с NASA в международных программах «Мир-Шаттл», «Мир-NASA» и опыт сотрудничества с международными партнерами при эксплуатации космических станций «Мир» и МКС. При создании данного стандарта были использованы российские стандарты, учтены стандарты
США и совместные международные документы в области обеспечения жизнедеятельности человека в ПКА.
Жизнедеятельность человека в космических полетах обеспечивается использованием герметичных модулей, где поддерживается искусственная среда обитания.
В процессе земной жизнедеятельности человек потребляет из биосферы кислород, воду и ряд продуктов, регулирующих его жизнедеятельность. Продукты реакций окисления выделяются человеком в окружающую среду в виде углекислого газа, жидких и твердых продуктов жизнедеятельности. В земных условиях эти продукты перерабатываются бактериями, растениями, животными, которые их восстанавливают до кислорода, воды, продуктов питания и других исходных веществ, осуществляя замкнутый круговорот в природе. Реализовать подобный биологический цикл на борту современного космического корабля не представляется возможным из-за низкого энергетического КПД природных процессов, их ненадежности в малом объеме корабля, недостаточного уровня технологий и большого стартового веса оборудования. Задача биологически полноценной среды обитания человека будет решаться на следующих этапах развития космонавтики.
В условиях космического полета все функции круговорота осуществляются на основе специальных физико-химических методов регенерации веществ системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности [6].
Создание среды обитания и поддержание ее состояния на заданном уровне должны осуществляться не только системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности космонавта в ПКА, но также наземными и бортовыми средствами и мероприятиями технико-медицинского обеспечения космического полета в зависимости от вида и конструкции ПКА.
Совокупность и значения указанных в стандарте параметров должны обеспечивать условия жизнедеятельности космонавтов, включающие:
• условия жизнеобеспечения;
• медицинское обеспечение;
• условия жизнедеятельности в аварийных ситуациях;
• условия жизнедеятельности при выполнении работ в открытом космосе.
Схемы состава стандарта «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете» представлены на рис. 2.
Требования к жизнедеятельности при токсичном выбросе
Требования к жизнедеятельности при разгерметизации
Требования к медицинскому контролю здоровья человека
0
^
а
3 в г га
1
о
а
а
&
.а 5
Требования к обеспечению медицинской помощи в полете
Требования к обеспечению медицинской профилактики
£
& га
5
о
г £
г &
3 ^ ^
8 а
И * & =1
а я § ®
§ *
* § 3 §
Я £
«¡г
ея д
б о
е и
ани
в о
д боруд
б о
я
и ц
а ра
Ко
ар
д анд
о г о
дно
о аро
ы
ктуры
к
рук
ц п
8 §
о
I *
Рис
Международные стандарты второго уровня по системам и оборудованию обеспечения жизнедеятельности ( WD-16157)
Стандарты второго уровня содержат требования по каждой из проблем обеспечения безопасной среды обитания космонавтов в ПКА.
По результатам согласования в подкомитете ISO уточненная структурная схема трехуровневых стандартов по СОЖ (представлена на рис. 2) включает следующие стандарты второго уровня:
• технико-медицинские требования к среде обитания человека;
• требования к жизнедеятельности человека при авариях;
• требования к жизнедеятельности человека в скафандре;
• требования к медицинскому обеспечению человека.
Стандарт второго уровня «Космические системы. Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Технико-медицинские требования к среде обитания экипажа космического аппарата» (WD-16157) включает нормы, процедуры, мероприятия, накладывающие ограничения на параметры среды, а также способы коррекции состояния космонавта.
Этот стандарт - второго уровня по отношению к международному стандарту ISO 17763 «Интеграция человек-системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете». Он определяет среду обитания космонавта в космическом полете, энергетический баланс человека (табл. 1), массовый баланс человека по основным потребляемым и выделяемым продуктам (табл. 2) и перечень стандартов третьего уровня - требований к параметрам среды обитания, которые обеспечиваются комплексом систем жизнеобеспечения.
Данный стандарт предназначен для создания системами жизнеобеспечения ПКА среды обитания, безопасной для жизнедеятельности экипажа в условиях космического полета.
Целями этого стандарта являются:
• создание для разработчиков систем жизнеобеспечения единых технико-медицинских требований по обеспечению жизнедеятельности экипажа;
• создание для космической медицины единых нормативов среды обитания, обеспечивающей жизнедеятельность экипажа.
Среда обитания космонавта в ПКА в данном стандарте ограничена следующими
элементами: атмосфера, вода, пища, санитарная гигиена, микробиология, индивидуальная защита, защита от пожара, поддержание здоровья физическими методами.
Таблица 1
Интенсивность затрат энергии при выполнении работ различной категории тяжести
Виды работ и категории тяжести работ Интенсивность энерготрат, МДж/ч (ккал/ч)
Диапазон изменения Среднее значение
Покой 0,324...0,378 (77,4...90,3) 0,346 (82,5)
Легкая работа 0,432...0,626 (103...149,6) 0,522 (124,7)
Работа средней тяжести 0,630...1,044 (150,5...249,3) 0,828 (197,8)
Тяжелая работа 1,044...1,872 (249,3...447,0) 1,512 (361)
Работа в скафандре (ВКД) 1,089±0,586 (260±140) -
Физическая тренировка 1,465...2,428 (350...580) -
Примечание. Цифры данного баланса предназначены для использования в расчетах; ВКД - внекорабель-ная деятельность; * — энергетическая стоимость одной тренировки 250...300 ккал за 45 мин занятия и 15 мин подготовки.
Таблица 2
Массовый баланс человека по основным потребляемым и выделяемым продуктам
Поступление, кг/сут Выделение, кг/сут
Питание Сухая масса 0,6 Фекалии Сухая масса 0,15
Вода 0,5 Вода 0,15
Дыхание Кислород 0,86 Дыхание Углекислый газ 0,96
Приготовление пищи и питье Вода 2 Урина Вода 1,2
Влага через легкие и кожу Конденсат атмосферной влаги 1,5
Потребление воды 2,5 Удаление воды (Метаболическая 0,35) 2,85
Суммарное потребление 3,96 Суммарное удаление 3,96
Примечание: 1. Баланс между поступлением и выделением воды достигается за счет выделения дополнительного количества воды, образующегося в организме человека -0,35 кг/сут метаболической воды; 2. Цифры данного баланса предназначены для использования в расчетах.
Системы жизнеобеспечения должны поддерживать массо- и энергообмен организма космонавта со средой обитания в ПКА на уровне, необходимом для обеспечения условий жизнедеятельности.
Условия жизнедеятельности в ПКА должны создаваться взаимосвязанным формированием совокупности следующих элементов среды обитания космонавта:
• газовой среды для дыхания;
• качества атмосферы по вредным примесям;
• обеспечения терморегулирования;
• обеспечения влажностного режима атмосферы;
• водообеспечения;
• обеспечения питанием;
• санитарно-гигиенического обеспечения;
• микробиологического обеспечения;
• индивидуальной защиты;
• освещенности;
• необходимого уровня шума;
• противопожарного обеспечения;
• физических методов поддержания здоровья.
В состав этого стандарта второго уровня входят следующие стандарты третьего уровня:
• требования к обеспечению атмосферы обитаемых отсеков по основным газам (физико-химический состав атмосферы, общее давление);
• требования к обеспечению качества атмосферы по вредным химическим примесям;
• требования к обеспечению качества атмосферы по нетоксичным аэрозолям;
• требования к обеспечению тепловлаж-ностного режима;
• требования к обеспечению вентиляции;
• требования к водообеспечению;
• требования к обеспечению микробиологической безопасности среды обитания (атмосфера, вода, поверхности интерьера и оборудования);
• требования к обеспечению индивидуальной защиты (при токсических загрязнениях атмосферы, в том числе при токсических выбросах веществ в аварийных ситуациях, включая разгерметизацию оборудования и пожар);
• требования к обеспечению питанием;
• требования к санитарно-гигиеническому обеспечению;
• требования к обеспечению профилактики предупреждения ухудшения здоровья;
• требования к обнаружению и ликвидации пожара;
• требования к одежде и обуви человека;
• требования по акустике;
• требования к освещенности.
Международные стандарты третьего уровня по системам и оборудованию обеспечения жизнедеятельности (WD-16726)
Стандарты третьего уровня содержат требования по каждой из отдельных задач (см. рис. 2). Наибольшее количество стандартов третьего уровня (15) входит в состав разработанного российской стороной рабочего проекта стандарта второго уровня (по технико-медицинским требованиям к среде обитания). Это такие стандарты, как требования к составу атмосферы по основным газам, к качеству атмосферы по вредным примесям, к водообеспечению, к санитарно-гигиеническому обеспечению, к питанию и др. (см. рис. 2).
Стандарт третьего уровня «Космические системы. Интеграция человек -системы и оборудование обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Технико-медицинские требования к среде обитания экипажа космического аппарата. Требования для обеспечения качества атмосферы в части вредных химических примесей». (ШБ-16726) предназначен для поддержания системами ПКА удаления вредных примесей из атмосферы пилотируемых космических аппаратов и модулей с целью обеспечения в условиях космической экспедиции атмосферы в ПКА, имеющей безопасные для жизнедеятельности экипажа параметры.
Стандарт устанавливает требования к параметрам качества атмосферы в части вредных химических примесей. Необходимые параметры обеспечиваются системами удаления вредных примесей из атмосферы пилотируемых космических аппаратов и модулей.
Целями этого стандарта являются:
• создание для разработчиков систем удаления вредных примесей из атмосферы пилотируемых космических аппаратов и модулей единых технико-медицинских требований качества атмосферы по содержанию вредных химических примесей;
• поддержание в ПКА атмосферы, обеспечивающей надлежащее качество по содержанию вредных химических примесей;
• создание для космической медицины единых нормативов качества атмосферы по содержанию вредных химических примесей в ПКА.
Стандарт содержит нормативы параметров среды обитания для полетов с непрерывным пребыванием человека в штатных условиях с длительностью до шести месяцев, одного года и трех лет (табл. 3) и в аварийных условиях с длительностью до 1; 6 и 24 часов (табл. 4). Табл. 3 и 4 предстоит доработать в соответствии с нормативами, разрабатываемыми ГНЦ РФ ИМБП РАН.
Таблица 3
Приоритетный перечень вредных примесей для оценки качества атмосферы пилотируемых модулей
Вещество Продолжительность полета
180 сут 360 сут 1 100 сут
ПДК1 мг/м3 ПДК2 мг/м3 ПДК1 мг/м3 ПДК2 мг/м3 ПДК1 мг/м3 ПДК2 мг/м3
Водород 340 1 600 340 1 600 340 1 600
Метан 3 500 3 500 3 500 3 500 3 500 3 500
Пентан 10 200 10 200 10 200
Гексан 5 100 5 100 5 100
Гептан 10 100 10 100 10 100
Формальдегид 0,05 0,12 0,05 0,12 0,05 0,05
Ацетальдегид 1 4 1 4 1 4
Алифатические альдегиды (бензальдегид) 1 8 1 4 1 4
Пропионовый альдегид (акролеин) 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02
Метиловый спирт 0,2 90 0,2 90 0,1 30
Этиловый спирт 10 2 000 10 2 000 10 2 000
2-пропиловый спирт 1,5 150 1,5 150 1,5 100
1-бутиловый спирт 0,8 40 0,8 40 0,5 30
Ацетон 2 52 2 52 1 25
2-бутанон 0,25 30 0,25 30 0,15 20
Бензол 0,2 0,2 0,2 0,2 0,04 0,04
Толуол 8 15 8 15 8 15
Ксилол 5 37 5 20 3 6,5
Стирол 0,25 0,5 0,25 0,5 0,15 0,3
Изопропилбензол 0,5 1 0,5 1 0,25 0,5
Фуран 0,05 0,07 0,05 0,07 0,02 0,04
Аммиак 2 2 1 2 1 2
Этилацетат 4 10 4 10 4 10
Оксид углерода 5 10 5 10 5 10
Полиметилциклосилоксаны 0,2 9 0,2 5 0,2 2
Дихлорметан 5 10 5 10 5 10
1,2-дихлорэтан 0,5 1 0,5 1 0,5 1
Фреон-218 150 3 000 150 3 000 150 3 000
Примечание: ПДК1 - уровень предельно допустимой концентрации «нулевого риска»; ПДК2 - уровень предельно допустимой концентрации «допустимого риска». При концентрации вредных примесей между уровнями «нулевого риска» и «допустимого риска» пребывание космонавта в ПКА должно быть ограничено по времени.
Таблица 4
Перечень веществ для оценки качества атмосферы при аварийных ситуациях
Вещества МДК (1 ч) (мг/м3) МДК (6 ч) (мг/м3) МДК (24 ч) (мг/м3)
Моноксид углерода 1 500 600 230
Формальдегид 1 0,7 0,3
Аммиак 210 105 21
Окислы азота 30 20 10
Хлористый водород 10 7 3
Фтористый водород 5 2 1
Цианистый водород 4 1 0,5
Примечание: МДК - максимально допустимая концентрация.
Источниками выделения токсичных газовых примесей в атмосферу ПКА являются: сам человек; неметаллическое оборудование (включая упаковочное); научное оборудование, содержащее токсичные газы и токсичные испаряющиеся жидкости; предметы личной гигиены и медицинские средства.
Поддержание качества атмосферы по содержанию в ней вредных химических примесей в ПКА обеспечивается системами удаления вредных примесей, входящими в состав СЖО, и мероприятиями перед запуском ПКА.
Номенклатура вредных примесей в следовых концентрациях в атмосфере ПКА составляет несколько сотен, а в измеряемых уровнях концентрации - несколько десятков примесей. В стандарте приведена таблица наиболее часто встречающихся в атмосфере вредных примесей, по которым проводится оценка качества атмосферы. Качество атмосферы определяется по тому, насколько содержание вредных примесей соответствует токсикологическим нормативам безопасного полета. Для штатного полета это предельно допустимая концентрация каждой примеси в атмосфере для соответствующей длительности непрерывного полета человека, для аварийных условий - максимально допустимая концентрация токсичного вещества в атмосфере. Высокотоксичные примеси должны пройти токсикологическую оценку с целью их ограничения или запрещения к использованию в ПКА [7, 8].
В стандарте приведены требования к неметаллическим материалам для использования их в обитаемых модулях. Основное требование - эти материалы не должны выделять в
воздух вредные вещества в таких количествах, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на организм космонавта.
В стандарте приводятся требования к продувке воздухом обитаемого модуля при наземной подготовке перед его запуском - он должен быть загерметизирован на несколько суток для взятия проб воздуха. По результатам анализа проб прогнозируется концентрация вредных примесей при первом входе человека в модуль после стыковки и определяется необходимость дополнительной очистки атмосферы модуля с помощью бортовых фильтров после стыковки со станцией [7].
Отдельно рассмотрены требования к содержанию в атмосфере ПКА диоксида углерода - газа, выделяемого человеком через легкие и кожу в больших количествах (расчетное среднесуточное выделение диоксида углерода человеком в космическом полете принимается 960 г/сут или 20 нл/ч). При этом отмечено, что диоксид углерода - газ, необходимый для жизнедеятельности человека, управляющий центром дыхания. Увеличение концентрации диоксида углерода ведет к учащению дыхания человека и, соответственно, увеличению поступления кислорода в легкие. Однако после определенной концентрации диоксид углерода становится вредной примесью. Считается, что вредное действие диоксида углерода на человека начинает ощущаться при парциальном давлении более 1% (объемного) [9]. В стандарте также предъявлены требования к обеспечению качества атмосферы при аварийных ситуациях, связанных с быстрым выбросом большого количества вредных примесей.
Основные проблемы развития работ по международным стандартам в области обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете
Следует отметить, что из трех разрабатываемых стандартов (по одному из каждого уровня структуры) стандарт третьего уровня с требованиями по обеспечению качества атмосферы в части вредных химических примесей ШБ-16726 будет иметь более долгий цикл разработки в связи с необходимостью внесения конкретных нормативов по вредным примесям и различными требованиям по их обеспечению в России и США. Так, например, в документе по медицинским операциям по программе МКС [10] не указаны единые требования к наземной подготовке модулей и кораблей, что приводит к попаданию в атмосферу станции из зарубежных ПКА после стыковки значительного количества вредных примесей, которые затем необходимо удалять средствами МКС.
Основные вопросы, подлежащие решению при выпуске стандарта:
• определение Г-критерия (индекса токсичности атмосферы),
• определение требований к неметаллическим материалам,
• определение требований к наземной подготовке модуля (корабля) и к первому входу экипажа,
• обеспечение качества атмосферы при аварийных ситуациях, связанных с быстрым выбросом большого количества вредных примесей.
Рабочая версия стандарта определяет использование Г-критерия для оценки качества атмосферы кораблей и модулей. Вещества должны оцениваться по токсикологическим группам по коэффициенту Г в соответствии со следующим уравнением [10]:
т = С1Д1 + c2/l2 +...+СДп ,
где C1n - средняя концентрация во время полета; L1n - предельно допустимая концентрация вредной примеси; n - количество соединений в группе.
Атмосфера считается допустимой, если значение Г для каждого вида токсического воздействия меньше 5 для уровня нулевого риска и меньше 1 для уровня допустимого риска.
По предложению NASA зарубежные партнеры используют критерий Г, суммарный по всем веществам, а не по токсикологическим группам. При оценке качества наземной подготовки модулей, отбора неметаллических материалов и как критерий безопасности экипажа при первом входе NASA использует значение величины Г < 3. При этом Г рассчитан по 7-суточным максимально допустимым концентрациям, которые количественно, как правило, на один порядок больше долговременных нормативов допустимого риска и на два порядка больше долговременных нормативов нулевого риска. Это означает, что критерий Г будет тем меньше, чем больше норматив. Рассчитанный по нормативам нулевого риска для тех же концентраций критерий Г окажется на порядок больше 5, что для нормативов нулевого риска соответствует грязной атмосфере, пребывание в которой должно ограничиваться по времени или требует использования средства защиты органов дыхания человека.
Использование в международном стандарте зарубежного подхода как менее жесткого и, следовательно, выполнимого с минимальными финансовыми затратами, приведет к тому, что модули и грузовые корабли без должной наземной подготовки будут стартовать с заведомо грязной атмосферой, усиливающей собственные загрязнения станции, на кото-
рой средствами жизнеобеспечения поддерживаются долговременные нормативы «нулевого риска». Вносимые загрязнения усиливают нагрузку на системы очистки и приводят к повышению расхода ресурсов. В итоге необходимая очистка атмосферы на борту обходится гораздо дороже, чем при наземной подготовке.
Отсутствие единых требований обеспечения и оценки качества атмосферы по вредным примесям для всех международных партнеров приводит к снижению уровня безопасности космонавта, ухудшая его здоровье и, в некоторых случаях, может привести к досрочному прекращению программы полета.
Так как стандарт второго уровня по требованиям к среде обитания человека в космическом полете, условия которой поддерживаются системами обеспечения жизнедеятельности, разработан российскими специалистами, целесообразно, чтобы и все 15 стандартов третьего уровня разработали также российские специалисты. То же касается и остальных стандартов первого уровня - по интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности. Желательно, чтобы и они также были разработаны Россией.
Для дальнейшей работы над этими стандартами, внесения обновленных нормативов для разной продолжительности космического полета и обсуждения замечаний экспертов по медицинским аспектам разрабатываемых стандартов необходимо привлечение специалистов ГНЦ РФ ИМБП РАН.
Заключение
Международной организацией по стандартизации принята разработанная нашими специалистами на основе российских стандартов трехуровневая структура стандартов по интеграции человека с системами и оборудованием обеспечения жизнедеятельности в космическом полете. Данный многоуровневый подход позволяет быстро разрабатывать и согласовывать отдельные стандарты по каждому аспекту обеспечения жизнедеятельности человека в космическом полете. На основании российских замечаний и предложенной структуры было прекращено действие одноуровневого стандарта NASA-STD-3000 "Man-Systems Integration Standards".
Из стандартов предложенной трехуровневой структуры российскими специалистами подготовлены рабочие редакции трех проектов стандартов (по одному из каждого уровня), которые подлежат выпуску после корректировки по замечаниям экспертов.
Для дальнейшей работы над этими стандартами, внесения обновленных нормативов для длительности космического полета и для обсуждения замечаний экспертов по медицинским аспектам разрабатываемых стандартов необходимо привлечение специалистов ГНЦ РФ Института медико-биологических проблем РАН.
Принимаемые единые стандарты обеспечивают требования для комфортной и безопасной жизнедеятельности экипажа в номинальных условиях и нештатных ситуациях космического полета, что увеличивает эффективность работы экипажа и обеспечивают его здоровье.
В результате проведенной работы Россия, как головной разработчик принятых Международной организацией стандартов, получает приоритет в области стандартизации систем обеспечения жизнедеятельности. Это обстоятельство позволит разрабатывать новые международные стандарты по СОЖ на основе российских национальных стандартов и нормативных документов, максимально учитывая опыт международных пилотируемых программ «Мир-Шаттл», «Мир-МА5Л», Международной космической станции.
Проводимая работа по международной стандартизации позволит:
• обеспечить интеграцию российских комплексов систем жизнеобеспечения с комплексами международных партнеров без дополнительного оборудования;
• занять лидирующее положение в международных пилотируемых проектах в части систем обеспечения жизнедеятельности;
• уменьшить собственные финансовые затраты за счет искючения этапа разработки изготовляемых систем.
Список литературы
1. ГОСТ 28040-89. Комплекс систем обеспечения жизнедеятельности космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Термины и определения. М.: Госстандарт СССР, 1989.
2. ГОСТ Р 50804-95. Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования. М.: Госстандарт России, 1995.
3. NASA-STD-3000. Man-Systems Integration Standards. V. 1. NASA Technical Standard, 1995.
4. NASA-STD-3001. Space Flight HumanSystem Standard. V. 1: Crew Health. NASA Technical Standard, 2007.
5. NASA-STD-3001. Space Flight HumanSystem Standard. V. 2: Human Factors, Habitability, and Environmental Health.. NASA Technical Standard, 2011.
6. Романов СЮ., Телегин АА., Гузенберг А.С. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей длительных межпланетных экспедиций // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 37-54.
7. Романов С.Ю., Мухамедиева Л.Н., Гузенберг А.С., Микос К.Н. Вредные примеси в атмосфере обитаемых космических станций // Известия РАН. Энергетика. 2006. № 1. С. 31-49.
8. Юргин А.В., Романов С.Ю., Гузенберг АС., Телегин А.А., Мухамедиева Л.Н., Еремеев С.И. Обеспечение токсически безопасной атмосферы обитаемых космических станций при аварийных ситуациях // Известия РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 75-81.
9. Филов В.А. Вредные вещества в окружающей среде. СПб.: Изд-во НПО «Профессионал», 2006. С. 23-31.
10. SSP50260. Medical Operations Requirements Document for International Space Station (ISS MORD), NASA, ISSP Johnson Space Center, Houston, Texas, 2006.
Статья поступила в редакцию 25.04.2013 г.
