ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ

Автор: 17.02.2010

zhizneobespechenie v kosmicheskom polete 344x350 ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ

ЖИЗНЕOБЕСПЕЧЕНИЕ В КOСМИЧЕСКОМ ПOЛЕТЕ

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ в космическом полете (системы жизнеобеспечения). Околоземное космич. пространство и мн. небесные тела характеризуются крайне низким барометрнч. давлением и измененной газовой средой в атмосфере (отсутствие кислорода, необходимого для дыхания живых организмов), резкими колебаниями темп-ры поверхности небесных тел и их газовой оболочки, различного рода излучениями, в т. ч. особенно опасными для живых организмов космич. и коротковолновой УФ радиацией, воздействием твердого межпланетного вещества — метеоров. Проникновение в космос, жизнь и деятельность человека в нем возможны только при наличии соответствующих защитных приспособлений. Защита от действия неблагоприятных факторов космич. полета осуществляется с помощью герметич. кабин КЛА и индивидуальных космич. скафандров. В замкнутых объемах герметич. кабин необходимые для жизни и деятельности человека условия создаются и поддерживаются при помощи системы жизнеобеспечения (СЖО). Эта система поддерживает искусств, газовую среду (воздух) с оптимальными физич. параметрами (давление, темп-ра, влажность, скорость движения) и химич. составом, удовлетворяет потребности экипажа в кислороде, пище, воде и удаляет отходы жизнедеятельности человека и др. биологич. объектов (биокомплекса).

Продолжительность космич. полета во многом предопределяет конструктивное решение и выбор принципиальных методов, к-рые должны быть заложены в основу проектирования звеньев и узлов СЖО. В зависимости от степени компенсации расхода основных веществ и элементов, участвующих в обменных процессах в малых замкнутых объемах, СЖО могут быть открытыми, частично закрытыми или закрытыми. Открытые СЖО содержат запас кислорода, нищи, воды; твердые и жидкие отходы жизнедеятельности в этом случае складируются в спец. емкости, а газообразные продукты поглощаются фильтрами. В частично закрытых СЖО производится регенерация воды, и кислород получают методом электролиза воды пли разложения углекислоты, в остальном же подобные системы не отличаются от открытых. В закрытых СЖО происходит круговорот основных элементов и веществ в малых замкнутых объемах КК с воспроизводством пищевых продуктов на борту, регенерацией воды, получением кислорода на основе фотосинтеза и электролиза воды и утилизацией отходов жизнедеятельности человека и биокомплекса. Различают СЖО, использующие физико-химич. методы регенерации веществ и элементов, и СЖО на основе биологич. круговорота веществ. Последние для малых замкнутых объемов не всегда целесообразны, поэтому в нек-рых узлах и звеньях таких систем применяют физико-химич. методы регенерации и утилизации.

Типовая СЖО должна включать след. звенья: создания и поддержания потребной газовой среды в герметич. кабине КК, обеспечения пищей, водой и санитарно-бытового обеспечения. Звено создания и поддержания потребной газовой среды (воздуха) должно в течение всего космич. полета и экспедиции на др. небесные тела постоянно сохранять в кабине КЛА заданную искусств, атмосферу, при этом необходимо компенсировать убыль кислорода, потребляемого при дыхании человеком и др. биологпч. объектами, удалять излишний углекислый газ и вредные примеси. При крат-ковром, космич. полетах в качестве источника кислорода используются запасы кислорода, к-рый может храниться на борту К К в газообразном состоянии в баллонах под давлением или в жидком состоянии в сосудах Дьюара (кислородные танки или газификаторы), а также в виде активных химнч. соединений кислорода с щелочными или щелочноземельными металлами. Такие химич. источники кислорода были применены на сов. КК «Восток» п «Восход» и амер. КК «Меркурии» и «Джеминай». Для удаления углекислого газа в кабинах могут использоваться фильтры или же щелочи нек-рых металлов. В космич. полетах средней продолжительности обеспечение кислородом может производиться путем электролиза воды пли растворов солей или разложения углекислого газа; удаление этого газа возможно с использованием цеолитов или путем его утилизации. В длит, космич. полетах применяются те же методы, что и в полетах средней продолжительности, или же используются растит, организмы (высшие и низшие автотрофы), в результате фотосинтеза выделяющие кислород; реакция фотосинтеза проходит при поглощении света и углекислого газа из воздуха кабины.

В кратковрем. космич. полетах и полетах средней продолжительности звено обеспечения пищей содержит запасы готовых пищевых продуктов в натуральном виде пли в виде диофилнзированных продуктов (см. Лиофилизация). В длит, полетах на орбитальных станциях и при экспедициях на др. небесные тела это звено должно базироваться в основном на производстве пищевых продуктов на борту; в качестве растит, пищи в этом случае будет использоваться биомасса растений, являющаяся источником кислорода в фотоспн-тетич. реакторах (газообменнпках) СЖО. На КК, предназнач. для длит, полетов, будет иметься излишек этой биомассы, использование к-рого наиболее целесообразно в качестве корма животным и микроорганизмам (гетеротрофным организмам), к-рые, в свою очередь, являются хорошим источником белков животного происхождения, крайне необходимых для человека.

Звено водообеспечения в кратковрем. космич. полетах имеет на борту КК запасы воды. В полетах средней продолжительности и тем более длительных водообеспечение должно строиться на запасах небольшого объема воды с обязательной регенерацией воды из отходов жизнедеятельности человека, транспирационпой влаги и конденсата атмосферной влаги.

В звено санитарно-бытового обеспечения входят: узел гигиенич. туалета (умывание, мытье), узел удовлетворения естеств. отправлений человека и узел отбросов при приготовлении пищи. В кратковрем. космич. полетах и, возможно, полетах средней длительности вещества, используемые в этом звене, а также отходы жизнедеятельности человека будут дезодорироваться (лишаться неприятных запахов), дезинфицироваться и складироваться в спец. емкостях. В длит, полетах все вещества в звене санитарно-бытового обеспечения должны утилизироваться; утилизация отходов жизнедеятельности человека и др. биологпч. объектов возможна только после их минерализации. Т. о., в длит, космич. полетах и, особенно, при экспедициях на др. небесные тела и в орбитальных нсследоват. лабораториях должна функционировать СЖО на основе круговорота веществ в малом замкнутом объеме, к-рую иногда называют экологической системой, сбалансированной по кислороду, воде и пище. Продолжительность полета определяет рациональную степень замкнутости СЖО, но и в случае практически замкнутой СЖО на основе круговорота веществ требуется нек-рый их запас (критич. массы исходных веществ). Вес и габариты открытых и частично закрытых СЖО зависят от продолжительности полета.

Каждое звено СЖО, в т. ч. и звенья физико-химич. регенерации, и даже отдельно взятое биологич. звено (в т. ч. и человек), представляет собой открытую проточную систему. Основное условие для ее нормального функционирования — постоянное поступление необходимых исходных веществ и энергии и удаление конечных продуктов. Для этого пытаются замкнуть открытые проточные звенья, т. е. создать из отдельных открытых узлов и звеньев последовательную функциональную цепочку замкнутого контура по веществам. В таком контуре выходные характеристики одного звена должны соответствовать выходным характеристикам следующего (при несоответствии вводят особые элементы согласования). Т. о. можно получить закрытую СЖО на основе круговорота веществ (иногда не совсем правильно называемую замкнутой), обеспечивающую длительное автономное существование без поступления веществ извне. Основное преимущество такой СЖО — возможность многократного использования первоначально ограниченных запасов веществ. Обеспечение существования человека на основе круговорота веществ впервые создает ситуацию, при к-рой СЖО оказывается в прямой зависимости от человека, как ее составного и основного звена. Эта зависимость настолько велика, что привычный смысл самого понятия СЖО становится по отношению к человеку условным, поскольку он оказывается объектом обеспечения только в той мере, в какой сам обеспечивает нормальное функционирование остальных звеньев биотехнич. системы. Включение человека в качестве функционального звена в состав системы — единственно рациональный способ обеспечения жизнедеятельности экипажа в длит, космич. полете.

СЖО но принципиальной схеме может быть закрытой лишь по части веществ (кислороду, воде), оставаясь открытой по др. веществам. Чем в большей степени удовлетворяются потребности СЖО за счет циклич. обращения большого количества веществ, тем больше такая система приближается к закрытой системе круговорота веществ в замкнутом объеме. Прообразом такой системы является круговорот веществ в биосфере Земли. Однако перенести его в герметич. кабину нельзя. Этот круговорот включает огромное количество звеньев и большое число разл. веществ, обменные процессы протекают в нем медленной разделены в пространстве и времени. В земном круговороте участвуют также и геохимич. процессы.

В закрытых СЖО на основе круговорота веществ оптимальные скорости обращения веществ являются основной предпосылкой их функционирования. От степени сбалансированности скоростей движения веществ в звеньях и в СЖО в целом зависит Уравновешенность и, следовательно, устойчивость и надежность системы. Изучение энергетич. и материальных превращений в биотехнич. системе и ее отдельных звеньях, включая и человека, представляет собой важнейшую задачу большой сложности, поскольку объектом изучения является закрытая биотехнич. система, предназнач. для длит, автономного существования в замкнутом объеме. Эта задача имеет, наряду с теоретич., огромное практич. значение, т. к. такая система призвана обеспечить существование человека вне биосферы Земли при отсутствии материальной связи с внешним миром. Осн. требования при определении структуры СЖО и выборе отдельных ее звеньев: сбалансированная работа СЖО для обеспечения человека всеми необходимыми продуктами; согласованный по скоростям обмен веществ и энергии между отдельными звеньями СЖО при минимальном рассеивании (потерях) отдельных элементов и минимальном образовании «тупиков» веществ; взаимная биологич. совместимость всех звеньев системы при использовании микроорганизмов в качестве посредников; устойчивость (надежность) системы при различных флуктуациях, неизбежно возникающих в сложной многокомпонентной системе, а также отдельных биологич. звеньев и системы в целом к неблагоприятному воздействию спецнфич. условий космич. полета.

На основании предварит, оценки потребностей человека в пище, воде, кислороде, а также возможных способов их удовлетворения в условиях длит, космич. полета определен предполагаемый состав звеньев биотехнич. системы: человек, растения, животные, пищевое звено, звено утилизации с химич. коррекцией питательных растворов для растений и животных, звено физико-химич. коррекции и звено регенерации воды (7-звенная СЖО). Поскольку в биосфере Земли известен лишь один способ воспроизводства органич. веществ из неорганич., имеющих пищевое значение, — с использованием растений (автотрофов), то, вероятно, именно это звено и будет входить в систему. Такой способ воспроизводства пищевых продуктов является наиболее реальным, по существу единственно возможным методом получения полноценных пищевых продуктов в полете. Растения позволяют иметь, помимо нищи, также кислород и воду, обеспечивают утилизацию СО, и отходов жизнедеятельности; при правильном выращивании растения дают возможность получать продукты в течение всего времени полета; вместе с тем они создают обстановку, привычную для человека, что необходимо с психологич. точки зрения. Однако звено автотрофов не может обеспечить человека белками (животного происхождения) и насыщенными жирными кислотами (животными жирами), что заставляет вводить в СЖО звено гетеротрофов (животных). Однако последнее усложняет работу звена утилизации и физико-химич. коррекции и неск. снижает кпд системы в целом. Звено утилизации должно включать узлы физико-химич. минерализации всех твердых, газообразных и жидких фаз отходов жизнедеятельности человека, автотрофов, гетеротрофов и др., узел приготовления питательных растворов для растений и животных с химич. коррекцией. Пищевое звено необходимо для повышения пищевой ценности продуктов, полученных от растений и животных, и проведения кулинарно-технологич. обработки пищевых продуктов с целью приготовления блюд требуемой для человека кондиции. Звено физико-химич. коррекции служит для восполнения возможного дефицита кислорода, удаления вредных примесей из воздуха, поддержания заданных режимов по влажности и темп-ре и для обеспечения необходимых условий при нек-рых аварийных ситуациях. В зависимости от задач и трассы полета возможно использование и вариантов схем биотехнич. системы без животных с увеличением нек-рых запасов и т. п.