ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКИПАЖЕЙ КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
Доктор технических наук Леонид БОБЕ, начальник лаборатории систем регенерации воды Научно-исследовательского и конструкторского института химического машиностроения (ОАО НИИхиммаш), кандидат технических наук Лев ГАВРИЛОВ, заместитель главного конструктора по системам регенерации атмосферы того же института, Алексей КОЧЕТКОВ, главный конструктор регенерационных систем жизнеобеспечения того же института, Александр ЖЕЛЕЗНЯКОВ, начальник отделения систем жизнеобеспечения РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Реализация долговременных орбитальных, а в перспективе и межпланетных полетов связана с совершенствованием систем жизнеобеспечения экипажа — они должны удовлетворять потребности человека в воде и кислороде с минимальным добавлением из запасов. Достижение максимального уровня регенерации этих веществ в замкнутом и ограниченном по объему пространстве космической станции потребовало решения сложных научно-технических задач. И это удалось ученым, инженерам и конструкторам при создании систем жизнеобеспечения отечественных орбитальных станций «Салют-4, 6, 7» и «Мир», а также ныне действующей МКС.
Запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.) и полет Юрия Гагарина (12 апреля 1961 г.) открыли эру освоения космоса. За прошедшие десятилетия вместе с развитием космической техники существенно увеличились дли-
тельность полетов и состав экипажей. Соответственно возросли и требования к системам жизнеобеспечения. Известно, что потребность одного космонавта в воде, кислороде и пище составляет от 4 до12 т в год. Доставка такого количества грузов на околоземную
Технический баланс одного космонавта по воде и кислороду.
орбиту неэкономична (ее стоимость достигает 22 000 дол. за 1 кг). Был сделан вывод: необходима организация земного экологического цикла круговорота воды и кислорода и очистки атмосферы на космической станции. На нашей планете эти процессы проходят в не ограниченном жесткими рамками объеме и с малой интенсивностью. А вот для жизнеобеспечения экипажа на орбите потребовалась разработка соответствующих высокоинтенсивных, малоэнергоемких, безотходных, управляемых физико-химических процессов, протекающих в малом по объему «космическом доме».
В 1962—1963 гг. решение этой проблемы поручили ОКБ-1 (ныне РКК «Энергия»), Институту космической биологии и медицины Минздрава СССР (ныне Государственный научный центр Институт медико-биологических проблем (ИМБП) РАН и Всесоюзному научно-исследовательскому и конструкторскому институту химического машиностроения (ныне ОАО «НИИхиммаш»). В кооперации участвовали ведущие научные учреждения, научно-производственные объединения и вузы страны.
В 1967—1968 гг. в ИМБП* испытали уникальный комплекс физико-химических регенерационных систем, укомплектованный оборудованием, разрабо-
*См.: О. Газенко, А. Григорьев, А. Егоров. Космическая медицина: вчера, сегодня, завтра. — Наука в России, 2006, № 3, 4 (прим. ред.).
танным и изготовленным в НИИхиммаш (этими и последующими работами НИИхиммаша руководил главный конструктор регенерационных систем жизнеобеспечения (1965—2007 гг.) Николай Самсонов). Три испытателя, находившиеся в герметичном макете космического корабля с очищаемой атмосферой, в течение года употребляли воду и кислород, восстановленные из конечных продуктов их жизнедеятельности.
Каким же образом в таких системах обеспечивается круговорот воды и кислорода? Их источниками служат водяные пары и углекислый газ, выделяемые человеком при дыхании, пары с поверхности кожи, моча, плотные отходы. Вода регенерируется путем очистки конденсата этих паров, выделяемых в атмосферу, извлекается из мочи, а также конденсата паров, образующихся при сушке плотных отходов. Кислород получают методом электролиза регенерированной воды. Углекислый газ, выдыхаемый космонавтом, собирается и концентрируется в системе очистки атмосферы и каталитически разлагается, реагируя с водородом, образовавшимся при электролизном получении кислорода, на метан и воду
(по методу Сабатье*) или на воду и углерод (по ме-
*
Метод Сабатье (по имени французского химика Поля Сабатье) представляет собой реакцию водорода с диоксидом углерода при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора для производства метана и воды (прим. ред.).
тоду Боша*). Образовавшаяся дополнительная вода используется для электролизного получения кислорода. Система очистки атмосферы освобождает ее от углекислого газа и других примесей, выделяемых человеком, интерьером и техническими системами. Загрязненная при умывании, душевых процедурах и стирке санитарно-гигиеническая вода очищается в специальной системе и возвращается для повторного использования, образуя замкнутый цикл. Выделяемые растениями из витаминной оранжереи** пары воды конденсируются, очищаются и используются для полива растений. Важно подчеркнуть, что извлекаемая вода должна быть безвредна для человека (работы по обеспечению медико-биологических аспектов регенерации воды проводились в ИМБП под руководством доктора технических наук Юрия Синяка).
Чем эффективнее осуществляются регенерацион-ные процессы, тем меньше потребность в доставляемых запасах. Теоретически можно получить замкнутость комплекса до 95 и даже почти до 100%. На
*
Метод Боша (по имени немецкого химика, нобелевского лауреата 1931 г. Карла Боша) — химический процесс, на одной из стадий которого углекислый газ в присутствии катализатора вступает в реакцию с молекулярным водородом, образуя воду и углерод (прим. ред.).
См.: Е. Сидорова. Оранжереи для орбитальных станций. — Наука в России, 2006, № 3 (прим. ред.).
практике же эта величина зависит от состава систем жизнеобеспечения, полноты извлечения целевых продуктов и от потерь воды и атмосферы.
На основании проведенных исследований и наземных испытаний удалось разработать малогабаритную аппаратуру для космических полетов. Первоначально это были системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К) для долговременных орбитальных станций «Салют». В январе 1975 г. впервые в мировой практике экипаж «Салюта-4» (1974—1977) в составе Алексея Губарева и Георгия Гречко использовал полученную из конденсата воду для питья и приготовления пищи и напитков. Аналогичные системы в течение длительного времени функционировали на станциях «Салют-6» (1977—1981) — 570 суток и «Са-лют-7» (1982—1986) — 743 суток. Совместно с запасами СРВ-К обеспечивала экипажи водой, в том числе и горячей, для санитарно-гигиенических процедур.
На орбитальной космической станции «Мир» (1986—2000) впервые в мировой практике был реализован практически полный (за исключением концентрирования и утилизации углекислого газа) комплекс физико-химических систем регенерации воды и атмосферы, который в значительной мере обеспечил длительное функционирование станции в пилотируемом режиме. Восстановление Н20 из конденсата атмосферной влаги, урины и загрязненной
Система электролизного получения кислорода «Электрон-ВМ». Масса 120 кг, производительность по кислороду 20-160 л/ч,
по водороду 40-320 л/ч.
санитарно-гигиенической воды осуществлялось в системах СРВ-К, СРВ-У, СРВ-СГ соответственно, а вот в «Электроне-В» методом электролиза воды, регенерированной из урины, получали кислород для дыхания. Установкой СОА-МП производили очистку атмосферы от микропримесей, системой «Воздух» — от углекислого газа. Об эффективности работы этих устройств наглядно говорят цифры. За годы существования станции из конденсата атмосферной влаги было регенерировано 15 500 л воды, из урины — 6 000 л, электролизным способом получено 5 250 кг кислорода. Что касается воды для запасов, то она доставлялась на станцию грузовыми кораблями «Прогресс». (Более подробные данные приведены в статьях Н. Самсонова, Л. Бобе, Ю. Синяка, С. Романова и др., опубликованных в журнале «Известия РАН. Энергетика», 2009, № 1.)
Какие же способы регенерации воды реализуются в орбитальных полетах? Их существует несколько, а какой применять в конкретном случае, зависит от содержания примесей в исходной жидкости и требований к восстановленной воде. Для малозагрязнен-ных жидкостей, например конденсата атмосферной влаги с суммарным содержанием до 1 г/л растворенных примесей, в том числе возможного присутствия органических и неорганических веществ более 350 наименований, используется полная очистка с применением сорбционно-каталитических и ионообменных процессов в газожидкостной, а затем в жидкой фазе. При этом в воду, уже восстановленную для питья, вводятся соли и микроэлементы, она обеззараживается ионным серебром и пастеризуется. А вот для жидкостей среднего загрязнения, например санитарно-гигиенической воды, содержащей в своем составе органические и неорганические примеси и моющее средство с концентрацией до 2—3 г/л, эффективны фильтрация и мембранные процессы. Наконец, для сильнозагрязненной жидкости, например мочи, — в ней присутствуют до 5% растворенных солей (№С1 и мочевины) и более 120 органических и неорганических растворенных примесей — используется еще один способ регенерации: извлечение паров воды из раствора путем дистилляции с последующей сорбционно-каталитической очисткой дистиллята.
В свою очередь, получение кислорода для регенерации атмосферы станции производится путем электролиза водного раствора щелочи с использованием воды, извлеченной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществляется сорбционно-катали-тическим методом на регенерируемых сорбентах.
Предложенные технологии отличает высокий выход целевых продуктов, малые затраты энергии, эко-логичность и надежность. Для обеспечения работы
аппаратов с газожидкостными средами, процессов их разделения, конденсации, испарения, кипения и др. в условиях невесомости реализованы способы и устройства, в которых силы гравитации заменены на динамические инерционные и межмолекулярные силы поверхностного натяжения. Аппаратура устойчива к вибромеханическим и ударным перегрузкам, в ней нашли применение специально синтезированные вибропрочные ионообменные смолы, углеродные сорбенты и катализаторы.
Следует подчеркну
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.