Проектиование Системы Жизнеобеспечения на Запасах

 

• Охлаждающие воздух теплообменники – конденсаторы 9 с вентилятором 10 для продувки охлаждаемого воздуха и гидронасосом 11 для  откачки конденсата в емкости-сборники 12;
• Санитарное устройство 13 для приема жидких и твердых отходов жизнедеятельности и подачи их в соответствующие емкости-сборники 14-15.

 

Общая масса комплекса  СОЖ сложится из двух основных составляющих – постоянной и переменной по времени . В постоянную составляющую входят элементы оборудования СОЖ, масса которых от времени работы непосредственно не зависит: вентиляторы, гидронасосы, теплообменники, клапаны, трубопроводы, элементы конструкции.

Во вторую составляющую входят запасы расходуемых элементов, масса которых прямо пропорциональна  времени работы СОЖ: , где - суммарная масса расходуемых элементов на жизнеобеспечение одного человека за сутки, - время работы. 

Суточная  масса расходуемых  элементов  включает в себя:  

• Расход веществ, потребляемых человеком (кислород, вода, продукты питания);
• Расход поглотителя углекислого газа и массу емкостей для их хранения;
• Массу емкостей для сбора и хранения продуктов жизнедеятельности – урины, конденсата атмосферной влаги и твердых отходов;
• Расход средств санитарно-бытового обеспечения (белье, спальные принадлежности, средства личной гигиены).

 

К указанной массе  комплекса СОЖ, строго говоря, следует добавить так называемую эквивалентную или приведенную массу электроэнергии N, потребляемой СОЖ:

, где - удельная эквивалентная масса (массовая стоимость) электроэнергии на борту КА в кг/кВт, которая равна массе бортовой системы энергопитания (СЭП), поделенной на вырабатываемую ею общую мощность. Удельная эквивалентная масса электроэнергии на борту КА зависит от типа СЭП. Если система электропитания не содержит расходуемых рабочих тел, то коэффициент не зависит от времени полета. Возьмем СЭП на основе солнечных батарей: =180-200 кг/кВт.

С учетом изложенного  получим выражение для массы  комплекса СОЖ, предназначенного для  жизнеобеспечения человека в течение полета длительностью суток:

  (1)

Это выражение  называется массовой характеристикой  СОЖ.

Относительная масса  емкостей в кг/кг вещества зависит от удельной плотности размещаемого в нем вещества и давления, при котором оно хранится. Для кислорода, который в целях экономии объема и массы необходимо хранить в сжатом виде при давлении около 20 МПа (плотность 0,28 г/см³), относительная масса емкостей наиболее велика, составляя =1,8…2 даже при использовании баллонов из высокопрочных сталей или титановых сплавов. Наименьшее значение имеет для запасов воды, хранящейся при атмосферном давлении и обладающей наибольшей плотностью =0,15. Значения коэффициентов , по опытным данным приведены в таблице 1, из которой видно, что общий суточный расход массы веществ и емкостей на жизнеобеспечение составляет до 10 кг/(чел.*сут). Постоянная масса оборудования для рассматриваемого комплекса СОЖ имеет порядок около 50 кг/чел., энергопотребление сводится потреблению энергии приводами вентиляторов, гидронасосами, электроклапанами, приборами автоматики и не превышает 10-15 Вт/чел. 

Таблица 1: 

 

Итого: 9,8 кг/сутки. 

Рисунок 2 

Зависимость массы  комплексов СОЖ от продолжительности полета: 1 – комплекс на основе запасов веществ и сжатого кислорода; 2 – замкнутый комплекс на основе регенерации кислорода и воды (собственная масса); 3 – масса с учетом массы эквивалентной массы энергозатрат. 
 

Массовая  характеристика СОЖ (1), построенная с учетом этих данных показывает, что уже при ресурсе работы СОЖ, равном 60 чел.*сут. (например, один человек в полете длительностью 60 суток), требуется масса СОЖ около 650 кг (рисунок 1). В 180-суточном полете одного человека масса СОЖ составила бы около 2 т, то есть почти половину всей массы таких КА, как «Восток» или «Восход», что явно неприемлемо. Поэтому комплекс СОЖ типа рассматриваемого целесообразно применять в полетах относительно небольшой продолжительности – в пределах порядка недель. В более длительных полетах необходимо улучшать массовые характеристики комплексов СОЖ.

Для этого  предоставляются два принципиально  возможных пути.

Первый  путь – это совершенствование  способов хранения запасов веществ  и удаления продуктов жизнедеятельности; он позволяет снизить массу емкостей хранения и сбора веществ, которая составляет до 60% от общего суточного расхода массы в рассмотренном комплексе (см. таблицу 1).

Такими  способами являются, например:

• Хранение кислорода в химически связанном состоянии при давлении, близком к атмосферному;
• Применение регенеративных физико-химических поглотителей углекислого газа, позволяющих удалять его в наружное космическое пространство, а не хранить в КА.

Такие мероприятия  позволяют несколько улучшить массовую характеристику СОЖ в результате снижения расхода емкостей и поглотителей углекислого газа и расширить диапазон возможного применения СОЖ на основе запасов веществ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Система обеспечения газовой  среды: 

Система обеспечения  газового состава – совокупность функционально взаимодействующих технических подсистем и устройств, предназначенных для создания в обитаемом отсеке ПКА газовой среды для дыхания космонавтов с требуемым химическим составом и физиологическими характеристиками. 

Количество потребляемых и выделяемых человеком веществ находится в прямой зависимости от энергозатрат организма в процессе жизнедеятельности.

Таблица 2:

 

Из таблицы 2, где приведены опытные данные, видно, что количество потребляемого в час кислорода прямо пропорционально энерготратам организма при различных физических нагрузках.

На основе исследований космической медицины норма энерготрат космонавта при работе в отсеке КА составляет в среднем около 140-150 Вт. 

Система кислородообеспечения (СКО): 

Как уже говорилось ранее, система кислородообеспечения должна обеспечивать подачу в атмосферу обитаемого отсека кислорода в количестве 0,9 кг/сутки на одного человека и поддерживать парциальное давление кислорода в заданном диапазоне значений (180-320 гПа).

Кислород на борту  КА можно хранить в газообразном, жидком (криогенном) и в химически связанном состоянии.

Хранение в сжатом газообразном виде требует относительных затрат массы емкостей (баллонов), вдвое превышающих массу самого кислорода ( 2). Это связано с тем, что удельная плотность сжатого кислорода, определяющая объем баков, все же относительно невелика (0,25-0,3 г/см³), а высокое давление при хранении (20-30 МПа) требует увеличенной толщины стенки баков по прочностным соображениям.

Значительные преимущества по удобству длительного хранения и простоте эксплуатации представляет способ хранения кислорода в химически связанном состоянии.

К настоящему времени  разработан ряд веществ, позволяющих  хранить химически связанный  кислород в твердом состоянии (озониды, надперекиси и перхлораты щелочных металлов), а также в жидком состоянии (перекись водорода). Устойчивые в хранении кислородосодержащие вещества, имеющие практическое значение, приведены в таблице 3. 

 

Перекись водорода является жидкостью с плотностью 1,42 г/см³ при ее концентрации около 95% по массе (остальные 5% - вода). Концентрированная перекись водорода замерзает при температуре несколько ниже 273K (от 272 до 270K в зависимости от остаточной концентрации воды), кипит при температуре 430K при атмосферном давлении, однако еще раньше при температурах выше 400K начинает разлагаться на кислород и воду. При температурах, близких к комнатным (280-300K), перекись водорода является устойчивым соединением и может храниться длительное время с очень небольшими потерями вследствие саморазложения. Эти потери могут быть снижены путем добавки в перекись небольших количеств веществ, называемых стабилизаторами.

При указанных  температурах хранения перекись водорода может быть быстро разложена в  присутствии катализаторов (серебра, платины) с образованием кислорода, воды и большого количества тепла:

(*)

Особенностью перекиси водорода среди соединений, представленных в таблице 3, является отсутствие в ней балластных, бесполезных для СОЖ веществ, таких как, например, в перхлоратах натрия. Все продукты реакции (*) – вода и кислород – могут быть использованы для жизнеобеспечения СОЖ на основе запасов. Для получения необходимого количества кислорода – 0,9 кг/сут необходимо 1,9 кг ; при этом образуется 1 кг/сут воды.