Как се получава кислород в космоса. След това дишайте в космоса

Публикации на служители на АД "NIIkhimmash"

Регенерация на вода и атмосфера на космическата станция: опит на орбиталните станции Салют, Мир и МКС, перспективи за развитие

Л.С. Доклад на конференцията IAC-10.A1.6.6., 27.10.2010

абстрактно

Въз основа на анализ на експлоатационния опит на руските космически станции "Салют", "Мир" и "Интернешънъл" космическа станцияМКС представя данни за баланса на водата и кислорода в станцията, параметрите на работа и характеристиките на системите за регенерация на вода и атмосфера. Въз основа на тези данни е извършен анализ на проекта на комплекс от регенеративни системи за поддържане на живота на космическа станция в лунната орбита. Предложеният комплекс от физически и химически системи за поддържане на живота включва: сложна система за регенерация на вода от кондензата на атмосферната влага, от кондензата на витаминна оранжерия и водата от системата за оползотворяване на въглеродния диоксид; система за регенерация на вода в урината; санитарна и хигиенна система за регенерация на вода; система за регенерация на кислород, базирана на водна електролиза; система за почистване на атмосферата от микро примеси; система за почистване на атмосферата от въглероден диоксид и неговата концентрация и система за преработка на въглероден диоксид; система от запаси от вода, кислород и азот. Стартовата маса на системи за поддържане на живота (включително резервни части, резервно оборудване, еквивалентната маса на потреблението на електроенергия и отделянето на топлина) е приемлива за лунната орбитална станция. Задължителен етап на тестване на нови процеси и системи за регенерация на вода и атмосфера за обещаващи мисии е тяхното тестване на МКС.

Въведение

Изпълнението на обещаващи орбитални и междупланетни полети е свързано с подобряването на системите за поддържане на живота (LSS) на екипажа. Тези системи трябва да извършват максимално извличане и регенериране на вода от водосъдържащи продукти от жизненоважна дейност на човека и биотехнически комплекс, да извършват производство на електролиза на кислород от регенерирана вода, да пречистват атмосферата от въглероден диоксид и други примеси, да преобразуват въглеродния диоксид за получаване вода; осигуряват нуждите на екипажа от вода и кислород с минимално добавяне на тези вещества от резервите.

Източници на вода и кислород на борда на станцията са човешки отпадъчни продукти: пот и издишана влага, събрана в системата за кондициониране на атмосферата (кондензат от атмосферна влага); урина; въглероден двуокис; влага, изпарена от растенията; санитарна и хигиенна вода, както и вода, излъчвана от технически системи, например горивни клетки на електрохимичен генератор.

Поради ограниченията на енергията, обема и масата на космическата станция, понастоящем и в близко бъдеще ще бъдат използвани физикохимични процеси в системите за регенерация на вода и атмосфера. Използвайки биологични процесии възпроизвеждането на храна е предизвикателство за в бъдеще и най-вероятно ще бъде приложено на планетни бази.

Опитът от експлоатацията на системите за поддържане на живота на руските орбитални космически станции (OSS) Салют и Мир и Международната космическа станция ISS, базирани на регенерация на вода и атмосфера с частично използване на вода и кислород от доставените резерви, го направи възможно да се получат данни за баланса на водата и кислорода в космоса.станцията и параметрите на регенерационните системи. Използването на тези данни дава възможност да се извърши анализ на проектирането на системи за поддържане на живота на обещаващи, включително междупланетни космически станции.

В представения доклад са разгледани системи, базирани на физикохимични процеси. Предполага се, че витаминната оранжерия също ще бъде включена в комплекса LSS. Степента на връщане (регенерация) на веществата се разглежда въз основа на баланса на водата, използвана за консумация, производство на кислород за електролиза и други нужди.

Опит в разработването и експлоатацията на системи за регенерация на вода и атмосфера. Наземни тестове като част от комплекс от системи за поддържане на живота.

1967-1968 в IBMP беше тестван комплекс от физикохимични регенерационни системи за поддържане на живота на RSZhO NLK, пълен със системи, разработени и произведени от NIIkhimmash. ... Блоковата схема на комплекса RSZhO NLK е показана на фиг. 1 (опция А). Системите за физикохимична регенерация осигуряват жизнената дейност на екипажа от трима душиразположен в запечатан модел на междупланетен космически кораб. Комплексът включва системи за регенерация на вода от кондензат на атмосферната влага, урина и санитарно-хигиенна вода; система за електролизно производство на кислород от регенерирана вода; система за почистване на атмосферата от микро примеси; системи за почистване на атмосферата от въглероден диоксид и неговата концентрация; система за оползотворяване на въглеродния диоксид чрез разлагането му във вода и метан по метода на Sabatier. Експериментално беше потвърдена фундаменталната възможност за дългосрочна регенеративна поддръжка на живот на човек в затворено пространство.

Въз основа на тези проучвания и по-нататъшна работавърху създаването и експлоатацията на летателни системи се формират основните методи за регенерация на водата и атмосферата. В момента се прилагат следните методи. За регенериране на вода от кондензата на атмосферната влага се използва сорбционно-каталитичен метод, последван от минерализация, консервиране със сребро и пастьоризация на пречистената вода. Извличането на вода от урината се извършва чрез дестилация със сорбционно-каталитично пречистване на дестилата.

Регенерирането на санитарна и хигиенна вода се извършва чрез филтриране, последвано от сорбционна последваща обработка. Кислородът се получава чрез електролиза воден разтворалкални с помощта на вода, възстановена от урината. Пречистването на атмосферата от следи от примеси се извършва по сорбционно-каталитичен метод върху регенерируеми сорбенти. Отстраняване на въглероден диоксид чрез сорбция върху регенерирани сорбенти с концентрацията му по време на регенерацията на сорбенти. Обработка на въглероден диоксид чрез хидрогениране с водород съгласно реакцията на Сабатие за получаване на вода и метан. За прилагане на тези методи е разработено оборудване с малък размер, което е ефективно при условия полет в космоса... Специално трябва да се отбележи оборудването за осъществяване на процесите на хидродинамика и топло- и масообмен в газо-течна среда в условия на безтегловност.

Фиг. 1. Блокова схема на комплекса от регенеративни системи за поддържане на живота на космическата станция.

А. Наземен комплекс RSZhO NLC: всички системи, показани на фигурата.
Б. Комплекс RSLO OKS "Мир": позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
В. Комплекс RSLO ISS: позиции 1, 2, 4, 5, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17.
D. Комплексна RSLO обещаваща станция: всички системи, показани на фигурата.

Регенериране на вода от кондензат на атмосферната влага в станциите Салют

За използване в полет, системите SRV-K за възстановяване на водата от кондензата на атмосферната влага първоначално са разработени за дългосрочните орбитални станции Salyut. През януари 1975 г. за първи път в световната практика на пилотирани полети екипажът на космическата станция „Салют-4“, състоящ се от А.А. Губарев и Г.М. Гречко използва вода, извлечена от кондензат, за пиене и готвене и напитки. Системата работи по време на целия пилотиран полет на станцията. Подобни системи от типа SRV-K са работили в станциите Salyut-6 (1977-1981 - 570 дни) и Salyut-7 (1982-1986 - 743 дни). Системата SRV-K, заедно със системата за запаси, осигурява на станцията вода и, заедно с функцията за регенерация, пречистена вода с изтичащи запаси, нагрята запасна вода и получена топла вода за санитарни и хигиенни процедури.

Поддръжка на живота на екипажите на космическата станция Мир

За първи път в световната практика на орбиталната космическа станция OKS Mir беше реализиран почти пълен (с изключение на системата за концентриране и оползотворяване на въглероден диоксид) комплекс от физикохимични системи за регенерация на вода и атмосфера, който до голяма степен осигури срок и ефективна работа на станцията в пилотиран режим. Структурната диаграма на поддържането на живота е показана на фигура 1 (вариант Б). Регенерирането на вода от кондензат на атмосферната влага, урината и санитарно-хигиенната вода се извършва в отделни системи, а кислородът за дишане се получава чрез електролиза на вода, регенерирана от урината. Атмосферата беше почистена от микро примеси в системата SOA-MP; пречистването на атмосферата от въглероден диоксид се извършва в системата "Въздух". Водните резерви бяха доставени до станцията от товарни кораби "Прогрес" в резервоари "Родник" и резервоари EDV. След началото на руско-американското сътрудничество водата се образува в горивните клетки Космически корабиСовалката беше предадена на станцията в Мир за пиене и електролиза на кислород. Системите за регенерация осигуряват производството на висококачествена вода и кислород и чистотата на атмосферата по време на целия полет на станцията. Някои характеристики на системите са представени в Таблица 1. Системата SRV-K работи в базовия модул за целия период на пилотирания полет от 16.03.86 до 27.08.99; системите SPK-U, SRV-U и SOA MP, работещи в модула Kvant 2 от 01.16.90 до 08.27.99; системата "Electron-V" работеше последователно в модулите "Kvant 1" и "Kvant 2" през целия полетен период, системата "Air" работеше в модула "Quantum 1" от април 1987 г. до края на полета, системата SRV-SG работеше за кратко време само за потвърждение на производителността.

Както можете да видите, масовият разход за регенерация на вода и атмосфера е много по-нисък от масовия разход за нейното доставяне до космическата станция. Специфичната масова консумация за регенериране на вода от кондензата на атмосферната влага и за производството на кислород е 0,14 kg от масата на системата на 1 kg произведена вода или кислород. Специфичната масова консумация при пречистването на атмосферата от въглероден диоксид е 0,08 kg от системната маса на 1 kg отстранен СО 2.

Масовият разход за доставка на 1 kg вода е, като се вземе предвид масата на контейнера, 1,25 kg / l H 2 O; при доставяне на кислород - 2,8 kg / kg O 2 и 2,1 kg / kg CO 2 при доставка на консумативи за почистване на атмосферата от CO 2 с нерегенерируеми абсорбатори. По време на експлоатацията на станция "Мир" поради работата на регенерационните системи е получена икономия на масата на доставения товар от 58650 кг. Трябва също да се отбележи уникално ниската консумация на енергия, особено в системите за регенерация на вода от типа SRV-K и SRV-SG: 2 Wh / l вода и 8 Wh / l вода, съответно.

Поддръжка на живота на екипажите на Международната космическа станция МКС

Подобен комплекс за поддържане на живота (фиг. 1, вариант С), включващ системи за концентрация и оползотворяване на въглероден диоксид и витаминна оранжерия и регенериране на вода от тези системи, трябваше да бъде въведен стъпка по стъпка в Международната космическа станция на МКС. В момента като част от модула за обслужване SM съществуват усъвършенствани системи за регенерация на вода от кондензат на атмосферна влага SRV-K2M, за приемане и запазване на урина SPK-UM (част 1 от системата за регенериране на вода от урина), електролиза за получаване на кислород "Electron-VM", пречистване от SOA-MP следи от примеси и "Air" пречистване от въглероден диоксид.

Характеристиките на усъвършенстваните системи са значително по-добри от тези на системите, работещи на станция Мир. Производителността на системите е значително увеличена, а масата и консумацията на енергия са намалени. Производителността на системата "Electron-VM" се удвоява в сравнение със системата "Electron-V" и възлиза на 160 nl O 2 на час (за осигуряване на 6 души). Високотемпературният каталитичен филтър PKF-T, който осигурява периодично високотемпературно каталитично пречистване на атмосферата от метан, е въведен в системата за пречистване от микро примеси, която първоначално включва регенерируем адсорбер ZPL, нерегенерируем адсорбер FOA и нискотемпературен каталитичен филтър PKF. В системите SRV-K2M и Electron-VM специфичното масово потребление за получаване (абсорбиране) на целевия продукт намалява съответно с 1,5 - 2 пъти до 0,08 kg / kg и 0,07 kg / kg. Основни характеристики на работата на системите за регенерация на вода на Международната космическа станция МКС от 2.11.00. (начало на пилотиран полет) на 1.06.10. са показани в Таблица 2. В системата SRV-K2M 12970 литра кондензат от атмосферна влага бяха регенерирани до питейни условия, което е 63% от потреблението пия водаи 44% от общото потребление на вода в станцията. Системите "Electron-VM" и "Air" получават 5835 кг кислород и абсорбират 10250 кг въглероден диоксид. Работата на системите позволи да се спестят повече от 50 000 кг от масата на доставките на вода и оборудване, т.е. няколко изстрелвания на товарни кораби „Прогрес“.

Бележки. * - обяснение в списъка със символи и съкращения; ** включително отопление на вода; *** - разход на водни резерви -16660 литра, общ разход на вода на станцията - 29630 литра, **** - за 6 души.

Ефективността на LSS комплекса може да бъде значително увеличена чрез увеличаване на степента на неговата изолация. През разглеждания период руският сегмент на МКС е събрал и отстранил 15 300 литра урина с вода за промиване. С коефициент на екстракция на вода от 0,9, количеството на водата, регенерирана в SRV-UM, ще възлезе на 13 770 литра със собствено тегло на системата от 15% от произведената вода. МКС също събра и отстрани 10 250 кг въглероден диоксид. В системата за обработка на въглероден диоксид чрез реакцията на Сабатие би било възможно да се получи, използвайки водород от системата Electron-VM, около 4610 литра вода. Получаването на допълнителни 18380 литра вода на борда на практика осигурява баланса на станцията по отношение на вода и кислород. По този начин, един от приоритетни насокиразвитието на руския сегмент на МКС и обещаващите станции е въвеждането на системи за възстановяване на водата от урината и системи за концентрация и преработка на въглероден диоксид в LSS. Това ще намали масата на доставките на вода, ще увеличи надеждността на водоснабдяването и автономността на полета на станцията, като същевременно ще разшири възможностите за доставка на научно оборудване.

Качество на водата и атмосфера

Понастоящем е натрупан голям опит в оценката на качеството на възстановената вода и водните запаси. В края на всяка експедиция, по време на посещаващи експедиции и по време на съвместни полети с корабите на совалката, бяха взети и доставени на Земята проби от кондензат на атмосферна влага, регенерирана вода и вода от системата за съхранение. Таблица 3 показва обобщени данни за целия разглеждан период от полета на МКС. Както можете да видите, въпреки относително високото съдържание на органични примеси в кондензата, регенерираната вода напълно отговаря на стандартите. Питейната вода от резервите запазва своя състав и отговаря на всички изисквания на стандартите. Бактериологичните анализи, извършвани периодично от американски астронавти директно на борда на станцията, показват, че практически няма микрофлора в регенерираната вода и във водата. Тези данни убедително потвърждават химическата и бактериологичната безопасност на водата в космическата станция. Съдържанието на примеси в атмосферата на станцията не надвишава стандартите. Съдържанието на основните примеси в кислорода за електролиза е показано в таблица 4. Както можете да видите, качеството на кислорода напълно отговаря на изискванията.

Перспективи за развитие на комплекс от регенеративни системи за поддържане на живота

Въз основа на опита в разработването и експлоатацията на системи за регенерация на вода и атмосфера, в доклада се разглежда обещаваща физикохимична система за регенеративно поддържане на живота. междупланетна станция... Да разгледаме като пример регенеративното поддържане на живота на космическа станция в лунна орбита с екипаж до 4 души. Доставката на стоки до такава станция е изключително трудна, следователно оптималното за тази цел е комплекс от регенерационни LSS, който практически е затворен във вода и кислород. Комплексът е показан на фиг. 1 (вариант Г) и включва всички системи за физическа и химична регенерация, показани на диаграмата, санитарно-хигиенно оборудване и витаминна оранжерия със осветена площ от 0,4 m². Използват се хранителни запаси, съдържащи 0,6 кг на човек на ден сухо вещество и 0,5 кг на човек на ден вода. Техническият баланс за вода е показан в Таблица 5. Първата колона вдясно и отляво на таблицата се отнася до структурата на ISS LSS с минимални изисквания за вода. Колона 2 отчита нуждите от вода на витаминната оранжерия и вода за измиване и измиване. Колона 1.2 характеризира първия етап от развитието на LSS с въвеждането на система за възстановяване на вода от урината и системи за концентрация и преработка на СО 2 (по метода на Sabatier). Колона 2 характеризира втория етап от развитието на LSS с въвеждането на санитарно-хигиенно оборудване, витаминна оранжерия и съответните системи за регенерация на вода. Очакваното изчисление на масата и енергопотреблението на LSS комплекса за тази опция е представено в Таблица 6. Въз основа на анализа на възможностите за увеличаване на ресурса на агрегатите и оборудването на регенерационните системи, специфичното масово потребление на 1 kg от полученият продукт се свежда до стойностите, дадени в таблицата. Системното натоварване се приема въз основа на баланса на веществото, показан в таблица 5.

Консумация, освобождаване и възможност за връщане на вещества в космическата станция (за 1 астронавт на ден)

Загубите на консумация на вода и атмосфера и азот за прочистване на капсулата на системата "Electron-VM", чиито точни стойности не са известни, не бяха взети предвид. Консумацията на вода и атмосфера за скафандри също не се взема предвид. Специфичните тегла на доставените водни резерви се приемат за 1,3 kg / kg Н 2 О, кислород - 3 kg / kg О 2. Аварийните доставки бяха взети за 90 дни въз основа на изискванията за кислород и азот (5 кг / човек-ден) и вода (4 кг / човек-ден). Използвани са американските данни за масовото потребление за захранване и отвеждане на топлината в системата за осигуряване на топлинен режим: съответно 230 kg / kW и 146 kg / kW. Предполагаше се, че количеството отхвърлена топлина е еквивалентно на потреблението на електрическа енергия, като общото отчитане е 0,4 kg / W. При изчисляване на енергийната консумация на системите SRV-K и SRV-SG бяха взети предвид разходите за отопление на водата. Трябва да се подчертае още веднъж, че в съответствие с фокуса на доклада бяха разгледани разходите за маса и енергия за регенерация на вода и атмосфера. Останалите разходни позиции за поддържане на живота: климатизация, храна, санитарно-хигиенно и медицинско оборудване, системи за извънземни дейности и др. не бяха разгледани.

Очакваните разходи за маса и енергия за престоя на 4 души в лунната орбита през годината са:
- за регенерация на вода и водоснабдяване 2810 кг оборудване и резерви от вода и 280 W електричество (средно дневно);
- за регенерация и резерви на атмосферата 2630 кг оборудване и резерви от кислород и азот и 1740 W електрическа енергия (средно дневно).
Общите разходи за регенериране на вода и атмосфера и резерви възлизат на 5440 кг (оборудване и резерви от вода, кислород и азот) и 2020 W електроенергия (средно дневно).

Масата на аварийните запаси е сравнима с разходите за регенерация, поради което е необходимо да се осигурят технически предпоставки за нейното намаляване. Особено внимание трябва да се обърне на факторите за оползотворяване на веществата и да се сведе до минимум загубата на вода и атмосфера, които пряко влияят върху потреблението на запасите (тези загуби не са взети предвид при изчисленията). Основната насока на развитие на LSS комплексите е да се увеличи тяхната изолация и надеждност. За да се подобри надеждността, комплексът LSS трябва да включва не само резервни агрегати, но и резервни системи, които осигуряват на екипажа вода и атмосфера в случай на неизправност на основните системи. С увеличаването на продължителността и автономността на полета е от решаващо значение да се увеличи експлоатационният живот на оборудването, да се осигури поддръжка, да се намали масата и енергийната консумация на системите и да се намали обемът, който заемат. Необходимо е да се повиши ефективността на съществуващите и да се разработят нови процеси за регенерация на вода и атмосфера.

* Включително допълнителни единици и резервна подсистема. ** Включително аварийни запаси.

Понастоящем няма системи и комплекси LSS, които напълно да отговарят на тези изисквания. За тяхното създаване е необходимо да се извърши целенасочена изследователска и развойна дейност. Най-важният етап от тестването на нови технологични процеси и системи за дългосрочни автономни полети е тяхното тестване и разработване на Международната космическа станция МКС.

При организирането на планетарни бази е необходимо да се осигури постепенен преход от оборудването на междупланетни кораби, работещи под нулева гравитация, към по-просто оборудване, използващо гравитацията на планетите. Отделна задача е разработването на процеси и системи, които използват планетарни ресурси.

заключения

1. Създадени са регенеративни системи за поддържане на живота, които успешно са работили на руските космически станции "Салют", "Мир" и в момента на МКС, осигурявайки дълъг престой на космонавти на станцията и значителен технически и икономически ефект.

2. Извършеният анализ, използвайки постигнатия опит, потвърждава техническата възможност за създаване на комплекс от системи за поддържане на живота, базиран на регенерация на вода и атмосфера за лунната орбитална космическа станция.

3. За да се реши този проблем, е необходимо да се увеличи степента на затваряне на LSS комплекса чрез увеличаване на коефициентите на екстракция на вода и въвеждане на системи за регенерация на вода от урина, концентрация и преработка на въглероден диоксид в LSS.

На втория етап от подобряването на LSS комплекса е необходимо да се повиши неговият комфорт и да се въведат санитарно-хигиенно оборудване, оранжерия с витамини и подходящи системи за регенерация на вода.

4. Създаването на комплекси от системи за поддържане на живота за обещаващи мисии изисква разработването на подобрено оборудване, системи и технологии, които ще повишат надеждността на регенерацията и значително ще намалят масовото потребление за получаване на целеви продукти. Необходимо е също така да се разработят и внедрят резервни системи, които осигуряват функционална резервираност на основните системи при аварийни ситуации.

„Предишни космически мисии - Меркурий, Близнаци, Аполон взеха със себе си всички необходими запаси от вода и кислород и изхвърлиха течни и газообразни отпадъци в космоса“, обяснява Робърт Багдигиан от центъра „Маршал“. Накратко, системите за поддържане на живота на астронавтите са били с „отворена верига“ - те разчитат на подкрепа от Земята, което отчасти е вярно и днес за Международната космическа станция (МКС).

При дълги мисии на или има смисъл да затворите системата - тоест рециклирайте въздух и мръсна вода, вместо да ги изхвърляте. В близко бъдеще ще бъдат проведени тестове на такава система за регенерация на МКС. Името на проекта е Системи за контрол на околната среда и поддържане на живота, по-известни под съкращението ECLSS. Робърт Багдижан е ръководител на този проект.

Система за оползотворяване на вода ECLSS

„Руснаците бяха по-напред от нас в тази област - казва Робин Караскило, технически ръководител на проекта ECLSS. - Космическите кораби„ Салют “и„ Мир “също бяха способни да кондензират влагата от въздуха и използваха електролиза - преминавайки електрически ток през вода - към производство на кислород ". Системата ECLSS, разработена от НАСА, ще бъде пусната на МКС през 2008 г. и ще стигне още по-далеч по отношение на регенерацията - тя е в състояние да получава питейна вода не само от изпарения, но и от урина.

Процесът на възстановяване на водата от урината е техническо предизвикателство: „Урината е много по-мръсна от водните пари", обяснява Carrasquillo. „Може да корозира метални части и да запуши тръбите." Системата ECLSS използва процес, наречен дестилация с компресиране на пари за пречистване на урината: урината се вари, докато водата се превърне в пара. Парата - естествено пречистена вода в парообразно състояние (с изключение на следи от амоняк и други газове) - се издига в дестилационната камера, оставяйки концентрирана кафява суспензия от отпадъчни води и соли, която Караскило с милост нарича "саламура" (която след това се изхвърля) в отворено пространство). След това парата се охлажда и водата се кондензира. Полученият дестилат се смесва с кондензирана от въздуха влага и се филтрира до състояние, подходящо за пиене. Системата ECLSS е способна да възстановява 100% влага от въздуха и 85% вода от урината, което съответства на обща ефективност от около 93%.

Горното обаче се отнася за работата на системата в земни условия. В космоса се появява допълнително усложнение - парите не се издигат нагоре: не могат да се издигнат в дестилационната камера. Следователно, в модела ECLSS за МКС, „... ние въртим дестилационната система, за да създадем изкуствена гравитация, за да отделим парите и саламурата“, обяснява Carrasquillo.

Освен това, в микрогравитацията на космически кораб, човешката коса, кожни частици, пух и други примеси се окачват във въздуха и не падат на пода. В тази връзка е необходима впечатляваща система за филтриране. В края на процеса на пречистване към водата се добавя йод, за да забави растежа на микробите (хлорът, използван за пречистване на водата на Земята, е твърде реактивен и опасен за съхранение в космоса).

Системата за регенерация на водата на ISS с тегло около 1,5 тона ще "... произвежда половин галон вода на час, което е повече от нуждите на екип от трима", казва Караскило. "Това ще позволи на космическата станция да непрекъснато подкрепя шестима астронавти. " Системата е предназначена за производство на питейна вода "... чиито стандарти за чистота са по-високи от повечето общински водоснабдителни системи на Земята", добави Багджиян.

В допълнение към производството на питейна вода за екипажа, системата за оползотворяване на водата ще доставя вода и към друга част на ECLSS: системата за генериране на кислород (OGS). Принципът на действие на OGS е електролизата. Водните молекули се разграждат на кислород, който е необходим за дишането, и водород, който се отстранява от космическия кораб. „Цикълът на производство на въздух изисква достатъчно чиста вода, за да не се задръстват клетките за електролиза“, подчертава Багдаджиян.

„Регенерацията е много по-ефективна от попълването на станцията от Земята“, казва Караскило, особено след края на совалката през 2010 г. Попълването на 93% от мръсната вода е впечатляващо, но за многомесечни и многогодишни мисии до Луната и Марс следващите версии на системата ECLSS трябва да постигнат ефективност, близка до 100%. В този случай астронавтите ще бъдат готови да оцелеят в условията на нашата „Дюна“.

През нощта на 30 август 2018 г. на Международната космическа станция се задейства аларма за изтичане на въздух. Животът разказва как астронавтите са успели да се справят с проблема с помощта на немски пръст и висококачествен скоч.

В нощта на 30 август 2018 г., когато астронавтите спяха спокойно в спалните си чували, привързвайки се за стените, за да не плават около космическия кораб, на МКС се включи аларма, предупреждаваща за изтичане на газ въздушна смес от пространството на гарата. Според стандартите на станцията това е една от най-сериозните извънредни ситуации, тъй като на станцията няма излишен въздух, така че космонавтите, скачайки посред нощ, започнаха да търсят причината за теча.

За целта, разделяйки се на групи, астронавтите изолираха отделенията едно по едно и провериха къде точно се получава изтичането. Сензорът работи от намаляване на налягането, следователно, ако проблемното отделение е изолирано и течът спре, ще стане ясно къде точно да се търси проблемът. През цялото това време, докато проблемът не беше локализиран, налягането спадна в станцията. Обикновено там се поддържа налягане, близко до нормалното - 760 милиметра живачен стълб, към момента на локализиране на проблема атмосферното налягане в модула Destiny е било около 724 mm Hg. Изкуство. Тоест, изтичането беше достатъчно сериозно.

Какво е причинило изтичането? Руски пилотиран космически кораб "Союз МС-09" се скачи към модула "Рассвет" Именно в него, в отделението за домакинството, след внимателно претърсване е открит микропукнатина с размер само един милиметър и половина. Пукнатината е запушена с пръст от германския космонавт Александър Герст. Впоследствие космонавтите запечатваха пукнатината със специална лента и в момента работят за отстраняване на последствията. Тогава беше открита друга дупка, която също беше запечатана.

Основният проблем в този случай е да се намери причината за теча и да се опита да го локализира възможно най-бързо. Запасът от кислород в станцията е твърде малък, за да се губи толкова безсмислено, като се изпуска в космоса. Проблемът е, че е много трудно да се определи точно къде е течът. Обемът на корабите е доста голям, а въздухът излиза почти безшумно.

IN този случайсе оказа, че и двете микропукнатини са разположени съвсем близо до докинг станцията на космическия кораб „Союз MS-09“, на който космонавтите са отлетели до МКС на 6 юни 2018 г. Предвид местоположението на микропукнатините, логично е да се предположи, че корабът е можел да бъде повреден по време на докинг. По принцип облицовката на космически кораби не е много дебела - това е специална алуминиева сплав с дебелина само около милиметър, покрита отгоре с топлоизолация от два слоя - горен слой, състоящ се от азбесто-циментов ламинат и долен слой от "лек топлоизолационен материал".

Питате, как подобна черупка издържа на много високи температури по време на слизане на Земята? Работата е там, че само малка част от пилотирания космически кораб "Союз" - капсулата за спускане - се връща на Земята. Стените му са много по-здрави, а изискванията там са съвсем различни. Помощното отделение е допълнително пространство, използвано от астронавтите по време на полета им до МКС. Там можете да опънете вцепенени крака в люлката, да се преоблечете или да отидете до тоалетната. Ако не беше отделението за комунални услуги, двудневното пътуване до гарата щеше да бъде изключително труден тест.

Следователно запечатването на външното отделение с лента е нормална практика, няма да има допълнителни проблеми от това. Лентата обикновено ще се държи, докато пилотираният космически кораб не се откачи. Между другото, скоч лентата се използва в космоса със завидна редовност - това е удобно и бързо. В романа на Анди Уайър „Марсианецът“, където много от реалностите на съвременната космонавтика са добре отбелязани, може да се намери пряка похвала за скоча: „Скочът работи като цяло навсякъде и навсякъде. Скочът е дар от боговете, трябва да се почита. "

Често ли се случват подобни проблеми? Уви, случва се. Международната космическа станция прилича на огромна жива машина, която трябва постоянно да се наблюдава. Тук астронавтите редовно се занимават с всякакви превантивни дейности. Сменят различни уплътнения, проверяват надеждността на закрепването. Сред работата, извършена на гарата, могат да се разграничат три основни направления. Първият е проверка на всички системи, поправянето им или рутинната подмяна на сменяеми компоненти. Американски астронавти дори се шегуваха, че работата по МКС е като гигантска космическа автомобилна услуга: всички системи изискват смяна на филтъра и редовно тестване.

Вторият вид работа е товаренето и разтоварването. Няколко центнера храна, вода и оборудване за експерименти пристигат с космически товарни кораби. Разтоварването на всеки от тези "камиони" се превръща в дълго и не забавно преживяване - трябва да прехвърлите всички кутии и пакети една по една в желаното отделение и да ги оправите там. Не можете просто да хвърлите храна в технологичното отделение и да я оставите да лети в условия на намалена гравитация: тогава просто ще бъде невъзможно да се намери нещо. Космосът ви учи да бъдете спретнати.

В необичайните условия на полет извън атмосферата космонавтите трябва да имат всички условия за работа и почивка. Те трябва да ядат, пият, дишат, почиват, спят за определеното време. Такива прости и светски въпроси за земния живот в космоса се развиват в сложни научни и технически проблеми.

Човек може да продължи доста дълго време без храна, без вода - няколко дни. Но без въздух той може да живее само няколко минути. Дишането е най-важната функция на човешкото тяло. Как се осигурява при космически полет?

Свободният обем в космическите кораби е малък. обикновено има около 9 кубически метра въздух на борда. А зад стените на кораба има почти пълен вакуум, остатъците от атмосферата, чиято плътност е милиони пъти по-малка, отколкото на повърхността на Земята.

9 кубически метра е всичко, което астронавтите имат за дишане. Но това е много. Въпросът е само с какво ще се запълни този том, как ще дишат астронавтите.

Атмосферата около човека на Земята в сухо състояние съдържа тегловно 78,09 процента азот, 20,95 процента кислород, 0,93 процента аргон, 0,03 процента въглероден диоксид. Количеството други газове в него е практически незначително.

Хората и почти целият живот на Земята са свикнали да дишат такава газова смес. Но възможностите на човешкото тяло са по-широки. От общото атмосферно налягане на морското равнище кислородът представлява приблизително 160 милиметра. Човек може да диша, когато налягането на кислорода спадне до 98 милиметра живачен стълб и само под „кислороден глад“ настъпва. Но е възможен и друг вариант: когато съдържанието на кислород във въздуха е повече от нормалното. Горната граница на парциалното налягане на кислорода, възможна за човек, преминава на нивото от 425 милиметра живак. При по-висока концентрация на кислород се получава отравяне с кислород. Така че възможностите на човешкото тяло позволяват колебания в съдържанието на кислород с около 4 пъти. В още по-широк диапазон нашето тяло може да толерира колебания в атмосферното налягане: от 160 милиметра живак до няколко атмосфери.

Азотът и аргонът са инертни части на въздуха. В кислородните процеси участва само кислород. Следователно възникна мисълта: възможно ли е да се замени азотът в космически кораб с по-лек газ, да речем, хелий. Кубичен метър азот тежи 1,25 килограма, а хелийът тежи само 0,18 килограма, тоест седем пъти по-малко. За космическите кораби, където е регистриран всеки излишен килограм тегло, това в никакъв случай не е безразлично. Експериментите показват, че човек може да диша нормално в кислородно-хелиева атмосфера. Това е тествано от американски акванавти при дълги гмуркания.

От техническа гледна точка се обръща внимание и на едногазова атмосфера, състояща се от чист кислород. В американските космически кораби чистият кислород се използва за дишане на астронавтите при налягане от около 270 милиметра живак. В този случай е по-лесно (и следователно по-лесно) да се получи оборудване за наблюдение на налягането и поддържане на състава на атмосферата. Чистият кислород обаче има своите недостатъци: има опасност от пожар на космическия кораб; продължителното вдишване на чист кислород причинява неприятни усложнения в дихателните пътища.

При създаването на изкуствена среда в домашни космически кораби за основа е взета нормалната земна атмосфера. Специалистите, на първо място, лекарите, настояваха на борда на космически кораби да се създаде ъгъл на родната им планета с условия, максимално близки до тези, които заобикалят човек на Земята. Всички технически предимства, получени при използване на едногазова атмосфера, кислород-хелий и други, бяха жертвани в името на пълен комфорт за астронавтите. Всички параметри са много близки до нормите на атмосферата, която дишаме на Земята. Те показват, че автоматиката „поддържа“ параметрите на въздуха в кабината много „твърдо“ и стабилно. Изглежда астронавтите дишат чистия въздух на Земята.

След като космонавтите се качват на космическия кораб, след запечатването на отделенията му, съставът на атмосферата в космическия кораб започва да се променя. Двама космонавти консумират около 50 литра кислород на час и отделят 80-100 грама водна пара, въглероден диоксид, летливи метаболитни продукти и др. Тогава климатичната система влиза в експлоатация, което довежда атмосферата "до състояние", т.е. поддържа всички свои параметри на оптимално ниво.

Регенерацията на атмосферата се основава на ефективни, доказани физични и химични процеси. Известни химични веществакоито, когато се комбинират с вода или въглероден диоксид, могат да отделят кислород. Това е супероксид алкални метали- натрий, калий, литий. За да могат тези реакции да отделят 50 литра кислород - часовото изискване на двама астронавти - са необходими 26,4 грама вода. А изпускането му в атмосферата от двама космонавти, както вече казахме, достига 100 грама на час.

Част от тази вода се използва за получаване на кислород, част се съхранява във въздуха, за да се поддържа нормална относителна влажност (в рамките на 40-60 процента). Излишната вода трябва да се улавя от специални абсорбатори.

Наличието на прах, трохи, отломки във въздуха е неприемливо. Наистина, при нулева гравитация всичко това не пада на пода, а плава свободно в атмосферата на кораба и може да влезе в дихателните пътища на астронавтите. Има специални филтри за почистване на въздуха от механични примеси.

И така, регенерацията на атмосферата в кораба се свежда до факта, че част от въздуха от обитаемите отделения непрекъснато се поема от вентилатора и преминава през редица климатични устройства. Там въздухът се почиства, довежда се до нормата за химичен състав, влажност и температура и отново се връща в кабината на космонавтите. Такава циркулация на въздуха продължава непрекъснато и нейната скорост и ефективност на работа непрестанно се контролират от подходящата автоматизация.

Например, ако съдържанието на кислород в атмосферата на кораба се е увеличило прекомерно, системата за управление веднага ще забележи това. Тя издава съответните команди изпълнителни органи; режимът на работа на инсталацията се променя, така че да се намали отделянето на кислород.

Ние не сме астронавти, не пилоти,
Не инженери, не лекари.
А ние сме водопроводчици:
Изгонваме водата от урината!
И не факири, братя, като нас,
Но без да се хвалим, казваме:
Цикълът на водата в природата ние
Ще го повторим в нашата система!
Нашата наука е много точна.
Просто обмисляте курса.
Ще дестилираме отпадъчни води
За гювечи и компот!
Преминавайки всички пътища на Млечния,
Няма да отслабнете едновременно
С пълна самодостатъчност
Нашите космически системи.
В крайна сметка дори тортите са отлични
Лула кебап и калачи
В крайна сметка - от оригинала
Материал и урина!
Не отказвайте, ако е възможно,
Когато питаме сутрин
Напълнете колбата общо
Поне сто грама всеки!
Трябва да признаем по приятелски начин
Какво е полезно да бъдем приятели с нас:
В крайна сметка, без оползотворяване
Не можеш да живееш на този свят!

(Автор - Валентин Филипович Върламов - псевдоним В. Вологдин)

Водата е основата на живота. На нашата планета със сигурност. На някои "Гама-Кентавър" всичко е възможно по различен начин. С появата на космическите изследвания значението на водата за хората само се е увеличило. Много зависи от H2O в космоса, от работата на самата космическа станция до производството на кислород. Първият космически кораб нямаше затворена водоснабдителна система. Цялата вода и други „консумативи“ първоначално са били взети на борда, дори от Земята.

„Предишни космически мисии - Меркурий, Близнаци, Аполон взеха със себе си всички необходими запаси от вода и кислород и изхвърлиха течни и газообразни отпадъци в космоса“- обяснява Робърт Багдигиан от центъра на Маршал.

Накратко: системите за поддържане на живота на астронавтите и астронавтите бяха „отворени“ - те разчитаха на подкрепа от родната си планета.

Ще говоря за йод и космическия кораб Apollo, ролята на тоалетните и опциите (UdSSR или САЩ) за изхвърляне на отпадъчни продукти на ранните космически кораби друг път.

На снимката: преносима система за поддържане на живота Apollo 15, 1968 г.

Оставяйки влечугото, плувах до шкафа за санитарно оборудване. Обръщайки гръб към метъра, той извади мек гофриран маркуч и разкопча панталона си.
- Нужда от изхвърляне на отпадъци?
Бог…
Разбира се, не отговорих. Той включи засмукването и се опита да забрави за любопитния поглед на влечугото, отегчавайки гърба му. Мразя тези малки ежедневни проблеми.

„Звездите са студени играчки“, С. Лукяненко

Обратно към водата и O2.

Днес на МКС частично затворена системарегенерация на вода и ще се опитам да ви разкажа за детайлите (доколкото сам го разбрах).

Отстъпление:
На 20 февруари 1986 г. съветската орбитална станция „Мир“ излиза в орбита.

За да се доставят 30 000 литра вода до орбиталните станции MIR и ISS, би било необходимо да се организират допълнителни 12 изстрелвания на транспортното средство Progress с полезен товар от 2,5 тона. Ако вземем предвид факта, че Progress е оборудван с 420 литра резервоари за питейна вода тип Rodnik, тогава броят на допълнителните изстрелвания на транспортното средство Progress би трябвало да се увеличи няколко пъти.

На ISS абсорбаторите на зеолит от системата Air улавят въглеродния диоксид (CO2) и го освобождават в извънбордовото пространство. Изгубеният в състава на СО2 кислород се попълва чрез електролиза на водата (нейното разлагане до водород и кислород). Това се прави на МКС от системата Electron, която консумира 1 кг вода на човек на ден. Понастоящем водородът се изпуска извън борда, но в дългосрочен план той ще помогне за превръщането на CO2 в ценна вода и излъчен метан (CH4). И разбира се, на борда има кислородни бомби и бутилки за всеки случай.

На снимката: кислородният генератор и тренажор за бягане, излязъл от експлоатация през 2011 г.

Снимка: Астронавтите създават система за дегазация на течности за биологични експерименти в микрогравитация в лабораторията Destiny.

На снимката: Сергей Крикалев с устройството за електролиза на вода Electron

За съжаление пълният цикъл на веществата продължава орбитални станциивсе още не е постигнато. На това ниво на технология, използвайки физични и химични методине осъществява синтеза на протеини, мазнини, въглехидрати и други биологично активни вещества. Следователно въглеродният диоксид, водородът, съдържащи влага и плътни отпадъци на астронавтите се отстраняват във вакуум. космическо пространство.

Банята на космическата станция изглежда така

В сервизния модул ISS са инсталирани и функционират системите за пречистване "Air" и BMP, подобрената регенерация на кондензна вода SRV-K2M и системите за генериране на кислород Electron-VM, както и системата за приемане и консервиране на урина SPK-UM. Ефективността на подобрените системи е повече от два пъти (осигурява живот на екипажа до 6 души), а консумацията на енергия и маса е намалена.

За период от пет години (данни за 2006 г.)При тяхната работа бяха регенерирани 6,8 тона вода, 2,8 тона кислород, което направи възможно намаляването на масата на товара, доставен до станцията, с повече от 11 тона.

Забавянето при включването на системата за регенерация на вода SRV-UM в комплекса LSS не позволи регенерирането на 7 тона вода и намали теглото за доставка.

„Втори фронт“ - американци

Процесната вода от американския апарат ECLSS се подава към руската системаи американската OGS (система за генериране на кислород), където след това се „преработва“ в кислород.

Процесът на възстановяване на водата от урината е сложен технически проблем: „Урината е много„ по-мръсна “от водната пара, обяснява Carrasquillo, „Може да разяжда метални части и да запушва тръби.“Системата ECLSS използва процес, наречен дестилация с компресиране на пари за пречистване на урината: урината се вари, докато водата се превърне в пара. Пара - естествено пречистена вода в състояние на изпарения (с изключение на следи от амоняк и други газове) - се издига в дестилационната камера, оставяйки концентрирана кафява суспензия от отпадъчни води и соли, която Караскило с милост нарича „саламура“ (която след това се изхвърля в космическото пространство ). След това парата се охлажда и водата се кондензира. Полученият дестилат се смесва с кондензирана от въздуха влага и се филтрира до състояние, подходящо за пиене. Системата ECLSS е способна да възстановява 100% влага от въздуха и 85% вода от урината, което съответства на обща ефективност от около 93%.

Горното обаче се отнася за работата на системата в земни условия. В космоса се появява допълнително усложнение - парите не се издигат нагоре: не могат да се издигнат в дестилационната камера. Следователно в модела ECLSS за МКС "... ние въртим дестилационната система, за да създадем изкуствена гравитация, за да отделим парите и саламурата."- обяснява Караскило.

Перспективи:
Известни са опити за получаване на синтетични въглехидрати от отпадъчните продукти на астронавтите за условията на космическите експедиции съгласно схемата:

Според тази схема отпадъчните продукти се изгарят с образуването на въглероден диоксид, от който в резултат на хидрогенирането се образува метан (реакция на Сабатие). Метанът може да се трансформира във формалдехид, от който в резултат на реакцията на поликондензация (реакция на Бутлеров) се образуват монозахаридни въглехидрати.

Получените монозахаридни въглехидрати обаче са смес от рацемати - тетроза, пентоза, хексоза, хептоза, които нямат оптична активност.

Прибл.Дори се страхувам да се задълбоча в „уики-знанието“, за да се задълбоча в тяхното значение.

Съвременните LSS, след тяхната подходяща модернизация, могат да бъдат използвани като основа за създаването на LSS, необходими за изследване на дълбокия космос.

Комплексът LSS ще позволи да се осигури почти пълно възпроизвеждане на вода и кислород на станцията и може да бъде в основата на комплексите LSS за планираните полети до Марс и организирането на база на Луната.

Много внимание се отделя на създаването на системи, които осигуряват най-пълната циркулация на веществата. За тази цел най-вероятно те ще използват процеса на хидрогениране на въглероден диоксид съгласно реакцията на Sabatier или Bosch-Boudoir, което ще даде възможност за осъществяване на кислородния и водния цикъл:

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O
CO2 + 2H2 = C + 2H2O

В случай на екзобиологична забрана на емисията на СН4 във вакуума на космическото пространство, метанът може да се трансформира във формалдехид и нелетливи въглехидрати-монозахариди чрез следните реакции:

CH4 + O2 = CH2O + H2O
поликондензация
nСН2О -? (СН20) n
Ca (OH) 2

Бих искал да отбележа, че източниците на замърсяване на местообитанието в орбитални станции и по време на дълги междупланетни полети са:

- вътрешни строителни материали (полимер синтетични материали, лакове, бои)
- лице (с изпотяване, транспирация, с чревни газове, със санитарни и хигиенни мерки, медицински прегледи и др.)
- работещо електронно оборудване
- връзки на системи за поддържане на живота (канализационни устройства-ACS, кухня, сауна, душ)
и още много

Очевидно ще е необходимо да се създаде автоматична система за оперативен контрол и управление на качеството на околната среда. Някой ASOKUKSO?

Най-малкият ми син днес в училище започна да събира "изследователска банда", за да отглежда пекинска салата в стара микровълнова фурна. Вероятно са решили да си осигурят зеленина, когато пътуват до Марс. Ще трябва да си купите стара микровълнова на AVITO, защото моите все още са функционални. Не го разбивайте нарочно?

Прибл. на снимката, разбира се, не моето дете, и не бъдеща жертва на експеримента с микровълновата печка.

Както обещах [имейл защитен], ако нещо излезе, снимки и резултатът ще бъдат изхвърлени в GIK. Мога да изпратя отглежданата салата по пощата на тези, които желаят, срещу заплащане, разбира се. Добави тагове