Чем дышат космонавты в космосе на мкс
Искусственные лёгкие МКС: как работают генераторы кислорода
Спецпроект «Земля – это космос» представляет: обозреватель «Вестей ФМ» Павел Анисимов рассказывает о генераторах кислорода.
«Уровень кислорода – критический! Уровень кислорода – критический!»
Без этого прибора космонавты проживут всего несколько часов. Генераторы кислорода – искусственные лёгкие орбитальной станции. Для самого первого, короткого путешествия к звёздам хватило баллона сжатого газа. Командир экипажа МКС Сергей Рязанский рассказывает, откуда сегодня на станции жизненно важный кислород.
РЯЗАНСКИЙ : И вода, и кислород доставляются грузовиками сюда, на станцию. Но и вода, и кислород – это возобновляемые ресурсы. Здесь вода собирается также для получения кислорода путём электролиза.
Российские генераторы кислорода «Электрон-ВМ» выдают сотни литров газа для дыхания в час, и они – самые продвинутые в мире. Это признаёт такой эксперт NASA, как Робин Караскуилло из Центра космических полётов Маршалла.
КАРАСКУИЛЛО : Мы должны очищать воздух. Русские опередили нас в этой области. Ещё космические аппараты «Салют» и «Мир» были способны конденсировать влагу из воздуха и использовали электролиз – пропускание электрического тока через воду для производства кислорода.
На космических кораблях используют самые передовые разработки человечества, и они же помогают лучше жить на Земле. Например, кислородные станции ставят в крупных офисных центрах. Сотрудники офисов, как и космонавты, работают в замкнутых помещениях, и для придания воздуху свежести в сплит-системы подают кислород. Такие установки дешевле, чем новейшие кондиционеры с функцией притока уличного воздуха. Кстати, идею подсказали инженеры NASA, говорит научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев.
МОИСЕЕВ : NASA прилагает усилия, чтобы такие вещи перевести в промышленность. Даже доплачивают и передают бесплатно патенты. У нас есть Центр передачи технологий, связанных с космосом.
Аналоги космических кислородных генераторов используют в медицине, на вредном производстве, с их помощью очищают сточные воды. А ещё они помогают выращивать осетров на специальных фермах.
«С нашего генератора подаётся кислород, получается озон. В этой ёмкости вода насыщается озоном и из этой комнаты идёт в основной цех».
Земляне вот-вот перережут «пуповину», которая связывает их с родной планетой. Готовятся масштабные экспедиции на Луну и Марс, куда не возьмёшь нужные объёмы воды и кислорода. Учёные придумали, как решить эту проблему. Они предлагают удалять из молекулы углекислого газа углерод и оставлять только О2. Для этого используют золотую фольгу. Такая технология сработает не только в космосе. В будущем на Земле мощные генераторы смогут поглощать углекислый газ, перерабатывать его в кислород, снижая тем самым парниковый эффект.
Популярное
Почему сбитый спутник вызвал дикую истерику в США?
Чем дышать в космосе
В непривычных условиях внеатмосферного полета космонавтам должны быть созданы все условия для работы и отдыха. Им нужно есть, пить, дышать, отдыхать, спать положенное время. Такие простые и обыденные для земного бытия вопросы в условиях космоса перерастают в сложные научные и технические проблемы.
Человек может довольно долго обходиться без пищи, без воды — несколько дней. Но без воздуха он может жить лишь несколько минут. Дыхание — важнейшая функция человеческого организма. Как обеспечивается она в космическом полете?
Свободный объем в космических кораблях невелик. как правило, имеет на борту около 9 кубических метров воздуха. А за стенками корабля — почти полный вакуум, остатки атмосферы, плотность которой в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли.
9 кубометров — это все, что имеют для дыхания космонавты. Но это немало. Вопрос только в том, чем будет заполнен этот объем, чем будут дышать космонавты.
Атмосфера, окружающая человека на Земле, в сухом состоянии содержит по весу 78,09 процента азота, 20,95 процента кислорода, 0,93 процента аргона, 0,03 процента углекислого газа. Количество других газов в ней практически незначительно.
Такой газовой смесью привыкли дышать человек и почти все живое на Земле. Но возможности человеческого организма более широки. Из общего атмосферного давления на уровне моря на долю кислороде приходится примерно 160 миллиметров. Человек может дышать при понижении давления кислорода до 98 миллиметров ртутного столба, и лишь ниже наступает «кислородное голодание». Но возможен и другой вариант: когда содержание кислорода в воздухе больше нормы. Верхняя граница возможного для человека парциального давления кислорода проходит на уровне 425 миллиметров ртутного столба. При большей концентрации кислорода наступает кислородное отравление. Итак, возможности организма человека допускают колебания содержания кислорода примерно в 4 раза. В еще более широких пределах наш организм может переносить колебания атмосферного давления: от 160 миллиметров ртутного столба до нескольких атмосфер.
Азот и аргон — инертная часть воздуха. В окислительных процессах принимает участие только кислород. Поэтому возникла мысль: а нельзя ли в космическом корабле заменить азот на более легкий газ, скажем, гелий. Кубический метр азота весит 1,25 килограмма, а гелия — всего 0,18 килограмма, то есть в семь раз меньше. Для космических кораблей, где на учете каждый лишний килограмм веса, это отнюдь не безразлично. Эксперименты показали, что в кислородногелиевой атмосфере человек может нормально дышать. Это было проверено американскими акванавтами при длительных подводных погружениях.
В техническом отношении привлекает внимание также одногазовая атмосфера, состоящая из чистого кислорода. В американских космических кораблях для дыхания космонавтов применяется чистый кислород при давлении около 270 миллиметров ртутного столба. При этом проще (а значит, и легче) получается аппаратура для контроля давления и поддержания состава атмосферы. Однако чистый кислород имеет свои недостатки: возникает угроза пожара на космическом корабле; длительное вдыхание чистого кислорода вызывает неприятные осложнения в дыхательных путях.
При создании искусственной среды в отечественных космических кораблях за основу взята нормальная земная атмосфера. Специалисты, прежде всего — медики, настояли на том, чтобы на борту космических кораблей был создан уголок родной планеты с условиями, как можно более близкими к тем, которые окружают человека на Земле. Все технические выгоды, получаемые при применении одногазовой атмосферы, кислородно-гелиевой и других, были принесены в жертву ради полного комфорта для космонавтов. Все параметры очень близки к нормам той атмосферы, которой мы дышим на Земле. Они показывают, что автоматика «держит» параметры воздуха в кабине очень «жестко», стабильно. Космонавты как бы дышат чистым воздухом Земли.
После посадки космонавтов в корабль, после герметизации его отсеков состав атмосферы в корабле начинает изменяться. Два космонавта потребляют в час около 50 литров кислорода и выделяют 80—100 граммов водяных паров, углекислый газ, летучие продукты обмена веществ и др. Тогда вступает в действие система кондиционирования, которая доводит атмосферу «до кондиции», то есть поддерживает все ее параметры на оптимальном уровне.
В основу регенерации атмосферы положены эффективные, проверенные физические и химические процессы. Известны химические вещества, которые при соединении с водой или углекислым газом способны выделять кислород. Это надперекиси щелочных металлов — натрия, калия, лития. Чтобы при этих реакциях выделилось 50 литров кислорода — часовая потребность двух космонавтов, — необходимо 26,4 грамма воды. А выделение ее в атмосферу двумя космонавтами, как мы уже сказали, достигает 100 граммов в час.
Часть этой воды расходуется на получение кислорода, часть сохраняется в воздухе для поддержания нормальной относительной влажности (в пределах 40—60 процентов). Лишняя же вода должна улавливаться специальными поглотителями.
Наличие пыли, крошек, мусора в воздухе недопустимо. Ведь в невесомости все это не падает на пол, а свободно плавает в атмосфере корабля и может попадать в дыхательные пути космонавтов. Для очистки воздуха от механических загрязнений существуют специальные фильтры.
Итак, регенерация атмосферы в корабле сводится к тому, что часть воздуха из обитаемых отсеков постоянно забирается вентилятором и проходит через ряд устройств системы кондиционирования. Там воздух очищается, доводится до нормы по химическому составу, влажности и температуре и снова возвращается в кабину космонавтов. Такая циркуляция воздуха идет постоянно, а скорость ее и эффективность работы неослабно контролируются соответствующей автоматикой.
Например, если чрезмерно возросло содержание кислорода в атмосфере корабля, то система, контроля немедленно заметит это. Она подает соответствующие команды исполнительным органам; режим работы установки изменяется так, чтобы уменьшить выделение кислорода.
Особенности систем ОВК воздуха в космосе
Для поддержания жизнедеятельности человека в космосе разработана и постоянно совершенствуется система жизнеобеспечения (СЖО). Это сложный многокомпонентный комплекс, состоящий из ряда самостоятельных, но взаимосвязанных систем. Собственно, за кондиционирование в нашем земном понимании отвечают две из них – система обеспечения газового состава и система обеспечения теплового режима.
Для жизни человека в космосе необходимо прежде всего:
Для жизни человека в космосе необходимо прежде всего:Поддерживать определенное давление и состав окружающей газовой среды, постоянно пополнять количество кислорода и удалять углекислый газ.
Кроме того, в газовой среде и на стенках кабин и отсеков КА постепенно накапливается вода, выделяемая космонавтами при дыхании и в виде пота. Ее тоже нужно удалять.
И, наконец, еще одна задача, которую нужно решить при кондиционировании в космосе, – это очистка воздуха от мельчайших пылинок, крошек, мусора. В космосе это еще важнее, чем на Земле. Дело в том, что в невесомости пыль и мусор не сядут на пол – там нет ни силы тяжести, ни пола. Со всем этим и должен справиться « космический кондиционер ».
Решения разработчиков этой системы в СССР и США отличаются друг от друга
В американских кораблях «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» (кроме «Шаттлов») применена чисто кислородная атмосфера с давлением 260-280 мм ртутного столба. Такое решение упрощает задачи конструкторов, поскольку снижает требования к прочности элементов конструкции корабля и позволяет уменьшить его вес. А каждый килограмм на орбите пока еще дороже золота. Но кислородный состав «воздуха» вынуждает астронавтов перед стартом около двух часов дышать в корабле чистым кислородом, а при выведении аппарата на орбиту стравливать давление из кабины. Запасы кислорода на американских кораблях находятся в баллонах высокого давления.
Транспортный корабль «Союз».
Наши специалисты решили создать внутри корабля атмосферу, подобную земной. С точки зрения комфорта это наилучшее решение. Но при наддуве скафандров (а это необходимо в случае нарушения герметичности космического корабля и, как следствие, резкого падения давления в кабине) создается большой перепад давления: внутри скафандра примерно 760 мм ртутного столба, снаружи – ноль. В этих условиях космонавт становится практически обездвижен. Выход есть: снизить давление и перейти на дыхание чистым кислородом, что технически очень непросто. Но это, пожалуй, единственная проблема. Вторая очевидная проблема – увеличение веса корабля – имеет обратную сторону, которая означает значительный плюс для экипажа, – радиационная защита в кораблях с земной атмосферой значительно лучше за счет увеличения толщины оболочки корабля.
В длительных полетах это имеет решающее значение. Поэтому в современных космических кораблях – как в российских, так и в американских – создается земная атмосфера. Отвечает за ее воспроизведение система, которая по терминологии отечественной космонавтики называется СОГС – система обеспечения газового состава.
Регенератор кислорода на Международной космической станции.
СОГС предусматривает в качестве основного источника кислорода регенерационную установку, в которой кислород восстанавливается из воды. Интересна история создания первой подобной установки. Специалистам ОКБ-124 под руководством Г. И. Воронина в конце 50-х годов прошлого века было поручено решить вопрос об обеспечении кислородом космонавтов на космическом корабле «Восток». Решение было выбрано в пользу применения регенерационной установки, но в авиации опыта конструирования и применения регенераторов не было. Тогда с помощью предприятий-разработчиков регенерационных установок для подводных лодок был подобран ее тип и материал, который при прохождении через него влажного воздуха выделял кислород с образованием щелочи. Щелочь вступала в реакцию с углекислым газом и связывала его, превращая в твердое вещество. Ресурс установки – 12 суток, что гораздо больше ресурса системы подачи кислорода первого пилотируемого КА США «Меркурий» (36 часов).
Повышенный ресурс СОГС КА «Восток» имел большое значение для спасения космонавтов при отказе тормозного двигателя. В этом случае КА все равно бы оказался на Земле за счет естественного торможения, поскольку остатки атмосферы на высотах орбитального полета еще имеются. Ожидаемое время нахождения КА на орбите без выдачи тормозного импульса – около недели, космонавт на «Востоке» мог относительно спокойно дождаться приземления, правда, это могло случиться практически в любой точке траектории, например в Тихом океане или в горах Южной Америки. Малый ресурс системы подачи кислорода «Меркурия» требовал повышенной надежности работы тормозного двигателя. Его отказ приравнивался к гибели астронавта, так как корабль остался бы на орбите значительно дольше заданных 36 часов.
Внутри Международной космической станции. Модуль США.
Одно необходимое замечание о работе СОГС. Важную роль на борту КА в условиях невесомости – там нет конвекции – играют вентиляторы и воздуховоды. Они установлены в отсеках так, чтобы не возникало застойных зон и обеспечивалось равномерное перемешивание газовой среды. В противном случае возможна ситуация, когда космонавт (или астронавт), неподвижно выполняя какой-то длительный эксперимент или во время сна, «выдышит» кислород в пространстве рядом с собой и почувствует себя плохо от избытка углекислого газа.
Принцип работы СОГС
Каждое новое поколение КА имело на борту усовершенствованные системы СОГС. Так, в составе СОГС транспортного корабля «Союз» используются регенератор и поглотитель углекислого газа с газоанализатором, блоком вентиляторов и фильтрами для поглощения вредных газов и пыли. При изменении парциального давления кислорода газоанализатор выдает сигнал на привод исполнительного устройства, который, распределяя газовую смесь между регенератором и поглотителем, регулирует скорость реакции в регенераторе и скорость поглощения углекислого газа и вредных примесей в поглотителе.
На первой долговременной орбитальной станции «Салют» принцип работы СОГС не изменился. Были добавлены дополнительные блоки поглощения углекислого газа. С учетом значительного увеличения объема кабины были установлены воздуховоды и циркуляционные вентиляторы. Дополнительный фильтр вредных примесей был способен поглощать выделения материалов станции и продуктов жизнедеятельности экипажа (аммиак, окись углерода, сероводород, ацетон, жирные кислоты, углеводороды и др.). В схему обеспечения Международной космической станции воздухом, пригодным для дыхания, включены сложные многокомпонентные устройства, которые взаимодействуют друг с другом.
На Международной космической станции.
Основной системой подачи кислорода в гермообъемы МКС является российская система «Электрон», которая работает по принципу разложения воды на кислород и водород (водород удаляется за борт станции). Все системы обеспечения жизнедеятельности МКС дублируются на случай отказов. Дублирующей для «Электрона» системой является твердотопливный генератор кислорода (ТГК). Кислород в генераторе получают из шашек, в которых находится кислородсодержащее вещество в твердом виде. Шашки «поджигают» (конечно, речь идет не об открытом пламени), и в процессе горения выделяется кислород. Температура внутри шашки достигает +450°С. Для одного человека необходимо около 600 литров кислорода в сутки. В зависимости от типа шашки при ее сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.
Кроме того, кислород доставляется на МКС грузовыми кораблями «Прогресс» в баллонах в газообразном виде под высоким давлением. Как мы уже говорили, для нормальной жизнедеятельности на станции нужно очищать атмосферу от углекислого газа.
Заметим, что превышение содержания углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем снижение количества кислорода. Это к вопросу о том, что некоторые производители бытовых кондиционеров пытаются выдать как свое преимущество «доставку кислорода» в комнату.
Внешний вид кораблей «Союз» и «Аполлон». Момент стыковки-вид со спутника.
В обоих кораблях система терморегуляции с теплоносителем и радиаторами установлена примерно одинаково – на приборно-агрегатном отсеке «Союза» и сервисном отсеке «Аполлона». Радиаторы окрашены в белый цвет для уменьшения нагрева от излучения солнца. Бытовой отсек и спускаемый аппарат «Союза» укутаны в космическую «шубу» – экранно-вакуумную теплоизоляцию. Не надо этим заниматься. Лучше бы боролись с углекислотой.
Основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа на борту МКС является система «Воздух»
Принцип работы этой системы состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.
Блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП) очищает воздух от всевозможных вредных газообразных примесей в атмосфере станции. Это тоже система регенерационного типа, ее патроны работают в режиме очистки 18-19 суток с последующей регенерацией. Ресурс ее главных функциональных элементов – патронов очистки атмосферы – составляет три года, но даже за десять лет работы системы необходимость их замены не возникла: газоанализаторы показывают отличное состояние атмосферы.
Кроме того, нормальный состав атмосферы поддерживают дублирующие системы:
Теперь рассмотрим работу систем терморегулирования
Для их решения используется система, в отечественной космонавтике называемая СОТР – система обеспечения теплового режима.
СОТР вторая главная часть космического кондиционера:
СОТР представляет собой совокупность различных средств и устройств, регулирующих внешний и внутренний теплообмен КА. В состав СОТР входят:
Общий вид МКС. Красными стрелками обозначены тепловые радиаторы МКС.
Главное в СПТР – это термозащита, своего рода космическая «шуба». Только в космосе она служит не столько для согрева, сколько для термоизоляции конструкции корабля. Роль такой «шубы» выполняет так называемая экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) – она многослойная, требует тщательного подбора материалов. «Пошив» и «надевание» «шубы» на космический корабль – это трудоемкая технологическая операция.
Но одной изоляции мало. Прежде всего она не решает задачи отвода избытка тепла. Для этого и предназначена система терморегулирования – СТР.
Принцип ее построения СТР наглядно раскрывается на примере космических кораблей «Восток» и «Восход». В ее состав входили:
Схема системы терморегулирования КА «Восток» и «Восход».
Элементы этой системы были объединены в блок, включающий основной и резервный вентиляторы (1), теплообменник (2) и систему автоматического регулятора температуры (3, 4, 5, 6). Приводимый в движение вентилятором (а как иначе, без вентилятора никак)воздух снимал тепло с приборов гермоотсека и с организма космонавта и направлялся далее в теплообменник. Космонавт на задатчике (3) устанавливал (заказывал) необходимую ему температуру, поддерживавшуюся далее автоматически. Чувствительный элемент (4) вырабатывал управляющий сигнал, «говоривший» о том, в какой степени реальная температура в гермоотсеке соответствует заданной космонавтом. Этот сигнал подавался к исполнительному элементу (6), который с помощью шторки (5) изменял расход воздуха, направляемого в теплообменник.
Приводимый в движение вентилятором (а как иначе, без вентилятора никак) воздух снимал тепло, исходившее от приборов гермоотсека и от космонавта (на «Восходе» – от космонавтов), и далее он направлялся в теплообменник. Космонавт устанавливал необходимую температуру, поддерживавшуюся потом автоматически. Чувствительный элемент в соответствии с заданной температурой вырабатывал управляющий сигнал, который влиял на положение специальной шторки, определявшей расход воздуха в теплообменнике. С помощью шестеренчатого гидронасоса через трубы теплообменника прокачивался хладагент, отбиравший тепло от воздуха и переносивший его (тепло) на радиационную поверхность. Циркулируя по трубопроводам, расположенным на этой поверхности, хладагент отдавал ей свое тепло, излучавшееся далее в космос.
Следующее поколение СТР было реализовано в конструкции корабля «Союз» и долговременной орбитальной станции (ДОС) «Салют». Весьма большие размеры гермоотсека ДОС «Салют», значительные тепловые мощности, выделяемые ее аппаратурой и экипажем, заставили найти новые подходы к решению проблемы обеспечения теплового режима, хотя основные элементы СТР этих КА похожи друг на друга. Прежде всего это два основных жидкостных контура: внутренний, предназначенный для терморегулирования жилых отсеков, и внешний, служащий для отвода избыточного тепла от гермоотсека в космосе. Тепло снималось из внутреннего объема КА с помощью двигавшегося под напором вентиляторов воздуха и передавалось в газожидкостном теплообменнике жидкости, прогонявшейся с помощью гидронасосов по гидромагистрали.
Далее оно передавалось в жидкостно-жидкостном теплообменнике внешнему контуру и сбрасывалось в космос с радиационной поверхности (радиатора) наружного теплообменника. Для решения задачи удаления влаги из атмосферы станции служили специальные холодильно-сушильные аппараты. Влага оседала на охлаждавшихся до температуры порядка +5°С поверхностях этих аппаратов, собиралась в емкости, а затем подавалась в систему, регенерировавшую из конденсата воду.
Температура жидкости внутреннего контура регулировалась с помощью автоматики и регуляторов. Это позволяло поддерживать на необходимом уровне температуру стенок холодильно-сушильного агрегата, а значит, и уровень влажности воздуха в отсеках. Температура воздуха также регулировалась автоматически. Так как при изменении температуры жидкости изменяется и занимаемый ею объем, то есть меняется давление в охлаждающих трактах, в системе терморегулирования был предусмотрен компенсатор объема.
Надежность компрессорного оборудования в условиях орбитального функционирования обеспечивал сварной каркас на основе алюминиевых сплавов. Внутренняя часть, а именно холодильный контур, по которому циркулировал фреон, был изготовлен с использованием исключительно нержавеющих металлов.
Желтыми стрелочками показаны тепловые радиаторы Международной космической станции, оранжевым эллипсом — насос аммиачного хладагента.
Дальнейшее развитие получила система терморегулирования Международной космической станции. Радиаторы современной МКС работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер), аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая МКС, нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура. На сегодня штурные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса еще на 14 кВт.
Сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей. Бортовые системы МКС на дневной стороне непрерывно подворачивают панели солнечных батарей и радиаторов, ориентируя первые на максимальный прием солнечного света, а вторые на минимальный. Минимизировать солнечный нагрев самих радиаторов должен и их белый цвет – эстетика здесь ни при чем. На теневой же стороне станция ориентирует панели батарей и радиаторов к плоскости орбиты, подобно крыльям и килям летящего самолета. Здесь первостепенной задачей на 45 темных минут становится минимизировать сопротивление остатков атмосферы, которые на высоте 400 км все же есть и тормозящий эффект которых виток за витком постепенно сказывается, что приводит к замедлению и снижению высоты орбиты. Станция как бы шевелит «крыльями» – медленно и непрерывно. Со стороны очень красиво…
Перед разработчиками было поставлено достаточно много технических и конструкционных задач, которые удалось решить в ходе многочисленных наземных испытаний. Конструкция орбитальных кондиционеров непрерывно совершенствуется и обновляется. Это, в свою очередь, позволяет добиваться более значимых успехов для космонавтов в создании более комфортных условий пребывания на орбите.