Життєзабезпечення

Життєзабезпечення в космічному польоті, системи життєзабезпечення (СЖО), комплекс заходів, направлених на забезпечення життєдіяльності екіпажа космічного корабля впродовж польоту. Верхні шари атмосфери Землі і тим більше космічний простір, умови на поверхні планет Сонячної системи непридатні для життя високоорганізованих істот, включаючи людину. Тому життя і діяльність людини в космічному просторі може бути забезпечена створенням в космічних кораблях, на штучних супутниках Землі або планетних станціях штучного місця існування, близького до оптимальної області діапазону життя на Землі, в її біосфері . Це відноситься як до повітряного середовища — штучної атмосфери корабля, так і до тих елементів середовища, в широкому сенсі слова, які необхідні для живлення і підтримки водного балансу організму людини.

  Існування людини засноване на безперервному обміні речовини і енергії з довкіллям. Створення можливостей для цього є функцією СЖО. Т. о., СЖО — комплекс пристроїв, агрегатів і запасів речовин, що забезпечують необхідні умови життєдіяльності екіпажа протягом всього польоту. Приватні системи (підсистеми) цього комплексу забезпечують відповідні їм окремі сторони життєдіяльності (обміну речовин) організму: живлення, водний обмін, газообмін, теплообмін (терморегулювання), відправлення природних потреб і так далі Така типова структура СЖО у вузькому значенні цього терміну, що найчастіше вживається. СЖО можуть бути колективними (СЖО космічних кораблів і планетних станцій) і індивідуальними, наприклад автономні СЖО, вживані разом із скафандрами.

  В ширшому сенсі до сфери СЖО інколи відносять всі останні пристрої і предмети, службовці для забезпечення гігієнічних, побутових, культурних і естетичних потреб екіпажа. Необхідність якнайповнішого задоволення цих потреб істотно зростає із збільшенням тривалості перебування екіпажа в космосі, коли ці сторони діяльності людини можуть набувати значення життєво важливих чинників. Приватні СЖО діляться на нерегенеративних, передбачаючих створення бортових запасів їжі, води, кисню, і регенеративні, засновані на регенерації цих речовин з продуктів життєдіяльності людини або ін. мешканців космічних кораблів і супутників.

  Принципова можливість регенерації всіх необхідних для життєдіяльності людини речовин заснована на тому, що організм виділяє у складі продуктів життєдіяльності все ті хімічні елементи, які він отримав у вигляді їжі і води, а також поглинений при диханні кисень. Т. о., практично створюється замкнутий круговорот необхідних речовин. Регенерація харчових речовин (з вуглецю вуглекислого газу, води, мінеральних елементів сечі і калу) може бути, в принципі, здійснена при використанні здатних до фото- або хемосинтезу автотрофних організмів. Ведуться також пошукові дослідження по штучному синтезу харчових вуглеводів з вуглекислого газу і води.

  При розрахунках СЖО виходять з потреби людини в їжі, воді і кисні, а також з кількості продуктів, що виводяться життєдіяльності, що разом складає матеріальний баланс обміну речовин в організмі людини (див. таблиці. 1). Окрім цього, в СЖО передбачається запас води для туалету, кількість якої при нерегенеративних системах і короткочасних польотах близько 100 г/чел-сут; при тривалих польотах ця кількість збільшується до 2—2,5 кг/чел-сут. Вода складає (залежно від кількості її для туалетних потреб) 60—80% від маси речовин, що запасаються. Тому регенеративні системи водозабезпечення роблять ваговий баланс СЖО нижче, ніж СЖО з нерегенеративними системами (пропорційно числу членів екіпажа і тривалості польоту). Виходячи з цього, при розрахунках СЖО матеріальний баланс вимірюється в чел-сут.

  Таблиця. 1. — Зразковий матеріальний баланс обміну речовин людини

  Різноманітністю принципових підходів і рішень відрізняється система забезпечення киснем (див. таблиці. 2). Приведені в таблиці методи регенерації кисню є лише найбільш розробленими і не вичерпують можливих технологічних принципів регенерації. Методика і апаратура для регенерації кисню електролізом води дозволяє забезпечити газообмін людини за допомогою установки, яка важить близько 30 кг , при електричній потужності близько 10 Вт на 1 л кисню. Біологічна регенерація кисню може бути здійснена фотосинтезуючими одноклітинними водоростями, з яких найбільш вивчена хлорела . В лабораторних експериментах тривалістю до 60 сут показана можливість забезпечення газообміну людини при об'ємі культури водоростей порядка 20—30 л на людину і витраті мінеральних солей близько 50 г/чел-сут. Така система одночасно забезпечує і поглинання вуглекислого газу, що виділяється людиною. У складніших варіантах фотосинтетичної регенеративної системи витрата мінеральних солей може бути у декілька разів зменшений у зв'язку з використанням мінеральних елементів сечі. В цьому випадку одночасно забезпечується найбільш енергоємний етап регенерації води з сечі — випар. Крім того, частина біомаси водоростей може бути використана в харчовому раціоні людини (до 20% білковій частині раціону). Вживання хемосинтетичних газообмінників на основі водородокисляющих бактерій доцільно за наявності електролізної системи, коли отримуваний в ній водень не утилізувався для гідрування вуглекислого газу, окислу вуглецю або метану в приведених физико-хімічних процесах. Окрім компенсації спаду кисню, для підтримки складу атмосфери корабля необхідно також видаляти надлишок вуглекислого газу і водяної пари. Двоокис вуглецю може бути видалена фізичними методами (виморожування, конденсація) і вживанням лужних хімічних поглиначів. Економічніше використовувати регенеровані сорбенти (цеоліти, карбонати). Поперемінна робота двох патронів з цеолітом в режимі «сорбція-десорбція» забезпечує поглинання вуглекислого газу, що виділяється 2 членами екіпажа при масі установки близько 40 кг

Таблиці. 2. — Основні технологічні принципи систем регенерації кисню

  Надлишок водяної пари з повітря може віддалятися за допомогою нерегенерованих хімічних поглиначів, регенерованих сорбентів (цеоліти), а також фізичними методами — виморожуванням і конденсацією. У тих, що існують космічних кораблях частина водяної пари конденсується на холодних поверхнях рідинно-повітряних теплообмінників, що входять в систему терморегулювання населених кабін.

  Приватні СЖО — регенерації кисню, видалення вуглекислого газу і води — складають єдиний комплекс забезпечення складу атмосфери корабля. Інколи до цієї системи відносять також систему терморегулювання і фільтри очищення повітря від шкідливих домішок. Функції цих систем можуть виконуватися окремими незалежними пристроями. Так, зокрема, була вирішена СЖО атмосфери в американських кораблях «Меркурій», «Джеміні» і «Аполлон», заснована на запасах кисню, нерегенерованих поглиначів вуглекислого газу і водяної пари. Хімічні системи забезпечують зв'язаність даних процесів в межах однієї системи. Саме такий рішення було використане в сов.(радянський) кораблях «Схід», «Схід» і «Союз», де застосовувалася нерегенеративна система на основі надперекиси лужного металу. Виділення кисню регенеративною речовиною пов'язане із сповна певними кількостями води, що поглинається, і вуглекислого газу ( мал. ).

  Система водозабезпечення грунтується на запасах води. У космічному кораблі «Аполлон» питна вода вироблялася також із запасів кисню і водню, що «спалювався» в електрохімічних генераторах (паливних елементах) для здобуття електроенергії. Розроблені різні физико-хімічні методи регенерації води з конденсату сечі і атмосферної вологи. Конденсат атмосферної пари досить ефективний очищається від неминучих органічних домішок каталітичним окисленням, а також за допомогою іонообмінних смол і вугілля. У найбільш розроблених методах регенерації води з сечі використовуються режими випару при різному тиску і температурі, з подальшим каталітичним окисленням забруднюючих домішок в паровій фазі і очищенням отримуваного конденсату сорбентами. Дані методи дозволяють регенерувати велику частину споживаної води, а при подальшому їх вдосконаленні — добитися практично замкнутого циклу її регенерації.

  На відміну від попередніх систем, забезпечення їжею не має найближчих перспектив переходу до регенеративних систем. Запаси їжі в космічному кораблі складаються з продуктів і готових блюд, консервованих в їх природному стані або в зневодненому вигляді (див. Ліофілізація ) . Регенерація харчових речовин можлива на основі використання фотосинтезуючих зелених рослин. Оскільки при цьому також вирішується завдання поглинання вуглекислого газу і регенерації води, то можливе створення СЖО за типом закритою екологічної системи, заснованою на замкнутому біологічному круговороті обмеженої кількості речовини. Потрібні для людини речовини безперервно відтворюються в такій системі завдяки життєдіяльності рослин, тварин і мікроорганізмів. Для цього слід розташувати комплекс необхідних організмів (див. Біокомплекс ) в такий функціональний замкнутий ланцюг, що включає і людини, де «вихідні» характеристики попередньої ланки відповідають параметрам «входу» подальшого. В результаті такої організації матеріально-енергетичних стосунків між елементами системи виникає нова якість — цілісна система вищого порядку, що володіє властивостями закритої термодинамічної системи. Така система в принципі здібна до автономного існування без вступу речовини ззовні, наскільки це дозволить міру узгодженості вхідних і вихідних характеристик суміжних ланок системи. При цьому вперше виникає ситуація, коли існування самої системи стає в залежність від життєдіяльності людини як одного з її функціональних елементів. Ця залежність настільки велика, що звичне уявлення про СЖО, як про щось зовнішнє по відношенню до людини, втрачає свою підставу, оскільки людина тут є об'єктом забезпечення в тій же мірі, в якій він сам необхідний як складова частина системи як цілого. Це показує всю умовність терміну СЖО по відношенню до закритих екологічним системам, що включають людину.

  Літ.: Проблеми космічної біології, т. 5—7, Л. — М., 1967; Космічна біологія і медицина, М., 1966.

  О. Р. Газенко.

Принципова схема системи регенерації і кондиціонування повітря корабля — супутника «Схід»: 1 — вентилятор; 2, 3, 4 — регенератори з регулюючим пристроєм; 5, 6 — осушувачі; 7, 8 — крани з ручним управлінням; 9 — автоматичний кран; 10 — рідинно-повітряний теплообмінник; 11 — шторка радіатора; 12 — виконавчий механізм (привід шторки); 13 — підсилювач; 14 — задатчик температури; 15 — датчик температури; 16 — сигналізатор і вимірник вологості; 17 — вимірник тиску; 18 — вимірник температури; 19 — приладова дошка; 20, 21, 22, 23 — датчики тиску, температури, вологості; 24, 25, 26 — газоаналізатори O ₂ і Co ₂ ; 27 — фільтри шкідливих домішок; 28 — протипиловий фільтр; 29 — блок терморегулювання.