ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ в космическом полёте, системы жизнеобеспечения (СЖО), комплекс мероприятий, направленных на обеспечение жизнедеятельности экипажа космич. корабля на протяжении полёта. Верхние слои атмосферы Земли и тем более космич. пространство, условия на поверхности планет Солнечной системы непригодны для жизни высокоорганизованных существ, включая человека. Поэтому жизнь и деятельность человека в космич. пространстве может быть обеспечена созданием в космич. кораблях, на искусств. спутниках Земли или планетных станциях искусств. среды обитания, близкой к оптимальной области диапазона жизни на Земле, в её биосфере. Это относится как к возд. среде - искусств. атмосфере корабля, так и к тем элементам среды, в широком смысле слова, к-рые необходимы для питания и поддержания водного баланса организма человека.

Существование человека основано на непрерывном обмене вещества и энергии с окружающей средой. Создание возможностей для этого является функцией СЖО. Т. о., СЖО - комплекс устройств, агрегатов и запасов веществ, обеспечивающих необходимые условия жизнедеятельности экипажа в течение всего полёта. Частные системы (подсистемы) этого комплекса обеспечивают соответствующие им отд. стороны жизнедеятельности (обмена веществ) организма: питание, водный обмен, газообмен, теплообмен (терморегулирование), отправление естеств. надобностей и т. д. Такова типовая структура СЖО в наиболее часто употребляемом узком значении этого термина. СЖО могут быть коллективными (СЖО космич. кораблей и планетных станций) и индивидуальными, напр. автономные СЖО, применяемые вместе со скафандрами.

В более широком смысле к сфере СЖО иногда относят все остальные устройства и предметы, служащие для обеспечения гигиенич., бытовых, культурных и эстетич. потребностей экипажа. Необходимость наиболее полного удовлетворения этих потребностей существенно возрастает с увеличением продолжительности пребывания экипажа в космосе, когда эти стороны деятельности человека могут приобретать значение жизненно важных факторов. Частные СЖО делятся на нерегенеративные, предусматривающие создание бортовых запасов пищи, воды, кислорода, и регенеративные, основанные на

регенерации этих веществ из продуктов жизнедеятельности человека или др. обитателей космич. кораблей и спутников.

Принципиальная возможность регенерации всех необходимых для жизнедеятельности человека веществ осн. на том, что организм выделяет в составе продуктов жизнедеятельности все те химич. элементы, к-рые он получил в виде пищи и воды, а также поглощённый при дыхании кислород. Т. о., практически создаётся замкнутый круговорот необходимых веществ. Регенерация пищевых веществ (из углерода углекислого газа, воды, минеральных элементов мочи и кала) может быть, в принципе, осуществлена при использовании способных к фото- или химосинтезу автотрофных организмов. Ведутся также поисковые исследования по искусств. синтезу пищевых углеводов из углекислого газа и воды.

При расчётах СЖО исходят из потребности человека в пище, воде и кислороде, а также из кол-ва выводимых продуктов жизнедеятельности, что вместе составляет материальный баланс обмена веществ в организме человека (см. табл. 1). Помимо этого, в СЖО предусматривается запас воды для туалета, кол-во к-рой при нерегенеративных системах и кратковременных полётах ок. 100 г/чел-сут; при длительных полётах это кол-во увеличивается до 2-2,5 кг/чел-сут. Вода составляет (в зависимости от кол-ва её для туалетных надобностей) 60-80% от массы запасаемых веществ. Поэтому регенеративные системы водообеспечения делают весовой баланс СЖО ниже, чем СЖО с нерегенеративными системами (пропорционально числу членов экипажа и длительности полёта). Исходя из этого, при расчётах СЖО материальный баланс измеряется в чел-сут.

Разнообразием принципиальных подходов и решений отличается система обеспечения кислородом (табл. 2). Приведённые в таблице методы регенерации кислорода являются лишь наиболее разработанными и не исчерпывают возможных технологич. принципов регенерации. Методика и аппаратура для регенерации кислорода электролизом воды позволяет обеспечить газообмен человека с помощью установки, к-рая весит ок. 30 кг, при электрич. мощности ок. 10 вт на 1 л кислорода. Биол. регенерация кислорода может быть осуществлена фотосинтезирующими одноклеточными водорослями, из к-рых наиболее изучена хлорелла. В лабораторных экспериментах длительностью до 60 сут показана возможность обеспечения газообмена человека при объёме культуры водорослей порядка 20-30 л на человека и затрате минеральных солей ок. 50 г/чел-сут. Такая система одновременно обеспечивает и поглощение выделяемого человеком углекислого газа.

Табл. 1.- Примерный материальный баланс обмена веществ человека

Потребление г/чел-сут

Выделение, г/чел-сут

Пища

500

Углекислый газ

930

Кислород

800

Вода

2200

Водяные пары

840

Моча

1500

Кал

230

Итого

3500

Итого

3500

В более сложных вариантах фотосинтетич. регенеративной системы расход минеральных солей может быть в неск. раз уменьшен в связи с использованием минеральных элементов мочи. В этом случае одновременно обеспечивается наиболее энергоёмкий этап регенерации воды из мочи - испарение. Кроме того, часть биомассы водорослей может быть использована в пищевом рационе человека (до 20% белковой части рациона). Применение хемосинтетических газообменников на основе водородокисляющих бактерий целесообразно при наличии электролизной системы, когда получаемый в ней водород не утилизируется для гидрирования углекислого газа, окиси углерода или метана в приведённых физико-хим. процессах. Помимо компенсации убыли кислорода, для поддержания состава атмосферы корабля необходимо также удалять избыток углекислого газа и водяных паров. Двуокись углерода может быть удалена физ. методами (вымораживание, конденсация) и применением щелочных хим. поглотителей. Более экономично использовать регенерируемые сорбенты (цеолиты, карбонаты). Попеременная работа двух патронов с цеолитом в режиме "сорбция-десорбция" обеспечивает поглощение углекислого газа, выделяемого 2 членами экипажа при массе установки ок. 40 кг.

Избыток водяных паров из воздуха может удаляться с помощью перегенерируемых хим. поглотителей, регенерируемых сорбентов (цеолиты), а также физ. методами - вымораживанием и конденсацией. В существующих космим. кораблях часть водяных паров конденсируется на холодных поверхностях жидкостно-возд. теплообменников, входящих в систему терморегулирования обитаемых кабин.

Частные СЖО - регенерации кислорода, удаления углекислого газа и волы - составляют единый комплекс обеспечения состава атмосферы корабля. Иногда к этой системе относят также систему терморегулирования и фильтры очистки воздуха от вредных примесей. Функции этих систем могут выполняться отд. независимыми устройствами. Так, в частности, была решена СЖО атмосферы в амер. кораблях "Меркурий", "Джемини" и "Аполлон", основанная па запасах кислорода, нерегенерируемых поглотителей углекислого газа и водяных паров. Хим. системы обеспечивают сопряжённость рассматриваемых процессов в пределах одной системы. Именно такое решение было использовано в сов. кораблях "Восток", "Восход" и "Союз", где применялась нерегенеративная система на основе надперекиси щелочного металла. Выделение кислорода регенеративным веществом связано с вполне определёнными кол-вами поглощаемой воды и углекислого газа (рис.).

Система водообеспечсния основывается па запасах воды. В космич. корабле "Аполлон" питьевая вода вырабатывалась также из запасов кислорода и водорода,

"сжигавшегося" в электрохимич. генераторах (топливных элементах) для получения электроэнергии. Разработаны различные физико-хим. методы регенерации воды из конденсата мочи п атм. влаги. Конденсат атм. парой достаточно эффективно очищается от неизбежных органич. примесей каталитич. окислением, а также с помощью ионообменных смол и углей. В наиболее разработанных методах регенерации поды из мочи используются режимы испарения при различных давлении и темп-ре, с последующим каталитич. окислением загрязняющих примесей в паровой фазе и очисткой получаемого конденсата сорбентами. Данные методы позволяют регенерировать большую часть потребляемой воды, а при дальнейшем их совершенствовании - добиться практически замкнутого цикла её регенерации.

В отличие от предыдущих систем, обеспечение пищей не имеет ближайших перспектив перехода к регенеративным системам. Запасы пищи в космич. корабле состоят из продуктов и готовых блюд, консервированных в их естеств. состоянии или в обезвоженном виде (см. Лиофилизация). Регенерация пищевых веществ возможна на основе использования фотосинтезирующих зелёных растений. Поскольку при этом также решается задача поглощения углекислого газа и регенерации воды, то возможно создание СЖО по типу закрытой экологической системы, основанной па замкнутом биол. круговороте огранич. кол-ва вещества. Нужные для человека вещества непрерывно воссоздаются в такой системе благодаря жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Для этого следует расположить комплекс необходимых организмов (см. Биокомплекс) в такую функциональную замкнутую цепь, включающую и человека, где "выходные" характеристики предыдущего звена соответствуют параметрам "входа" последующего. В результате такой организации материально-энергетич. отношений между элементами системы возникает новое качество - целостная система высшего порядка, обладающая свойствами закрытой термодинамич. системы.

Табл. 2. - Основные технологические принципы систем регенерации кислорода

Нерегенеративные системы

физические

физико-химические

химические

Формы запасаемого кислорода

молекулярный кислород: газообразный, жидкий

химически связанный в форме воды

химически связанный в составе: перекисей, надперекисей и озонидов щелочных металлов, перхлоратов, перекиси водорода

Способы мобилизации запаса

ступенчатая редукция газа высокого давления; испарение сжиженного газа и редукция

электролиз воды (свободной или связанной фосфорным ангидридом)

химическое разложение кислородных соединений металлов при поглощении ими воды и углекислоты; каталитическое разложение перекиси водорода

Источники энергии

внутренняя энергия сжатого или сжиженного газа

внешние источники энергии

энергия экзотермических реакций

Регенеративные системы

физико- химические

биологические

Источники кислорода

углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ

углекислый газ и вода, выделяемые человеком как продукты окисления пищевых веществ

Методы регенерации

электролиз воды; прямое восстановление углекислого газа водородом до углерода и воды с последующим электролизом воды; восстановление углекислого газа водородом до метана (или окиси углерода) и воды с последующим электролизом воды

фотосинтез зелёных растений, хемосинтез автотрофных бактерий (напр., водородокисляющих)

Форма потребляемой энергии

тепловая, электрическая

для фотосинтеза- световая; для хемосинтеза - электрическая (для получения водорода)

Такая система в принципе способна к автономному существованию без поступления вещества извне, насколько это позволит степень согласованности входных и выходных характеристик смежных звеньев системы. При этом впервые возникает ситуация, когда существование самой системы становится в зависимость от жизнедеятельности человека как одного из её функциональных элементов. Эта зависимость настолько велика, что привычное представление о СЖО, как о чём-то внешнем по отношению к человеку, теряет своё основание, поскольку человек здесь является объектом обеспечения в той же мере, в какой он сам необходим в качестве составной части системы как целого. Это показывает всю условность термина СЖО по отношению к закрытым экологич. системам, включающим человека. Лит.: Проблемы космической биологии, т. 5 - 7, Л.- М., 1967: Космическая биология и медицина. М., 1966. О. Г. Газенко.