Система жизнеобеспечения — это совокупность оборудования, позволяющая выживать в среде или ситуации, которая не поддерживала бы эту жизнь в ее отсутствие. Обычно она применяется к системам, поддерживающим человеческую жизнь в ситуациях, когда внешняя среда враждебна, например, в открытом космосе или под водой , или в медицинских ситуациях, когда здоровье человека находится под угрозой до такой степени, что риск смерти был бы высок без функции оборудования. [1]
В пилотируемом космическом полете система жизнеобеспечения представляет собой группу устройств, которые позволяют человеку выживать в открытом космосе. Американское государственное космическое агентство NASA [ 2] и частные космические компании используют фразу «система контроля окружающей среды и жизнеобеспечения» или аббревиатуру «ECLSS» при описании этих систем. [3] Система жизнеобеспечения может поставлять воздух, воду и пищу. Она также должна поддерживать правильную температуру тела, приемлемое давление на тело и справляться с продуктами жизнедеятельности организма. Также может быть необходима защита от вредных внешних воздействий, таких как радиация и микрометеориты. Компоненты системы жизнеобеспечения являются жизненно важными и проектируются и изготавливаются с использованием методов инженерной безопасности .
В подводном плавании дыхательный аппарат считается оборудованием жизнеобеспечения, а система насыщенного погружения считается системой жизнеобеспечения — персонал, который отвечает за ее эксплуатацию, называется специалистами по жизнеобеспечению . Эта концепция может быть распространена также на подводные лодки , подводные аппараты с экипажем и атмосферные водолазные костюмы , где дыхательный газ требует обработки, чтобы оставаться пригодным для дыхания, а пассажиры изолированы от внешнего давления и температуры окружающей среды.
Медицинские системы жизнеобеспечения включают аппараты искусственного кровообращения , аппараты искусственной вентиляции легких и оборудование для диализа .
Члену экипажа типичного размера требуется приблизительно 5 килограммов (11 фунтов) пищи , воды и кислорода в день для выполнения стандартных действий в космической миссии, и выводит аналогичное количество в виде твердых отходов, жидких отходов и углекислого газа . [4] Массовая разбивка этих метаболических параметров выглядит следующим образом: 0,84 кг (1,9 фунта) кислорода, 0,62 кг (1,4 фунта) пищи и 3,54 кг (7,8 фунта) потребляемой воды, преобразуются в ходе физиологических процессов организма в 0,11 кг (3,9 унции) твердых отходов, 3,89 кг (8,6 фунта) жидких отходов и 1,00 кг (2,20 фунта) произведенного углекислого газа. Эти уровни могут варьироваться в зависимости от уровня активности конкретного задания миссии, но должны подчиняться принципу баланса масс . Фактическое использование воды во время космических миссий, как правило, вдвое превышает указанное значение, в основном из-за небиологического использования (например, принятия душа). Кроме того, объем и разнообразие отходов варьируются в зависимости от продолжительности миссии, включая волосы, ногти, шелушение кожи и другие биологические отходы в миссиях, которые длятся более недели. Другие экологические факторы, такие как радиация, гравитация, шум, вибрация и освещение, также влияют на физиологическую реакцию человека в открытом космосе, хотя и не с таким непосредственным эффектом, как метаболические параметры.
Системы жизнеобеспечения в открытом космосе поддерживают атмосферу, состоящую, как минимум, из кислорода, водяного пара и углекислого газа. Парциальное давление каждого компонента газа добавляется к общему барометрическому давлению .
Однако исключение газов-разбавителей существенно увеличивает риск возникновения пожара, особенно при наземных операциях, когда по структурным причинам общее давление в кабине должно превышать внешнее атмосферное давление; см. Apollo 1. Кроме того, при высоких концентрациях кислорода фактором становится кислородная токсичность . По этой причине большинство современных пилотируемых космических кораблей используют обычную воздушную (азот/кислородную) атмосферу и используют чистый кислород только в скафандрах во время внекорабельной деятельности , где приемлемая гибкость скафандра требует минимально возможного давления накачки.
Вода потребляется членами экипажа для питья, уборки, терморегулирования EVA и аварийных нужд. Она должна эффективно храниться, использоваться и извлекаться (из сточных вод и выдыхаемого водяного пара), поскольку в настоящее время не существует местных источников для сред, достигнутых в ходе исследования человеком космоса. Будущие лунные миссии могут использовать воду, полученную из полярных льдов; миссии на Марс могут использовать воду из атмосферы или ледяных залежей.
Все космические миссии до настоящего времени использовали поставляемую еду. Системы жизнеобеспечения могли бы включать систему выращивания растений, которая позволяет выращивать еду внутри зданий или судов. Это также регенерировало бы воду и кислород. Однако ни одна такая система пока не летала в космос. Такая система могла бы быть спроектирована так, чтобы она повторно использовала большую часть (иначе потерянных) питательных веществ. Это делается, например, с помощью компостных туалетов , которые реинтегрируют отходы (экскременты) обратно в систему, позволяя потреблять питательные вещества продовольственными культурами. Пища, поступающая из культур, затем снова потребляется пользователями системы, и цикл продолжается. Однако требования к логистике и площади, связанные с внедрением такой системы, на сегодняшний день были непомерными.
В зависимости от продолжительности миссии астронавтам может потребоваться искусственная гравитация для снижения эффектов синдрома космической адаптации , перераспределения жидкости в организме и потери костной и мышечной массы. Существуют два метода создания искусственного веса в открытом космосе.
Если бы двигатели космического корабля могли непрерывно создавать тягу на пути к цели с уровнем тяги, равным массе корабля, он бы непрерывно ускорялся со скоростью 32,2 фута в секунду (9,8 м/с) в секунду, и экипаж испытывал бы тягу к кормовой переборке корабля при нормальной земной гравитации (один g). Эффект пропорционален скорости ускорения. Когда корабль достигнет середины пути, он развернется и создаст тягу в ретроградном направлении, чтобы замедлиться.
В качестве альтернативы, если каюта корабля спроектирована с большой цилиндрической стеной или с длинной балкой, простирающейся над другой секцией каюты или противовесом, вращение ее с соответствующей скоростью вызовет центробежную силу , имитирующую эффект гравитации. Если ω — угловая скорость вращения корабля, то ускорение на радиусе r равно:
Обратите внимание, что величина этого эффекта меняется в зависимости от радиуса вращения, что может быть неудобно для членов экипажа в зависимости от конструкции кабины. Кроме того, необходимо учитывать влияние силы Кориолиса (силы, передаваемой под прямым углом к движению внутри кабины). И есть опасения, что вращение может усугубить последствия вестибулярных нарушений.
Американские космические корабли «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» имели 100% кислородную атмосферу, подходящую для краткосрочных миссий, чтобы минимизировать вес и сложность. [5]
Space Shuttle был первым американским космическим аппаратом, имеющим подобную земной атмосферную смесь, состоящую из 22% кислорода и 78% азота. [5] Для Space Shuttle НАСА включает в категорию ECLSS системы, которые обеспечивают как жизнеобеспечение экипажа, так и контроль окружающей среды для полезных грузов. Справочное руководство Shuttle содержит разделы ECLSS по: наддуву кабины отсека экипажа, оживлению воздуха кабины, системе водяного контура охлаждения, системе активного терморегулирования, водоснабжению и отходам, системе сбора отходов, баку сточной воды, поддержке шлюза, блокам внекорабельной мобильности , системе защиты экипажа от высоты и охлаждению радиоизотопного термоэлектрического генератора и продувке газообразным азотом для полезных грузов. [6]
Система жизнеобеспечения на космическом корабле «Союз» называется Комплексом средств обеспечения жизнедеятельности (КСОЖ) . [ требуется цитирование ] «Восток», «Восход» и «Союз» содержали воздухоподобные смеси при давлении около 101 кПа (14,7 фунтов на квадратный дюйм). [5] Система жизнеобеспечения обеспечивает азотно-кислородную атмосферу при парциальном давлении на уровне моря. Затем атмосфера регенерируется с помощью баллонов KO2, которые поглощают большую часть CO2 и воды, вырабатываемых экипажем биологическим путем, и регенерируют кислород, затем баллоны LiOH поглощают оставшийся CO2. [7]
Корпорация Paragon Space Development Corporation разрабатывает готовую к использованию систему ECLSS, называемую коммерческой системой ревитализации экипажа (CCT-ARS) [8] для будущих космических кораблей, частично оплаченную за счет финансирования программы NASA Commercial Crew Development ( CCDev ). [9]
CCT-ARS обеспечивает семь основных функций жизнеобеспечения космического корабля в высокоинтегрированной и надежной системе: контроль температуры воздуха, удаление влажности, удаление углекислого газа , удаление следов загрязняющих веществ, восстановление атмосферы после пожара, фильтрация воздуха и циркуляция воздуха в кабине. [10]
Системы космической станции включают технологию, которая позволяет людям жить в открытом космосе в течение длительного периода времени. Такая технология включает в себя системы фильтрации для утилизации человеческих отходов и производства воздуха.
В Skylab использовалось 72% кислорода и 28% азота при общем давлении 5 фунтов на квадратный дюйм. [ необходима цитата ]
Космические станции «Салют» и «Мир» содержали воздушную смесь кислорода и азота при давлении примерно на уровне моря от 93,1 кПа (13,5 фунтов на квадратный дюйм) до 129 кПа (18,8 фунтов на квадратный дюйм) с содержанием кислорода от 21% до 40%. [5]
Система жизнеобеспечения для коммерческой космической станции Bigelow разрабатывается компанией Bigelow Aerospace в Лас-Вегасе, штат Невада . Космическая станция будет построена из обитаемых модулей Sundancer и расширяемых космических кораблей BA 330. С октября 2010 года началось [обновлять]« тестирование человеком системы управления окружающей средой и жизнеобеспечения (ECLSS)» для Sundancer . [11]
Естественные LSS, такие как Biosphere 2 в Аризоне, были испытаны для будущих космических путешествий или колонизации. Эти системы также известны как закрытые экологические системы . Они имеют преимущество использования солнечной энергии в качестве первичной энергии и независимости от логистической поддержки с топливом. Естественные системы имеют наивысшую степень эффективности благодаря интеграции множества функций. Они также обеспечивают надлежащую среду для людей, которая необходима для более длительного пребывания в открытом космосе.
Подводные среды обитания и поверхностные насыщенные жилые помещения обеспечивают жизнеобеспечение для своих обитателей в течение периодов от нескольких дней до нескольких недель. Обитатели ограничены в возможности немедленного возвращения к атмосферному давлению на поверхности обязательствами по декомпрессии , длящимися до нескольких недель.
Система жизнеобеспечения поверхностного насыщенного жилого комплекса обеспечивает дыхательный газ и другие услуги для поддержания жизни персонала под давлением. Она включает в себя следующие компоненты: [12] Подводные среды обитания отличаются тем, что внешнее давление окружающей среды совпадает с внутренним давлением, поэтому некоторые инженерные проблемы упрощаются.
Подводные среды обитания уравновешивают внутреннее давление с внешним давлением окружающей среды, предоставляя обитателям свободный доступ к окружающей среде в пределах определенного диапазона глубин, в то время как водолазы, занимающиеся насыщенным погружением, размещенные в поверхностных системах, перемещаются под давлением на рабочую глубину в закрытом водолазном колоколе.
Система жизнеобеспечения колокола обеспечивает и контролирует основную подачу дыхательного газа , а станция управления контролирует развертывание и связь с водолазами. Первичное газоснабжение, питание и связь с колоколом осуществляются через шлангокабель колокола, состоящий из нескольких шлангов и электрических кабелей, скрученных вместе и развернутых как единое целое. [13] Это распространяется на водолазов через шлангокабель водолаза. [12]
Система жизнеобеспечения помещения поддерживает среду в камере в пределах, приемлемых для здоровья и комфорта жильцов. Температура, влажность, качество дыхательного газа, системы санитарии и функционирование оборудования контролируются и контролируются. [13]
Альтернативная микроэкологическая система жизнеобеспечения ( MELiSSA ) — это инициатива Европейского космического агентства , задуманная как экосистема на основе микроорганизмов и высших растений, предназначенная в качестве инструмента для изучения поведения искусственных экосистем и разработки технологии будущей регенеративной системы жизнеобеспечения для долгосрочных пилотируемых космических миссий.
CyBLiSS («Системы жизнеобеспечения на основе цианобактерий») — это концепция, разработанная исследователями из нескольких космических агентств ( НАСА , Германского аэрокосмического центра и Итальянского космического агентства ), которая будет использовать цианобактерии для переработки ресурсов, доступных на Марсе, непосредственно в полезные продукты и в субстраты [ необходимо разъяснение ] для других ключевых организмов биорегенеративной системы жизнеобеспечения (BLSS). [14] Цель состоит в том, чтобы сделать будущие заселенные людьми аванпосты на Марсе максимально независимыми от Земли (исследователи, живущие «за пределами земли»), чтобы сократить расходы на миссии и повысить безопасность. Несмотря на то, что CyBLiSS разрабатывается независимо, он будет дополнять другие проекты BLSS (такие как MELiSSA), поскольку он может соединять их с материалами, найденными на Марсе, тем самым делая их устойчивыми и расширяемыми там. Вместо того, чтобы полагаться на замкнутый цикл, новые элементы, найденные на месте, могут быть введены в систему.
