Система жизнеобеспечения — это комбинация оборудования, позволяющая выжить в окружающей среде или ситуации, которая не могла бы поддерживать эту жизнь в ее отсутствие. Обычно он применяется к системам, поддерживающим человеческую жизнь в ситуациях, когда внешняя среда агрессивна, например, в космическом пространстве или под водой , или в медицинских ситуациях, когда здоровье человека поставлено под угрозу до такой степени, что без этой функции риск смерти был бы высоким. оборудования. [1]
В пилотируемом космическом полете система жизнеобеспечения — это группа устройств, позволяющих человеку выжить в космическом пространстве. Правительственное космическое агентство США НАСА [ 2] и частные космические компании используют фразу «система экологического контроля и жизнеобеспечения» или аббревиатуру «ECLSS» при описании этих систем. [3] Система жизнеобеспечения может поставлять воздух, воду и пищу. Он также должен поддерживать правильную температуру тела, приемлемое давление на организм и бороться с отходами жизнедеятельности организма. Также может потребоваться защита от вредных внешних воздействий, таких как радиация и микрометеориты. Компоненты системы жизнеобеспечения критически важны для жизни и спроектированы и изготовлены с использованием методов техники безопасности .
При подводном плавании дыхательный аппарат считается оборудованием жизнеобеспечения, а система погружения с насыщением — системой жизнеобеспечения — персонал, отвечающий за ее эксплуатацию, называется техническим персоналом жизнеобеспечения . Эту концепцию также можно распространить на подводные лодки , подводные аппараты с экипажем и атмосферные водолазные костюмы , где дыхательный газ требует обработки, чтобы оставаться пригодным для вдыхания, а находящиеся внутри люди 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 обычного размера требуется примерно 5 килограммов (11 фунтов) еды , воды и кислорода в день для выполнения стандартных действий в рамках космической миссии, и он выбрасывает такое же количество в виде твердых отходов, жидких отходов и углекислого газа . [4] Распределение этих метаболических параметров по массе следующее: 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 результате физиологических процессов организма в Производится 0,11 кг (3,9 унции) твердых отходов, 3,89 кг (8,6 фунта) жидких отходов и 1,00 кг (2,20 фунта) углекислого газа. Эти уровни могут варьироваться в зависимости от уровня активности конкретного задания миссии, но должны подчиняться принципу баланса массы . Фактическое использование воды во время космических полетов обычно вдвое превышает заданное значение, в основном из-за небиологического использования (например, принятия душа). Кроме того, объем и разнообразие отходов варьируется в зависимости от продолжительности миссии и включает волосы, ногти, шелушение кожи и другие биологические отходы в миссиях продолжительностью более одной недели. Другие факторы окружающей среды, такие как радиация, гравитация, шум, вибрация и освещение, также влияют на физиологическую реакцию человека в космическом пространстве, хотя и не с таким непосредственным эффектом, как метаболические параметры.
Системы жизнеобеспечения в космическом пространстве 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 пожара, особенно при наземных операциях, когда по конструкционным причинам общее давление в кабине должно превышать внешнее атмосферное давление; см. Аполлон-1 . Кроме того, кислородная токсичность становится фактором при высоких концентрациях кислорода. По этой причине в большинстве современных космических кораблей с экипажем используется обычная воздушная (азотно-кислородная) атмосфера, а чистый кислород используется только в скафандрах во время работы в открытом космосе , где приемлемая гибкость скафандра требует минимально возможного внутреннего давления.
Вода потребляется членами экипажа для питья, уборки, терморегуляции выхода в открытый космос и использования в чрезвычайных ситуациях. Его необходимо эффективно хранить, использовать и утилизировать (из сточных вод и выдыхаемого водяного пара), поскольку в настоящее время не существует локальных источников для окружающей среды, достигнутой в ходе освоения человеком космоса. Будущие лунные миссии могут использовать воду, добываемую из полярных льдов; Миссии на Марс могут использовать воду из атмосферы или ледяных отложений.
На сегодняшний день все космические миссии использовали поставляемую еду. Системы жизнеобеспечения могут включать систему выращивания растений, которая позволяет выращивать продукты питания внутри зданий или сосудов. Это также позволит регенерировать воду и кислород. Однако ни одна такая система пока не летала в космическом пространстве. Такую систему можно было бы спроектировать так, чтобы она повторно использовала большую часть (в противном случае потерянных) питательных веществ. Это делается, например, путем компостирования туалетов , которые реинтегрируют отходы (экскременты) обратно в систему, позволяя питательным веществам усваиваться продовольственными культурами. Продукты питания, получаемые из посевов, затем снова потребляются пользователями системы, и цикл продолжается. Однако требования к логистике и площади на сегодняшний день не позволяют реализовать такую систему.
В зависимости от продолжительности миссии астронавтам может потребоваться искусственная гравитация, чтобы уменьшить последствия синдрома космической адаптации , перераспределения жидкости в организме и потери костной и мышечной массы. Существуют два метода создания искусственного веса в космическом пространстве.
Если бы двигатели космического корабля могли непрерывно создавать тягу во время полета с уровнем тяги, равным массе корабля, он бы постоянно ускорялся со скоростью 32,2 фута в секунду (9,8 м/с) в секунду, и экипаж испытывал бы тяга к кормовой переборке корабля при нормальной земной силе тяжести (одна 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, расширяющей другую секцию каюты или противовес, 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 зависит от радиуса вращения, что может оказаться неудобным для членов экипажа в зависимости от конструкции кабины. Кроме того, необходимо учитывать воздействие силы Кориолиса (силы, действующей под прямым углом к движению внутри кабины). Есть опасения, что вращение может усугубить последствия вестибулярных нарушений.
Американские космические корабли «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» содержали 100% кислородную атмосферу, подходящую для краткосрочных миссий, чтобы минимизировать вес и сложность. [5]
Спейс Шаттл был первым американским космическим кораблем, имевшим земную атмосферную смесь, состоящую из 22% кислорода и 78% азота. [5] Для космического корабля «Шаттл» НАСА включает в категорию ECLSS системы, которые обеспечивают как жизнеобеспечение экипажа, так и экологический контроль полезной нагрузки. Справочное руководство по ECLSS содержит разделы по: Наддув кабины боевого отсека, Оживление воздуха в кабине, Система контура водяного охлаждения, Система активного терморегулирования, Приточная и сточная вода, Система сбора отходов, Резервуар для сточной воды, Поддержка шлюзовой камеры, Единицы внекорабельной подвижности , Высота экипажа Система защиты, охлаждение радиоизотопного термоэлектрического генератора и продувка газообразным азотом полезной нагрузки. [6]
Система жизнеобеспечения корабля «Союз» называется «Комплекс средств обеспечения жизни» (КСОЖ). [ нужна цитата ] «Восток», «Вошкод» и «Союз» содержали воздухоподобные смеси при давлении примерно 101 кПа (14,7 фунтов на квадратный дюйм). [5]
Корпорация космического развития Paragon разрабатывает готовую к использованию ECLSS, называемую системой оживления коммерческой перевозки экипажа в воздухе (CCT-ARS) [7] для будущих космических кораблей, частично оплаченных за счет финансирования программы NASA Commercial Crew Development ( CCDev ). [8]
CCT-ARS обеспечивает семь основных функций жизнеобеспечения космического корабля в высокоинтегрированной и надежной системе: контроль температуры воздуха, удаление влажности, удаление углекислого газа , удаление следов загрязнений, восстановление атмосферы после пожара, фильтрация воздуха и циркуляция воздуха в кабине. [9]
Системы космических станций включают в себя технологии, которые позволяют людям жить в космическом пространстве в течение длительного периода времени. Такая технология включает системы фильтрации для удаления отходов жизнедеятельности человека и производства воздуха.
Скайлэб использовал 72% кислорода и 28% азота при общем давлении 5 фунтов на квадратный дюйм. [ нужна цитата ]
Космические станции «Салют» и «Мир» содержали подобную воздуху смесь кислорода и азота при давлении на уровне моря примерно 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 коммерческой космической станции Бигелоу разрабатывается компанией Bigelow Aerospace в Лас-Вегасе, штат Невада . Космическая станция будет построена из обитаемых модулей Sundancer и расширяемых модулей космического корабля BA 330 . В октябре 2010 года началось [обновлять]« тестирование системы экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS) с участием человека » для Sundancer . [10]
Естественные LSS, такие как «Биосфера-2» в Аризоне, были проверены на предмет будущих космических путешествий или колонизации. Эти системы также известны как закрытые экологические системы . У них есть то преимущество, что они используют солнечную энергию только в качестве первичной энергии и не зависят от логистической поддержки топливом. Природные системы обладают высочайшей степенью эффективности благодаря интеграции множества функций. Они также обеспечивают человеку надлежащую атмосферу, необходимую для длительного пребывания в космосе.
Подводные места обитания и жилые помещения, насыщаемые на поверхности, обеспечивают жизнеобеспечение своих обитателей в течение периодов от дней до недель. Пассажиры не могут немедленно вернуться к атмосферному давлению на поверхности из-за обязательств по декомпрессии продолжительностью до нескольких недель.
Система жизнеобеспечения жилого комплекса поверхностного насыщения обеспечивает дыхательный газ и другие услуги для поддержания жизни персонала, находящегося под давлением. Он включает в себя следующие компоненты: [11] Подводные среды обитания отличаются тем, что внешнее давление окружающей среды такое же, как и внутреннее давление, поэтому некоторые инженерные проблемы упрощаются.
Подводные среды обитания уравновешивают внутреннее давление с внешним давлением окружающей среды, обеспечивая обитателям свободный доступ к окружающей среде в пределах определенного диапазона глубин, в то время как дайверы, размещающиеся в надводных системах, под давлением переводятся на рабочую глубину в закрытом водолазном колоколе.
Система жизнеобеспечения колокола обеспечивает и контролирует основную подачу дыхательного газа , а станция управления следит за его размещением и связью с водолазами. Первичная подача газа, электропитание и связь с колоколом осуществляются через шлангокабель колокола, состоящий из ряда шлангов и электрических кабелей, скрученных вместе и развернутых как единое целое. [12] Это распространяется на дайверов через водолазные шлангокабели. [11]
Система жизнеобеспечения помещения поддерживает условия в камере в пределах, приемлемых для здоровья и комфорта находящихся в помещении. Температура, влажность, качество дыхательных газов, функционирование систем санитарии и оборудования контролируются и контролируются. [12]
Альтернатива микроэкологической системе жизнеобеспечения ( MELiSSA ) — это инициатива Европейского космического агентства , задуманная как экосистема на основе микроорганизмов и высших растений, предназначенная в качестве инструмента для понимания поведения искусственных экосистем и разработки технологий. для будущей регенеративной системы жизнеобеспечения для долгосрочных пилотируемых космических полетов.
CyBLiSS («Системы жизнеобеспечения на основе цианобактерий») — это концепция, разработанная исследователями нескольких космических агентств ( НАСА , Немецкого аэрокосмического центра и Итальянского космического агентства ), которая будет использовать цианобактерии для переработки ресурсов, доступных на Марсе, непосредственно в полезные продукты, и в субстраты [ необходимы разъяснения ] для других ключевых организмов биорегенеративной системы жизнеобеспечения (BLSS). [13] Цель состоит в том, чтобы сделать будущие населенные людьми аванпосты на Марсе как можно более независимыми от Земли (исследователи, живущие «за счет земли»), чтобы снизить затраты на миссию и повысить безопасность. Несмотря на то, что CyBLiSS разработан независимо, он будет дополнять другие проекты BLSS (такие как MELiSSA), поскольку он может связать их с материалами, найденными на Марсе, тем самым сделав их устойчивыми и расширяемыми там. Вместо того, чтобы полагаться на замкнутый цикл, в систему можно внести новые элементы, обнаруженные на месте.
