Текст
                    В.Н. Серебряков
ОСНОВЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 1 v ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В.Н. Серебряков основы ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Допущено в качестве учебного пособия для учащихся средних специальных учебных заведений по машиностроительной специальности МОСКВА « МАШИНОСТРОЕНИЕ » 1983
ББК 39.62 С*32 УДК 629.7.048.01(075) Рецензенты: д-р техн, наук Г. И. Воронин, инж. В. В. Купче Серебряков В. Н. С32 Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов. — М.. Машиностроение, 1983. —160 с., ил. В книге изложены основные проблемы и методы технического проектирования комплекса средств жизнеобеспечения человека в космическом полете. Рассмотрены теоретические основы рабочих процессов, технические характеристики и принципы инженерного расчета систем с запасами веществ, комбинированных систем и замкнутых регенерационных систем ближайшего будущего. Освещены особенности проектирования и методы массоэнергетической оптимизации бортовой аппаратуры и систем. Даны принципы построения и выбора оптимальных комплексов средств жизнеобеспечения. 3607000000-200 038 (01)-83 КБ 15-49-83 ББК 39.62 6Т6 © Издательство ’’Машиностроение”, 1983 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ 12 апреля 1961 года в историческом полете корабля ’’Восток” на орбите искусственного спутника Земли впервые в мире функционировал комплекс систем, обеспечивающих существование человека в специфических условиях космического полета — глубокого наружного вакуума, полной изоляции от земной среды, невесомости, необычного теплового режима. Создание этого комплекса систем жизнеобеспечения явилось результатом совместной творческой работы коллективов специалистов, в процессе которой требовалось решить новые, нестандартные научно-технические и медико-биологические задачи. За сравнительно короткий срок развития космической техники существенно расширились ее возможности и соответственно круг задач, решаемых с ее помощью в интересах науки и народного хозяйства. Вместе с тем значительно усложнились задачи систем жизнеобеспечения, модифицировались и совершенствовались их принципиальные основы и технические характеристики. Увеличение продолжительности полетов поставило как кардинальное условие дальнейшего развития переход к системам жизнеобеспечения качественно нового типа — на основе регенерации и круговорота веществ, подобного существующему в земной природе. Решение этой задачи потребовало поиска и разработки новых технологических процессов регенерации веществ, создания специальной аппаратуры, осуществляющей эти процессы в условиях невесомости и жестких массовых и энергетических ограничений, действующих на борту космического летательного аппарата. В настоящее время в мировой практике существует серия модификаций систем жизнеобеспечения, существенно различных по принципам действия и своим техническим характеристикам — ресурсу работы, удельному расходу массы веществ, энергопотреблению. Создание комплексов систем жизнеобеспечения стало делом особой области, в которой работают коллективы специалистов разных направлений науки и техники. Проектирование этих систем является специфической задачей, требующей комплексного инженерного подхода и широких знаний в области физической химии, химической технологии, теплофизики, физиологии человека и т. п. Настоящая книга является первым издаваемым в нашей стране учебником по техническому проектированию систем жизне-
обеспечения экипажей космических аштаратов, обобщающим накопленный отечественный и зарубежный опыт в данной области. Благодаря компактности изложения автору в сравнительно не- . большом объеме удалось охватить основные научно-технические аспекты создания практически всего комплекса бортовых средств жизнеобеспечения, терморегулирования и их наиболее характерных модификаций. Учебник последовательно знакомит учащегося с основами жизнедеятельности человека, медицинскими нормативами и исходными данными для проектирования систем жизнеобеспечения, раскрывает специфику условий эксплуатации и требований к бортовому оборудованию космического летательного аппарата, классифицирует способы жизнеобеспечения; рассматриваются принципы действия, технические характеристики и инженерные основы проектирования и расчета систем жизнеобеспечения различного типа — на основе запасов веществ, с частичной регенерацией веществ и замкнутых регенерационных систем ближайшего будущего. Изложенный в учебнике минимум теоретических сведений о физико-химических и теплофизических рабочих процессах систем жизнеобеспечения создает методическую базу для определения технических характеристик проектируемых систем (расход энергии, массы) и, что наиболее важно, формирует у учащихся представление о подходе к построению нестандартных проектно-расчетных соотношений при создании новых систем космической техники и о возможных путях их оптимизации. Впервые в учебной литературе освещены специальные вопросы проектирования бортовой аппаратуры и систем для работы в условиях невесомости, сформулированы понятия массоэнергетической оптимизации как специфического критерия их эффективности, изложены современные основы единых универсальных соотношений для расчета процессов тепло- и массообмена, даны принципы построения оптимальных комплексов систем жизнеобеспечения для заданной продолжительности полета с учетом массы систем энергопитаниям и терморегулирования, а также фактора надежности. Изложение материала в учебнике отличается удачным сочетанием доступности и наглядности с глубоким анализом фундаментальных основ специфических рабочих процессов систем жизнеобеспечения и их аппаратуры. В заключение, касаясь общего значения успехов данной области космической техники, следует отметить прямую связь ее достижений с решением ряда задач народнохозяйственного значения. Основные концепции, используемые при разработке систем жизнеобеспечения — максимальная интенсификация технологических процессов, минимизация энергозатрат и металлоемкости (массы) оборудования, максимальная замкнутость (безотход-ность) процессов при регенерации веществ, — имеют широкое 4
методическое значение. Ряд прогрессивных малоэнергоемких методов жизнеобеспечения — например, методы разделения газовых смесей, разложения воды и двуокиси углерода, — может представлять непосредственный интерес в технологических процессах химических производств, автономно-водородной энергетики и т. п. В силу указанных качеств настоящий учебник, предназначенный для средних специальных учебных заведений, является безусловно полезным также для студентов вузов и для широкого круга специалистов, работающих в отраслях космической техники и в области создания современных технологий различного назначения. Летчик-космонавт СССР, дважды Герой Советского Союза, д-р техн, наук, проф. А*. С. ЕЛИСЕЕВ
ОТ АВТОРА Специфика требований к системам жизнеобеспечения человека в космическом полете — минимум массы и энергопотребления при максимуме ресурса и надежности, работа в невесомости — предопределила своеобразие химико-технологических и проектно-конструкторских решении в этом новом направлении техники, затрагивающем в своем развитии и поиске эффективных технологий фундаментальные вопросы технических, физических, химических дисциплин и медико-биологические вопросы. Накопленный к настоящему времени отечественный и зарубежный опыт создания средств жизнеобеспечения позволяет сформировать в виде специального курса инженерные основы их проектирования, включая выбор принципов и построение схем систем, расчет и оптимизацию характеристик аппаратуры, систем и комплексов систем жизнеобеспечения. Учитывая поисковый, альтернативный характер задач проектирования в данной области, автор из методических соображений стремился избежать часто встречающегося в литературе постулированного представления данных о технических характеристиках вариантов систем (расходе энергии и массы), предпочитая по возможности показать физические первоисточники этих характеристик примерами инженерного расчета, базирующегося на общетеоретических закономерностях, лежащих в основе рабочих процессов проектируемых систем. В этой целью наряду с изложением фактического материала в учебнике дается необходимый минимум теоретических сведений об основах физико-химических и теплофизических процессов систем жизнеобеспечения, требующийся для решения как проектных, так и эксплуатационных задач в данной области. Автор приносит благодарность проф. Г. И. Воронину, инженерам В. В. Купче и И. В. Лаврову за замечения и советы, сделанные ими при обсуждении рукописи книги.
ВВЕДЕНИЕ Выход человека в космос и развитие техники космических полетов потребовали решения комплекса сложных проблем в различных областях человеческой деятельности и в ряде случаев привели к формированию новых научно-технических направлений, находящихся на стыке различных научных дисциплин. К числу таких проблем относится создание средств жизнеобеспечения человека, т. е. средств, обеспечивающих его нормальное существование и работу в специфических условиях космического полета — глубокого наружного вакуума, невесомости, необычного внешнего теплового режима, ионизирующих излучений и т. п. Основное содержание задач жизнеобеспечения определяется прежде всего физиологическими нуждами человеческого организма. В процессе жизнедеятельности человек потребляет из окружающей его земной среды—биосферы-^о пред елейные вещества: кислород, воду, пищевые вещества. В биологических обменных реакциях организма пищевые вещества окисляются кислородом и дают энергию, необходимую для жизнедеятельности человека. Продукты реакций окисления выделяются организмом обратно в окружающую среду в виде углекислого газа и шлаков с жидкими и твердыми продуктами жизнедеятельности. В земных условиях продукты жизнедеятельности человека усваиваются окружающим его сообществом (биогеоценозом) живых существ—бактерий, растений, животных, — которое преобразует эти продукты до исходных необходимых человеку веществ: кислорода, воды,продуктов питания. Таким образом осуществляется замкнутый природный круговорот веществ. Организм человека в результате эволюции приспособлен к вполне определенным условиям окружающей среды — давлению, газовому составу атмосферы, температуре, влажности и т. п. В космическом полете, когда человек полностью изолирован от земной биосферы, ее функции ложатся на специальные бортовые системы космического летательного аппарата — системы жизнеобеспечения экипажа. Эти системы должны обеспечивать: снабжение человека необходимыми для жизни веществами; сбор и удаление продуктов жизнедеятельности;
создание и поддержание в обитаемом отсеке космического летательного аппарата необходимых условий атмосферной среды, оптимальных для жизни и работы человека. Совокупность систем жизнеобеспечения образует комплекс СЖО. Отдельные элементы задач жизнеобеспечения возникали и ранее по мере развития транспортных средств и исследования человеком окружающей среды. Первые дальние морские плавания поставили задачу консервирования и длительного хранения запасов воды и пищи. Более сложные вопросы обеспечения искусственной атмосферы решались в высотных авиационных полетах, в подводном плавании и т. п. Однако во всех этих случаях человек оставался в пределах земной среды — атмосферы или гидросферы, которая могла служить источником кислорода, средством вентиляции обитаемых отсеков, средством обеспечения теплового режима (например, охлаждения) отсеков и т. п. Задачи систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов и принципы их проектирования отличаются следующими существенными особенностями. В условиях космического вакуума человек в замкнутом отсеке полностью изолирован от земной среды и обеспечение его всеми необходимыми веществами производится средствами бортовых систем жизнеобеспечения. В космическом полете определяющими критериями совершенства систем жизнеобеспечения становятся минимальная масса и энергопотребление систем. Данные ограничения носят принципиальный характер, вытекающий из формулы К. Э. Циолковского о предельном полезном грузе ракеты-носителя, и, если масса систем превышает некоторый заданный предел для конкретного космического летательного аппарата, то он не может быть выведен на орбиту. Полная автономность функционирования и необходимость непрерывного действия систем жизнеобеспечения в полете выдвигают требование повышенной их надежности. Эффект невесомости вызывает нарушение ряда гидродинамических, тепловых, химико-технологических процессов, приводит к неработоспособности аппаратов наземного типа и требует разработки новых принципов действия бортовой - аппаратуры СЖО. Специфические условия лучистого теплообмена в космосе также требуют разработки специальных способов и средств выведения тепловой энергии из космического аппарата и регулирования температуры в обитаемых отсеках. В первых пилотируемых полетах небольшой продолжительности на кораблях ’’Восток”, „Восход” задачи систем жизнеобеспечения достаточно успешно решались на основе принципа запаса веществ (кислорода, воды, пищи). По мере увеличения продолжительности полетов масса таких систем быстро достигает
неприемлемых величин, что становится сдерживающим фактором в дальнейшем развитии космической техники. Перспективы развития космических полетов требуют перехода к замкнутым системам, обеспечивающим круговорот веществ в обитаемых отсеках космического аппарата на основе регенерации необходимых человеку веществ из продуктов его жизнедеятельности подобно тому, как это осуществляется в земной природе. Создание таких регенерационных систем жизнеобеспечения является комплексной научно-технической задачей, включающей в себя поиск и разработку новых, достаточно эффективных и надежных физико-химических методов регенерации веществ, создание аппаратуры, позволяющей реализовать технологические процессы регенерации веществ в специфических условиях работы на борту космического аппарата. Комплекс технических вопросов, решаемых на этапах создания СЖО, находится на стыке широкого круга научных дисциплин — физической химии, химической технологии, теплофизики, гидродинамики, медицины и т. д. Общее техническое проектирование систем жизнеобеспечения всегда связано с решением инженерной задачи о поиске оптимума. Это прослеживается на всех этапах создания систем, начиная с общей проектной завязки и выбора типа комплекса и кончая разработкой отдельных агрегатов. Так, переход от запасов веществ к замкнутым системам снижает их массу, однако существенно повышает затраты энергии, которые также сводятся к эквивалентной массе систем энергопитания. В зависимости от возможностей и задач конкретного космического аппарата оптимальным может оказаться комбинированный комплекс систем жизнеобеспечения, промежуточный между двумя упомянутыми. Аналогично при выборе режимных параметров отдельных агрегатов повышение интенсивности рабочих процессов (коэффициентов тепло- и массообмена, плотности электрического тока и т. п.) снижает величину рабочих поверхностей и массу агрегатов, но, как правило, ведет к возрастанию удельных затрат энергии. Разнонаправленными являются также требования минимальной массы и повышенной надежности систем. Основные проблемы технического проектирования комплекса средств жизнеобеспечения и их аппаратуры, включая принципы их построения, теоретические основы процессов и методы расчета и оптимизации их технических характеристик, рассматриваются ниже.
ГЛАВА 1. ЗАДАЧИ, СОСТАВ И КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 1.1. МАССООБМЕН И ЭНЕРГООБМБН ЧЕЛОВЕКА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ В необычных условиях космического полета (вакуум, лучистый теплообмен, ионизирующие излучения) человек должен находиться в замкнутом герметичном отсеке космического летательного аппарата, будучи полностью изолированным от земной природной среды. В обитаемом отсеке необходимо создавать искусственную атмосферу и соответствующие благоприятные условия для обеспечения нормального существования и работы человека. Эти условия необходимо поддерживать в течение всего полета, подавая в отсек вещества, потребляемые человеком в процессе жизнедеятельности и удаляя продукты жизнедеятельности. Бортовые системы космического летательного аппарата (КЛА), которые решают эти задачи, называются системами жизнеобеспечения экипажа (СЖО). Конкретные задачи и состав СЖО можно определить, рассмотрев массообмен и энергообмен человеческого организма с окружающей средой. Человек в процессе жизнедеятельности потребляет: кислород из атмосферы при дыхании, воду питьевую и воду, содержащуюся в продуктах питания, пищевые вещества, содержащиеся в продуктах питания — белки, жиры и углеводы. В биохимических реакциях организма пищевые вещества окисляются кислородом (как бы сгорают), выделяя при этом энергию, необходимую для жизнедеятельности человека. Например, в реакции окисления простейшего углевода — глюкозы С6НПО6 выделяется энергия q = 17,2 кДж на 1 г глюкозы [ 16]: С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 17,2 кДж/г; (1.1а) в реакции окисления типичного жира (триолеина): С57 Н1(М О6 + 80О2 = 57СО2 + 52Н2 0 + 39 кДж/г; (1.16) в реакции окисления типичного элемента белка (аланина): 2C3HsON+6O2 = 5СО2 + ЗН2О + СО(ЫН2)2 + +17,2 кДж/г. (1.1в) Полученная энергия используется на работу внутренних органов (сердце, легкие), на механическую мышечную работу человека и в итоге переходит в тепло, которое организм выделяет в окружающую среду.
Рис. 1. Массообмен и энергообмен организма чедовека с окружающей средой и состав СЖО: СКО — система кислородообеспечения; СВО — система водообеспечения; СОП — средства обеспечения питанием; ПП — продукты питания; СОА — система очистки атмосферы; СРТ — средства регулирования температуры и влажности воздуха; СУ О — система удаления отходов; СРД — средства регулирования давления в отсеке; ССБО — средства санитарно-бытового обеспечения; СЗ — средства индивидуальной защиты (скафандры) Продуктами реакций окисления являются углекислый газ СО2 и вода Н2 О. При окислении белка аланина образуется также недоокисленное органическое вещество — мочевина СО (NH2) 2; при окислении белков других типов — фосфаты и сульфаты. Эти вещества называются шлаковыми веществами. Все продукты реакций (1.1), а также потребленная человеком из внешней среды вода полностью выделяется организмом в окружающую среду: углекислый газ удаляется в атмосферу при дыхании; шлаковые вещества выводятся вместе с потребленной водой в виде жидких отходов жизнедеятельности — урины (т. е. мочи) и в виде твердых отходов; часть воды выделяется путем испарения в атмосферу через кожу и через легкие при дыхании. Рассмотренный процесс описывает массообмен организма основными веществами с окружающей средой (рис. 1). В медицине этот процесс называется обменом веществ, или метаболизмом. Вода, образующаяся в реакциях (1.1), так называемая метаболическая вода, в организме суммируется с водой, потребленной человеком из внешней среды, поэтому общее количество выделяемой воды всегда соответственно больше общего количества потребляемой человеком воды с питьем и питанием. Тем не iv/енее общее суточное количество всех выделяемых человеком веществ равно их потреблению, как это и должно следовать из массового баланса реакций (1.1). Количество потребляемых и выделяемых человеком веществ находится в прямой связи с энерготратами организма в процессе
Зависимость энерготрат человека и потребления им кислорода от физической нагрузки Физическое состояние человека или вид деятельности Энерготраты, Вт Потребление кислорода, л/ч Покой 85-100 15-18 Очень легкая работа 100-175 18-30 Легкая работа 175-350 30-60 Средняя работа 350-520 60-90 Тяжелая работа 520-700 90-100 жизнедеятельности, как это следует из стехиометрических, энергомассовых балансов реакций (1.1). Например, из табл. 1, где приведены опытные данные, видно, что количество потребляемого в час кислорода прямо пропорционально энерготратам организма при различных физических нагрузках [ 17]. Массовый баланс реакций можно записать следующим образом: nilii + по2 ДО2 = исо2 ДСО2 + ПН2ОДНТО +<2рь (1.2) где п — количество молей вещества, участвующих в реакции; д — масса моля в г (численно равная молекулярной массе); индекс i обозначает пищевое вещество; qpl- = qinnij — тепловой эффект реакции; q, — удельная калорийность вещества в реакциях (1.1). Из равенства (1.2) можно определить удельные расходы веществ на получение единицы энергии: удельный расход кислорода feo.2 = «О2Мо2/9рй удельный расход пищевого вещества ki = nniiJqpi = 1/qi. Удельное выделение метаболической воды на 1 г пищевого вещества ЙН2О = nH2OMH2o/(niMf). Объем углекислого газа Vco2 > выделившегося на 1 л потребленного кислорода, определится отношением числа молей этих газов, участвующих в реакциях (1.1): йд = Усо2/Уо2 = псо2Мо2- (1.3) Эта величина называется дыхательным коэффициентом, роль ее рассмотрена ниже. Очевидно, если энерготраты организма составляют Q, то расход веществ — кислорода то2 , пищевых веществ т,, в г/с — будет пропорционален энерготратам: mO2 = *О2 Q = по2 ДО2 Q/qp m, = fe,Q. (1.4) Расчетом по стехиометрическим соотношениям можно убедиться, что удельное потребление и выделение веществ на получение единицы энергии существенно зависит от типа пищевого вещества и, следовательно, от химического состава рациона питания человека (табл. 2). 12
Удельный расход и выделение веществ в реакциях окисления Вид пищевого вещества Масса моля, Д, г Расход пищевого вещества fefio2, г/кДж Расход кислорода *О/10 , г/кДж Дыхательный коэффициент k - Vc°2 Vo, Выход метаболической воды feH2O, г на 1 г пищи Углеводы (глю- 180 5,83 6,1 1,0 0,60 коза) Жиры (триолеин) 884 2,56 7,2 0,71 1,07 Белки (аланин) 71 5,83 7,9 0,83 0,41 Рацион питания с составом 4:1:1 (углеводы: жиры: белки) 4,78 6,6 0,84 0,64 На основе исследований космической медицины норма энерготрат космонавта при работе в отсеке КЛА составляет в среднем около 140—150 Вт. Рекомендуемый рацион полноценного питания должен включать углеводы, жиры и белки в примерном соотношении по массе 4:1:1 [ 16,10]. Отсюда можно определить среднее потребление и выделение веществ для данного рациона (см. 4-ю строку табл. 1). В частности, удельный расход пищевых веществ fez- = -5,83-10“*2 + + -i-2,56-10“2 + -5,83-10“2 = 4,78-10“2 г/кДж,удельный расход кислорода = 4,65-10”2 л/кДж, что близко к опытным данным (около 5-Ю"2 л/кДж по табл. 2). Подставив эти величины в формулы (1.4) определим расход пищевых веществ — 600 г и кислорода — 830 г на одного человека в сутки. (Везде в дальнейшем нормы расхода веществ даны на одного человека, а объемы газов — при нормальных условиях) . Выделение метаболической воды составит 0,64* 600 г « 390 г, выделение углекислого газа—960 г. Для проектных расчетов обычно принимают округленные нормы—потребления кислорода — 0,9 кг/сут, выделение углекислого газа — 1,0 кг/сут. Дыхательный коэффициент (1.3), являясь важной характеристикой газоообмена человека, показывает, как распределяется потребленный кислород между продуктами реакций обмена веществ — углекислым газом и метаболической водой. Полученная величина кд = 0,84 (см. табл. 2) означает, что 84% потребленного кислорода выделяется в атмосферу с углекислым газом, а остальные 16% связываются в метаболической воде. Это распределение имеет значение при создании замкнутых СЖО с ре-
генерацией кислорода из углекислого газа, рассматриваемых в гл. 3. Рассмотрим баланс по воде. Вода составляет до 65% массы тела человека и служит в организме основой для образования электролитов, в которых протекают биохимические реакции (1.1). Потери воды до 2—3% от массы тела вызывают снижение работоспособности, а до 10% — опасны для жизни. Необходимое потребление воды определяется ее потерями из организма. Выделяясь из организма, вода выполняет две основные функции: выведение из организма шлаковых веществ — типа мочевины в реакции (1.1в); отвод в окружающую среду части общего тепловыделения организма путем испарения. При этом, как было отмечено, вода выделяется тремя путями (см. рис. 1): в виде урины (мочи), с твердыми отходами, испарением через кожу и легкие. По медицинским нормам [ 16] количество воды, выделяющейся с уриной, составляет до (1,5—1,6) л/сут; при этом вода содержит около 50 г примесей (мочевины, солей и т. п.). Количество воды, содержащейся в твердых отходах, составляет до 0,15 л/сут; сухая масса веществ — около 0,05 кг/сут. Количество воды, испаряющейся через кожу и легкие, зависит от условий энергетического баланса организма с окружающей средой. Энергия Q, образующаяся в организме, переходит в тепло, которое должно быть выведено в окружающую среду. Тепло передается в среду двумя основными путями: радиационным теплообменом и конвективным теплообменом (т. е. темплообменом при движении воздуха), которые осуществляются под действием разности температур кожи tK и окружающей среды tcp (обозначим эту составляющую QT), тепломассообменом при испарении воды под действием разности парциальных давлений паров воды над поверхностью кожи Рк и в окружающем воздухе рср (обозначим эту составляющую QH 5 Qh = тиг, где ти — скорость испарения воды, кг/ч; г = = 2430 кДж/кг — теплота парообразования воды). Не вдаваясь в детали механизмов теплообмена, энергетический баланс организма упрощенно можно записать: Q = Qt + Qh илиС= F[a(tK- tCp) (Рк-Рср)Ь (1-5) где F — поверхность тела человека, участвующая в теплообмене; а и (3 — коэффициенты, характеризующие соответственно интенсивность процесса теплообмена с окружающей средой и процесса массообмена при испарении воды; а и (3 зависят от скорости движения воздуха у поверхности тела U (приблизительно пропорциональны С7°>5); Рк — давление насыщенных паров воды над поверхностью кожи, зависящее только от температуры кожи tK.
Рис. 2. Зависимость скорости испарения воды через кожу и легкие космонавта от температуры окружающей среды Т, С и энерготрат организма Q: 1 - Q = 115 Вт; 2 - Q = 225 Вт; 3 ~ Q = 325 Вт Температура кожи человека в норме = +32 ... 34° С. При нормальных, комнатных температурах среды tcp, когда разность (tK - tcp) достаточно велика, основная часть тепловыделения (до 80%) передается в окружающую среду первой составляющей, т. е. теплообменом. Доля тепла, передаваемого испарением воды, составляет при этом около 20%. Для принятой нормы тепловыделения космонавта (Q = 140 ... 150 Вт) это дает расход испаряемой воды ти = 0,2 Q/r около 50 г/ч, что и принимается за норму влаговы-деления человека в атмосферу при работе в отсеке КЛА. При более высоких температурах окружающей среды, когда разность (tK - tcp) стремится к нулю, единственным путем теплоотдачи становится испарение воды; при этом расход ее резко возрастает за счет повышения давления паров воды над кожей Рк. Чем больше физическая нагрузка и уровень энерготрат человека, тем раньше включается этот резервный механизм теплоотдачи в организме человека (рис. 2). В итоге количество воды, выделяемой человеком в сутки, составит 1,2 кг (пары) + 1,55 кг (вода в урине) + 0,15 кг (вода в твердых отходах) = 2,9 кг. Вычитая отсюда количество метаболической воды, образовавшейся в организме (0,4 кг), получим величину необходимого суточного потребления воды — 2,5 кг. Рацион питания из натуральных продуктов содержит обычно около 0,5 кг воды (на 0,6 кг сухой массы пищевых веществ); Таблица 3 Баланс массообмена человека с окружающей средой (норма энерготрат 145 Вт) Потребляемые вещества Масса, кг/чел.-сут Выделение вещества Масса, кг/чел.-сут Кислород 0,9 Углекислый газ 1,0 Вода: питьевая в продуктах питания 2,0 0,5 Пары воды 1,20 Урина: вода примеси 1,55 0,05 Продукты питания (сухая масса пищевых веществ) 0,6 Твердые отходы: вода сухая масса 0,15 0,05 Итого 4,0 4,0
остальная часть воды - 2 кг - должна потребляться при питье. Итоги проведенного рассмотрения сведены в табл. 3, которая дает нормы потребления и выделения веществ человеком для расчета и проектирования систем жизнеобеспечения экипажей КЛА. Помимо указанных веществ человек выделяет через кожу и легкие большое число органических и неорганических газовых веществ в очень небольших количествах, например окись углерода СО — до 180 мг/сут. Однако эти вещества являются токсичными, т. е. вредными для жизнедеятельности, и при накоплении в атмосфере замкнутого отсека могут привести к отравлению человека. Эти вещества называют вредными микропримесями атмосферы. Источником их могут быть также оборудование, неметаллические и полимерные материалы, находящиеся в отсеке КЛА. Сбор и изоляция этих газовыделений также должны входить в задачи СЖО. 1.2. УСЛОВИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, НОРМИРУЕМЫЕ СИСТЕМАМИ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ В результате эволюции организм человека приспособлен к вполне определенным условиям внешней среды. Наиболее благоприятными параметрами внешней среды, обеспечивающими нормальную жизнедеятельность, высокую работоспособность и хорошее самочувствие человека, являются номиналы наземных условий: общее давление атмосферы Р = 1013 гПа; атмосфера азотно-кислородная (воздух) с объемным содержанием кислорода <ро2 = 21% (соответствует парциальному давлению кислородаро2 = (/,О2-Р= 212 гПа); объемное содержание углекислого газа <рсо2 ~ 0,03% (парциальное давление Ро2 — ^со2^ = гПа); температура внешней среды + 20° С; относительная влажность воздуха = 30 ... 40%; скорость циркуляции окружающего воздуха 0,1 ... 0,2 м/с. Биологическое значение параметров внешней среды заключается в том, что они определяют скорости процессов обмена организма с окружающей средой теплом и теми веществами, которые были рассмотрены в предыдущем разделе. Так, поступление кислорода в организм осуществляется циркуляцией воздуха через легкие при дыхании (легочная вентиляция) и затем диффузией кислорода в кровь, проходящую через альвеолы легких. Скорость процесса mQ2 пропорциональна средней разности парциальных давлений кислорода в наружном воздухе Pq2 и в крови легких Pq2 : тО2 = 0дых (Ро2 ~Ро2)> где 0дыХ — условный суммарный коэффициент, характеризую-16
щий интенсивность массопереноса кислорода из воздуха в кровь и зависящий от интенсивности легочной вентиляции (т. е. частоты вдохов в минуту), а также от скорости циркуляции крови через легкие. Очевидно, что для обеспечения нормальной жизнедеятельности скорость поступления кислорода в организм niQ должна быть равна его расходу в организме тО2, т. е. 2 ™О2 = тО2 = 0дых (Ро2 ”Ро2)- (1.6а) Аналогично скорость выведения углекислого газа ^cq должна быть равна скорости его образования в организме тсО2 >т* е: тСО2 - тСО2 = ^дых (Рсо2 ~ЛСО2) > (1 -66) где РсО2» РСО2 ““ парциальное давление СО2 соответственно в крови и воздухе.2 Невыполнение этих условии баланса массообмена может вызвать кислородное голодание организма — гипоксию (при mq2 < mQ2), либо, наоборот, явление кислородного отравления — гипероксию (TnQ2 > то2). При нарушении условия (1.66) наступает отравление организма углекислым газом вследствие его накопления в крови. Энергетический баланс организма — формула (1.5) — предполагает равенство скорости образования тепла Q в организме и скорости отвода тепла в окружающую среду (QT + QH). При этом скорость отвода тепла также зависит от разности параметров в организме (температуры кожи fK, давления насыщенных паров воды при этой температуре кожир^ = f (fK) и параметров окружающей среды (температуры воздуха £ср, давления паров воды в воздухе рср, скорости движения воздуха U). Нарушение баланса (1.5) приводит к перегреву или переохлаждению организма. В организме существуют регулирующие биологические механизмы, которые поддерживают внутренние физиологические параметры организма постоянными: парциальное давление кислорода в крови на выходе ее из легких р'о2 « 120 гПа, углекислого газа — Рсо2 55 гПа; температуру внутренних органов + 37° С. Поэтому причиной нарушения балансов при определенном уровне энерготрат человека (Q, mg2, ™со2 ““ постоянны) могут явиться только колебания параметров внешней среды. Если эти параметры существенно отклоняются от номиналов наземных условий (см. начало раздела), нарушая балансы (1.5), (1.6), то организм отвечает на это компенсирующими приспособительными реакциями таким образом, чтобы восстановить нарушенные балансы массо- и теплообмена при сохранении внутренних физиологических параметров постоянными. Например: при уменьшении парциального давления кислорода в атмосфере Pq2 (при подъеме на высоту) или при повышении парциального давления углекислого газа РСО2 в организме усиливаются легочная вентиляция (частота вдохов) и циркуляция крови через легкие; при этом возрастает коэффициент массопереноса/Здых в уравнениях (1.6а), (1,66) до восстановления массообменных балансов по кислороду и углекислому газу; при понижении температуры окружающей среды f ср и возрастания теп-
лопотерь в организме усиливается обмен веществ и энерговыделение Q; кроме того, снижаются кровоснабжение кожи и ее температура tK до восстановления энергобаланса (1.5) при сохранении температуры внутренних органов постоянной (+ 37°С); при ухудшении "теплоотдачи в наружную среду (например, вследствие повышения ее температуры f ср и влажности рсп или уменьшения циркуля* ции воздуха U), когда возникает опасность перегрева, в организме усиливается приток крови к коже, повышаются ее температура £ к и давление насыщенных паров воды рк и тепловой баланс (1.5) восстанавливается благодаря возросшему испарению воды. На указанные приспособительные реакции организм расходует определенную дополнительную энергию (работу легких, сердечно-сосудистой системы) и дополнительное количество веществ. Эти затраты тем больше, чем дальше отклоняются внешние условия от некоторых средних оптимальных значений (рис. 3). 1 Значения параметров внешней среды, при которых организм затрачивает минимум энергии на поддержание балансов массо-обмена и энергообмена, называются комфортными условиями. В этих условиях человек не ощущает неблагоприятных воздействий со стороны внешней среды (холода или жары, духоты, сухости) , работоспособность его при этом максимальна. Очевидно, что определенному уровню энерготрат человека (и, следовательно, расхода веществ) по балансным уравнениям (1.5), (1.6) должны соответствовать определенные комфортные условия внешней среды. Для принятой нормы энерготрат человека при работе в отсеке КЛА (145 Вт) идеальные комфортные условия близки к номиналам наземных условий, приведенным в начале раздела. Однако при определении норм условий окружающей среды для космического полета исходят из следующих двух соображений: х параметры атмосферы в замкнутом отсеке могут поддерживаться техническими средствами только с определенной ограниченной степенью точности; при этом чем меньше требуемый диапазон колебаний параметра, тем сложнее и тяжелее должна быть система, поддерживающая этот параметр; в то же время в определенном диапазоне изменения внешних условий организм человека мало реагирует на их отклонение от идеальных комфортных значений (см. рис. 3); при этом работоспособность и самочувствие человека сохраняются достаточно высокими. Рис. 3. Зависимость дополнительных затрат энергии организмом AQ от температурных условий внешней среды: Т < Ti — зона переохлаждения; Т > Т2 — зона перегрева; Ti < Т < Т2 — зона теплового нейтралитета (Т2 — « 1О...15°С); Об — минимальные энерготраты человека без физической нагрузки
„ w „ Таблица 4 Нормы условии окружающей среды в обитаемом отсеке (атмосфера азотно;кислородная — воздух) № по пор. Параметр среды Допустимый диапазон изменения 1 Общее давление атмосферы, гПа 770—1270 2 Парциальное давление кислорода, гПа 180-320 3 Парциальное давление углекислого газа, гПа Не более 10 4 Температура воздуха, / С + 28-+ 22 5 Относительная влажность воздуха, % 30—70 6 Скорость циркуляции воздуха, м/с 0,1-0,4 В связи с этим нормы условий окружающей среды устанавливаются на основе специальных медицинских исследований с учетом задач и длительности космического полета. Нормы, приведенные в табл. 4, рассчитаны на применение в полетах продолжительностью до нескольких месяцев [ 10, 3, 7]. Парциальное давление паров воды р в таблице задано в виде относительной влажности воздуха = p/ps (t), где ps (t) — максимально возможное давление паров воды в воздухе при данной температуре t, т. е. давление насыщенных паров, выше которого начинается конденсация паров воды. На короткие промежутки времени допускается выход параметров за нормированные диапазоны по техническим причинам при работе СЖО, например: понижение парциального давления кислорода до 150 ... ... 160 гПа (на время порядка суток); повышение парциального давления углекислого газа до 20 гПа и температура воздуха в диапазоне +10 ... + 35° С (не более нескольких часов). 1.3. СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ Рассмотренный масообмен человека с окружающей средой определяет основные задачи систем жизнеобеспечения, их состав и назначение (см. рис. 1). Система кислородообеспечения (СКО) должна обеспечивать подачу в атмосферу обитаемого отсека кислорода в количестве 0,9 кг/сутки (на одного человека) и поддерживать парциальное давление кислорода в заданном диапазоне значений (180—320 гПа). Сги стема очистки атмосферы (СОА) должна обеспечивать сбор и удаление из атмосферы углекислого газа в количестве 1,0 кг/сут, поддерживать его парциальное давление на уровне не более 10 гПа, а также обеспечивать очистку атмос-
ферм от вредных микропримесей, выделяемых человеком и обо* рудованием. Эти две системы часто функционально объединяются в одну — систему обеспечения газового состава атмосферы (СОГС). Система водообеспечения (СВО) должна обеспечивать экипаж питьевой водой в количестве 2,5 кг/(чел.-сут); в случае использования натуральных продуктов питания, содержащих воду (до 0,5 кг/сут), норма питьевой воды уменьшается до 2 кг/ (чел.-сут). Система питания экипажа (СОП) должна обеспечивать космонавта полноценным питанием, с рационом, содержащим белки, жиры и углеводы в массовом соотношении около 1:1:4 и с общей калорийностью до 12500 кДж/ (чел.-сут). Средства регулирования температуры и влажности атмосферы (СРТ) вместе с общей системой терморегулирования (СТР) должны осуществлять: отвод из отсека тепла, выделяемого человеком (~145 Вт/чел.), удаление из атмосферы паров воды, выделяемых человеком (50 г/чел.-ч), а также поддерживать заданную температуру (18—22° С), относительную влажность (<р = 30 ... 70%) и циркуляцию воздуха (0,1-0,4 м/с). Средства удаления отх'одов (СУО) должны обеспечивать сбор и изоляцию от атмосферы жидких (урины) и твердых продуктов жизнедеятельности. Средства регулирования давления (СРД) должны поддерживать общее давление атмосферы 770—1270 гПа, осуществлять контроль герметичности отсека и компенсацию утечек воздуха из отсека. Указанные системы составляют комплекс СЖО,. обеспечивающий непосредственные физиологические нужды человека, находящегося в замкнутом отсеке. Помимо этих систем в состав комплекса СЖО входят также следующие средства. Средства санитарно-бытового обеспечения (ССБО), предназначенные для личной гигиены экипажа (умывание, душ) и удовлетворения бытовых нужд — одежда, спальные принадлежности, предметы для санитарной уборки отсеков. Средства индивидуальной защиты экипа-ж а (СЗ): аварийно-спасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях — при разгерметизации отсека, возникновении пожара и т. п., космические скафандры для обеспечения выхода и работы человека в космическом пространстве вне отсека КЛА. Средства медико-биологического обеспечения, включающие приборы для медицинского контроля состояния экипажа, тренажеры для физической тренировки эки
пажа в полете, медикаменты. (Разработка и проектирование этих средств относятся к задачам космической биологии и медицины). 1.4. ОСОБЕННОСТИ УСЛОВИЙ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА И ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БОРТОВЫМ СИСТЕМАМ 1.4.1. Условия внешней среды Плотность среды Давление и плотность земной атмосферы быстро падают с подъемом на высоту: на высоте 10 км в 4 раза, на высоте 30 км в 100 раз. Парциальное давление кислорода в атмосфере становится недостаточным для дыхания (130—140 гПа) уже на высотах 3—4 км. Тем не менее на высотах авиационных полетов земная атмосфера еще может быть использована после сжатия ее компрессорами для целей жизнеобеспечения — обеспечения кислородом, вентиляции кабин, удаления углекислого газа, выведения тепла из кабин и т. п. В космическом полете уже на высотах орбит искусственных спутников Земли (~200 км) давление среды соответствует глубокому вакууму (~10“6 гПа). В этих условиях возможность использования наружной атмосферной среды отпадает, и задачи жизнеобеспечения полностью решаются средствами бортовых СЖО. Тепловой режим В наземных условиях теплообмен тел с окружающей средой осуществляется главным образом молекулярной теплопроводностью и конвекцией (т. е. движением потока) газовой атмосферы под действием разности температур тела Т и атмосферы Тер. Температура, как известно, характеризует скорость (или кинетическую энергию) теплового движения молекул среды. Количество тепла Q, Вт, которое может быть передано от тела в газовую среду, определяется плотностью р и удельной теплоемкостью газовой среды ср: Q = pcpV(T-TCp)n, где V — объемный расход газа, омывающего тела; т? < 1 — коэффициент, зависящий от эффективности теплообмена. Если тело не выделяет тепла (Q = 0), то оно приобретает температуру окружающей атмосферы (Т = Тср). Эта температура обычно и используется для характеристики теплового состояния тела в наземных условиях, когда атмосфера имеет достаточно высокую плотность. В условиях космического вакуума плотность окружающей среды падает в миллиарды раз и ее способность воспринимать (или
отдавать) тепло согласно выражению для Q стремится к нулю. В физическом отношении это означает, что количество молекул в единице газа становится настолько мало, что их тепловое движение уже не может оказать заметного влияния на тепловое состояние тела независимо от скоростей их движения, т. е. температуры газа. На тело в космическом пространстве действуют более мощные тепловые потоки. Основным источником тепла является солнечное излучение, дающее поток тепловой энергии, который на орбите Земли равен qs = 1400 Вт на 1 м2 поверхности, перпендикулярной солнечным лучам. Этот тепловой поток называется солнечной постоянной; величина его обратно пропорциональна квадрату расстояния от Солнца (так, на орбитах Венеры и Марса qs соответственно составляет 2730 и 610 Вт/м2). Количество тепла Qs, воспринимаемого телом, зависит от коэффициента поглощения солнечного излучения поверхностью тела, который обычно меньше единицы: Qs = AsFs4s- (1-7) Здесь Fs — поглощающая поверхность тела, равная его миделю, т. е. площади проекции на плотность, перпендикулярную солнечным лучам. Остальная часть солнечного потока (1 - As)F^q8 отражается в пространство. Теплоотдача от тела в окружающую космическую среду будет осуществляться путем инфракрасного теплового излучения. Она определяется законом лучистого теплообмена (закон Стефана—Больцмана) : ®ИЗЛ = е^о^изл ~-^ср)» (1*8) где а0 = 5,68-10“8 Вт/ (м2 - К4) — постоянная Стефана — Больцмана; 6 — степень черноты поверхности тела; Гизл — излучающая поверхность тела; Т — температура тела; — средняя температура космического пространства, приблизительно равная абсолютному нулю. Рассмотрим, какую температуру имел бы высокотеплопроводный шарик термометра, помещенный в свободное космическое пространство вдали от планет (благодаря теплопроводности температура шарика будет одинакова по всему объему). Эта равновесная температура определяется из условия теплового баланса тела : tp—i/Asqs Fs _ iAsqs , €ffo ^изл 4e»o ’ ( ' где Fg/FM3n = qp- / (irD2) = j — для сферы. Коэффициенты As и e в полученном выражении зависят от оптических свойств поверхности, показывая, насколько меньше данная поверхность поглощает или излучает энергии по сравнению с абсолютно черным телом. Для сферы из полированного 22
Рис. 4. Зависимость температуры теплопроводной сферы в космосе от оптических свойств ее поверх* ности А8/€ и удаление от Солнца: 1 — орбита Венеры (1,0840е км); 2 — орбита Земли (1,49 108 км); 3 — орбита Марса (2,26 Ю8 км); а — поверхность покрыта белой эмалевой краской; б — полированная алюминиевая поверхность алюминия (А8/е = 0,26/0,05 = 5,2) равновесная температура составляет 423 К (+ 150° С), для той же сферы, покрытой белой эмалевой краской (А8/е = 0,18/0,95 = 0,189), Т = 184 К (- 89° С) на околосолнечной орбите Земли. Из рис. 4 видно, что температура тела в космическом пространстве может иметь самые различные значения в зависимости от свойств его поверхности и удаления от Солнца. Кроме того, для тел несферической формы (например, цилиндра) эта температура существенно зависит от ориентации тела относительно солнечных лучей (торцом или боком) из-за разницы величины отношения поглощающей и излучающей поверхностей FS/FH в формуле (1.9). Таким образом, температура тела в космосе определяется главным образом свойствами и параметрами самого тела и понятие температурных условий в космическом просранстве приобретает существенно иной смысл по сравнению с наземными условиями. Указанные особенности теплового режима тел в космосе требуют создания специальных технических средств, поддерживающих заданную температуру в отсеках КЛА и обеспечивающих выведение в наружную среду тепловыделения человека и аппаратуры, расположенной в отсеках. Эта задача решается специальными системами терморегулирования (СТР). Радиационная и метеоритная опасность Неблагоприятное воздействие ионизирующей радиации на организм человека общеизвестно. Количественно воздействие радиац и характеризуется мощностью дозы, т. е. величиной поглощенной энергии радиации в Дж на 1 кг массы тела за единицу времени. Разовая доза в 1000 мДж/кг может вызвать заболевание человека. Источниками ионизирующей радиации на Земле являются естественная радиоактивность земных пород и космические излучения, представляющие собой потоки заряженных частиц высоких энергий, в основном протонов. На поверхности Земли человек защищен от непосредственного воздействия космических излучений слоем земной атмосферы и магнитным полем Земли, которое отклоняет внешние потоки заряженных частиц. Суммар
ная доза радиации, получаемая человеком на поверхности Земли, составляет около 0,2 мДж/кг-сут. В околоземном космическом пространстве действует галактическое космическое излучение, дающее дозу около 0,1 мДж/(кг-сут) под защитой магнитного поля Земли и до 0,35 мДж/ (кг-сут) вне его. На высоте от 400 до 6000 км находится первый радиационный (протонно-электронный) пояс Земли. В за ь получаемая доза может колебаться от 200до 1000 мДж/ (кг-ч). Поэтому орбиты пилотируемых полетов располагаются обычно на высоте менее 300 км. Основную опасность представляют периодические .солнечные вспышки, которые могут дать дозу до 10 000 мДж/ (кг-ч). Мероприятия по обеспечению радиационной безопасности включают прогнозирование солнечных вспышек, создание радиационных убежищ на КЛА в виде отсеков с повышенной экранной защитой, разработку медицинских фармако-химических средств, повышающих устойчивость организма к радиации. Метеорную опасность могут представлять частицы, способные пробить герметичную оболочку КЛА, т. е. имеющие массу порядка 10”6 — 10" 7 г. Однако среднее содержание частиц в единице объема космического пространства резко уменьшается по мере увеличения их массы (обратно пропорционально квадрату массы). Поэтому вероятность столкновения КЛА с опасной метеорной частицей имеет порядок 1 раз в 5—10 лет. Тем не менее системы регулирования давления КЛА должны предусматривать контроль герметичности отсеков и возможность наддува отсеков воздухом в аварийных ситуациях. 1.4.2. Механические воздействия — перегрузки и невесомость Пилотируемый космический полет включает в себя три участка: участок выведения КЛА ракетой-носителем на орбиту спутника Земли, участок свободного космического полета по орбите или межпланетной траектории, на котором движение КЛА идет по инерции, и участок спуска с орбиты и возвращения на Землю. На участке выведения КЛА движется ускоренно под действием тяги ракетных двигателей до достижения необходимой космической скорости. При этом согласно законам механики на КЛА и все его элементы действуют инерционные силы FH, пропорциональные по величине ускорению движения а и обратные ему по направлению: FH = -аДМ, где ДМ — масса любого элемента тела. По своей физической природе эти силы являются массовыми, т. е. приложены к каждому элементу объема тела точно таким же образом, как силы тяжести на Земле. Поэтому сложение сил тяжести и сил инерции приводит к увеличению веса всех элементов. Относительное увеличение веса по сравнению с весом тела
G' в состоянии покоя на поверхности Земли называется перегрузкой и, которая численно равна отношению действующего ускорения движения а к ускорению свободного падения тел на поверхности Земли & : п= F^/G = aM/gQM = a/g0. Для существующих ракет-носителей максимальные перегрузки на участке выведения достигают 6 единиц. При работе двигателей на бортовые системы воздействуют также вибрации с частотами от десятков до тысяч герц. На участке спуска на Землю также возникают перегрузки до 10 единиц при торможении КЛА за счет аэродинамического сопротивления атмосферы. После выведения КЛА на орбиту, прекращения работы двигателей и отделения ракеты-носителя наступает участок свободного инерциального полета КЛА, который проходит в условиях невесомости. Состояние невесомости возникает всегда, когда на тело прекращают действовать поверхностные силы, такие как тяга ракетных двигателей, силы трения или аэродинамического сопротивления атмосферы, приложенные к участку поверхности тела. В этом случае тело свободно движется в пространстве под действием только массовых сил гравитационного притяжения Земли, вызывающих постоянное ускорение всех его элементов (#0 = = 9,81 м2 /с). При движении с ускорением возникают массовые силы инерции, распределенно воздействующие на каждый элемент тела (FH =- AAf g0), по величине равные силам тяготения, но противоположные им по направлению; при этом все элементы тела оказываются в состоянии невесомости. Например, при движении тела по круговой орбите искусственного спутника Земли силы тяжести компенсируются противоположно направленными центробежными силами инерции. На тела, находящиеся на Земле в состоянии покоя, всегда действует поверхностная сила реакции опоры, равная их весу. Если опору удалить, начнется свободное падение тел с одинаковым ускорением gQ и тела окажутся в состоянии невесомости (эффект, возникающий в падающем лифте). Невесомость вызывает существенные нарушения в целом ряде физических процессов, которые нормально протекают в наземных условиях при действии силы тяжести. К таким процессам относятся, например, естественная тепловая конвекция, т. е. движение газой (или жидкостей) под действием разности плотностей, процессы теплопередачи с изменением агрегатного состояния (кипение, конденсация), процессы разделения жидкости и газа в объеме и в движущемся потоке и т. п. В техническом аспекте невесомость выдвигает ряд сложных научно-технических проблем и предъявляет принципиально новые требования к конструкции и принципам действия оборудования СЖО, которое должно быть работоспособным при отсутствии силы тяжести.
1.4.3. Ограничения массы и энергопотребления систем К бортовым системам КЛА предъявляются жесткие ограничения их массы, энергопотребления и занимаемого объема. Эти ограничения носят принципиальный характер: если общая масса бортовых систем КЛА превышает некоторый предел, то такой КЛА не сможет быть выведен на орбиту. Для выведения КЛА на орбиту искусственного спутника Земли требуется определенная скорость, называемая первой космической скоростью Ру. Ее величину можно определить из законов механики. При движении тела массой М по искривленной траектории со скоростью v возникают массовые центробежные силы инерции, направленные от центра кривизны и равные Ри = = Mv2 /R, где R — радиус кривизны траектории (рис. 5). Очевидно, что условием существования тела на круговой орбите спутника Земли радиусом До будет равенство центробежных сил и сил тяготения, т. е. веса тела G = MgQ : Afp2/jR0 = Mgn > откуда получаем значение первой космической скорости: Ру = x/^oRo = = х/9,81*6370’103 = 7910 м/с. При скоростях, больших чем Ру, тело будет двигаться по вытянутым эллиптическим орбитам, а при достижении второй космической скорости (руу = x/2goRo = = 11200 м/с уйдет за пределы земного тяготения. Согласно формуле К. Э. Циолковского скорость, которую можно получить в конце участка разгона КЛА ракетой-носителем, зависит от отношений начальной массы ракеты с топливом М0 к конечной массе после выгорания топлива AfK: рк = C71n(M0/MK), (1.10) где U — скорость истечения газов из реактивного двигателя. Начальная масса ракеты MQ включает в себя массу топлива 2ИТ, массу конструкции ракеты Afp (т. е. топливные баки, двигатель с агрегатами, приборы автоматики) и массу полезного груза А/п, т. е. массу самого КЛА: MQ = Мт + Д/р + Мп. Преобразуя формулу (1.10), можно записать МК1МО = МП1.МО+МР/МО = e~v^u, (1.11) где MnjMQ — относительная масса полезного груза. Скорость истечения газов из жидкостных ракетных двигателей зависит главным образом от теплотворной способности 1 _______ X Рис. 5. Характер влияния начальной J._____К j скорости на траекторию полета тела 1, движущегося над поверхностью Зем- х ли 2: / >5 \ z—X 3 — скорость V меньше первой косми- \ \ ческой Ру;. 4 — Р=Ру (круговаяорби- \\ та спутника); 5 — V > Ру
топлива и для существующих химических топлив составляет обычно 2500—3500 м/с. Относительная масса конструкции современных космических ракет составляет от 10 до 15% [ 14, 19]. Подставляя эти величины в формулу (1.11), получим Л/п/А/0 + 0,1 = . 0-79Ю/35ОО _ 0,104, т. е. на долю полезного груза Мп1М0 остаются в лучшем случае доли процента. В связи с этим выведение КЛА на орбиту осуществляют многоступенчатыми ракетами-носителями, когда каждая ступень после выработки топлива отбрасывается и включается в работу следующая. Этим достигается уменьшение средней относительной массы конструкции ракеты 2ИЕ/Л/о в процессе полета. Тем не менее для современных (зарубежных) трехступенчатых конструкций космических ракет-носителёй относительная масса полезного груза обычно составляет = 2 ... 4%. Если масса КЛА будет выходить за этот предел, то выведение его на орбиту станет невозможным. Отсюда ясно, что требование минимальной массы систем является одним из основных критериев при разработке и выборе типа комплекса СЖО. Ограничение энергопотребления также вытекает из этого требования, так как по существу энергопотребление сводится к массе бортовой системы энергопитания космического аппарата (СЭП). Если система потребляет N, Вт, энергоэнергии, то это означает, что для обеспечения ее работы необходима дополнительная масса СЭП: &MN = m^N, где — коэффициент эквивалентных, удельных затрат массы на получение единицы энергии на борту КЛА в кг/кВт. Этот коэффициент зависит от типа и от общей мощности бортовой СЭП. 1.4.4. Надежность систем В условиях полета КЛА бортовые системы должны функционировать полностью автономно, управляясь автоматикой КЛА без непосредственного вмешательства человека. Даже при наличии человека на борту возможность доступа к системам для обслуживания их в полете крайне ограничена по условиям их компоновки в герметических и негерметических отсеках КЛА. Отказ в работе любой из систем в большинстве случаев будет означать невозможность дальнейшего выполнения программы космического полета, а в отдельных случаях может привести к тяжелым аварийным ситуациям, угрожающим существованию КЛА или членов экипажа. Так, например, при выходе из строя системы очистки атмосферы в обитаемом отсеке с удельным объемом 2 м3 на человека уже через 1,5 ч создается концентрация углекислого газа в атмосфере около 2,5% (парциальное давление 25 гПа), недопустимая для дальнейшего пребывания человека из-за возможности отравления СО2.
По этим причинам к бортовым системам КЛА предъявляется требование повышенной надежности в работе. Надежность количественно выражается как вероятность безотказной работы системы в течение заданного периода времени работы Р = 1 - Q, где Q — вероятность отказа системы (Q < 1). К бортовым системам предъявляется требование надежности не менее 0,997—0,999. Это означает, что на протяжении заданного периода работы из 1000 испытываемых образцов допускается выход из строя только 1—3 образцов системы. Если система состоит из п последовательно связанных узлов, каждый из которых имеет надежность Р/, то надежность всей системы будет равна произведению Р = Рг Р2 ... Рп Р?. Так как Р/ всегда меньше единицы, то ясно, что по мере усложнения системы и увеличения количества взаимодействующих узлов надежность системы снижается в степенной зависимости. Для обеспечения высокой надежности при разработке СЖО осуществляются специальные мероприятия — дублирование узлов, резервирование мощности, секционирование систем и т. п., а также предусматриваются специальные программы экспериментальной отработки и испытаний систем. Эти вопросы рассматриваются в гл. 5. 1.5. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ СЖО В наземных условиях вещества, необходимые для жизни, человек получает из окружающей биосферы, т. е. атмосферы, гидросферы, растительного и животного мира. При этом человек является частью экологического комплекса, в котором осуществляется круговорот веществ. Это означает, что продукты жизнедеятельности человека усваиваются комплексом окружа-к щих его живых существ — растений, бактерий, животных — и преобразуются до исходных необходимых человеку веществ — кислорода, чистой воды, пищевых веществ (рис. 6). Например, выдыхаемый человеком 3 углекислый газ служит зеленым растениям 1 основой для образования углеводов в реакциях фотосинтеза с использованием солнечной энергии: СО2 + + Н2 О + q8 = СН2 О + О2. В результате реакции образуются кислород и пищевые вещества, необходимые человеку. Органические вещества твердых и жидких отходов жизнедеятельности расщепляются почвенными бактериями — минерализаторами 4 до минеральных веществ, которые, в свою очередь, используются корневой системой зеленых растений. Животные 2 входят в этот комплекс. Они являются основными поставщиками белкового компонента в рационе питания человека. При этом они также потребляют кислород и выделяют углекислый газ. В указанном природном цикле (см. рис. 1) требуются затраты лучистой энергии около 25 кВт на одного человека, а величина только одной 28
Рис. 6. Круговорот веществ в природном биологическом цикле: ПВ — пищевые вещества; ОЖ — отходы жизнедеятельности; С — соли; qg — солнечная энергия Рис. 7. Структура комплекса СЖО на основе запасов веществ биологической массы живых существ составляет до 3 т на человека. Реализовать подобный биологический цикл на борту КЛА не представляется возможным по причинам его крайней сложности, низких удельной интенсивности и энергетического КПД природных процессов, что приводит к массовым и энергетическим затратам, неприемлемым для существующих КЛА. Тем не менее сам принцип круговорота веществ, как будет показано ниже, используется для решения задач СЖО, но уже на основе специальных физико-химических методов регенерации веществ. Наиболее простым решением задач СЖО является применение на борту КЛА запасов необходимых человеку веществ — кислорода, воды, продуктов питания. Сбор и изоляцию продуктов жизнедеятельности человека можно осуществлять также с помощью запасов химических и физических поглотителей и емкостей для их хранения. Так, углекислый газ в атмосфере эффективно связывается гидроокисями щелочных металлов, например лития: СО2 + + 2LiOH = Li2GO3 + Н2О. При этом количество LIOH, необходимое для связывания одного килограмма СО2 в зависимости от глубины реакции (т. е. полноты отработки ЫОН), составляет 1,1—1,5 кг. Вода, испаряемая человеком в атмосферу, может быть собрана путем конденсации ее паров на холодных поверхностях теплообменников системы терморегулирования, отводящих тепло из отсеков КЛА в наружное пространство.Эта вода обычно называется конденсатом атмосферной влаги (КАВ). Собранный конденсат атмосферной влаги, жидкие и твердые отходы жизнедеятельности можно хранить в невесомости в спе-
циальных емкостях, заполненных физическим поглотителем жидкости, т. е. капиллярно-пористым влагопоглощающим материалом. Такие системы называются СЖО на основе запасов веществ. Общая структура типичного комплекса СЖО на основе запасов включает в себя (рис. 7): кислород в баллонах высокого давления 1 (20 МПа) и устройство 2 для его дозированной подачи в обитаемый отсек; емкости 3 с запасом питьевой воды и устройством 4 ддя подачи ее космонавту; продукты питания (ПП) в упаковке 5 и средства приготовления пищи 6; емкости 7 с твердым химическим поглотителем углекислого газа LiOH (поглотительные патроны) и вентилятор 8 для продувки через них очищаемого воздуха; охлаждающие воздух теплообменники — конденсаторы 9 с вентилятором 10 для продувки охлаждаемого воздуха и гидронасосом 11 ддя откачки конденсата в емкости-сборники 12; санитарное устройство 13 ддя приема жидких и твердых отходов жизнедеятельности и подачи их в соответствующие емкости-сборники 14 и 15. Общая масса комплекса СЖО сложится из двух основных составляющих — постоянной MQ и переменной по времени 2Ипер. В постоянную составляющую входят элементы оборудования СЖО, масса которых от времени работы непосредственно не зависит: вентиляторы, гидронасосы, теплообменники7клапаны, трубопроводы, элементы конструкции. Во вторую составляющую входят запасы расходуемых элементов, масса которых прямо пропорциональна времени работы СЖО: Afnep = тт, где т — время работы, m — суммарная масса расходуемых элементов на жизнеобеспечение одного человека за сутки. Суточная масса расходуемых элементов m включает в себя: расход веществ, потребляемых человеком (кислород, вода, продукты питания), расход поглотителя углекислого газа и массу емкостей для их хранения; массу емкостей для сбора и хранения продуктов жизнедеятельности — урины, конденсата атмосферной влаги и твердых отходов; расход средств санитарно-бытового обеспечения (белье, спальные принадлежности, средства личной гигиены). К указанной массе комплекса СЖО, строго говоря, следует добавить так называемую эквивалентную, или приведенную массу электроэнергии N, потребляемой СЖО: MN = mNN, где mN — удельная эквивалентная масса (массовая стоимость) электроэнергии на борту КЛА в кг/кВт, которая равна массе бортовой системы энергопитания (СЭП), поделенной на вырабатываемую ею общую мощность. Удельная эквивалентная масса электро-зо
энергии на борту КЛА зависит от типа СЭП, что более подробно рассмотрено в гл. 5. Если система энергопитания не содержит расходуемых рабочих тел, то коэффициент mN не зависит от времени полета. Так, например, для СЭП на основе солнечных батарей составляет обычно 180—200 кг/кВт [ 4]. С учетом изложенного получим выражение для массы комплекса СЖО, предназначенного для жизнеобеспечения человека в течение полета длительностью т суток: Мсжо = Мо +тт + mNN. (1-12) Это выражение называется массовой характеристикой СЖО. Относительная масса емкостей ф в кг/кг вещества зависит от удельной плотности размещаемого в нем вещества и давления, при котором оно хранится. Для кислорода, который в целях экономии объема и массы необходимо хранить в сжатом виде при давлении около 20 МПа (плотность 0,28 г/см3), относительная масса емкостей наиболее велика, составляя ф = 1,8 ... 2 даже при использовании баллонов из высокопрочных сталей или титановых сплавов. Наименьшее значение ф имеет для запасов воды, хранящейся при атмосферном давлении и обладающей наибольшей плотностью Фц2о = 0,15. Значения коэффициентов ф, по опытным данным [ 4,16], приведены в табл. 5, из которой видно, что общий суточный расход массы веществ и емкостей на жизнеобеспечение m составляет до 10 кг/ (чел.-сут). Постоянная масса Таблица 5 Суточный расход элементов СЖО на основе запасов веществ (на одного человека) № по пор. Расходуемые элементы СЖО Суточный расход чистого вещества т, кг/сут Относительная масса емкостей ф, кг на 1 кг вещества Общий расход массы элемента, кг/сут 1 Кислород в баллонах 0,9 2,00 2,7 2 Питьевая вода в емкостях 2,0 0,15 2,3 3 Запас продуктов питания в упаковке (воды 0,5 кг) 1,1 0,40 1,5 4 Поглотитель СО2 (LiOH) 1,5 0,40 2,1 5 Емкости—сборники КАВ (1,2 кг/сут) — 0,25 0,3 6 Емкости—сборники урины (1,6 кг/сут) — 0,25 0,4 7 Емкости—сборники твер- дых отходов (0,2 кг/сут) — 1,50 0,3 8 Средства санитарно-быто- вого обеспечения (одежда, спальные принадлежности, предметы личной гигиены) 0,2 0,2 Итого: 9,8 кг/сут
Рис. 8. Зависимость массы комплексов СЖО от продолжительности полета: 1 — комплекс на основе запасов веществ и сжатого кислорода; 2 — замкнутый комплекс на основе регенерации кислорода и воды (собственная масса); 3 — масса с учетом эквивалентной массы энергозатрат оборудования для рассматриваемого комплекса СЖО имеет порядок около 50 кг/чел.; энергопотребление сводится к потреблению энергии привода- ми вентиляторов, гидронасосами, электроклапанами, приборами автоматики и не превышает 10— 15Вт/чел. [ 4]. Масса систем регулирования давления и средств индивидуальной защиты не связана непосредственно с расходом веществ на жизнедеятельность человека и ресурсом СЖО и будет рассмотрена отдельно (разд. 2.5 и 2.6). Массовая характеристика СЖО (1.12), построенная с учетом этих данных, показывает, что уже при ресурсе работы СЖО, равном 60 чел.-сут (например, два человека в полете длительностью 30 суток), требуется масса СЖО около 650 кг (рис. 8). В 90-су-точном полете двух человек масса СЖО составила бы около 2 т, т. е. почти половину всей массы таких КЛА, как „Восток” или ’’Восход”, что явно неприемлемо. Поэтому комплекс СЖО типа рассматриваемого целесообразно применять в полетах относительно небольшой продолжительности — в пределах порядка недель. В более длительных полетах необходимо улучшать массовые характеристики комплексов СЖО. Для этого предоставляются два принципиально возможных пути. Первый путь — это совершенствование способов хранения за- пасов веществ и удаления продуктов жизнедеятельности; он позволяет снизить массу емкостей хранения и сбора веществ, которая составляет до 60% от общего суточного расхода массы.в рассмотренном комплексе (см. табл. 5). Такими способами являются, например: хранение кислорода в химически связанном состоянии при давлении, близком к атмосферному; применение регенеративных физико-химических поглотителей углекислого газа, позволяющих удалять его в наружное космическое пространство, а не хранить в КЛА. Такие мероприятия позволяют несколько улучшить массовую характеристику СЖО в результате снижения расхода емкостей и поглотителей углекислого газа и расширить диапазон возможного применения СЖО на основе запасов веществ. Тем не менее в длительных космических полетах масса СЖО на основе запасов веществ достигает неприемлемых значений и
становится необходимым второй путь совершенствования создание СЖО нового принципа на основе регенерации веществ из продуктов жизнедеятельности человека. Эти СЖО осуществляют регенерацию (восстановление) необходимых человеку веществ путем разложения и очистки продуктов жизнедеятельности человека: кислород — путем разложения углекислого газа и метаболической воды, питьевую воду — путем очистки конденсата атмосферной влаги и урины от содержащихся в них примесей. При этом в соответствии с массовым балансом, рассмотренным в разд. 1.1, в обитаемом отсеке КЛА может быть создан замкнутый круговорот по кислороду и воде ’подобно тому, как это осуществляется в наземной природной среде. Однако в отличие от наземных условий регенерация веществ в СЖО осуществляется на основе специально разработанных физико-химических методов, отличающихся высокой интенсивностью и энергетической эффективностью по сравнению с биологическими процессами земной биосферы. Разработка таких регенерационных физико-химических СЖО является сложной научно-технической задачей, которая включает в себя химические, химико-технологические, физические и медицинские аспекты. Расход веществ в регенерационных СЖО снижается до 2 кг/сут в результате исключения запасов кислорода, воды, поглотителей углекислого газа й емкостей-сборников жидких продуктов жизнедеятельности (поз. 1, 2, 4, 5, 6 табл. 5). В случае применения рационов питания не с натуральными, а с обезвоженными продуктами (так называемыми лиофилизированными продуктами) расход веществ может быть снижен до 1,5 кг/сут путем включения в цикл регенерации 0,5 кг/сут воды, содержащейся в запасах натуральных продуктов. В связи с увеличением сложности регенерационных СЖО постоянная составляющая — масса оборудования — возрастает до 200—250 кг/чел., а для осуществления физико-химических процессов регенерации веществ требуется энергия до 0,5—0,8 кВт/чел. С учетом сказанного массовая характеристика комплекса СЖО на основе регенерации веществ по формуле (1.12) будет: Л/п = Мо + тт + m^N = 250 + 2т + 0,8-200 = 410 + 2т. Сопоставление характеристик двух рассмотренных типов комплексов СЖО (см. рис. 8) показывает, что их массы уравниваются при полете продолжительностью около одного месяца (без учета энергозатрат) и около полутора месяцев с учетом присоединенной эквивалентной массы энергозатрат. Далее СЖО на основе запасов веществ становятся невыгодными в массовом отношении, и после точки т* лежит область преимущественного применения регенерационных СЖО. Точка т* является в определенной мере условной, так как положение ее зависит от типа бортовой СЭП, от ресурса оборудования СЖО и необходимых за
пасных элементов. Окончательный выбор комплекса СЖО произ-водится с учетом его надежности, конкретных задач КЛА и возможностей его систем энергопитания и терморегулирования (см. гл. 5). В связи с ограниченными мощностями бортовых СЭП возможен третий тип комплексов СЖО, промежуточный между рассмотренными, т. е. сочетающий запасы веществ с частичной регенерацией (например, запасы кислорода с регенерацией воды). Такие комплексы называют частично замкнутыми, или комбинированными, их массовые характеристики лежат между двумя выше рассмотренными. Вопросы регенерации пищевых веществ из отходов жизнедеятельности представляют собой очень сложную проблему, пока еще далекую от практического разрешения. Тем не менее в длительных полетах возможно включение в состав СЖО отдельных биологических элементов, частично выполняющих функции получения питательной биомассы и кислорода с использованием части минерализованных твердых отходов жизнедеятельности человека.
ГЛАВА 2. СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЗАПАСОВ ВЕЩЕСТВ 2.1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ Основной задачей систем обеспечения газового состава (СОГС) является снабжение экипажа кислородом (в среднем около 25 л/ч на одного человека), очистка атмосферы от выделяемого углекислого газа (около 20 л/ч) и поддержание парциальных давлений этих газов в атмосфере обитаемого отсека в заданных пределах, (кислорода 180—320 гПа, углекислого газа — не более 10 гПа) при колебаниях потребления О2 и выделения СО2 в зависимости от энергозатрат организма, т. е. от режима деятельности космонавта (см. табл. 1). Кроме того, в общие задачи СОГС входит очистка воздуха от вредных микропримесей, пыли, бактериальной флоры. Источниками вредных микропримесей в замкнутом отсеке могут быть человек (выделение через кожу и легкие), отходы жизнедеятельности человека в емкостях-сборниках, неметаллические материалы и покрытия (полимеры, клеи, лаки), микроутечки рабочих тел из бортовых систем. По массе количество Таблица 6 Предельно допустимые концентрации вредных микропримесей в атмосфере и способы их удаления Наименование вещества Предельно допустимая концентрация, мг/м3 Тип фильтра Окись углерода 5—10* КО** Альдегиды 1 ду*** Жирные кислоты (уксусная кислота) 2-5 АУ Кетоны (ацетон) 4 АУ Амины (аммиак) 5 АУ Углеводороды (суммарное содержание 10-86 КО по углероду) Окислы азота 1 АУ Сероводород 1 АУ Метан, в процентах по объему 0,5 КО Меркаптаны 0,2—2,0 ко Индол, скатол 0,5 АУ ♦ верхний предел допустимой концентрации относится к кратковременным полетам продолжительностью 10—15 суток. ♦♦ Для поглощения вещества требуется фильтр, содержащий каталитический окислитель вещества, например окись марганца МпО2. ♦♦♦Достаточно фильтра, поглощающего вещество с помощью активированного угля.
микропримесей, поступающих в атмосферу невелико — от 0,01 до 1,0 г/сут. Однако многие из этих веществ (их всего до ста наименований) могут стать токсичными, т. е. привести к отравлению организма при накоплении их в атмосфере. Предельно допустимые концентрации веществ в атмосфере зависят от продолжительности пребывания человека в замкнутом отсеке. Часть вредных микропримесей хорошо растворяется в воде (жирные кислоты, аммиак) и удаляется из атмосферы при ее осушке; w часть примесей удаляется при очистке атмосферы от углекислого газа. Тем не менее в длительных полетах необходимы специальные средства очистки атмосферы от вредных микропримесей — адсорбция угольным фильтром или каталитическое окисление. Предельно допустимые концентрации микропримесей и возможные способы их удаления из атмосферы даны в табл. 6 [ 3,10, 30]. Очистка воздуха от пыли и частично от бактериальной флоры производится путем фильтрации воздуха отсека через фильтры механических примесей. Допустимые нормы содержания пылевых частиц в воздухе отсека составляют не более 0,1 мгм“3, бактерий — не более 1000 м”3. 2.1.1. Системы кислородообеспечения и очистки атмосферы (СОГС) на основе запасов веществ Криогенный кислород и химические поглотители углекислого газа Кислород на борту КЛА можно хранить в газообразном, жидком (криогенном) и в химически связанном состоянии. Хранение в сжатом газообразном виде требует, как было указано, относительных затрат массы емкостей (баллонов), вдвое превышающих массу самого кислорода (ф = 2). Это связано с тем, что удельная плотность сжатого кислорода, определяющая объем баков, все же относительно невелика (0,25 — 0,3 г/см3), а высокое давление при хранении (20—30 МПа) требует увеличенной толщины стенки баков по прочностным соображениям. При температуре 90 К кислород переходит в жидкое состояние с плотностью 1,1 г/см3 и может храниться при давлениях, близких к атмосферному. Основные технические трудности создания баковых систем с жидким кислородом связаны с проблемами теплопритоков и невесомости. Из-за большого перепада температур между окружающей средой и жидким кислородом (Д f ~ 200 К) теплопритоки Q к баку могут быть значительными. При постоянном давлении и температуре хранения эти теплопритоки будут испарять кислород; скорость испарения ти = Q/tq2, где го2 = 210 кДж/кг — удельная теплота испарения кислорода.
Если скорость испарения ти превышает необходимый расход кислорода на жизнеобеспечение ^о2<= 36 г/ч, то часть кислорода ти - mQ2 будет бесполезно теряться. Для ликвидации потерь кислорода применяют специальную тепловую изоляцию наружной поверхности баков с низкой теплопроводностью, в частности экранно-вакуумную изоляцию, принцип работы которой рассмотрим ниже. Допустимая величина теплопритоков, соответствующая расходу на жизнеобеспечение, составляет Qmax = wq2 tq2 = = 2 Вт. Это очень жесткое ограничение для самой совершенной тепловой .конструкции. Невесомость выдвигает проблему равномерного отбора сухих паров кислорода из бака для подачи в обитаемый отсек. При отсутствии силы тяжести жидкий кислород в баке может занимать самые различные положения под действием сил поверхностного натяжения и смачивания стенок бака, в частности может затекать в дренажные штуцера отбора паров кислорода. Наиболее эффективным решением этих проблем хранение кислорода в сверхкритическом состоянии при давлении выше 4,87 МПа. В районе критической точки (Ткр = 154 К, Ркр = 4,87 МПа), как известно из термодинамики, жидкая и газовая фазы кислорода переходят в гомогенное, однородное состояние с достаточно высокой плотностью 0,43 г/см3. Относительная масса баков в этой системе снижается до ф = 0,3 ... 0,7 в зависимости от начальной плотности кислорода, заправленного в бак [ 31]. Недостатками криогенной системы для целей СЖО являются сравнительная сложность эксплуатации при заправке и хранении, жесткая связь расхода кислорода из бака со временем хранения перед стартом и в полете, возможность бесполезных потерь кислорода в периоды отсутствия экипажа на борту КЛА, в частности на долговременной орбитальной станции. В связи с этим криогенные системы кислородообеспечения нашли применение главным образом для кратковременных полетов и лишь в тех случаях, когда основным потребителем кислорода являются другие бортовые системы, помимо СЖО. Так, криогенное хранение кислорода применено на кораблях США ’’Джемини”, ’’Аполлон”, где кислород используется в основном как окислительное рабочее тело для систем энергопитания на основе топливных элементов [ 31]. Наиболее простым способом очистки атмосферы от углекислого газа при наличии запасов кислорода является химическое поглощение СО2 с помощью гидратов окисей щелочных металлов — калия, натрия, кальция, лития и т. п. В ходе реакции углекислый газ из атмосферы вступает во взаимодействие со щелочами, образуя бикарбонаты металлов, воду и некоторое количество тепла: 2КОН + СО2 = К2 СО3 + Н2 О + 125 кДж; (2.1а) 2LiOH + СО2 = Li2 СО3 + Н2 О + 89 кДж. (2.16)
На основе расчета по стехиометрическим соотношениям типа (2.1) можно убедиться, что расход щелочных веществ на связывание 1 кг углекислого газа минимален в случае самого легкого металла — лития (КОН — 2,5 кг; NaOH — 1,8; Са(ОН)2 — 1,7; LiOH — 1Д). Применение щелочных веществ в чистом виде вызывает некоторые трудности и в чистое щелочное вещество вводят капиллярно-пористые инертные наполнители (например, асбест) или цементирующие гигроскопические добавки и формуют вещество в виде гранул или блоков., В этом случае общий расход поглотителя т на основе LiOH составляет около 1,5 кг/кг СО2, а с учетом массы емкостей т,(1 + ф) = 1,5 (1 + 0,4) = 2,1 кг/кг СО2 [4,7,21]. Схема системы очистки атмосферы включает в себя вентилятор, забирающий воздух с примесью углекислого газа из обитаемого отсека и прогоняющий его через поглотительный патрон, заполненный гранулированным поглотителем LiOH. В целом общий суточный расход веществ в данной СОГС может быть снижен до 3,3—3,7 кг/сут по сравнению с запасами газообразного кислорода (4,8 кг/сут — см. табл. 5, поз. 1 и 4). Химически связанный кислород. Регулирование газового состава атмосферы Значительные преимущества по удобству длительного хранения и простоте эксплуатации представляет способ хранения кислорода в химически связанном состоянии. К настоящему времени разработан ряд веществ, позволяющих хранить химически связанный кислород в твердом состоянии (озониды, надперекиси и перхлораты щелочных металлов), а также в жидком состоянии (перекись водорода)^ Устойчивые в хранении кислородосодержащие вещества, имеющие практическое значение, приведены в табл. 7. Существенной особенностью надперекисей щелочных металлов является то, что они могут служить одновременно как источниками кислорода, так и поглотителями углекислого газа. Наиболее широкое применение получила надперекись калия^прло-женная в основу систем обеспечения газового состава на кораблях ’’Восток”, ’’Восход” [ 4, 7]. _ L J Таблица 7 Кислородосодержащие вещества Наименование вещества Химическая формула Удельное выделение кислорода в реакции, 1 кг на 1 кг вещества Плотность, г/см3 Надперекись натрия NaO2 0.436 — Надперекись калия КО2 - 0,338 0,655 Надперекись кальция Са(О2)2 0,46 — Перхлорат лития LiC103 0,60 2,43 Хлорат натрия NaC103 0,451 2,26 Перекись водорода Н2О2 0,471 1,42
Реакция при очистке атмосферы идет в две стадии: в первой стадии надперекись калия реагирует с парами воды, присутствующими в атмосфере отсека, при этом выделяется кислород и образуется щелочь КОН: 2КО2 + Н2 О = 2КОН + 3/2О2. (2.2а) Щелочь является эффективным поглотителем углекислого газа, и вторая стадия реакции — это поглощение углекислого, газа из атмосферы: 2КОН + СО2 = К2 СО3 + Н2 О (ж), (2.26) где Н2О (ж) — вода, остающаяся в жидкой фазе в продукте реакции — карбонате калия К2 СО3. Реакции идут с выделением тепла около 190 кДж. Потребление кислорода и выделение углекислого газа человеком взаимосвязаны величиной дыхательного коэффициента, который составляет 0,8—0,84 (см. разд. 1.1). Это означает, что для поддержания постоянного газового баланса в атмосфере система обеспечения газового состава должна на каждый литр поглощенного углекислого газа выделять 1/(0,8—0,84) = 1,25—1,2 л кислорода. По стехиометрии реакций (2.2) получается некоторый избыток кислорода: Vq2/VCo2 = по2/пСО2 = 1,5/1 = 1,5лкислоро-да/л углекислого газа (и — количество молей газов, участвующих в реакциях). Это может привести к непрерывному росту парциального давления кислорода в атмосфере, а потому требует специального регулирования процесса очистки атмосферы. Скорость выделения кислорода в реакции (2.2а) зависит от скорости подвода паров воды к поверхности вещества КО2. Если доступ паров,уменьшить, то скорость выделения кислорода снизится, а поглощение углекислого газа будет продолжаться уже с образованием бикарбоната калия КНСО3: К2 СО3 + СО2 + + Н2О (ж) = 2КНСО3. В результате на исходное количество вещества КО2 поглотится еще один моль СО2 и относительное объемное количество выделившегося О2 будет Vq2 /Vqq2 = 1,5/2 = 0,7 л О2 /л СО2. Регулируя доступ паров воды, можно добиться среднего значения выделения кислорода, равного 1,2—1,25 О2 /СО2, которое требуется для поддержания парциальных давлений О2 и СО2 постоянными. Схема системы обеспечения газового состава на основе запасов КО2 представлена на рис. 9. Воздух отсека, содержащий пары воды и углекислый газ, подается вентилятором 1 в поглотительный патрон 2, где, проходя по каналам через вещество КО2, очищается от углекислого газа и обогащается кислородом . В этом процессе происходит также поглощение и разрушение ряда вредных микропримесей и уничтожение бактериальной флоры воздуха, при выделении веществом активного 3d
Рис. 9. Система обеспечения газового состава на основе запасов надперекиси калия кислорода. Окончательная очистка воздуха происходит в угольном фильтре 3, задерживающем механические и вредные газовые примеси, после чего очищенный воздух возвращается в отсек. Регулирование выделения кислорода осуществляется в системе с помощью распределительного клапана 4 и блока осушки воздуха 5. При росте парциального давления кислорода в отсеке клапан 4 перекрывает прямой доступ влажного воздуха в патрон 2 и направляет его на предварительную осушку в блок 5 и только затем в патрон 2. При этом поглощение углекислого газа продолжается, а скорость выделения кислорода падает, пока его парциальное давление не вернется в заданные пределы. В качестве осушителей воздуха обычно используются высокоемкие физико-химические поглотители воды в комбинации с химическими гироскопическими веществами. Активными физико-химическими поглотителями являются силикагели — твердые высокопористые вещества на основе двуокиси кремния SiO2, имеющие развитую внутреннюю поверхность пор — до нескольких сотен метров в одном грамме вещества. Поглощение паров воды происходит путем адсорбции молекул воды на поверхности пор и составляет до 150—200 г воды на килограмм силикагеля при средних влажностях (<р = 50 ... 60%) атмосферы. Добавление химических водопоглощающих веществ, например хлористых лития LiCl или кальция СаС12, в виде пропитки силикагеля повышает его емкость по воде в несколько раз — до 600 г/кг поглотителя [ 16]. Управление работой распределительного клапана производится по сигналам от датчика парциального давления кислорода в атмосфере или от газоанализатора 6. Для повышения надежности системы элементы с движущимися частями, в частности вентилятор 1, дублируется. В случае выхода из строя основного вентилятора производится автоматическое переключение на дублирующий. Рассмотрим общие технические характеристики системы обеспечения газового состава и вопросы динамики газового состава при работе системы. Суточный расход вещества КО2 для обеспечения кислородом (0,9 кг/сут) по данным табл. 7: тКОг = 0,9/0,338 = = 2,66 кг/сут; с учетом массы конструкции патронов (емкостей) mKQ2 (1 -ь 1Д) = 2,66(1 + 0,4) = 3,7 кг/сут, а вместе с расходом осушителей и угольного поглотителя — около 4 кг/сут.
Основное энергопотребление системы сводится к потреблению постоянно работающего вентилятора, которое оценивается по формуле / ЛГэн = и>ДР/г?, (2.3) где w — объемный расход воздуха через поглотительный патрон, м3 /с, ДР — гидравлическое сопротивление, Па; т? — общий КПД вентилятора и электродвигателя. Расход воздуха определяется главным образом из условия поддержания концентрации углекислого газа в заданных пределах при возможных колебаниях выделения его человеком в процессе работы в отсеке. При этом необходимая концентрация кислорода в атмосфере обычно обеспечивается автоматически, так как имеет значительно более широкий диапазон допустимого изменения (по кислороду 180—380 гПа, по углекислому газу— не более 10 гПа). Рассмотрим вопрос регулирования концентрации углекислого газа в атмосфере. Особенностью рассмотренных поглотительных систем очистки атмосферы является способность к саморегулированию. Скорость поглощения углекислого газа в них тпог пропорциональна концентрации его Со в воздухе на входе в поглотительный патрон: ^пог ^(Со ~ С’вых^СОз’ (2.4) где w — объемный расход воздуха через патрон, л/ч; Свых — объемная концентрация СО2 в воздухе на выходе из патрона, обычно близкая к нулю; Рсо2 = Рсо2/иц ~ 44/22,4 = 1,96 г/л— плотность СО2 при нормальных условиях (давлении 1000 гПа и температуре 273 К); д — молекулярная масса СО2; — объем моля при нормальных условиях. Для удобства формула (2.4) записана в объемных концентрациях, которые показывают, какую долю общего объема V занял бы каждый из газов отсека, если привести его к общему давлению Р. Общее давление складывается из парциальных давлений углекислого газа рсо, кислорода Pq2, азота Pn2 :рсо2 + + Pq2 + ры2 = Р, сумма объемных концентраций равна единице: Ссо2 + со2 + cn2 = Рсо2 /р + Ро2 /р + PN2 /р = plp = i- Из формулы (2.4)* видно, что при увеличении концентрации Со в воздухе отсека скорость поглощения СО2 увеличивается и наоборот. Если человек постоянно выделяет т0 г углекислого газа в час, то равновесная концентрация СО2, которая установится в отсеке, определится из условия массового баланса по СО2 : т0 = ™Пог = ^Сору, Т. е. Со = m0/(wpy) = Vq/w9 где v0 — объемное выделение углекислого газа человеком, в среднем равное 20 л/ч. Для того чтобы объемная концентрация
Рис. 10. Колебания концентрации СО] в атмосфере отсека при изменении режима работы и скорости V выделения СО2 космонавтом: 1 — объем отсека 2 м 3 на человека; 2 —объем отсека 10 м3 на человека СО2 не превышала 1% (соответствует парциальному давлению 10 гПа), расход воздуха w должен быть не менее 2000 л/ч. Рассмотрим теперь более общий случай, когда скорость выделения СО2 человеком, например вследствие увеличения физической нагрузки меняется, возрастая до vm по закону, показанному на рис. 10. В этом случае скорость выделения СО2 будет превышать скорость его удаления и концентрация СО2 в атмосфере отсека начнет расти. Приращение объемного количества СО2 в отсеке объемом V при изменении на ДС ёго концентрации будет УД С; это приращение определится разностью поступления и удаления его из атмосферы отсека за отрезок времени Дт, т. е. (vm “ упок) = (vm “ ^С)Дт. Отсюда, переходя к пределу ДО/ Дт, можно записать уравнение баланса по СО2 : TZ dC V—- vm — wC. dr т (2.5) Разделим переменные и проинтегрируем уравнение в пределах от начальных значений С = Со и т0 = 0 до некоторых текущих значений Сиг: Cf dC w Ъ & "ZT =v Г' и w откуда - In[(vm /w - C)/(vm /w - Co)] = (w/V)t. После несложных преобразований получим выражение для приращения концентрации в зависимости от времени т: w ЛС=С-С0 = tf-C0)(l-e v ). Эти зависимости построены на рис. 10 для двух свободного объема отсека, приходящегося на одного (2.6) значений ........................ человека (2 и 10 м3) при изменении скорости выделения СО2 с 20 до 40 л/ч. Из рисунка видно, что концентрации С растут, асимптотически стремясь к новому равновесному значению, которое определяется из формулы (2.6); если положить в ней т ->• °°, то С -* Ст = vm/ w. При этом скорость роста С обратно пропорциональна величине объема V: в объеме 2 м3 равновесие было бы практически достигнуто через 3 ч, в объеме 10 м3 — через 15 ч (см. пунктирное продолжение линий 1 и 2 на рис. 10). Учитывая, что в данном примере время повышенного выделения углекислого газа ограничено одним часом, концентрации не 42
достигают максимального значения Ст = 2%, а составляют соответственно Ci = 1,63%, Ci = 1,18% в конце периода Дт = 1 ч. После возвращения уровня выделения СО2 к прежнему значению 1>о = 20 л/ч скорость поглощения, станет превышать скорость выделения: wCt - v0 = wCi - wC0 > 0 и концентрация начнет возвращаться к прежнему равновесному значению С ->Со. Это падение концентрации описывается тем же законом (2.6), требуется лишь поменять пределы интегрирования — начальной концентрацией станет Ct (или CJ), конечной Со: 0,-0 = (Ct -Со) (1-е уТ). (2.7) При г -► 00 текущая концентрация С Со. Из рассмотрения выражении (2.6) и (2.7) следует вывод, что основными параметрами, определяющими стабильность поддержания концентрации углекислого газа в атмосфере отсека при колебаниях скорости выделения СО2 человеком, являются отношение скорости выделения СО2 к расходу воздуха через поглотительный патрон и/ w и отношение расхода к свободному объему отсека w/V: увеличение расхода воздуха через патрон w снижает равновесную величину концентрации углекислого газа в атмосфере и сужает амплитуду ее возможных колебаний ДС = Ст - Со = = (vm - vQ) /w при длительных изменениях скорости выделения СО2 человеком в течение суток; свободный объем отсека играет роль буфера, снижающего скорости изменения и размах колебаний концентрации при пиковых изменениях скорости выделения СО2 человеком. По этой причине вопрос регулирования газового состава наиболее остро стоит при проектировании СОГС для отсеков малого объема. В отдельных случаях для снятия пиковых нагрузок в СОГС вводятся средства активного регулирования концентрации углекислого газа, например, дополнительные поглотительные патроны 7 на основе LiOH [ 4] с отдельным вентилятором 8 (см. рис. 9), который включается по сигналу от газоанализатора 6 при выходе концентрации углекислого газа за допустимый верхний предел (см. пунктир на рис. 9). Выбор величины расхода воздуха через поглотительные патроны является типичной для СЖО задачей о поиске оптимального решенгш — при увеличении расхода воздуха колебания концентрации СО2 в атмосфере уменьшаются, однако при этом согласно формуле (2.3) возрастают энергозатраты вентиляторов на прокачку воздуха через патроны, которые могут выйти за пределы, заданные для СЖО. Для рассмотренного примера, чтобы снизить пик концентрации углекислого газа до 1%, необходим расход воздуха по формулам (2.4), (2.6): w = 3,7 м3/ч. Гидравлическое сопротивление патронов обычно составляет 150—300 Па, суммарный КПД применяемых осевых вентиляторов с электроприводом 1? = 0,05 ... 0,10. Отсюда можно определить энергопот-
реблекие на вентиляцию патронов в СОГС (на одного человека): ь. • ат и>ДР 3,7-225 л о Д/рогс — — л л_ ~ 4,65 Вт. CU1C 3600-0,05 Остальная аппаратура СОГС — клапаны, датчики-анализаторы, автоматика — работает переодически, и среднесуточное энергопотребление ее относительно невелико: 7Vcp = JVAr/24, raeN — потребляемая мощность аппаратуры при работе; Дт — суммарное время работы аппаратуры в сутки (обычно не более 1 ч). Хранение кислорода в химически связанном состоянии возможно также в виде хлоратов щелочных металлов (см. табл. 7). Содержание кислорода в этих веществах достаточно высокое (до 40—60%). Выделение кислорода происходит при термическом разложении хлоратов, например хлората натрия, при температуре 1000-1100 К: 2NaC103 = 2NaCl + ЗО2 . Хлораты изготовляются в виде свечей или шашек, поджигаемых высокотемпературным запалом (электрозапалом, капсюлем) . Однако реакция разложения идет неуправляемо, с высокими скоростями. Поэтому эти вещества широкого применения в СЖО не получили. Тем не менее использование их может быть перспективным в качестве аварийных запасов кислорода на борту, для быстрого наддува отсеков после шлюзования или аварийной разгерметизации. Химически связанный кислород в виде жйдкой перекиси водорода Особое место среди веществ, приведенных в табл. 6, занимает перекись водорода. Перекись водорода Н2О2 является жидкостью с плоЪюстькг 1,42 г/см3 при концентрации ее около 95% по массе (остальные 5% — вода). Концентрированная перекись водорода замерзает при температуре несколько ниже 273 К (от 272 до 270 К в зависимости от остаточной концентра-цшГводы), кипит при температуре 430 К при атмосферном давлении, однако еще раньше — при температурах выше 400 К начинает разлагаться на кислород и воду. При температурах, близких к комнатным (280—300 К), перекись водорода является устойчивым соединением и может храниться длительное время с очень небольшими потерями вследствие саморазложения. Эти потери могут быть также снижены путем добавки в перекись небольших количеств веществ, называемых стабилизаторами. При указанных температурах хранения перекись водорода может быть быстро разложена в присутствии катализаторов (серебра, платины) с образованием кислорода, воды и большого количества тепла: Н2О2 -* Н2 О+4" о2 +3300 кДж/кг. (2.8) катализ. 2 Отсюда видно, что особенностью перекиси водорода среди соединений, представленных в табл. 7, является отсутствие в ней
Рис. 11. Система обеспечения кислородом на основе запасов перекиси водорода балластных, бесполезных для целей СЖО веществ, таких как, например, NaCl в перхлоратах натрия. Все продукты реакции (2.8) — вода и кислород — могут быть использованы для жизнеобеспечения в СЖО на основе запасов. Для получения необходимого количества кислорода — 0,9 кг/сут необходимо 1,9 кг Н2 О2; при этом образуется 1 кг/сут воды, и масса запасов питьевой воды, хранящейся в емкостях, может быть соответственно сокращена (см. Ta6jj. 5). Хранить перекись водорода можно при невысоких давлениях, поэтому относительная масса емкостей (баков) может быть снижена до 0,25 [4] ,т. е. до^тц202 = 0,25 1,9~0,5 кг/ (чел>-сут). Суточный расход массы на кислородообеспечение составит 0,9 + + 0,5 = 1,4 кг/сут. Это очень близко к параметрам самых совершенных систем криогенного хранения кислорода (1,2 кг/сут). Однако простота хранения и практически отсутствие потерь при хранении делают системы на основе перекиси водорода более перспективными для целей СЖО. Жидкое состояние перекиси водорода позволяет достаточно просто осуществить ее дозированную подачу на разложение и регулирование заданной концентрации кислорода в обитаемом отсеке КЛА. Схема системы может быть следующей (рис. 11). Перекись водорода хранится в баке 1, имеющем эластичную мембрану 2, разделяющую в условиях невесомости жидкую перекись и газообразный вытеснитель. Подача перекиси из бака производится путем наддува сжатым инертным газом из баллона 3 через запорный клапан 4 и редуктор 5. В период работы запорный клапан перекиси 6 открывается и перекись под давлением наддува поступает через дозирующий клапан 7 в реактор разложения 8, где в присутствии катализатора разлагается. Вследствие выделения теплоты реакции вода переходит в перегретый пар, образуя с кислородом парогазовую смесь с температурой около 800—900 К. Парогазовая смесь охлаждается в теплообменнике — конденсаторе паров воды 9; в сепараторе 10 вода отделяется от кислорода и насосом 11 откачивается через фильтр очистки воды 12 в емкости питьевой воды 13; осушенный кислород выходит в атмосферу отсека. Управление работой дозиру-
ющего клапана 7 может осуществляться по величине парциального давления кислорода в отсеке, измеряемого газоанализатором 14. Очистка атмосферы от углекислого газа может производиться теми же средствами, что и в рассмотренных выше схемах — химическими поглотителями. В этом случае общий расход массы в данном варианте системы обеспечения газового Состава будет 1,4 + 2,1 = 3,5 кг/ (чел.-сут). К недостаткам, ограничивающим применение перекиси водорода в СЖО, относится ее взрывоопасность и требование очень высокой и надежной чистоты внутренних полостей магистралей, арматуры и баков. Концентрированная перекись водорода является сильным окислителем органических веществ и смазочных материалов; взаимодействие ее даже с небольшими следами этих веществ может привести к мгновенному локальному перегреву перекиси в зоне реакции окисления выше точки саморазложения. При этом может возникнуть цепная экзотермическая реакция разложения (2.8) в объеме практически эквивалентная взрыву- 2.1.2. Система очистки атмосферы с регенерируемыми поглотителями Из приведенных выше различных вариантов систем обеспечения газового состава видно, что основная доля суточного расхода запасов в них приходится на химическое поглощение углекислого газа (до 60% от общей массы запасов, включая кислород) . Поэтому разработка более совершенных способов удаления углекислого газа из атмосферы является одним из наиболее необходимых путей улучшения массовых характеристик СОГС. В рассмотренных процессах очистки атмосферы расход мас-сы обусловлен необратимым- связыванием химического поглотителя с углекислым газом. Удаление углекислого газа из атмосферы можно осуществить без расхода веществ различными способами — физическими, физико-химическими, электрохимическими. Физические способы, например вымораживание углекислоты из потока воздуха при температурах ниже 190 К, в настоящее время применения не получили в связи с большими трудностями стабильного получения столь низких температур при выводе тепла в космос, конструктивной сложностью и большей энергоемкостью. Электрохимические способы включают в себя поглощение молекул углекислого газа из воздуха щелочным электролитом, затем транспортировку их под действием электрической разности потенциалов через электролитную мембрану, непроницаемую для воздуха, и выделение СО2 в камере сбора. 46
Рис. 12. Вид изотерм адсорбции твердых регенерируемых поглотителей (Т3 > Т2 > Эти способы еще недостаточно отработаны, требуют высоких энергозатрат, Их применение целесообразно только в регенерационных СЖО, где требуется сбор и концентрирование углекислого газа для его последующей переработки и получения кислорода (см. гл. 3). Среди физико-хими-ч е_с к и х методов наиболее отработанным является метод поглощения углекислого га- за твердыми регенерируемыми поглотителями — адсорбен- томи. Этот метод широко используется в промышленности для очистки газов от примесей и разделения газовых смесей. Явление физической адсорбции связано со способностью поверхности твердого тела захватывать и удерживать молекулы газа. В своем тепловом движении молекулы газа, сталкиваясь с поверхностью, попадают в зону действия сил молекулярного притяжения твердой поверхности и удерживаются на ней — адсорбируются. При адсорбции газ переходит в уплотненное, jcaK бы конденсированное состояние при комнатной температуре; при этом выделяется теплота адсорбции, которая зависит от энергии связи газовых молекул с поверхностью, т. е. энергии адсорбции. Часть молекул газа, имеющих достаточно высокую кинетическую энергию (зависящую от температуры), может преодолевать адсорбционные силы и покйдать поверхность. Поэтому количество адсорбированного газа на поверхности определяется условием динамического равновесия (равенства) между приходящим и уходящим с поверхности потоками молекул. Допустим, что в некоторый момент времени часть а единичной поверхности занята адсорбированными молекулами газа, а часть (1 — а) — свободна (рис. 12). Очевидно, что потоку’ молекул, приходящих на поверхность в единицу времени, будет пропорционален величине свободной поверхности (1 — а) и количеству молекул газа в объеме над поверхностью, которое определяется парциальным давлением газа р: /пр = feiP(l-a). (2.9) Поток молекул, покидающих поверхность, пропорционален их количеству на поверхности а: Уу = k2a; (2.10) кроме того он зависит от температуры газа Т, которая определяет
скорости и энергию движения молекул. Количество молекул, которые могут покинуть поверхность, обладая энергией^ большей, чем энергия адсорбции X, определяется законом Больцмана через коэффициент k2 в уравнении (2.10): k2 = feoe"X/(RT) , (2.10а) где R — газовая постоянная, k0 — константа. Отсюда из условия динамического равновесия jnp = jy по-лучим: ь „ ь „ ' ъ д = —LlE =-----------------£— = ^12.---Е.— (2 11) l+fe3eX/RTp’ где k3 = fei /feo- Выражение (2.11) является законом Лэнгмюра, который определяет, какое относительное количество газа может быть адсорбировано поверхностью твердого тела при различных внешних условиях — давлении и температуре газа. Эта величина а называется адсорбционной емкостью твердого поглотителя газа; ее выражают обычно как относительную массу поглощенного газа на единицу массы поглотителя в %. Если положить Т = const, то мц получим уравнение так называемых изотерм адсорбции, вид которых приведен на рис. 12. Характерным для изотермы адсорбции является то, что в области малых давлений р (когда знаменатель выражения (2.11) близок к единице) количество газа, которое может поглотить адсорбирующая поверхность, прямо пропорционально давлению газа, а в области больших давлений (когда, наоборот, первым членом знаменателя выражения (2.11) можно пренебречь) количество поглощенного газа перестает увеличиваться с ростом давления. Эта ситуация соответствует полному насыщению поверхности газом и изображается на изотермах горизонтальными участками. С повышением температуры адсорбционная емкость падает, как это следует из выражения (2.11); при этом изотермы адсорбции опускаются на рис. 12 в зону меньших емкостей а (Т\ < < Т2 < Т3). Отсюда следует важный вывод о том, что насыщенный газом поглотитель можно восстановить, удалив из него адсорбированный газ, или, как говорят, регенерировать. Регенерацию поглотителя, как видно из рис. 12, можно осуществить двумя способами — вакуумированием или нагревом. Так, если поглотитель насыщен до величины at при давлении газа Pi и температуре Т\ , то содержание в нем газа можно снизить до а2 двумя путями: поместив поглотитель в среду с меньшим парциальным давлением газа р2 < Pi; тогда при постоянной температуре Тг пойдет процесс удаления газа (десорбция) под действием разности парциальных давлений (рг -р2) по линии 1—2; нагрев поглотитель до температуры Т2 > Тг; тогда его состояние изобразится точкой 3, равновесное давление газа в поглотителе возрастает до р3 и под действием разности давлений
р3 - pi пойдет процесс десорбции по линии 3—4; по окончании десорбции поглотитель необходимо охладить (линия 4—2) до температуры Тг. Эти методы называются соответственно вакуумной и термической регенерацией поглотителя. В любом случае в процессе регенерации поглотителя необходимо подводить тепловую энергию, равную теплоте адсорбции газа. Теплота адсорбции зависит от рода поглотителя и поглощаемого газа. Величина этой тепловой энергии и составляет основные энергозатраты при работе систем очистки с регенерируемыми поглотителями. Применяемые твердые поглотители (адсорбенты) представляют собой капиллярнопористые вещества с существенно развитой внутренней поверхностью — от нескольких сотен до тысяч м2 в 1 г твердого вещества. Это позволяет концентрировать в одном литре объема поглотителя до сотен литров поглощаемого газа даже при очень низких его концентрациях в атмосфере (до 1% по объему). Высокая адсорбционная емкость современных поглотителей обеспечивается не только развитой поверхностью, но и специально подбираемым размером микропор (порядка 1 нм) и химизмом поверхности, что обусловливает также возможность селективной адсорбции газов и паров. Для адсорбции углекислого газа могут быть использованы различные поглотители — активированный уголь, силикагель, цеолиты. Силикагель представляет собой обезвоженный гель кремниевой кислоты SiO2-nH2O. Синтетические цеолиты имеют обычно алюмосиликатную основу SiO2 — А12 О3 в химический состав которой вводятся окиси щелочных металлов Na2 О, СаО, с целью повышения адсорбционной активности и селективности поглотителей. Поглотители изготовляются в виде гранул размером от одного до нескольких миллиметров. Сравнительная характеристика различных поглотителей дана в табл. 8, из которой видно, что наибольшей адсорбционной емкостью по углекислому ^азу обладают цеолиты [ 20]. Эти адсорбенты и используются в системах очистки атмосферы. Как видно из рис. 13, адсорбционная емкость цеолитов при Таблица 8 Адсорбционная емкость различных поглотителей по углекислому газу при давлении Pqq2 = 65 гПа Тип адсорбента Адсорбционная емкость, % при температуре, К 273 293 323 353 Активированный уголь СКТ 4,0 2,0 1,0 0,6 Силикагель КСМ* 0,4 0,3 0,2 0,1 Цеолит: 4А 11,4 9,0 7,5 6,0 5А 15,7 13,8 7,6 5,0
Рис. 13. Изотермы адсорбции, углекислого газа промышленными цеолитами при 293 К: 1 — статическая адсорбционная емкость цеолитов марки СаА и 5А; 2 и 3 — динамическая емкость Рис. 14. Потери адсорбционной емкости поглотителя в циклах поглощения СО2 (а) и вакуумной регенерации (б) цеолитов 5А и СаА при скорости потока воздуха ОД м/с в поглотительном патроне длиной 1 м [15] допустимых парциальных давлениях углекислого газа в атмосфере отсека (не более 10 гПа или 1% по объему) может достигать 5—7%. Однако это максимально возможная, так называемая, статическая емкость а, которая достигается при неограниченном времени контакта поглотителя с адсорбируемым газом. Так как скорость процесса адсорбции ограничена диффузией СО2 из воздуха к поверхности гранул и диффузией внутрь пор гранул цеолита, то в реальном процессе очистки полное насыщение поглотителя не успевает установиться. По мере прохождения очищаемого воздуха вдоль поглотительного патрона концентрация углекислого газа С убывает постепенно до нуля на некоторой длине Lo и образуется-фронт концентраций — кривая 1 на рис. 14,а. С течением времени по мере насыщения первых слоев поглотителя фронт концентраций перемещается к выходу из поглотительного патрона (кривая 2) и в некоторый момент времени начинается прохождение СО2 через патрон в атмосферу отсека — кривая 3. В этот момент процесс адсорбции обычно прекращают, так как скорость п»со2 поглощения СО2 быстро падает: тсо2 = = и?Рсо2 (Со ~ Свых), где w — объемный расход очищаемого воздуха через патрон; Рсо2 ~ плотность СО2; Со и Свых — объемная концентрация СО2 на входе и выходе из патрона соответственно. Неиспользованным остается объем поглотителя, пропорциональный заштрихованной площадке на рис. 14д. Если обозначить отношение этого объема ко всему объему поглотителя Vo через т?, то реальная эффективная емкость поглотителя ад по отношению к статической будет ад/а = (Vo - V\)/Уо = = 1-7?, или ад = а (1 - т?). Величину ад называют динамической емкостью поглотителя. Для ее определения существует ряд по-луэмпирических соотношений, в частности [ 15]:
где а — статическая емкость поглотителя в г/см* при данной концентрации углекислого газа на входе Со; U — скорость потока воздуха; рн — насыпная масса цеолита, ря = 0,65... 0,75 г/смэ; L — полная длина слоя поглотителя в патроне; 0 — кинетический коэффициент, учитывающий скорость адсорбции и определяемый по опытным данным из соотношения 0 = КС0 /а. Например, для цеолита марки NaX величина К « 18 ... 20 [ 15]. Наиболее надежным является опытное определение динамической емкости. Как видно из рис. 13, величина ее может снижаться на 40—50% от статической для различных марок цеолитов. В процессе регенерации поглотителей, т. е. при удалении из них адсорбированного газа, также имеют место потери адсорбционной емкости, связанные с неполнотой удаления газа в реальном процессе. Так, при вакуумной регенерации цеолита давление газа над гранулами падает не сразу во всем объеме патрона, а лишь в первых слоях поглотителя, обращенных к выходу 5 в вакуум (см. рис. 14,6). Это связано с сопротивлением засыпки гранул течению удаляемого газа. Поэтому регенерация цеолита идет последовательно по кривым 1, 2, 3, характеризующим распределение концентрации СО2 в гранулах по длине патрона в последовательные моменты цикла регенерации, и в конце процесса остается нерегенерированным некоторое количество адсорбента, изображенное заштрихованной площадкой 4. Рассмотренные выше эффекты снижают рабочий диапазон изменения адсорбционной емкости цеолитов по углекислому газу в последовательных циклах поглощения и вакуумной регенерации до величины Да от 1,5 до 3%. Цеолиты также являются активными поглотителями воды, адсорбционная емкость по которой составляет до 15—20% при влагосодержаниях, характерных для воздуха обитаемого отсека. Поглощенная вода, насыщая цеолит, существенно снижает его емкость по углекислому газу; поэтому очищаемый воздух предварительно подвергают осушке, пропуская через патрон с поглотителем воды — силикагелем. Для обеспечения непрерывного процесса поглощения углекислого газа применяют принцип последовательной работы двух параллельных поглотительных патронов, один из которых работает до насыщения, а второй в это время регенерируется. Системы очис- Рис. 15. Системы очистки атмосферы от углекислого газа на основе регенерируемых поглотителей-силикагелей и
гки атмосферы на основе регенерируемых поглотителей строится следующим образом (рис. 15) [ 16]. Дублированный вентилятор 1 подает воздух отсека с примесью углекислого газа и паров воды через распределительный клапан 2 в патрон с силикагелем 3, где происходит его осушка до влагосодержания, соответствующего точке росы 220—230 К. Осушенный воздух через клапан 4 поступает в патрон с цеолитом 5, где происходит адсорбция углекислого газа и очистка от него воздуха. Параллельные поглотительные патроны в это время регенерируются. Патрон с цеолитом 9 отсечен от воздуховодов клапанами 10, 8 и сообщен с выходом в наружный вакуум через клапан 8, при этом происходит десорбция поглощенного углекислого газа из цеолита и удаление его из патрона в наружное космическое пространство. Поглотитель воды — силикагель — регенерируется способом так называемой обратной продувки: очищенный сухой воздух из патрона с цеолитом ST направляется через клапан 6 в подогреватель 7 и затем при температуре 350— 370 К через клапан 10 поступает в патрон с силикагелем. Подогретый сухой воздух обеспечивает эффективную десорбцию паров воды из насыщенного водой силикагеля в патроне 11 и вместе с парами воды через клапан 12 выходит обратно в атмосферу. Для отвода тепла, выделяющегося при адсорбции паров воды, которое составляет до q& = 3000 кДж на 1 кг воды, а силикагелевых патронах предусматриваются охлаждающие змеевики с циркуляцией теплоносителя системы терморегулирования КЛА. Эти же змеевики служат для необходимого охлаждения силикагеля (с 350—370 К до 290 К) по окончании его термической регенерации и перед началом работы. Для простоты эти устройства на схеме рис.15 не указаны. Регенерация цеолитов в вакуум происходит адиабатически, т. е. без специального подогрева патронов при комнатных температурах; необходимое тепло на десорбцию углекислого газа из цеолита поступает за счет изменения теплосодержания самого цеолита. Можно подсчитать, что изменение температуры цеолита при этом достаточно мало из-за небольшой величины теплоты адсорбции углекислого газа. Тепло, необходимое на удаление (десорбцию) углекислого газа из 1 кг силикагеля, насыщенного на Да% углекислым газом q^r = даДа, где qa — теплота адсорбции углекислого газа, обычно равная 750—850 кДж на 1 кг СО2. Понижение температуры насыпки цеолита, имеющего удельную теплоемкость с около 1,0 кДж/(кг-К), составит ДТ = q^lc = = даДа/с = 800-0,015/1,0 = 12 К, а с учетом теплоемкости металлической конструкции патрона — приблизительно вдвое меньше. Рассмотрим общие технические характеристики системы: массу и энергопотребление. При этом будем считать, что в качестве исходных данных заданы:
внешние условия среды — концентрация углекислого газа в воздухе Со = 0,5% объемных; вдагосодержание воздуха d0 = = 9‘10“3 кг на 1 кг сухого воздуха (соответствует относительной влажности <р = 60% при t = + 20° С); скорость выделения человеком углекислого газа vcOi = = 20л/ч; параметры поглотителей — реальная адсорбционная емкость по углекислому газу цеолитов Дац = 2% и емкость по воде силикагеля Дас = 10%; теплота адсорбции паров воды силикагелем qc = 3000 кДж/кг; периоды адсорбции Дта и регенерации Дт_:Дта = Дто = Дт; температура регенерации силикагеля Тр = 370 К. Необходимая масса цеолита Мц в одном патроне определяется из баланса оСо2Рсо2 Дга = МцДац: = РСО2УСОг Двц а (2.13) Количество воды, вносимой с потоком воздуха ш, составит тН2О “ u/pBd0, где рв — плотность воздуха, w определяется из условия (2.4) :w = vqq2/Cq. Отсюда необходимая масса силикагеля Мс определится из условия гин2 О ^та = Мс Дас: с Дас а С0Дас а (2.14) Энергопотребление системы, как отмечено выше, определяется главным образом затратами тепла на регенерацию силикагеля Д0р. Эти затраты сложатся из тепла на десорбцию воды Дфа, тепла на подогрев силикагеля Qc и конструкции патрона QK до температуры регенерации tp 350 ... 370 К. дСр = Qa + Qc + = Mcqc дас + СсМс (tp - t0) + + скМк (tp — t0) = МД qcДас + (tp — to) (сс + » (2.15) где сс, ск — удельная теплоемкость силикагеля сс « 1 кДж/(кг-К) и металла конструкции ск « 0,5 кДж/ (кг-К); фк = Мк/Мс — относительная масса конструкции патрона. % Средняя мощность, потребляемой системой энергии, будет N= AQp/ATp или с учетом выражений (2.14), (2.15): иСО, “Рв do N — С0Да [«сДас + (^р— «о) (Сс + Ск^к)] • (2.16) Из полученных выражений для технических характеристик системы (2.13), (2.14), (2.16) видно, что одним из основных параметров, требующих оптимизации, является длительность цикла работы (периодов адсорбции и регенерации) Дт. С уменьшением Дт (т. е. с увеличением частоты переключений параллельных патронов) пропорционально уменьшается масса поглотителей Мц, Мс. Величина мощности энергозатрат на регенерацию
поглотителя (тепло на десорбцию воды и нагрев силикагеля) не зависит от длительности циклов Дт, однако тепловая мощность на нагрев конструкции патронов возрастает (см. последний член выражения (2.16) скфм). Это связано с тем, что при уменьшении периода Дт и объема патрона относительная масса его конструк* ции растет: фк ~ (-г-)1/3 ~ (^-)1/3 • Положив период Дт равным 1 ч и считая при этом фк 1, по формулам (2.13), (2.14) определим массу поглотителей в од* 1,96 0,02 , , Л 0,02-1^2-0,009 , ном. патроне: М„ = — 1 = 1,9 кг,Л/„ = —' - 7 " Л---- 1 = к ц 0,02 ’ ’ с 0,005-0Д0 = 0,44 кг. Суммарная масса поглотительных патронов с учетом конструкции: МСОА = 2 (1 + Ф) [ Мц + Мо ] = 2-2[ 1,9 + 0,44] = 9,4 кг. Мощность энергопотребления по формуле (2.17) составит N= збОО2оУ21О9-'з1°од [ 3406,0’1+ <37°-270) (1 103 +0.5-103 -1) ] = = 55 Вт. К этому еще необходимо добавить потери тепла через изоляцию и окружающую среду: .Упот = где i?« 0,15 ... 0,25. Отсюда общее потребление электрической энергии на работу поглотительных патронов: No = N + Nn(yi = N(1 + г?) = 55-1,2 = = 66 Вт на одного человека.. / При наличии на борту КЛА источников тепла с температурой не ниже 380—390 К может быть использована тепловая энергия взамен электрической. Затраты чисто электрической энергии в системе сводятся в основном к потреблению вентиляторов, которое рассчитывается по формуле (2.3); при этом для первой приближенной оценки гидросопротивления патронов с гранулами поглотителя диаметром 1—3 мм можно использовать полуэмпирическую формулу ДР = (3,5 ... 4,0)-104 LU2, Па, где L — длина слоя поглотителя, м; U — среднеэффективная скорость в полном сечении пат-poga, м/с. | Рассмотренная система очистки атмосферы расходуемых веществ практически не имеет. Однако необходимо учитывать потери воздуха при вакуумировании патронов с цеолитом в наружное пространство. Эти потери происходят из-за того, что воздух в небольшой степени также адсорбируется на цеолитах (Дав до 0,5%) и количество воздуха, теряемого в сутки, может состав- М,,Дав . лять тв-24 = —------- 24 = 1,9-0,5-10"2 -24/1 = 0,23 кг/сут. Ком- пенсация этих потерь должна производиться из бортовых запасов. Система очистки атмосферы, подобная описанной, применена на орбитальной станции США ’’Скайлэб”.
Рис. 16. Зависимость массы различных вариантов систем обеспечения газового состава на основе запасов кислорода от длительного полета (обозначения соответствуют номерам вариантов в табл.9) 2.1.3. Сравнительные характеристики вариантов СОГС Сопоставление характеристик рассмотренных вариантов систем обеспечения газового состава атмосферы дано в табл. 9 с указанием КЛА, на котором они применены. Зависимость массы указанных вариантов СОГС от продолжительности полета КЛА приведена на рис. 16, показывающем улучшение их характеристик при совершенствовании способов хранения кислорода и удаления углекислого газа. Расход элементов в различных вариантах систем Таблица £ обеспечения газового состава атмосферы на основе запасов кислорода (на одного человека в сутки) Вариант Расходуемые элементы Масса расходуемых элементов, кг/сут Тип КЛА Обеспечение кислородом Удаление СО2 Суммарно 1 Газообразный О2+ХП* 2,7 2,1 4,8 ’’Джемини’ 2 Надперекись калия 4,0 — 4,0 ’’Восток” 3 Криогенный О 2 +ХП 1,2 2,1 3,3 ’’Аполлон” 4 Перекись водорода + ХП 1,4 2.1 3,5 — 5 Газообразный О2+РП** 2,7 0,3 2,8 ’’Скайлэб” 6 Перекись водорода + РП 1,4 0,3 1,7 — *ХП — химический поглотитель СО: (энергопотребление №* б Вт на одного человека); ♦*РП — регенерируемый поглотитель СО: (№“ 70 Вт на одного человека). 2.2. СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ АТМОСФЕРЫ Задачами этих средств являются поддержание заданных нормами параметров воздуха в обитаемом отсеке (см. табл. 4) по температуре (20 ± 2° С) и влажности (<р = 30 ... 70%). При решении этих задач должны обеспечиваться: отвод из атмосферы отсека тепла, выделяемого человеком, а также аппаратурой, расположенной в отсеке, и передача его в общую систему терморегулирования КЛА;
сбор и удаление из атмосферы паров воды, выделяемых человеком через кожу и легкие, а также выделяемых при работе некоторых устройств (душ, умывальник, агрегаты СОЖ). Влагосодержание воздуха можно задавать разными способами. Для характеристики близости воздуха к состоянию полного насыщения парами воды при данной температуре воздуха Т используют понятие относительной влажности: ¥> = p/ps(T), (2.17) где р — парциальное давление паров воды в воздухе, a ps (Т) — давление насыщенных паров при данной температуре Т (при ко* тором начинается конденсация). Это давление, как известно из термодинамики зависит только от температуры ps (Т). Величина обычно используется, когда важно охарактеризовать состояние воздуха с точки зрения комфортности условий по ощущениям человека. В технических процессах массообмена, например при конденсации паров воды и испарении, движущей силой процессов является разность парциальных давлений паров воды р или плотностей паров р. Для определения величины р по формуле (2.17) необходимо знать две величины: относительную влажность <р и температуру воздуха Т. Поэтому в технических расчетах удобнее задавать непосредственно плотность р паров воды или ее отношение к плотности воздуха р/рв. Эта величина называется абсолютным влагосодержанием воздуха d (кг воды на кг воздуха), она не зависит от температуры: d = р!рв. Через уравнения газового состояния d связано с парциальным давлением паров воды в воздухе и с относительной влажностью . В частности, для парциальных давлений воды и воздуха р = pRTJp.n, рв = рвВТ/дв, где R — универсальная газовая постоянная, а дп = 18, дв = 28,9 — моле- кулярные массы воды и воздуха. Отсюда получаем связь для абсолютного влагосодержания: d = ^_=₽ffn _RT_ = _Р_ Дп_= 0622 --- рв RT рврв Р0-ррв P0-<f>ps' (2.18) где Ро = Рп + Рв ~ общее давление смеси пар — воздух. Величиной <pps в знаменателе обычно пренебрегают в связи с ее малостью по сравнению с общим давлением влажного воздуха (Рп = <pps » 10 гПа, Ро 1000 гПа). Сбор влаги из атмосферы может производиться, как было рассмотрено в разд. 2.1, 2.2, различными поглотителями, однако наиболее целесообразным и экономичным способом является прямая конденсация паров воды на охлаждаемых поверхностях. В этом способе задачи отвода тепла и влаги из атмосферы решаются одновременно одним агрегатом — теплообменником-конденсатором паров воды (теплообменником-осушителем). Принципиальная схема такого теплообменника (рис. 17) включает в себя [ 4]: дублированный вентилятор 1, обеспечивающий циркуляцию
Рис. 17. Принципиальная схема теплообменника — осушителя воздуха: а—схема; б—изменение температуры воздуха в канале воздуха отсека через систему охлаждаемых поверхностей 2, выполняемых в виде труб или каналов другой формы, по которым циркулирует охлаждающее рабочее тело 3 системы терморегулирования с температурой То. При прохождении над охлаждаемыми поверхностями теплообменника воздух охлаждается и содержащиеся в нем пары воды выпадают в виде жидкой пленки (конденсата) на поверхностях теплообмена 2. В условиях невесомости эта нарастающая по времени пленка конденсированной воды будет увеличивать тепловое сопротивление процесса теплоотдачи от воздуха к поверхности и ее необходимо удалять. Удаление сконденсированной воды в невесомости можно осуществлять различными способами, которые более подробно рассматриваются в табл. 4. В конструкциях теплообменников-осушителей воздуха обычно применяют гидрофильные (смачиваемые) фитили 4, по которым под действием капиллярных сил вода отсасывается в промежуточный сборник конденсата 5, заполненный капиллярно-пористым смачиваемым поглотителем. Из промежуточного сборника 5 воду можно транспортировать гидронасосом 6 в основной сборник конденсата 7, также заполненный насыпкой из влагопоглощающего пористого материала. Воздух, захватываемый при отсосе жидкости из сборника 5, после прохождения насыпки сборника 7 отделяется от капель воды и возвращается обратно в отсек. Основными задачами проектного расчета теплообменника-осушителя являются: выбор температуры охлаждающего рабочего тела То, определение необходимой рабочей поверхности теплообмен- ника F и расхода воздуха w, обеспечивающих необходимый теп-лосъем и необходимую производительность по конденсации па ров воды; оптимизация режимных параметров теплообменника (расхода) . Теплосодержание (энтальпия) i влажного воздуха складывается из теплосодержания сухого воздуха свТ и теплосодержания находящихся в нем паров воды d (спТ + г ): i= cBT + d(cnT + r) = с’Т+ rd,
где св, сп — теплоемкость сухого воздуха и пара; с' = с„ + dca, с' — теплоемкость влажного воздуха; г — теплота парообразования воды при заданном в табл. 4 номинале температур (20 ± + 2° С) г « 3000 кДж/кг. При прохождении воздуха через теплообменник изменение его теплового состояния определяется двумя совместно протекающими процессами: охлаждением воздуха под действием разности температур (Тср-Го), осушкой воздуха под действием разности плотностей пара в воздухе Ppp = dcpPB и насыщенного пара р0 при температуре поверхности р0 = рв (То). Здесь Тер — средняя по ходу через теплообменник температура воздуха; То — температура поверхности теплообменника (рис. 17,6). Общая тепловая производительность теплообменника Q определится двумя составляющими — процессом теплообмена QT и процессом массообмена при конденсации паров воды QM: Q = QT + QM = (Гер ~ То) + rPF(Pcp "Ре). (2.19) где F — площадь поверхности теплообмена; а — коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности, Вт/ (м2 -К); 0 — коэффициент массообмена при переносе паров воды путем диффузии из потока воздуха к холодиной поверхности, м/с. Коэффициенты а и 0 ’характеризуют интенсивность процессов — соответственно теплообмена и массообмена — и определяются прежде всего гидродинамическим режимом течения (скоростями течения) воздуха в каналах теплообменника — ламинарным или турбулентным. Коэффициенты а и 0 определяются по специальным критериальным соотношениям, даваемым ниже, в гл. 4, где рассматриваются вопросы расчета совместно протекающих процессов тепло- и массообмена. Ввиду громоздкости полного расчета ограничимся здесь рассмотрением основ приближенной проектной оценки общих характеристик теплообменника. В реальном теплообменнике параметры воздуха на выходе — температура Тк и влагосодержание d„ — всегда несколько не достигают соответствующих параметров холодной поверхности То и do = f (То) из-за ограниченности поверхности теплообмена (см. рис. 21,6). Это отражается коэффициентами эффективности охлаждения (теплообмена) и осушки (массообмена) 1JM, значения которых всегда меньше единицы: т?т= (ТН-ТК)/(ТН-ТО) < 1; (2.20а) т?м = (dH-dK)J(dH-dQ) < 1. (2.206) Величина коэффициентов т? зависит от конструкции теплообменника и обычно составляет 0,6—0,8 (см. разд. 4.4.3). Составляющие выражения (2.19) можно определить из двух уравнении теплового баланса: баланса теплообмена по воздуху Qj = tt-F (ГСр“То) = wp^c (Тн”тк) ~~ wPbc (Тн~то)г?т; (2.21)
баланса теплообмена при конденсации паров воды Qm= rnr = rfipBF (dcp~d0) = rwpB(d№~dv) = = rwpB(dH-d0)T?M. (2.22) где w — объемный расход воздуха через теплообменник, м3/с; т — задан-ный влагосъем, кг/с; T„, dH ~ температура и влагосодержание воздуха на входе в теплообменник (см. рис. 17,а, б). Средние значения параметров воздуха над поверхностью теплообмена можно приближенно определить, как среднеарифметические (см. рис. 17,6); тогда с учетом выражений (2.20а), (2.206) получим Тср = (Тн + Тк)/2= (Тн-Т0)(1-г?т/2); <*ср= (<*н + <*к)/2= (<*н-<*о) (1-1?м/2)« Теперь из уравнения (2.21) можно определить рабочую поверхность теплообмена FT и расход воздуха шт, необходимые для обеспечения заданного теплосъема QT, Вт: Ft = (?т/а(Тср-То) = (?т/а(Тн-Т0) (1 -т?т/2); (2.234) wT = <М°вс' (тн г Го)*?т- (2.236) и соответственно из уравнения (2.22) — величины поверхности FM и расхода шм, необходимые для обеспечения заданного влагосъема т, кг/с: (<*Н -do) (1 -Пм/2); (2.24а) шм = т1Рв№к (2.246) Из полученных значений F и w принимаются наибольшие величины. Из формул (2.23) и (2.24) видно, что должен существовать оптимум при выборе режимного параметра теплообменника — расхода (или скорости течения): с увеличением расхода w коэффициенты тепло- и массообмена а и 0, как известно, растут: поверхность F и масса теплообменника снижаются в обратной пропорции; однако, при этом возрастают энергопотребление на прокачку воздуха N ~ юДР и соответственно эквивалентная масса энергозатрат (ДР — гидросопротивление теплообменника). Вопросы оптимизации будут рассмотрены ниже, в гл. 4. Выбор необходимый для осушки воздуха температуры поверхности теплообменника То и приближенный расчет совместных процессов охлаждения и осушки удобно производить с помощью i—d-диаграммы (энтальпия—влагосодержание) (рис. 18) [13] На этой диаграмме кривая О — А — пограничная кривая, соот- ветствующая конденсации пара; она изображает состояние воздуха, охлажденного до температуры холодной поверхности; выше — область смеси сухого пара с воздухом; при этом линии равных относительных влажностей = const Рис. 18. Процессы охлаждения и осушки воздуха в диаграмме 4 — d энтальпия — влагосодер- жание
идут почти эквидистантно пограничной кривой. Зависимость парциального, давления пара от влагосодержания d в соответствии с формулой (2.18) (р = Pd/0,622) изображается прямой О — В. Относительная влажность ip для любого состояния влажного воздуха, например в точке а, равна отношению <ра = = Ра /Рь = Pafo* (г0) • Из диаграммы видно, что для заданного состояния влажного воздуха, например у = <ра,Т = Та (точка а ), существует температуру холодной поверхности Тс, выше которой осушка воздуха не происходит — его абсолютное влагосодержание не изменяется, так как da = dc. Эта температура Тс называется точкой росы. При осушке воздуха процесс условно идет по прямой, соединяющей точки начального состояния воздуха (точка а ) и его конечного предельного состояния при охлаждении до температуры холодной поверхности Tf или Те (точки Д е). В реальном процессе тепломассообмена воздух не достигает температуры поверхности из-за ограниченности поверхности теплообмена (т?т < 1; т?м < 1) (см. (2.20)) и его конечное состояние изображается точками — соответственно f‘ и е'. Отсюда следует возможность регулирования соотношения между теплообменной QT и массообменной QM производительностями теплообменника-осушителя выбором температуры холодной поверхности То в формулах (2.21), (2.22). Например, при снижении температуры поверхности То с Tf до Те тепловая производительность QT может быть сохранена постоянной (см. формулу (2.21), где Тн - То = Та - Tf = Та -- Те' = const), а производительность по конденсации QM (см. формулу (2.22)) возрастает пропорционально отношению (d0 - df) I (da - det). Для осушки воздуха с Тн = + 20° С и относительной влажностью <р = 70% необходима температура холодной поверхности То ниже +14° С; при влажности <р = 30% — ниже+3° С. 2.3. СРЕДСТВА ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПИТАНИЕМ Средства водообеспечения и обеспечения питанием должны снабжать космонавта питьевой водой (около 2,5 кг/сут на человека) и полноценным рационом питания с калорийностью, адэкватной энерготратам космонавта (около 11000— 12500 кДж/сут на человека). Основные задачи, которые должны быть решены при проектировании средств водообеспечения: гарантия высокого качества питьевой воды при длительном хранении по бактериальному составу и вкусовым (органолептическим) свойствам; возможность хранения, подачи и удобства использования запасов питьевой воды космонавтом в условиях невесомости. При хранении вода быстро теряет свои вкусовые качества
даже в стеклянных сосудах. При наличии контакта с металлом или полимерами вода приобретает неприятные привкусы из-за перехода в нее ионов соединений металла или органических соединений. Хранение при комнатной температуре может приводить к росту микрофлоры (бактерий). Эти факторы требуют специального выбора материалов, находящихся в контакте с водой и специальных мер подавления роста микрофлоры. В условиях невесомости жидкость в сосуде может занимать самые различные положения по отношению к заборному штуцеру (подробнее — см. гл. 4). Для удобства пользования и подачи воды в невесомости требуется специальная конструкция емкостей. Разработанные конструкции емкостей с запасами питьевой воды для КЛА ’’Восток”, ”Восход” включают в себя (рис. 19) наружный металлический контейнер 1 с помещенной внутри него эластичной оболочкой 2, которая ограничивает в условиях невесомости объем, занимаемый водой 3. Космонавт потребляет воду через питьевой мундштук 4 с запорным устройством, соединенный с емкостью 2 гибким шлангом 5. На вхЪде воды в мундштук устанавливается фильтр 6 с активированным углем для поглощения привкусов и бактериальной очистки [ 26]. Эластичная емкость 2 изготавливается из специальной плен- ки на основе полиэтилена высокого давления, не выделяющей веществ, дающих привкусы воде. Для обеспечения надежной герметичности при воздействии перегрузок емкость изготавливается двухслойной. Наиболее эффективным методом консервации воды и подавления микрофлоры является обработка воды ионами серебра р концентрации около 0,1 мг/л; при этом вода длительное время сохраняет свои вкусовые и физико-химические свойства (до нескольких десятков суток). С целью повышения надежности бактериальной очистки препараты серебра вводятся также в виде наполнителя в состав активированного угля фильтра 6. В длительных полетах независимо от наличия на борту регенерации воды в состав средств водообеспечения включается устройство для подогрева и дозированной подачи холодной и горячей воды, что необходимо для приготовления некоторых видов пищи и для гигиенических процедур. Подача воды из такого устройства производится под давлением порциями в несколько десятков кубических сантиметров и управляется космонавтом с пульта устройства. Рацион питания экипажа должен удовлетворять ряду требований. Рис. 19. Схема контейнера для питьевой воды
Прежде всего в рационе питания должен быть представлен полноценный состав пищевых веществ — белков, жиров и углеводов. На основе медицинских исследований оптимальное отношение этих веществ составляет приблизительно 1:1:3 или 1:1:4. Состав рациона, как было отмечено в гл. 1, определяет величину дыхательного коэффициента, удельный расход кислорода и выход метаболической воды (см. табл. 2). Неусвояемые вещества (например, клетчатка) должны содержаться в незначительных количествах. Продукты питания должны храниться при комнатных температурах без ущерба для качества. Устройства для приготовления и приема пищи должны обеспечивать удобство пользования ими в условиях невесомости и исключать возможность попадания частиц пищи в атмосферу отсека. К настоящему времени разработано несколько способов хранения продуктов питания на борту космического корабля/ Первый тип. Пюреобразные и жидкие продукты консервируются (стерилизуются при повышенной температуре) и хра-няться в мягких алюминиевых тубах с резьбовыми крышками. Объем туб содержит одноразовую порцию продукта — около 160 г. В таком виде могут храниться мясоовощные смеси, паштеты, соки, кофе, молочные продукты. Второй тип. Натуральные продукты — готовые мясные и рыбные блюда, хлебные изделия, фрукты — расфасовывается порциями на одноразовый прием, стерилизуется и герметично упаковывается в пакеты из целлофан-полиэтиленовой пленки. Эти виды натуральных продуктов рассчитаны преимущественно на обеспечение экипажа питанием в сравнительно кратковременных полетах. В состав средств обеспечения питанием входят: набор суточных рационов питания в пакетах; контейнеры для хранения рационов; приспособления для приготовления и приема пищи — ключи для открывания туб и консервов, столовый набор, электроподогреватель пищи в тубах; контейнеры для сбора отходов (остатков продуктов и Их упаковки). Указанные натуральные продукты при общей суточной массе рациона около 1,0—1,1 кг на человека содержит около 0,5 кг воды. С увеличением длительности полетов, когда возникает необходимость регенерации воды, становится целесообразным применение обезвоженных, так называемых лиофилизированных про* дуктов. Эти продукты обезвоживаются в вакууме при температуре ниже 0° С, когда замерзшая в капиллярах вода удаляется путем сублимации, т. е. непосредственного испарения с поверхности льда. Такой способ сушки обеспечивает сохранение питательных, витаминных и вкусовых качеств продуктов, а также возможность их длительного хранения на борту КЛА.
Перед употреблением лиофилизированные продукты распаковываются и насыщаются подогретой водой (+45 ... 50°С), после чего практически полностью восстанавливаются их свойства как свежих продуктов. Такой вид продуктов позволяет сократить занимаемый ими объем в КЛА, а при использовании регенерированной воды — снизить расходуемую массу продуктов питания на 0,3—0,5 кг/сут на человека. В длительных полетах становится необходимым также применение свежеприготовленных продуктов. Для этой цели в состав средств обеспечения питанием должны вводится бортовые холодильники с температурой хранения продуктов +5 ... -30° С и средства быстрого приготовления свежезамороженных продуктов, например индукционные СВЧ-плиты. В перспективах космических полетов рассматриваются варианты регенерации некоторых элементов питания человека с помощью биологических и физико-химических методов. Наиболее реальным в настоящее время для условий КЛА является использование одноклеточных водорослей, осуществляющих фотосинтез питательных веществ — углеводов СН2О из СО2 и воды с использованием солнечной энергии qc: СО2 + Н2 О + qc -* СН2 О + О2. Водоросль хлорелла в зависимости от условий культивирования и состава питательного раствора в состоянии синтезировать также белки и жиры. Однако возможность усвоения организмом пищевых веществ, вырабатываемых хлореллой, на существующем уровне исследований пока ограничена — не более 20—50 г/сут на одного человека [ 16]. 2.4. СРЕДСТВА УДАЛЕНИЯ ОТХОДОВ И САНИТАРНО-БЫТОВОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ. ДУШЕВЫЕ УСТАНОВКИ Средства удаления отходов должны обеспечивать: сбор жидких (урины) и твердых отходов (фекалий) жизнедеятельности экипажа в условиях невесомости и нормальной силы тяжести; надежную изоляцию отходов жизнедеятельности от атмосферы отсека; сбор и изоляцию пищевых и прочих отходов. Устройства для сбора продуктов жизнедеятельности (ассенизационно-санитарные устройства) должны обеспечивать космонавту удобство пользования ими в условиях невесомости. Наиболее эффективным является принцип транспортировки отходов потоком воздуха отсека. При этом должна решаться задача последующего разделения в условиях невесомости потока воздуха и жидкой урины.
Схема устройства сбора отходов жизнедеятельности на КЛА ’’Восток”, ”Восход” [6] включает в себя приемник отходов 2, гибкий шланг транспортировки урины 2, сборник урины 3, фильтр с активированным углем для поглощения запахов и вредных примесей 5 и вентилятор 6 (рис. 20). При работе устройства включается вентилятор 6 и поток воздуха захватывает выделяемую человеком урину и транспортирует ее по шлангу 2 в сборник 3. Сборник 3 заполнен капиллярнопористым влагопоглощающим материалом 4, выполненным в виде насыпки (шихты) из кубиков размером 7—10 мм. По мере прохождения газожидкостной смеси через насыпку жидкая урина поглощается, а воздух освобождается от жидкости и поступает в адсорбционный фильтр 5, откуда вентилятором 6 выбрасывается обратно в отсек. Для сбора твердых отходов применяются разовые вкладыши 7 в приемнике отходов 1, после использования вкладыши герметизируются и складируются в контейнере 8, имеющем вентиляционный отсос 9 для предотвращения выхода вредных примесей в отсек. Для сбора бытовых и пищевых отходов применяются пластиковые контейнеры, которые в длительных полетах удаляются в наружное пространство или складируются после переработки и уплотнения в специальном отсеке (’’Скайлэб”). На КЛА ’’Джемини”, ’’Аполлон” наряду с пневматической транспортировкой урины применен также сбор урины в эластичные приемники с последующим выбросом ее в наружное пространство через специальный клапан с обогреваемым насадком. Средства санитарно-бытового обеспечения включают: предметы личной гигиены — электробритвы, гигиенические салфетки, пропитанные очищающим раствором, полотенца; одежду и спальные принадлежности; средства уборки отсеков (пылесос); Суточный расход запасов средств для удаления отходов и санитарно-бытового обеспечения космонавтрв приведен в табл. 5. С увеличением продолжительности полетов возникает необходимость в периодической полной санитарно-гигиенической обработке тела путем водных процедур — помывок. По условиям жестких энергетических и массовых ограничений наиболее экономичным сред -ством помывки является душ. Рйс. 20. Схема устройства для сбора и изоляции отходов жизнедеятельности
Бортовая душевая установка должна обеспечивать: минимальный расход электроэнергии и массы при работе; экономичное и эффективное использование запасов санитарно-бытовой воды и моющих средств; удобство дозированной подачи воды и удаление использованной воды в условиях невесомости; необходимые комфортные тепловые условия. Кроме того, бортовая душевая установка должна исключать возможность попадания капельной воды, моющих средств, паров воды и запахов в атмосферу обитаемого отсека. В длительном полете при многократном пользовании душем запасы санитарно-бытовой воды необходимо регенерировать путем очистки использованной воды. Минимальное количество воды, требующееся на одну помывку, составляет 2,5—3 кг; скорость подачи воды 0,2— 0,8 кг/мин; комфортная температура воды + 40 ... 41° С [ 16, 33]. Комфортная температура воздуха в соответствии с формулой (1.5) зависит от влажности воздуха и скорости его движения в душевой кабине: с понижением влажности воздуха тепло-потери от тела человека испарением увеличиваются и требуется более высокая температура воздуха для создания комфортных тепловых условий; с увеличением скорости воздуха растут коэффициенты тепло- и массообмена (см. уравнение (1.5)) и для компенсации теплопотерь также требуется повышение температуры воздуха (табл. 10). Схема душевой установки на станции ’’Скайлэб” [ 33] включает в себя (рис. 21): душевую кабину 1, выполняемую из легкой полимерной пленки; циркуляционный контур воздуха, включающий вентилятор 2, электроподогреватель воздуха 3, сепаратор загрязненной воды от воздуха 4, сборник загрязненной воды 5; емкости горячей 6 и холодной 7 воды, имеющие вытеснительную эластичную мембрану и подключенные к баллону наддува сжатым воздухом 8; ручной кран-смеситель горячей и холодной воды 9, гибкий шланг и дозирующую головку 10 с насадком или форсункой. , г-ini Таблица 10 Комфортные условия в душе [ 19 J Состояние кожи Скорость воздуха, м/с Пределы комфортной температуры Тк, °C при влажности , % менее 30 30-70 более 70 Сухая 0,15-0,30 0,6 -1,2 27-32 32-38 24-30 30-35 21-27 24-30 Мокрая 0,15-0,3 46-54 47-44 35-41 0,6 -1,2 52-57 41-46 37-44
Рис. 21. Схема душевой установки Удаление капель использованной воды из объема кабины 1 в условиях невесомости осуществляется потоком воздуха, который затем отделяется от воды в сепараторе 4. Сепаратор воды может выполняться в виде вихревого (циклонного) разделителя или в виде сборника с влагопог лощающим пористым материалом, который в случае необходимости можно отжимать, собирая воду в емкость 5 (см. разд. 4.3). Воздушный циркуляционный контур может работать по замкнутой схеме (заслонка 11 полностью открыта, заслонка 12 полностью закрыта) или по открытой схеме (заслонка 11 закрыта, 12 — открыта). Минимальная степень открытости 7? = w^Iwq выбирается из условия удаления выдыхаемого человеком углекислого газа из объема кабины по формуле (2.4). Здесь ш0 — общий расход воздуха через кабину; — расход свежего воздуха, забираемого из отсека в контур. На выходе воздуха из контура в отсек устанавливается угольный фильтр — поглотитель вредных примесей 13. После пуска воды со средним расходом v в см3 /с в объеме кабины через несколько минут устанавливается равновесная концентрация С капель воды в воздухе, определяемая из условия баланса v - wQ С = 0, т. е. С = v/wQ. Эта концентрация С в см3 /см3 тем больше, чем меньше отношение расхода воздуха wQ к расходу подаваемой воды v . Основные энергозатраты при работе установки складываются из энергопотребления нагревателя QH воздуха и вентилятора ЛГВ. Потребление нагревателя определяется энергозатратами на подогрев воздуха, забираемого из отсека до комфортной температуры QT = pcpwсв (Тк - Т) и энергозатратами на компенсацию тепловых потерь из кабины в окружающий воздух отсека ©пот» которые складываются из потерь путем конвективной теплоотдачи от поверхности кабины в движущийся воздух отсека QKOH = (Тс ” Г) и потерь излучением (?изя = €OQFK (Tj -- Т4). Здесь а — коэффициент теплоотдачи цилиндрической кабины, омываемой воздухом при вентиляции отсека (для сре.цних скоростей вентиляции ~0,2 м/с (см. табл. 4) по формулам
разд. 4.4.1 можно рассчитать, что а = 2 ... 2,3 Вт/ (м2 -К); FK = = itDKHK — боковая поверхность кабины; DK, Нк — диаметр и высота кабины, DK »» 0,7 м, Нк ~2м; Тс — температура пленочной стенки кабины, приблизительно равная температуре воздуха в кабине Тс = Т; Т — температура воздуха в отсеке Т « + 20° С; е — коэффициент черноты пленочной стенки, е 0,8; а0 = = 5,67*10"* Вт/(м2*К) — постоянная Больцмана. Отсюда энергопотребление электронагревателя будет: Он = От + Окон + Оизл = IJPCpWo (Тк ~ + (Гк - г) + eo0FK (Т* - Т). (2.25) Из формулы (2.25) видно, что расход энергии максимален в случае полностью открытого воздушного контура по двум причинам: при открытом контуре необходимо подогревать до комфортной температуры весь поток воздуха w0, так как i? = 1 и QT максимально; воздух, забираемый из отсека после подогрева до необходимой комфортной температуры, приобретает очень низкую относительную влажность, что требует повышенной комфортной температуры в душевой кабине (согласно табл. 10 уже при <р <30% и скорости 0,15—0,3 м/с необходимая средняя температура Тк= = + 50° С, а даже при максимальной влажности в отсеке <р = 70% подогрев воздуха с Т = + 20° С до Тк = + 50° С уменьшает его влажность до 13%). Повышение Тк ведет к увеличению тепловых потерь QKOH и ©изл в формуле (2.25). Если даже принять минимальную скорость протока воздуха в душевой кабине (по табл. 10) U = 0,15 м/с, диаметр кабины DK = 0,7 м, высоту Н = 2 м, то расход воздуха будет w0 = = UttD^J4 = 0,057 мэ/с, энергозатраты нагревателя для открытой схемы, рассчитанные по формуле (2.25), составят QH = QT + + QKOH + еизл = 2000 + 700 + 300 = 3000 Вт. Если степень открытости снизить до i? = 0,1 и принять при > 70% согласно табл. 10 среднюю комфортную температуру в кабине Тк = + 38° С, то энергозатраты будут: QH = QT + QKOH + + Сизл = 123 + 396 + 181 = 700 Вт, т. е. снизятся в четыре раза. Энергозатраты на циркуляцию воздуха АГВ могут быть рассчитаны по формуле (2.5). Энергозатраты на подогрев воды относительно невелики: AQW = Mwcw(Tkw - Т) = 3*4,186*21 = = 263 кДж, так как подогрев запасов воды можно осуществлять предварительно в течение достаточно длительного времени, например в течение часа. В длительных полетах предусматривается регенерация санитарно-бытовой воды. Средства регенерации включают в себя колонки многократной фильтрации загрязненной воды 15, гидронасос 14 и сборник очищенной воды 16 (см. пунктир на рис. 21).
2.5. СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ Средства регулирования давления (СРД) предназначаются для поддержания общего давления атмосферы обитаемых отсеков в заданных пределах — 770 ... 1270 гПа. В функции СРД входят: сброс избыточного давления атмосферы в наружное пространство в нерасчетных ситуациях роста давления, угрожающих прочности герметичной оболочки КЛА; контролу герметичности отсека и компенсация утечек атмосферы в наружное пространство через уплотнения корпуса, при шлюзованиях и выбросе некоторых продуктов и т. п.; наддув отсеков воздухом (или кислородом) в аварийных ситуациях при разгерметизации отсека для создания запаса резервного времени экипажу для перехода в другой отсек или на одевание защитных костюмов или спасательных скафандров. Сброс давления производится в аварийной ситуации, например при разгерметизации баллонов сжатого газа, находящихся внутри отсека, при неполадках в регулировании подачи кислорода от системы кислородообес-печения и т. п. Сброс осуществляется клапаном избыточного давления 1 (рис. 22), рассчитанным на открытие при достижении верхнего предела допустимого давления в отсеке. Компенсация постоянных малых утечек производится наддувом из баллонов со сжатым воздухом 2 через клапан 3 и дроссельную шайбу 4 по показаниям датчика абсолютного давления атмосферы 5. Контроль герметичности отсека осуществляется по скорости изменения давления в отсеке, которая в соответствии с уравнением газового состояния пропорциональна величине' утечек атмосферы из отсека (т = dM/dT) и зависит от изменений температуры атмосферы (dT/dT); dP _ R dT VQ dM dT аг ат где Vq — объем отсека; M — масса газа в отсеке. Скорости колебаний давления от малых изменений температуры в отсеке dT/dT обычно невелики и составляют до десятка гПа в час. Увеличение скорости падения давления до нескольких десятков гПа в час может явиться признаком нарушения герметичности отсека и служить аварийным сигналом. Барометрическое устройство для определения скорости изменения давления атмосферы может представлять собой камеру 6 (см. рис. 22), разделенную мембраной 7 на две полости, одна из которых непосредственно открыта в атмосферу отсека, а другая — сообщена с ней через дросселирующий капилляр 8. При достаточно медленных изменениях давления атмосферы в отсеке давление в правой камере успевает отслеживать колебания наружного давления, так как возникающий перепад давлений на капилляре достаточно мал. При этом давление в левой и правой камерах практически одинаково и перепад давления на мембране 7 отсутствует. Рис. 22. Система регулирования давления
При быстром снижении давления атмосферы из-за гидравлического сопротивления капилляра давление в правой камере становится больше наружного, при этом на мембране 7 Возникает перепад давлений тем больший, чем больше скорость падения давления. Этот перепад преобразуется в электрический сигнал, который может служить командой для открытия клапана аварийного наддува отсека 9, подающего воздух с повышенным расходом. 2.6. СРЕДСТВА ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЭКИПАЖА Средства индивидуальной защиты включают в себя: аварийно-спасательные скафандры, предназначенные для защиты экипажа в случае нерасчетной разгерметизации обитаемого отсека; скафандры для выхода и работы в космическом пространстве (космические) . Конструкция аварийно-спасательного скафандра состоит из двух эластичных оболочек — герметичной и силовой, герметического жесткого шлема с опускающимся лицевым остеклением ("забралом”). В конструкции космического скафандра предусматривается дополнительно наружная теплозащитная оболочка для регулирования внешнего лучистого теплообмена при нахождении человека снаружи КЛА. Эта оболочка включает в себя экранно-вакуумную тепловую изоляцию и имеет соответствующие оптические коэффициенты поверхности для отражения солнечных тепловых потоков (см. разд. 2.7). В местах сгиба суставов (локтевого, плечевого, коленного) устанавливаются шарнирные соединения. При работе в скафандре человек затрачивает дополнительные усилия на преодоление жесткости оболочки, наддутой внутренним давлением, поэтому энергозатраты человека могут возрастать в 1,5—2 раза (230—300 Вт) в аварийно-спасательном скафандре и до 3 раз (450 Вт) при работе в космическом скафандре. Соответственно увеличивается потребление человеком кислорода (50—70 л/ч), выделение углекислого газа (40—60 л/ч), паров воды (100—150 г/ч) и тепла (250—450 Вт) [ 24]. Давление в скафандре из соображений прочности оболочки, снижения утечек атмосферы и рабочей нагрузки человека выбирается около 300— 400 гПа; при этом парциальное давление кислорода должно быть не ниже 260 гПа, а парциальное давление углекислого газа в связи с кратковременностью пребывания человека в скафандре допускается до 13 гПа. Система жизнеобеспечения аварийно-спасательного скафандра (далее по тексту приводятся описания и рисунок 23 по зарубежным данным) обычно основывается на принципе вентиляции (продувки) скафандра потоком азотно-кислородной смеси или чистым кислородом, который выносит из скафандра продукты жизнедеятельности — углекислый газ, пары воды, а также тепло, выделяемое человеком (открытая схема). Кислород (или газовая смесь) подается из бортовых баллонов 1 (рис. 23 д) через редуктор 2 Рис. 23. СЖО аварийно-спасательных (а) и космических (б) скафандров
и распределяется по скафандру 5 перфорированными эластичными трубками 3; заданное давление в скафандре поддерживается настройкой дренажного клапана 4, через который кислород выходит в наружный вакуум. Необходимый расход кислорода рассчитывается по формулам типа (2.4) и может составлять от 100 до 200 л/мин в зависимости от режима работы космонавта. Космические скафандры 13 имеют автономную систему жизнеобеспечения, которая располагается в наспинном ранце 14 скафандра (рис. 23,6). Вентиляционная схема СЖО в данном случае мало приемлема из-за большой массы и объема кислородных баллонов. В основу автономных СЖО закладывается закрытая схема обеспечения газового состава, аналогичная рассмотренной на рис. 7 и включающая в себя контур осушки и очистки кислорода от углекислого газа и контур водяного охлаждения скафандра. Кислород, насыщенный углекислым газом и парами воды, подается циркуляционным вентилятором 1 на патрон 2 с насыпкой химического поглотителя СО2 LiOH, затем на теплообменник-осушитель 3 с сепаратором воды 4. Осушенный и очищенный от углекислого газа кислород возвращается в скафандр по системе разводящих трубок 5. Подпитка контура кислородом осуществляется из баллона 6, где он хранится при высоком давлении (до 50 МПа). Подача кислорода производится через эжектор 7, использующий энергию сжатого кислорода для создания дополнительной циркуляции в контуре, в том числе при отказе вентилятора 1. Давление в скафандре регулируется дренажным клапаном кислорода 12. Тепло, выделяемое человеком, отводится контуром водяного охлаждения через теплоообменник 3 и костюм водяного охлаждения 8, представляющий собой серию эластичных труб, по которым циркулирует охлажденная вода под действием гидронасоса 9. Охлаждение циркулирующей воды осуществляется в испарительном теплообменнике 10, работа которого основана на использовании тепла фазового перехода при испарении воды в наружный вакуум. Для испарения используются запасы воды, подаваемые из эластичной емкости 11, а также сконденсированная вода, поступающая из сепаратора 4. Расходуемыми веществами в данной автономной СЖО являются кислород (на дыхание и на компенсацию утечек через уплотнения в вакуум; последние имеют такой же порядок, как и расход на дыхание), вода (на испарение) и запас поглотителя углекислого газа. Масса конструкций скафандров обычно составляет около 15—20 кг; масса ранца автономной СЖО на 4—5 ч работы — около 50 кг. 2.7. ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ В КОМПЛЕКСАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ Основными задачами системы терморегулирования (СТР) в СЖО является выведение из КЛА в наружный космос тепла, выделяемого космонавтами и аппаратурой при ее работе, и поддержание заданных температур атмосферы в обитаемых отсеках. В сложных регенерационных СЖО в задачи СТР входит также термостатирование тепло- и массообменных аппаратов СЖО на требующихся температурных уровнях. Общую задачу СТР можно условно разбить на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя задача — это организация отвода тепла и регулирование температур атмосферы отсеков и аппаратов СЖО путем
конвективного теплообмена с рабочим телом — теплоносителем СТР. Внешняя задача — обеспечение передачи этого тепла путем излучения в наружное пространство в специфических внешних условиях космического полета. Типовая внутренняя задача рассмотрена в разд. 2.2. Вопросы лучистого теплообмена тел в космосе являются предметом специальных курсов [ 26, 18] и здесь будут рассмотрены лишь вкратце, главным образом с интересующей нас точки зрения оценки величины присоединенной эквивалентной массы СТР для обеспечения нужд СЖО. Особенности теплообмена в космосе рассмотрены в разд. 1.4.1 на примере теплопроводной сферы. Из рис. 4 видно, что равновесная температура такой сферы (т. е. температура, определенная из равенства приходящего на сферу солнечного теплового потока Qs и излучаемого ею теплового потока 0изп) может иметь самые различные значения в зависимости от оптических свойств ее поверхности — величины коэффициента поглощения солнечного излучения As и степени черноты е. При изменении отношения As/e от 5,2 (эмалевая краска) до 0,19 (полированная алюминиевая поверхность) температура тела может меняться от 180 до 420 К (на постоянном расстоянии от Солнца, равном радиусу орбиты Земли). На этом основан способ так называемого пассивного терморегулирования космических аппаратов, когда необходимая температура их поверхности обеспечивается специальным подбором покрытий, имеющих необходимые оптические свойства. Однако при колебаниях внутреннего тепловыделения QBH в отсеке КЛА от Qmin до Qmax температура поверхности (и, следовательно, температура в отсеке) будет соответственно изменяться в определенном диапазоне Tmin ... Tmax согласно уравнениям теплового баланса (см. (1.9)): = Qs + QBH или еоо-^изл Tmax = = A-clF* + eonFr„„ Т* • = AoClJ? + где F„~„ —из-s '«max» о изл ж mm s ^mm’ Л изл лучающая поверхность КЛА; Fs — мидель поверхности в направлении на Солнце; а0 = 5,67-10"8 Вт/(м2-К*) — постоянная Стефана — Больцмана; qs = 1400 Вт/м2 — плотность теплового лучистого потока Солнца (солнечная постоянная). Поэтому пассивное терморегулирование применяют в основном для беспилотных автоматических станций, аппаратура которых допускает относительно широкий диапазон колебаний температуры (обычно от 273 до 313 К). В отличие от рассмотренной теплопроводной сферы корпус реального КЛА представляет собой тонкостенную металлическую оболочку, теплопроводность вдоль которой крайне мала. Это вызывает значительные градиенты (неравномерность распределения) температур на оболочке КЛА из-за различных условий освещенности ее участков Солнцем. Равновесная температура освещенного элемента цилиндрической или сферической оболоч
ки определяется уравнением баланса e<jQT*dF = AsqjiFs> где dFs = cos0dF — проекция элемента поверхности на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам (рис. 24). Распределение температур по освещенной стороне оболочки определится соотношением Т = Ta(cos0)1/4,где Та =[А^8/ео0]1/4 — максимальная температура на лобовой точке поверхности, обращенной к Солнцу (при As/e = 5,2 — около + 320° С). В то же время на неосвещенной стороне оболочки температура близка к абсолютному нулю. Это обстоятельство вызывает значительные тепловые потоки, поступающие внутрь отсека и из отсека. Для уменьшения тепловых потоков и выравнивания поля температур применяют экранно-вакуумную тепловую изоляцию, расположенную на наружной поверхности КЛА. Эта изоляция представляет собой ряд слоев металлизированной пленки с низкой степенью черноты, находящихся в вакууме (рис. 25). Принцип работы экранно-вакуумной изоляции заключается в многократном отражении лучистого потока тепла. Так, поверхность, имеющая температуру То, излучает тепловой поток Qo = eaoFTj. (2.26) После закрытия поверхности изоляцией с числом экранов п через изоляцию будет излучаться тепловой поток Q3 = ena0F(TS -Л) = ena0F(T? -Т4) = -.= enuQF(T^1- -Т*п) = ea0FT4, (2.27) где еп = е/(2 - е) — приведенная степень черноты при лучистом теплообмене между двумя параллельными поверхностями, имеющими степень черноты е. Из системы уравнений (2.27) получим, что температура последнего n-го экрана понижается пропорционально числу п экранов: Q <2-2&» Тепловой поток, излучаемый с поверхности, закрытой изоляцией из п экранов (или получаемый поверхностью), уменьшится в отношении _ 1 Qo 1+п(2-е)’ (2.286) т. е. обратно пропорционально числу экранов и степени их черноты (см. рис. 25,6). Вторым способом выравнивания градиентов температур наружных поверхностей КЛА является придание ему вращательного движения вокруг одной из осей, перпендикулярных направлению на Солнце; при этом около одного оборота в несколько минут достаточно для эффективного выравнивания температур по его оболочке.
Рис. 24. Распределение температуры по поверхности тонкостенной сферической оболочки, освещенной Солнцем Рис. 25. Экранно-вакуумная тепловая изоляция: а — схема; б — зависимость относительного уменьшения теплового потока, излучаемого стенкой, от числа экранов И и степени их черноты € Для пилотируемых КЛА требуется поддержание температур в обитаемых отсеках в более жестком диапазоне, чем в беспилотных станциях. В этом случае применяются наиболее, совершенные, активные системы терморегулирования. Наружные поверхности обитаемых отсеков закрываются экранно-вакуумной изоляцией с целью уменьшения внешних теплопритоков и тепловых потерь и снижения градиентов температур на оболочке. Тепло из обитаемых отсеков выводится циркулирующим теплоносителем системы терморегулирования и подается на специальный радиатор-излучатель, расположенный снаружи герметичных отсеков. Температура радиатора может колебаться в зависимости от внутреннего и внешнего потоков тепла и может принимать довольно низкие значения при попадании егд в солнечную тень от КЛА или при полете КЛА в тени Земли. Поэтому схема СТР обычно строится двухконтурной — в наружном контуре радиатора циркулирует низкозамерзающий теплоноситель, во внутреннем контуре теплообменников отсека циркулирует теплоноситель
главные требования к которому—нетоксично сть, безопасность, негорючесть (рис. 26). Тепло из отсеков 1 через внутренние теплообменники (или теплообменники-осушители) 2 передается теплоносителю, циркулирующему по внутреннему контуру с помощью гидронасоса 3, и затем через промежуточный жидкостно-жидкостный теплообменник 4 передается теплоносителю внешнего контура, имеющему более низкую температуру. Нагретый теп-носитель после теплообменника 4 подается отдельным гидронасосом 5 на радиатор 6, излучающий тепло в наружное пространство. Регулирование заданной температуры теплоносителя на входе в теплообменники 2 осуществляется по датчику температуры 7, выдающему сигнал на регулятор расхода 8 холодного теплоносителя через теплообменник 4. При понижении температуры 7 ниже нормы регулятор расхода 8 перепускает часть холодного теплоносителя 9, тем самым уменьшая вынос тепла из внутреннего контура. Рассмотрим, какое количество тепла может отвести СТР из отсека в космос при заданной температуре теплоносителя, циркулирующего через радиатор. Тепловой баланс радиатора в свободном космосе вдали от планет будет: Qs + ®вн “ ®изл “ (2.29) где Q$ — поглощаемый радиатором тепловой поток от Солнца; QBH — внутреннее тепловыделение, отводимое СТР из отсека; С?изл — общий тепловой поток, излучаемый радиатором в космос. Рассмотрим радиатор цилиндрической формы, ориентированный осью перпендикулярно солнечным лучам (рис. 27). При этом будем считать, что температура радиатора, омываемого теплоносителем, приблизительно одинакова по всей его поверхности и близка к температуре теплоносителя, а торцы цилиндра теп-лоизоллрованы и не излучают тепла. Тогда уравнение (2.29) перепишется в виде + Озн “ еао^изл-^р = (2.29а) где Fs = ЙР; Гизл = nDh. Отсюда определяется тепловой поток QBH, который может быть отведен из КЛА радиатором площадью F = nOh при данной температуре Тр, и средняя плотность теплового потока, т. е. удельная тепловая производительность 1 м2 радиатора: ^=1БГ-=ео^т^-^- <2-30) Как видно из рис. 27, удельная тепловая производительность радиатора зависит от его оптических коэффициентов и быстро снижается с понижением его температуры. Так, плохо излучающий радиатор из полированного металла (е = 0,05) при температурах ниже 450 К (+177° С) имеет отрицательную производитель-
Рис. 27. Удельная тепловая произво- дительность радиатора-излучателя (излучаемый тепловой поток) в функции его средней температуры: 1 — радиатор покрыт белой эмалью (е = 0,95); 2 — поверхность — полированный алюминий (е = 0,05) Рис. 28. Дополнительные тепловые потоки на КЛА-спутник от Земли: 1 — Земля; 2 — КЛА на круговой орбите; 3 — теневая зона орбиты; Чп — поток собственного теплового излучения Земли; Qo—отраженный поверхностью Земли солнечный лучистый поток ность, т. е. количество поглощаемого щи солнечного тепла превышает излучаемое им в космос количество тепла. Радиатор с покрытием белой эмалевой краской (е = 0,95) имеет значительно большую тепловую производительность, однако она также снижается до нуля при понижении его температуры до 200 К. Отсюда следует, что чем ниже температурный уровень, на котором необходимо выводить хтепло из КЛА, тем большую поверхность и массу должен иметь радиатор. Для осушки атмосферы обитаемых отсеков необходима температура теплоносителя не выше 276—280 К (см. разд. 2.2), при этом удельная тепловая производительность радиатора имеет порядок 220— 250 Вт/м2 (при е « 0,95). При полетах по орбите вблизи планет необходимо также учитывать тепловой поток, излучаемый планетой qn, и тепловой поток отраженного поверхностью планеты солнечного излучения qo (рис. 28). Величина qn и qo зависят от отражающих свойств поверхности планеты (альбедо планеты) и для Земли составляют qn « *0,15qs; qo «»0,2qs. Поэтому в уравнение (2.29а) добавляются значения теплового потока от излучения Земли Qn= е qn<p п FW3n = = 0,15 eqstpnnDh и теплового потока от отраженного Землей солнечного излучения Qo = = Q,2Asq8^0itDh. Здесь<рп и <Ро — коэффициенты, учитывающие относительную облученность поверхности радиатора поверхностью Земли и зависящие от угла 6, под которым Земля видна с КЛА (см. рис. 28). С увеличен-нием высоты орбиты до 10000—20000 км эти коэффициенты становятся пренебрежимо малыми; для высот 200—300 км они имеют значение несколько менее 0,5 (0,45—0,48); коэффициент
облученности радиатора отраженным солнечным излучением <р0 зависит также от текущего положения КЛА на орбите и изменяется от максимального значения 0,5 на освещенной стороне Земли до нуля при переходе КЛА-спутника в тень Земли. Отсюда можно подсчитать, что указанные потоки дают дополнительные притоки тепла на радиатор соответственно около Qn/F^^ = = 100 Вт/м2 и Q^F^ = 10 ... 15 Вт/м2 , уменьшая его полезную тепловую производительность до qBH = 110 ... 130 Вт/м2. Представляя вариант конструкции радиатора в виде двух параллельных металлических поверхностей, в зазоре между ко- торыми циркулирует теплоноситель, оценим удельные затраты массы на терморегулирование в СЖО. Принимая толщину стенки радиатора 8=1 мм, в качестве материала — алюминиевый сплав плотностью р = 2,8-103 кг/м3, получим массу одного квадратного метра радиатора т = 28р = 2-10“3-2,8 103 = 5,6 кг/м2. Отсюда удельные затраты массы радиатора на выведение теп- т 5,6 ла из СЖО составят т™ =--------= = стр двн 0,11 51 кг/кВт.
ГЛАВА 3. ОСНОВЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ВЕЩЕСТВ В СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 3.1. ПРЕДПОСЫЛКИ И ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КРУГОВОРОТА ВЕЩЕСТВ В гл. 1 и 2 было показано, что принципиальным путем улучшения технических характеристик систем жизнеобеспечения в длительных полетах является создание круговорота веществ в отсеках КЛА с помощью регенерационных СЖО. Предпосылками к созданию круговорота является рассмотренный в разд. 1.1 баланс массообмена организма человека с окружающей средой, из которого следует, что человек полностью возвращает в окружающую среду только в преобразованном виде потребленные им вещества: кислород—связанный в виде углекислого газа и метаболической воды; воду—в виде конденсата атмосферной влаги (1,2 кг/сут), в виде урины (1,55 кг/сут) и небольшое количество воды в твердых отходах (0,15 кг/сут). Рассмотрим баланс по кислороду. Известное значение дыхательного коэффициента йд = 0,84 означает, что на каждый литр потребленного кислорода выделяется 0,84 л углекислого газа, при полном разложении которого СО2 -* С + О2 (3.1) образуется только 84% необходимого кислорода. Остальные 16% (т. е. 0,144 кг для суточной нормы потребления кислорода 0,9 кг/сут) потребуется извлечь из метаболической воды, которой понадобится 0,16 кг/сут по стехиометрии реакции: Н2О->Н2 + 1/2О2. (3.2) Общее выделение воды (2,9 кг/сут) превышает ее потребление (2,5 кг/сут) на количество метаболической воды (0,4 кг/сут), которое образуется в организме в соответствии с реакциями (1.1). Отсюда следует вывод, что круговорот воды и кислорода можно замкнуть полностью, регенерируя воду из конденсата атмосферной влаги и урины и полностью разлагая углекислый газ и 0,16 кг воды. Этот вывод достаточно важен, так как регенерация воды из твердых отходов еще более сложна, чем из конденсата атмосферной влаги и урины. Создание регенерационных систем является комплексной научно-технической проблемой, включающей в себя два основных этапа. Во-первых, необходимо разработать специальные физико-химические методы регенерации веществ из продуктов жизне
деятельности. Эти методы должны обеспечивать максимальную полноту регенерации веществ и иметь достаточно высокую интенсивность (процессов регенерации и энергетическую эффективность, так как масса систем будет обратно пропорциональна (т. е удельной скорости) процессов регенерации, а энергопотребление систем — обратно пропорционально энергетической эффективности процессов. Методы регенерации должны обеспечивать получение кислорода и воды, по своему качеству удовлетворяющих медицинским требованиям к чистоте продуктов, допускаемых к использованию человеком. Во-вторых, когда технологические процессы регенерации веществ уже отработаны, необходимо разработать аппаратуру, которая позволила бы осуществить эти процессы в специфических условиях эксплуатации на борту КЛА — условиях невесомости и перегрузок, жестких массовых и энергетических ограничений аппаратуры и требований высокой надежности ее работы. В настоящей главе рассматриваются вопросы регенерации веществ. Разработка методов регенерации веществ является сложной физической и химической проблемой. Достаточно сказать, что, например, получение кислорода прямым разложением углекислого газа или воды по реакциям (3.1), (3.2) практически неосуществимо в условиях на борту КЛА, так как требует подвода тепловой энергии при температурах порядка нескольких тысяч градусов, когда большинство конструкционных материалов переходит в парообразное состояние. Так, повышение температуры воды до 2800 К дает ее разложение всего на 4% (термическая диссоциация), углекислого газа —* на 13%. Влаговыделения человека, в частности, урина, представляют собой высококонцентрированный водный раствор сложного комплекса неорганических и органических летучих веществ. Регенерация, т. е. извлечение чистой воды из этих влаговыделений существующими методами, например простой перегонкой, невозможна, так как значительное количество летучих веществ переходит в отгон (конденсат паров воды), делая его непригодным для питья. Поэтому для регенерации кислорода и воды из продуктов жизнедеятельности человека разрабатываются специальные методы. 3.2. РЕГЕНЕРАЦИЯ КИСЛОРОДА Общий технологический процесс регенерации кислорода включает в себя две последовательных стадии. На первой стадии необходимо собрать углекислый газ из атмосферы обитаемого отсека, где он находится в концентрации не более 1%, отделить его от примеси воздуха и в чистом, как принято говорить, концентрированном виде подать в систему разложения углекислого газа.
Вторая стадия заключается в непосредственной переработке чистого углекислого газа с целью извлечения из него кислорода. 3.2.1. Методы концентрирования углекислого газа Концентрирование углекислого газа, собранного из атмосферы, можно производить с помощью рассмотренных выше (см. разд. 2.1.2) твердых регенерируемых поглотителей — цеолитов. При повышении температуры регенерации цеолитов до 520—570 К давление выделения углекислого газа повышается до атмосферного и получаемый углекислый газ в практически чистом виде можно направлять в системы его переработки. Схема и принцип действия системы почти полностью аналогичны рассмотренной системе очистки атмосферы (см. рис. 15) с тем лишь отличием, что в цеолитных патронах 4, 8 (рис. 29) устанавливаются электронагреватели, а на выходе углекислого газа из регенерируемого патрона 8 — компрессор 10 для сжатия и подачи СО2 в промежуточный сборник 11. По сравнению с системой очистки атмосферы (см. разд. 2.1.2) концентрирование углекислого газа требует дополнительных энергозатрат на его дессорбцию из цеолита и на разогрев гранул цеолита до необходимой температуру (около 520 К). Мощность дополнительного энергопотребления определится в соответствии с формулой (2.15): Лц = [ <7ц Двц + с (Тр — То) ] — = РСО^СО£[^д^ + с(Тр_То)ь (3.3) где 2ИЦ = pCq2 vqq2 Дт/Дац — масса цеолита согласно формуле (2.13); Pqq2 — плотность углекислого газа при нормальных условиях; vqq — секундное объемное выделение углекислого газа человеком; Дт — длительность рабочего цикла системы (сорбция — регенерация); Дац — рабочая емкость цеолита по углекислому газу, кг/кг; дц — теплота адсорбции углекислого газа Рис. 29. Система концентрирования углекислого газа на основе твердых регенерируемых поглотителей: 1 — вентиляторы прокачки воздуха отсека; 2, 5, 9 — распределительные клапаны; 3 — силикагелевый патрон поглощения паров воды (работающий) ; 6 — то же (регенерируемый); 4 — цеолитный патрон поглощения СО2 (работающий); 8 — то же (регенерируемый в вакуум); 7 — электронагреватель воздуха; 10 — компрессор СО2; 11 — сборник СО2
цеолитом; с — удельная теплоемкость цеолита; Тр — температура регенерации, Тр ~ 520 К; То 293 К — рабочая температура цеолита в период сорбции. Считая дц = 800 кДж на 1 кг СО2, с = 1 кДж/ (кг-К), Дац = = 0,02, получим Л7ц = 9 + 125 = 136 Вт. Суммарная мощность энергопотребления системы с учетом затрат энергии на регенерацию силикагеля осушительных патронов Nc = 66 Вт (см. разд. 2.1.2) составит около 200 Вт на одного человека. Указанная энергия должна практически полностью отводиться в СТР при охлаждении патронов по окончании периода регенерации и перед началом очередного периода сорбции. Охлаждающие змеевики поглотительных патронов для простоты на схеме рис. 29 не указаны. Более перспективными в энергетическом отношении могут быть системы концентрирования углекислого газа с жидкими регенерируемыми поглотителями (абсорбентами). К таким поглотителям относятся водные растворы органических веществ — моно этанол аминов, обладающие щелочной реакцией и способные активно растворять (абсорбировать) углекислый газ при комнатной температуре, а при нагреве более 375 К десорбировать его при давлении около атмосферного. Схема системы представляет собой замкнутый контур, включающий абсорбер и десорбер, через которые циркулирует моноэтаноламин. Регенерация жидких поглотителей углекислого газа может быть осуществлена электрохимическим способом [ 16]. При использовании, например, щелочных химических поглотителей в адсорбере 1 происходит химическое связывание углекислого газа да воздуха жидким поглотителем (рис. 30): 2КОН + СО2 -► К2 СО3 + Н2 О. Образовавшиеся карбонат калия и вода подаются насосом 2 в электролитную камеру 3, где происходит электролитическая диссоциация К2 СО3 на ионы 2IC + СО3 ~. В зоне катода (отрицательно заряженного электрода) ионы калия, взаимодействуя с водой, дают повышенное содержание щелочи КОН, которая направляется обратно в абсорбер углекислого газа 1. В зоне анода концентрируются ионы СО3 “ и НСО3 и образуется бикарбонат калия КНСО3, который направляется в десорбер 4, где при нагреве разлагается с выделением углекислого газа: 2КНСО3-> -> К2 СО3 + Н2 О + СО2 . Полученный углекислый газ направляется в сборник 5, а карбонат калия и вода рециркулируются насосом 2 в электролитную камеру (6 — вентилятор атмосферы). Одним из наиболее перспективных методов концентрирования углекислого газа является применение мембранной технологии разделения газов. Эта технология основана на диффузии газов через селективные мембраны, обладающие свойством избирательной проницаемости к одному из газов исходной смеси.
КгСО3+Н2О Рис. 30. Концентрирование СО2 с электрохимической регенерацией жидкого поглотителя Рис. 31. Концентрирование СО2 селективными газопроницаемыми мембранами Процесс диффузии идет под действием перепада парциального давления газов, создаваемого на мембране. Ряд полимерных материалов обладает повышенной проницаемостью к молекулам углекислого газа и более низкой проницаемостью для воздуха (азота и кислорода). Количественно избирательная способность мембран характеризуется коэффициентом селективности а, равным отношению коэффициентов проницаемости мембраны по углекислому газу Ку и воздуху Кв : а=Ку/Кв. (3.4) Коэффициент проницаемости К (см3 /см2 -с-Па) есть объемный расход газа у, проходящий через единицу поверхности мембраны, на единицу перепада парциального давления газа по обеим сторонам мембраны: К = v/(F&p), (3.5) гдеF — поверхность мембраны; Др = р0 “Pi ~ перепад парциальных давлений данного газа над мембраной р0 и под мембраной Pi, которые соответственно равны р0 = С0Р0; Pi = CiPi', Ро> Pi — общее давление газовой смеси по сторонам мембраны, а Со, Ci — объемная концентрация данного газа в смеси (рис.31,а). Обычно общее давление под мембраной поддерживается достаточно малым, например, путем вакуумной откачки и можно считать Pi ~ 0. Тогда объемные расходы углекислого газа уу и воздуха ив, проходящие через мембрану, будут равны: уу = КуГДру = KyFC0PQ; ув = KBF Дрв = KBF(1-CO)PO, а их отношение иУ _ куРсоро _ Со "в ” KBF(1-CO)PO ~а1-С0 • (3.6) Объемная концентрация углекислого газа Сх в смеси после прохождения через мембрану будет равна отношению количества прошедшего углекислого газа к общему количеству прошед
шей смеси, т. е. С\ = vyl(vy + ив) = (1 + v^vy)~x. Отсюда с учетом выражения (3.6) получим 1 —С1 = (3.7) Отсюда видно, что чем больше коэффициент а, тем большее возрастание концентрации С\ можно получить после прохождения смеси через мембрану. Коэффициенты селективности обычных полимерных материалов по углекислому газу — поливинилтриметилсилана, силиконовых резин и т. п. — относительно невелики; а = 5 ... 10. Однако путем направленной модификации структуры полимера, прививки слабоосновных (щелочных) групп к структуре полимера, а также путем модификации адсорбционных свойств его поверхности можно повысить коэффициенты селективности до 100 и более [ 29]. Подставляя а = 100 в формулу (3.7), получим, что при начальной концентрации углекислого газа в атмосфере отсека Со = 1%, после прохождения смеси через мембрану получим возрастание концентрации до Сх = 50%. Система в этом случае представляет собой двухкаскадную схему концентрирования углекислого газа (рис. 31,5). Воздух отсека, содержащий углекислый газ, прогоняется вентилятором 1 над поверхностью селективной мембраны 2 сепаратора первого каскада; при этом углекислый газ и часть воздуха диффундируют через мембрану 2 в полость 3, откачиваемую вакуум-насосом 4, а очищенный воздух возвращается в отсек. Обогащенная углекислым газом смесь прокачивается вакуум-насосом 4 через сепаратор 5 второго каскада, при этом после прохождения второй мембраны уже получается практически чистый СО2, который закачивается вакуум-насосом 6 в сборник 7. По формуле (3.7) можно подсчитать, что при а = 100 после прохождения смесью второго каскада достигается концентрация углекислого газа, равная 99%. 3.2.2. Методы разложения углекислого газа Реакция Сабатье Как было отмечено, прямая диссоциация углекислого газа требует очень высоких температур, поэтому, чтобы извлечь из него кислород применяются специальные методы. Одним из них является метод на основе реакции Сабатье, включающий в себя две операции (рис. 32). Первая — восстановление углекислого газа водородом (гидрирование) : СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2 О + 175 кДж/моль. (3.8) Реакция идет при относительно невысокой температуре (570 ... 580 К) в присутствии никелевого катализатора и с выделением тепла, что позволяет поддерживать ее температурный режим без дополнительных энергозатрат.
1 Рис. 32. Схема регенерации кислорода по реакции Сабатье: 1 — вентилятор атмосферы; 2 — система очистки атмосферы от СО2; 3 — сборник СО2; 4 — распределительный клапан; 5 — реактор Сабатье; 6 — теплообменник-конденсатор; 7 — сепаратор воды от газа ; 8 — сборник воды; 9 — электролизер воды; 10 — емкость запасов воды; 11 — сборник кислорода; 12 — сборник метана; 13 — дренажные клапаны В результате реакции образуются метан и пары воды^соторую после конденсации в теплообменнике 6 можно достаточно просто разложить при комнатной температуре путем электролиза и таким образом извлечь необходимый кислород. Это вторая операция: 2Н2 О + -> 2Н2 + О2. (3.9) На эту реакцию уже необходимо затратить электрическую энергию АГдл 220—240 Вт на одного человека; расчет ее будет дан ниже. Образующийся при электролизе водород возвращается в реактор Сабатье 5 для гидрирования СО2, замыкая цикл системы (см. рис. 32). Полного замыкания в данном случае не происходит, так как половина исходного водорода (два моля в реакции (3.8)) связывается в метане. Принципиально возможно извлечение недостающего водорода из метана путем пиролиза (термической диссоциации) метана в присутствии катализатора: СН4 -> С + 2Н2. Однако высокая температура этой реакции (1200—1400 К) и трудности регенерации катализатора от выпадающего на нем кристаллического углерода затрудняют ее реализацию в условиях на борту КЛА. Наиболее простым способом замыкания цикла системы является использование дополнительных запасов воды 10, которая при разложении в электролизере 9 дает необходимое количество (50%) недостающего по балансу реакций (3.8), (3.9) водорода. При разложении этой воды будет выделяться соответственно половина всего кислорода, образующего в электролизере, т. е. -i -0,9 = 0,45 кг/сут. Этому количеству кислоро да соответствует суточный запас воды (по стехиометрии реак-ции (3.9) тН2о = то2Дн2о/(°»5Мо2) = 0,45-18/(0,5-32) = = 0,5 кг/сут на человека. Половина общего количества воды получается из реактора Сабатье 5, при этом по стехиометрии реакции (3.8) количество участвующего в ней углекислого газа рав-
но mC02 = тН2ОдСО2/(2Дн2О) = 0,5-44/(2-18) = 0,61 кг/сут, т. е. около 60% всего выделяемого человеком в сутки. Остальные 40% углекислого газа и образующийся метан не используются и могут сбрасываться за борт КЛА. Расходуемая масса запасов воды в данной схеме составляет около 0,5 кг/сут (0,575 кг с емкостями); при наличии на борту систем полной регенерации воды этот расход может быть снижен до 0,35 кг/сут (0,4 кг с емкостями) благодаря использованию метаболической воды. Высокотемпературный электролиз Наибольшую перспективность для создания полностью замкнутых систем регенерации кислорода представляет метод прямого разложения углекислого газа путем высокотемпературного электролиза СО2 на твердых электролитах. Твердые электролиты представляют собой керамику, состоящую из окислов циркония ZrO2 с добавкой окислов иттрия У2О3 или скандия ScO3. При высоких температурах около 1000—1100 К эти электролиты приобретают свойство эффективной ионной проводимости (так называемой ’’дырочной” проводимости) по отрицательным ионам кислорода О2 “. Элемент электролизера СО2 4 (рис. 33) представляет собой керамическую мембрану с толщиной стенки около 0,5—1 мм, на которую с двух сторон нанесен слой пористого покрытия из платины (или палладия), служащий как электрод для токоподвода и как катализатор процесса разложения СО2 на электроде. При контакте углекислого газа с поверхностью катода 5 при температуре 1100 К происходит его разложение на окись углерода и ион кислорода с приобретением двух электронов: СО2 + 2е-*СО + О2“. Под действием разности потенциалов ’’катод—анод” ион кислорода мигрирует через проницаемую для него твердоэлектролитную мембрану 6 к аноду 7, где разряжается и выделяется в виде чистого молекулярного кислорода: О2 - - 2е -> О2. 2 Окись углерода направляется в реактор 8 (реактор Бодуара), где при температуре 8Q0—900 К в присутствии катализатора происходит рекомбинация молекул СО с образованием углерода: СО * 1/2СО2 + 1/2С. Образовавшийся углекислый газ (составляющий уже 50% от начального объема СО2, поданного в систему) возвращается побудителем расхода 9 в электролизер 4 на доразложение. Углерод в реакторе Бодуара 8 выпадает в виде сажи, которая может быть относительно просто удалена в сборник углерода 11. После разложения всего углекислого газа (1,04 кг/сут) образуется 84% необходимого кислорода, т. е. 0,75 кг/сут, в соответ-84
Рис. 33. Схема, полной регенерации кислорода высокотемпературным электролизом СО2: 1 — вентилятор атмосферы; 2 — система очистки атмосферы; 3 — сборник СО2; 4 — электролизер СО2; 5 — пористый катод; 6 — твердый электролит; 7 — пористый анод; 8 — реактор Бодуара; 9 — побудитель расхода газа; 10 — теплообменник-рекуператор; 11 — сборник углерода; 12 — емкость запасов воды; 13 — электролизер воды; 14 — сборник кислорода; 15 — дренажные клапаны; 16 — сепаратор водорода с палладиевыми селективными мембранами ствии со значением дыхательного коэффициента ka = 0,84. Остальные 16%, т. е. около 0,150 кг/сут, должны быть получены разложением метаболической воды в электролизере 13. Если в комплексе СЖО отсутствует полная регенерация воды, то необходим ее запас в количестве 0,150дц2 о/ (0,5дО1) = 0,168 кг или около 0,2 кг с емкостями для обеспечения одного человека в сутки. Электролиз воды может осуществляться и в высокотемпературном электролизере 4, при этом только необходимо удаление из циркуляционного контура образующегося водорода, например с помощью сепаратора из палладиевых мембран, обладающих высокой селективной проницаемостью по водороду (см. поз. 16, изображенную пунктиром на рис. 33). Электрическая мощность, потребляемая данной системой, минимальна в связи с повышением энергетической эффективности электролиза при высоких температурах и составляет около 200—220 Вт на одного человека (т. е. на получение 25 л/ч кислорода). 3.2.3. Разложение воды Остановимся специально на процессах разложения воды, которые являются наиболее энергоемкими в системах регенерации кислорода и главным образом определяют их энергопотребление. Кроме того, разложение воды имеет самостоятельное значение для построения улучшенных комплексов СЖО, так как вода по массе практически, является чистым кислородом (89% кислорода) и расход массы на кислородообеспечение может быть снижен с 3—4 кг до 1 кг/сут даже в случае применения просто запасов воды на борту. Наиболее отработанный способ разложения воды — это электролиз при нормальных температурах. В чистом виде вода имеет
очень низкую электропроводность и в нее добавляют соли или основания, образующие электропроводный раствор — электролит. В воде, которая является сильным растворителем, химические вещества диссоциируют на ионы, например, щелочь КОН: КОН -> Ю + ОН". Максимальная электропроводность электролита из КОН достигается при его концентрации около 30%. Перенос заряда в электролите осуществляется отрицательными ионами гироксильной группы ОН", которые под действием разности потенциалов на электродах мигрируют к положительно заряженному электроду — аноду и разряжаются на нем, отдавая электрон: 2ОН- - 2е * Н2 О + Oj . (3.10) При этом образуется вода и выделяется кислород. Молекула воды перемещается диффузией к катоду и вместе с молекулой воды, добавляемой в электролит для разложения, окисляется на катоде, выделяя моль водорода: 2Н2О + 2е -> 2ОН" + Н2. (3.11) Ион гидроксила ОН" мигрирует обратно к аноду. Электроны переносятся по внешней цепи источником тока от анода к катоду; при этом затрачивается определенная работа—электрическая энергия—на разложение воды. Оценим величину этой энергии. Согласно законам химической термодинамики теоретически минимальная энергия на разложение химического соединения равна теплоте реакции его образования ДЯ; для воды теплота ее образования из водорода и кислорода равна ДЯ = 286 кДж/моль при температуре 298 К. Энергия на разложение складывается из двух составляющих — работы ДО на разделение ионов, составляющих молекулу Н2О, и тепловой энергии, которую необходимо подвести для разложения воды, Дд = TdS, т. е. ДЯ=Дв+Т</3, (3.12) где Т — температура процесса; dS — изменение энтропии в процессе разложения воды. Величина работы ДО для воды составляет 237 кДж/моль при температуре 298 К. При электролизе эта работа равна произведению разности потенциалов Е между электродами на количество электричества ДО, которое необходимо для разложения и переноса через электролит 1 моля вещества, т. е. ДG = EAQ. Величина ДО согласно закону Фарадея равна ДО = nF, где п — заряд иона или количество электронов, переносимых между электродами при разложении одной молекулы, a F = 96500 кулон на 1 моль вещества — постоянная Фарадея. Для разложения одной молекулы воды согласно реакции (3.10) необходимо перенести два электрона, т. е. п = 2. Тогда ДО = ETnF = Ег • 1,93 • 10s. Отсюда можно определить минимальную разность потенциалов, необходимую для разложения водЬ1, или теоретическое напряжение разложения воды Ет:
Ет = = 1,23 В. (3.13) т nF 1,93 -IO5 ' Если процесс электролиза проходил бы при этом напряжении, то электролизер потреблял бы из окружающей среды тепло, равное разности ДЯ - Дб (согласно формуле (3.12)), т. е. 49 кДж/моль. В действительном процессе разность напряжений на электродах электролизного элемента превышает Ет в основном по двум причинам. Во-первых, при взаимодействии конкретных материалов электродов с электролитом и продуктами электрохимической реакции возникает так называемая поляризация электродов, вызывающая ЭДС, противонаправленную приложенному к элементу напряжению. Скорости электрохимических реакций на электродах при выделении газообразных водорода и кислорода также имеют ограниченные значения: поэтому с ростом тока (или плотности тока i в мА на см2 фронтальной поверхности электрода) величина поляризации электродов <р возрастает: <? = </>( i ). Во-вторых, электролит имеет электрическое сопротивление р, и на нем происходит падение напряжения ip5; S — толщина электролитной прослойки между электродами. В сумме напряжение на электролизной ячейке составит: Е = Ет + ip 8 + <p(i) = Er + ДЕ, (3.14) а затраты электрической энергии ДЯ в кДж/моль превысят теоретическую величину Дб: ДЯ = EnF = nF(ET + ДЕ) = Дб + «ГДЕ . (3.15) Дополнительные затраты электроэнергии nF ЛЕ в конечном счете превратятся в тепло и, если они равны необходимому количеству тепла при разложении воды ДЯ- Дб, то электролизер работает адиабатически (ДЯ = ДЯ), без выделения тепла и без потребления тепла извне. Напряжение на ячейке при этом Е = = Еад = ДЯ/(пЕ) = 286-103 Дж/(2-96500 к/моль) = 1,48 В. Мощность, потребляемая электролизером для обеспечения одного человека (vq2 = 25 л кислорода в час), может быть подсчитана из уравнения (3.15) с учетом того, что при разложении одного моля воды получается 0,5 моля кислорода (т. е. 0,5 • 22,4 = = 11,2 л О2): Яо = ДЯ1>О2 /(11,2 -3600) = = Е nF v о2 /(4,03 -104) = Е10 = Е-119, (3.16) где 10 — сила тока, необходимая для получения 25 л кислорода в час; 10 = 119 А. При Е = Еад мощность Яо = E^Iq = 1,48 X X 119 = 177 Вт. Более высокие напряжения, возникающие на ячейке электролизера, будут приводить к чистым потерям электроэнергии, которые необходимо отводить в виде выделяемого при электролизе тепла Q = (Е - Еад) 10, Вт на одного человека.
Таким образом энерготраты на электролиз определяются вольтамперной характеристикой, описываемой выражением (3.14). Вид вольтамперной характеристики существенно зависит от конструктивных принципов электролизной ячейки, материа-лов электродов, типа электролизера и т. п. В ячейках с жидким электролитом и простыми сетчатыми электродами 2 (рис. 34,а) потери энергии наиболее велики из-за большого омического сопротивления электролита рй, например раствора КОН, включающего жидкостную прослойку 1 и пористые газоразделительные мембраны 3, а также из-за существенной поляризации электродов, имеющих ограниченную рабочую поверхность и высокое сопротивление электрического контакта с электролитом [34] (4 — вход питающей воды). Значительно эффективнее принцип электролизера с применением твердого электролита на основе ионообменных мембран и электрохимически активных пористых электродов [32]. Разработанные к настоящему времени катионообменные (кислотные) полимерные мембраны обладают высокой электропроводностью по ионам водорода Н+ и могут быть выполнены достаточно малой толщины (0,25 — 0,5 мм), что позволяет существенно снизить потери на их электросопротивление. Активные электроды изготавливаются на основе каталитически активных материалов — платины, палладия — и наносятся непосредственно на поверхность ионообменной мембраны 5 в виде пористых слоев 6 с высокоразвитой внутренней поверхностью (рис. 34, б). Подвод напряжения к электродам осуществляется с помощью прижатых к ним металлических сеток — токоподводов 7. Каталитическая активность электродов и развитая поверхность контакта существенно повышают скорость электрохимических реакций на электродах, снижают электросопротивление контакта на границе ’’электрод—электролит” и общую поляризацию электродов. Вода может подаваться в паровой фазе 3; при этом обеспечивается получение сухого кислорода высокой чистоты без примесей электролита. Из сравнения вольтамперных характеристик рассмотренных конструкций (рис. 35) видно, что применение полимерного электролита и активных электродов позволяет снизить энерготраты на элек-фолиз на 20—30%. Так, при плотности тока i = = 200 мА/см2 мощность энерготрат на обеспечение кислородом одного человека составляет соответственно около 260 и 190— —200 Вт [32, 34] для жидкого и полимерного электролита. Возможность существенного снижения затрат электрической энергии вытекает также из соотношения (3.11), согласно которому доля затрат электроэнергии AG от общей теоретической энергии АН для разложения воды линейно уменьшается пропорционально повышению температуры электролиза. Величина общей энергии ДН слабо зависит от температуры, поэтому снижение электроэнергозатрат достигается за счет увеличения доли 88
Рис. 34. Схема электролизных ячеек с жидким (а) и твердым полимерным (6) электролитом Рис.36. Зависимость энергии (напряжения) на разложение воды от температуры электролиза: 1 — напряжение адиабатического разложения (полные затраты энергии) ; 2 —* минимальное теоретическое напряжение разложения воды (затраты электрической энергии) Е,В Ц 1,8 ^ад /Л 1,0 0,6 О Рис. 35. Вольтамперные характеристики вариантов электролизеров: 1 — с жидким щелочным электролитом [ 34 ]; 2 — с полимерным электролитом и активными пористыми электродами [ 33 ]; 3 — высокотемпературный электролизер (толщина электролитной мембраны — 1 мм); 4 — толщина мембраны 0,5 мм [ 9 ] Рис. 37. Выбор оптимальной плотности тока i тепловой энергии TdS. Из рис. 36 видно, что теоретическое нап-„ AG кН-TdS ряжение разложения воды Ет = ---- при темпера- туре 1100 К может быть снижено до 0,84 В; при этом доля электрической энергии AG/AH = Ет/Ет составляет 57%, тепловой (E^rt “ -£*т) /^яд = 43%. При наличии на борту источников высокотемпературной тепловой энергии (зеркальных концентраторов солнечного излучения или изотопных источников тепла) это дает путь наиболее кардинального снижения затрат электроэнергии на обеспечение экипажа кислородом (до 100 Вт на одного человека). Высокотемпературный электролиз воды осуществляется в электролизерах с твердым циркониевым электролитом, рассмотренных в разделе 3.2.2 (см. рис. 33) и позволяет достичь наибо
лее оптимальных энергетических и массовых параметров систем кислородообеспечения. При высоких температурах практически исчезают потери энергии на поляризацию электродов. Высокая электропроводность твердых электролитов позволяет свести к минимуму омические потери и достичь высоких плотностей токов, что дает существенное сокращение необходимой поверхности электролизных ячеек и общей массы электролизера (см. кривые 3 и 4 на рис. 35) [9]. Конструкция электролизеров обычно включает в себя 10—15 электрически последовательно соединенных электролизных ячеек (типа изображенных на рис. 34), имеющих общие коллекторы подвода воды, отвода кислорода и водорода и образующих электролизную батарею. Масса электролизной батареи пропорциональна рабочей поверхности электролизных ячеек: М3 » kmF3. Необходимая рабочая поверхность F3 определяется силой тока для обеспечения одного человека /0 = 119 А (см. формулу (3.16)) и плотностью тока, которая может быть получена в электролизной ячейке i, мА/см2, откуда: М3 « kmF3 = kmI0/i = 119fem/i, (3.17) где km — опытный коэффициент пропорциональности, кг/м2. Из выражений (3.14), (3.16), (3.17) видно, что при проектировании электролизных батарей параметром, требующим оптимального выбора, является плотность тока i, мА/см2. С увеличением плотности тока i растут напряжение E(i), затраты энергии на разложение воды No = Е (i)/0 и, следовательно, эквивалентная масса энерготрат Мм = mNE(i)I0 (mN — удельная эквивалентная масса электроэнергии на борту, кг/кВт). Однако при этом гиперболически снижается величина рабочей поверхности и масса самой электролизной батареи согласно выражению (3.17). Оптимальная плотность тока i*, при которой обпче затраты массы М3 + Мм минимальны, зависит от типа бортовой системы энергопитания (mN) и от эффективности конструкции электролизера (km) (рис. 37). 3.3. РЕГЕНЕРАЦИЯ ВОДЫ ИЗ ВЛАГОВЫДЕЛЕНИЙ ЧЕЛОВЕКА 3.3.1. Регенерация воды из атмосферной влаги Наиболее удобным методом сбора воды, испаряемой через кожу и легкие, является конденсация ее паров из атмосферы на холодных поверхностях теплообменников-осушителей, рассмотренных в разд. 2.2. Собранная таким путем вода называется конденсатом атмосферной влаги, или кратко конденсатом. Конденсат содержит в себе ряд растворенных примесей, которые выделяются в атмосферу отсека человеком в процессе его жизнедеятельности, а также оборудованием и системами, расположенными в отсеке, при их работе.
Содержание, мг/л Человек выделяет в атмосферу ряд органических соединений — органические кислоты, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды и т. п., а также неорганические вещества — в основном аммиак. Оборудование отсека и покрытия (клеи, лаки, резины, полимеры) могут являться источником окиси углерода, спиртов, эфиров, органических кислот, альдегидов. Поэтому химический состав конденсата зависит от режима деятельности космонавта и от вида оборудования, размещенного в обитаемом отсеке. Ниже показан химический состав конденсата в обитаемом отсеке космического корабля ’’Восток” [26]. Вид примеси Органические вещества, суммарно по окисляемости бихроматной............................. перманганатной. .,. ...............- Аммиак.................................. Хлориды ................................ Сульфаты ............................... Нитраты................................. Соли жесткости.......................... Спирты.................................. Кислоты (карбоновые).................... Бактерии в 1 л.......................... 144-240 23—30 70-160 3-22 3-5,0 0,1-1,0 40-60 330 15-27 105 Как видно из приведенных данных, основную часть примесей конденсата составляют органические примеси и аммиак. Суммарное содержание органических примесей определяется методом окисляемости, при котором к исследуемому раствору добавляется сильный окислитель, переводящий органические вещества в осадок; по количеству затраченного окислителя (мг на литр воды) судят о содержании органических веществ в растворе. В качестве окислителя используется обычно кислород, содержащийся в перманганате калия КМпО4 (перманганатная окисляемо сть) или в двухромовокислом калии К2Сг2О7 (более активная — бихроматная окисляемость). В большинстве своем указанные примеси конденсата могут быть токсичными, поэтому, несмотря на сравнительно небольшую их концентрацию в конденсате (0,5—1,5 г/л), получение питьевой воды из конденсата требует специальной очистки его от примесей. Применение обычного метода перегонки для очистки конденсата не имеет смысла, так как требует значительных затрат энергии на испарение воды (2500 кДж/кг). Кроме того, большинство примесей является летучими веществами (т. е. кипящими при более низких температурах, чем вода) и при перегонке эти ве-ществаглегко переходят в сконденсированную воду, загрязняя ее первые порции в еще большей степени, чем исходный конденсат. Низкое содержание примесей в конденсате позволяет применить методы адсорбционной очистки, не требующие затрат энергии. По своим свойствам примеси конденсата можно разделить на
две основные группы — диссоциирующие и недиссоциирующие в воде. К диссоциирующим относятся неорганические примеси — аммиак NH3, соли металлов, а также некоторые органические соединения, например уксусная кислота СН3 СООН, ацетальдегид СН3 СОН и т. п. Растворяясь в воде, эти вещества диссоциируют на ионы. Например, аммиак, растворяемый в воде, образует гидрооксид аммония NH4 ОН, который диссоциирует на ионы, как щелочь, с образованием гидроксильной группы ОН: NH4OH -> nH+4 + ОН’ . Уксусная кислота диссоциирует, как все кислоты с образованием иона Н*: СН3 СООН * СН3 соо- + Н+ . к недиссоциирующим примесям относятся органические вещества с неполярными молекулами — углеводороды, спирты, эфиры. Для очистки конденсата от диссоциирующих примесей целесообразно применить хемосорбцию, т. е. адсорбенты, вступающие с веществом в химическую связь и обладающие повышенной адсорбционной емкостью по поглощаемому веществу, г/кг. Такими адсорбентами Являются современные синтетические ионообменные смолы — катиониты и аниониты, которые представляют собой твердые органические вещества со слабо связанным ионом водорода Н+ (катиониты) или ионом гидроксильной группы ОН” (аниониты). - Находясь в воде, ионообменные смолы могут свободно обмениваться этими ионами с растворенными веществами и ведут себя соответственно, как твердые кислоты (катиониты) или щелочи (аниониты). Например, при взаимодействии катионита (Kt) —Нс растворенным аммиаком NH4OH происходит связывание аммиака с образованием чистой воды: (Kt)‘-H+ + nh+4 + ОН’ -► (Kt)’-NH+4 + Н2О . Связывание веществ кислотной природы производится анионитами (Ап) -ОН. Так, для уксусной кислоты (Ал)+ -ОН" + СН3СОО“ + Н+ (Ап)* - СН3СОО‘ + Н2О . Ионообменные смолы выпускаются в виде гранул размером около 1 мм, имеющих развитую пористую стуктуру. Очистка раствора производится путем фильтрации его через колонки с насыпкой из этих гранул. Недиссоциирующие органические примеси конденсата, в особенности низшие спирты — метиловый и этиловый, плохо адсорбируются ионнообменными смолами, и для их поглощения необходимо применять физическую адсорбцию активированными углями.
1 Рис. 38. Схема регенерации воды из конденсата атмосферной влаги Схема системы регенерации воды из конденсата (рис. 38) включает в себя разделитель 4 водовоздушной смеси, подаваемой в него насосом 3 от теплообменника-осушителя воздуха 2. Отделенный от воздуха конденсат прокачивается гидронасосом 5 через колонку с катионитом 6, анионитом 7 и активированным углем 8, где последовательно происходит поглощение диссоциированных и недиссоциированных примесей (1 — вентилятор воздуха). На выходе из системы получается чистая, практически полностью обессоленная, дистиллированная вода. Такая вода неблагоприятна для длительного употребления по своим вкусовым качествам и по физиологическому воздействию на организм человека. Полноценная питьевая вода должна содержать ряд минеральных солей кальция, магния, натрия (бикарбонаты, хлориды, сульфаты), а также микроэлементы — фтор, йод. Для этой цели на выходе воды из системы устанавливаются колонки кондиционирования воды 9, содержащие соленасыщающую шихту из минералов — гипса (CaSO4), доломита CaMg (СО3)2, флюорита (CaF2) и т. д. Для бактериальной очистки воды устанавливается колонка 10, содержащая адсорбент, насыщенный солями серебра, которые обладают бактерицидным действием. Сбор регенерированной воды осуществляется в емкости хранения 11 с эластичным вытеснителем и питьевым мундштуком 12. Расходуемая масса запасов адсорбентов в системе составляет от 5 до 50 г/л [26], а с учетом массы конструкции колонок — на одного человека до 100 г/сут. Вода, регенерированная из продуктов жизнедеятельности, должна удовлетворять санитарным нормам и требованиям, разрабатываемым на основе специальных медико-биологических исследований. Санитарные требования к регенерированной воде [26] приведены ниже.
Показатель Допустимая норма Окисляемость, мг кислорода на литр ................................... 6,0 Содержание: Азота аммиака, мг/л..................... 1,0 Азота нитратов, мг/л.................... 0,1 Азота нитритов, мг/л . . . ,............. 40 Азота органического, мг/л.... 0 Хлоридов, мг/л ......................... 200 Сульфатов, мг/л...................... J 80 Фосфатов, мг/л............. 0,1 Общая жесткость, ммоль/л .... 10 Содержание: Кальция, ммоль/л.............. 8 Магния, ммоль/л .......................... 4 Прозрачность, не менее см.... 25 Запах при 20аС в баллах (по пятибальной шкале), не более..... 2 Содержание: Взвешенных веществ, мг/л .... 0 Мочевины, мг/л ........................... 0 Микробная обсемененность (количество микробов в 1 л), не более Ю5 3.3.2. Регенерация воды из урины Урина, выделяемая человеком, является сложным высококонцентрированным водным раствором, содержащим комплекс органических и неорганических веществ, и представляет наибольшие трудности для очистки. Масса примесей в урине достигает 50 г/л; из них основными по содержанию являются мочевина СО (NH2 ) 2 (до 20 г/л) и хлористый натрий NaCl (до 12 г/л), остальное —- сложная смесь, состоящая почти из 150 различных органических веществ и минеральных солей (в сумме — до 10 г/л). Химический состав основных примесей урины показан ниже. Содержание, мг/л Вещество Мочевина................................ 13000—20000 Хлористый натрий ......................... 8000—12000 Креатинин.................................. 400—1600 Фосфор.................................... 1300—1500 Аммиак.................................... 270—800 Гиппуровая кислота........................ 100- -1600 Мочевая кислота.............................. 200—800 Калий....................................... 1500-2000 Кальций..................................... 150—700 Магний ........................................ 150 Сера ....................................... 1200—2400 Неорганические сульфаты..................... 1000—2000 Азот аминокислот ............................ 150—350 Фенолы....................................... 100—300 Летучие жирные кислоты ................... до 60 Лимонная кислота............................. 150—700
Для сравнения можно отметить, что, например, в морской воде содержится только 15 г/л примесей, причем минеральной природы. Высокое содержание примесей в урине исключает возможность очистки ее адсорбцией, так как необходимый расход поглотителей превышает массу самой очищенной воды, и требует применения методов перегонки, т. е. выпаривания воды из урины с последующей конденсацией паров. Обычная перегонка при атмосферном давлении и температуре 373 К не достигает цели, так как,, во-первых, урина содержит значительное количество летучих веществ, переходящих в сконденсированную воду, и, во-вторых, основная примесь урины — мочевина — при температурах выше 340 К начинает разлагаться на аммиак и углекислый газ: СО (NH2) 2 + Н2О -► 2NH3 + СО2 . (3.18) Аммиак переходит в конденсат паров воды, недопустимо загрязняя его. Так, при температуре испарения урины 373 К бихро-матная окисляемость составляет 650 мг кислорода на литр, содержание аммиака — до 1500 мг/л, что существенно превышает допустимые нормы [26]. Поэтому перегонку урины производят при пониженных температурах (около 330 К и ниже), что позволяет снизить разложение мочевины и выход летучих веществ из упариваемого раствора урины. Общий процесс регенерации воды требует двух стадий — перегонки и адсорбционной доочистки полученного отгона. В процессе перегонки в испарителе отделяются неорганические примеси и основная часть органических примесей; в адсорбционных колонках поглощаются летучие вещества, перешедшие в сконденсированную воду при перегонке (отгон). Испарение воды из урины при пониженной температуре можно осуществить различными способами, прежде всего — сублимацией, т. е. испарением с поверхности замороженной урины при давлениях ниже тройной точки (Т = 272 К, р = 6 гПа). Конденсат паров воды, выпадающий в виде снега в конденсаторе, при этом получается наиболее чистым. Недостатками этого способа являются низкая интенсивность процесса массообмена при испарении воды и необходимость иметь низкие температуры в конденсаторе (не выше 255—260 К), что приводит к существенному увеличению и утяжелению радиационных поверхностей СТР (см. рис. 27). Значительно интенсивнее протекает процесс перегонки при кипении урины под пониженным давлением около 50—100 гПа и температуре кипения соответственно 300—320 К (метод вакуумной дистилляции). Проблемами технической реализации этого метода являются создание надежных тепломассообмёйных аппаратов — испарителя и конденсатора, устойчиво работающих в условиях невесомости и при пониженном давлении в системе. Пе-
нообразование при кипении урины в испарителе может приводить к забросу капель урины вместе с парами воды в. конденсатор и заметному ухудшению качества получаемой воды. Наиболее надежным и простым для технической реализации в бортовых условиях является способ перегонки при пониженных температурах, основанный на диффузии паров воды из испарителя в конденсатор при атмосферном давлении — способ атмосферной дистилляции [28]. Испарение урины, находящейся в полости 1 (рис. 39), осуществляется через полимерную мембрану 2, проницаемую для молекул воды, при пониженной температуре 300—320 К. Пары воды диффундируют через зазор 3, заполненный инертным газом или воздухом, и конденсируются на поверхности капиллярно-пористой мембраны 4, охлаждаемой теплоносителем СТР 5. Смоченная капиллярно-пористая мембрана пропускает сконденсированную воду в полость сбора конденсата 6 под действием разрежения, создаваемого насосом 7, однако для газовой и паровой фазы, находящейся в полости 3, она непроницаема. Температура испарительной полости 1 поддерживается с помощью греющего теплоносителя 8 на 20—30 К выше температуры конденсатора 4; при этом создается соответствующая разность парциальных давлений паров воды над мембранами 2 и 4, являющаяся движущей силой массопереноса паров от испарителя к конденсатору. Урина, забираемая из санитарного устройства 9, отделяется от пузырьков воздуха в сепараторе газожидкостной смеси 10 и насосом 11 подается в промежуточный сборник 12, откуда поступает в испарительную ячейку 1. Сконденсированная вода из полости сбора 6 прокачивается насосом 7 через блок колонок адсорбционной очистки 13, включающий ионообменные смолы, активированный уголь, а затем через колонки соленасыщения и бактериальной очистки 14 — аналогично системе очистки, рассмотренной в разд. 3.3.1. Очищенная вода собирается в контейнере питьевой воды 15. С нн3 • я Рис. 39. Схема регенерации воды из урины пародиффузионным методом перегонки (а) и зависимость качества воды (концентрации аммиака Cj^jj ) от степени извлечения 1) воды из урины (б): П — простая перегонка; КО — перегонка с каталитическим окислением примесей в паровой фазе
Поскольку испарение воды производится при атмосферном давлении, превышающем давление насыщения паров воды при температуре 300—320. К, возможность вскипания урины в испарителе отсутствует и конденсат паров имеет высокую чистоту. Затраты массы адсорбентов в этом способе не превышают затрат на очистку конденсата атмосферной влаги, т. е. 5—30 г/л. Недостатком способа являются низкая интенсивность массо-переноса паров воды диффузией и необходимость большой поверхности и массы теплообменных аппаратов — испарителя и конденсатора. Интенсивность массообмена может быть повышена применением принудительной циркуляции парогазовой смеси между испарителем и конденсатором. При полном испарении воды из урины возникает сложная техническая проблема удаления и выгрузки из испарителя кристаллизующегося сухого остатка. Кроме того, по мере повышения концентрации примесей в урине в процессе ее выпаривания могут резко усиливаться разложение мочевины по реакции (3.18) и выход аммиака, загрязняющего конденсат воды (см. рис. 39, б). По этим причинам процесс испарения воды иЗ урины ведут до извлечения 90—95% воды, а оставшийся концентрированный раствор, содержащий 5% исходной воды (т. е. 50% примесей и 50% воды), сливают из испарителя 1 в сборник отходов 16 (см. рис. 39,а). Значительную перспективу для снижения массы расходуемых адсорбентов дает метод каталитического окисления примесей в паровой фазе [26]. Сущность метода заключается в том, что па ры воды, содержащие вредные летучие примеси, после выхода из испарителя 1 пропускаются через колонку с катализатором 2, нагретым до 380—430 К; при этом происходит окисление и разрушение органических примесей, состоящих из углерода, водорода, азота, серы и кислорода, до нейтральных после растворения в воде веществ СО2, Н2 О, N, SO2 и т. д. (рис. 40). Наиболее эффективным катализатором является гопкалит — смесь марганца МпО2 и меди СиО. Конденсат воды в этом методе получается высокой чистоты даже при полном извлечении во- ды из урины (см. рис. 39,6, (см. рис. 40) представляет собой замкнутый контур, по которому циркулирует газ — носитель паров воды (например, воздух), и включает в себя испаритель 1 с полимерной мембраной 10, ка- Рис. 40. Схема регенерации воды из урины на основе атмосферной перегонки с каталитическим окислением примесей в паровой фазе кривая КО). Система регенерации
талитическую печь 2 с электроподогревом, конденсатор паров воды 3, циркуляционный вентилятор 4, нагреватель воздуха 5. Остальные узлы системы — подачи урины 6, сепараторы воды II, гидронасос 12, колонки адсорбционной очистки 7, кондиционирования 8 и контейнер хранения воды 9 ~ аналогичны рассмотренной выше схеме на рис. 39. Расходуемая масса адсорбентов в такой системе может быть снижена в несколько раз, однако при этом требуются некоторые дополнительные затраты энергии на подогрев паровоздушной смеси до 380 ... 430 К в каталитической печи, величина которых зависит от расхода смеси в контуре системы. Основные энергозатраты в рассмотренных системах регенерации воды из урины определяются теплотой, необходимой для испарения воды — г = 2400 кДж/кг при температуре испарения около 300 К. Если принять тепловые потери из системы в окружающую среду около т? = 25%, а время работы в сутки с учетом необходимого запаса производительности Д т = 18 ч, то для регенерации суточного выделения урины человеком т = 1,5 л/сут требуется мощность N = mr (1 + 1?)/Дт= 1,5 - 2400-103 (1 + + 0,25)/18 • 3600 = 70 Вт. С учетом затрат энергии на подогрев газа-носителя и каталитической печи в системе с окислением примесей потребная мощность может составлять до 120 Вт на человека. 3.4. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ В разд. 1.5 было отмечено, что регенерация веществ на борту КЛА путем биологических процессов, имеющих место в земной природе, требует неприемлемых затрат энергии (более 25 кВт на человека), массы (одна биомасса живых существ — более 3 т) и выдвигает ряд научно-технических проблем, не разрешенных в настоящее время. Тем не менее введение в состав бортовых СЖО отдельных биологических элементов имеет определенную перспективу и прежде всего для частичного воспроизводства продуктов питания. Так, использование высших растений (салаты, капуска, лук, редис) позволит разнообразить пищевой рацион космонавта и создаст психологически комфортные условия в обитаемом отсеке. Выращивание растений предполагается осуществлять на искусственной почве — пористом или зернистом материале для закрепления корневой системы (гидропоника) , с принудительной подачей питательного раствора, содержащего необходимые растениям минеральные соли. Освещение может быть искусственным (лампы дневного света) или естественным с использованием солнечного света, вводимого в отсек через иллюминатор и систему зеркал. В процессе роста зеленые растения осуществляют регенерацию кислорода и фотосинтез пищевых веществ с использованием энергии солнечного излучения дс:
CO2 + H2O + qc -> CH2O + O2, (3.19) где H2 О — по балансу веществ — это метаболическая вода, образующаяся в организме человека в обратной реакции (1.1), а СО2 — углекислый газ, образующийся в этой реакции и выделяемый человеком. i Наиболее удобным в технологическом отношении для условий на борту КЛА является выращивание одноклеточных зеленых водорослей, например хлореллы. Клетки хлореллы могут культивироваться в водном растворе (суспензии), содержащем необходимые минеральные соли и расположенном в плоских прозрачных кюветах 1 (рис. 41), которые освещаются источником световой энергии 2. В кюветы подается воздух, обогащенный углекислым газом, который по реакции (3.19) усваивается клетками хлореллы с образованием кислорода. На выходе из кюветы газожидкостная смесь суспензии и воздуха делится в сепараторе 3 на воздух, обогащенный кислородом, который направляется в отсек, и жидкую суспензию хлореллы, которая насосом 4 возвращается в кювету I. По мере роста и размножения клеток хлореллы плотность суспензии увеличивается, поэтому хлореллу периодически необходимо из раствора отбирать. Это осуществляется гидронасосом 5, подающим суспензию в центрифугу 6, где производится выделение клеток хлореллы из суспензии и выгрузка их в сборник 7, а раствор возвращается в контур кюветы. Включение этой системы может производиться от фотоэлементного датчика плотности 3, реагирующего на прозрачность освещаемой суспензии и выдающего сигнал на открытие клапана 9 и включение насоса 5. Подпитка суспензии необходимыми минеральными солями производится из емкости 10 с раствором этих солей. Оценим энергопотребление этой системы. Из начального потока лучистой световой энергии около 30% теряется отражением, поглощением и рассеиванием в светоподводящей системе по пути к хлорелле и отражением от поверхности оболочек хлореллы. В общем спектре солнечного излучения зелеными растениями усваивается только фотохимически активная часть излучения и КПД фотосинтеза составляет обычно от 1 до 10%, т. е. на фотосинтез используется от 0,7 до 7% начального потока энергии. В самой фотохимической реакции (3.19) около 50—55% погло- Рис. 41. ЗДема биологической регенерации кислорода и пищевых веществ на основе одноклеточных- зеленых водорослей — хлореллы
щенной энергии переходит в инфракрасное тепловое излучение и только около 45% связывается в виде химической потенциальной энергии в образованном пищевом веществе (калорийность вещества). Если принять КПД фотосинтеза максимальным — 10%, то количество связанной энергии составит не более 3% от начального потока. Один грамм синтезированных пищевых веществ хлореллы имеет калорийность около 20 кДж [4, 16], при этом в реакции синтеза (3.19) выделяется около 1 л кислорода. Отсюда можно определить мощность потока световой энергии, необходимую для обеспечения кислородом одного человека (25 л/ч): (20 • 103 Дж/л • 25 л/ч) / (0,03 • 3600) = 4700 Вт; при КПД фотосинтеза 1% эта величина возрастает до 47—50 кВт. В современных интенсифицированных культиваторах хлореллы производительность 1 л суспензии составляет около 0,5—0,8 л/ч кислорода, и для обеспечения одного человека требуется около 30—50 кг суспензии хлореллы при плотности содержания в ней клеток (1 ... 2) • 109 /см3. Количество производимой при этом питательной биомассы хлореллы составляет около 0,6 кг/сут, однако возможности ее усвоения человеком ограничены '— 50 г/сут [16].
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТУРЫ И АГРЕГАТОВ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 4.1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТУРЫ БОРТОВЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ Когда технологические процессы СЖО разработаны, возникает вопрос — как их реализовать в специфических условиях космического полета — условиях невесомости, жестких массоэнергетических ограничений и т. п. Этот вопрос решается на стадии проектирования аппаратурного оборудования СЖО, В понятие оборудования входят основные аппараты, осуществляющие отдельные стадии общего технологического процесса системы — теплообменники различного назначения, аппараты для испарения жидкостей и конденсации паров, абсорбенты газов, разделители газожидкостных потоков, электрохимические аппараты. Например, технологический процесс системы регенерации воды из урины осуществляется последовательно двумя основными аппаратами — испарителем воды из урины и конденсатором паров воды. Требования минимальной массы и энергопотребления аппаратуры выдвигают при проектировании задачу о поиске оптимума. Как правило, масса аппарата и энергозатраты на его работу зависят от так называемых режимных параметров рабочего процесса аппарата, причем их зависимости имеют противоположный характер. Так, в теплообменнике энергия затрачивается на прокачивание жидкости через гидравлические сопротивления теплообменных каналов, а потому величина энергозатрат является в частности функцией скорости течения жидкости по каналам. Увеличение скорости течения позволяет повысить интенсивность процесса теплообмена (коэффициент теплоотдачи) и, следовательно, уменьшить величину рабочей поверхности теплообменника и его массу. Однако при этом соответственно возрастают энергозатраты на прокачку жидкости и их эквивалентная масса (см. разд. 1.5). Очевидно, что должна существовать оптимальная скорость течения жидкости, при которой суммарные затраты массы, включающие собственно массу аппарата и присоединенную эквивалентную массу энергозатрат, будут минимальны. От качественного решения указанных вопросов проектирования аппаратуры будут в значительной степени зависеть общие технические характеристики СЖО в целом — их масса, энергопотребление, удельная производительность. Невесомость вызывает нарушения во всех процессах, которые на земле происходят под действием или в участием сил тя
жести. Находясь в земных условиях, мы подчас не задумываемся над определяющей ролью силы тяжести в осуществлении важнейших процессов окружающего нас мира — в быту и технике. Прежде всего — это процессы, которые протекают в двухфазной газожидкостной среде (пар — жидкость или газ — жидкость) и осуществляются благодаря разности плотностей жидкости и газа: кипение жидкостей и конденсация паров, массообмен между жидкостью и газом, отделение жидкости от газа в двухфазных потоках, электролиз жидких растворов и многие другие. Во всех этих процессах сила тяжести осуществляет разделение фаз газ — жидкость, обеспечивает устойчивую поверхность раздела между ними и тем самым — нормальный ход процессов. Проблема невесомости возникает практически во всех системах, начиная с простейших типов СЖО на основе запасов: в системах обеспечения газового состава — это проблемы хранения жидкого кислорода, конденсация паров воды при разложении перекиси водорода, адсорбция и десорбция углекислого газа жидкими поглотителями; отделение газов от электролита при электролизе воды; в системах водообеспечения — хранение и подача запасов воды космонавту, испарение жидкости и конденсация ее паров при регенерации воды, отделение конденсата атмосферной влаги от воздуха; в санитарных устройствах — сбор и отделение от воздуха жидкой урины, в душевых установках — сбор и отделение от воздуха санитарно-бытовой воды и т. п. При проектировании аппаратуры СЖО указанные выше проблемы невесомости можно отнести к трем основным группам: разработка принципов и устройств разделения газожидкостных потоков и смесей; разработка аппаратуры для испарения жидкостей; разработка аппаратуры для конденсации жидкостей. 4.2. ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ЖИДКОСТИ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ Рассмотрим основные эффекты, вызываемые невесомостью в механике жидкости и газа. В разд. 1.4.2 было отмечено, что состояние невесомости возникает всегда при свободном инерциальном движении тела в поле силы тяжести, при этом частным случаем является свободное вертикальное падение тела. Представим себе сосуд с жидкостью 1 (рис. 42), покоящийся на неподвижной опоре 2 над поверхностью Земли. На каждый элементарный объем жидкости Ду действует сила гравитационного притяжения Земли, в покое равная силе тяжести: fr = 7жДу = = ёржДу, где 7Ж — удельный вес жидкости; рж — плотность жидкости; g 9,81 м/с2 — ускорение свободного падения вблизи земной поверхности.
Рис. 42. Возникновение эффекта невесомости в падающем сосуде Рис. 43. Участие силы тяжести в процессах кипения (а) и конденсации (6): Q — направление теплового потока Действие силы тяжести обусловливает ряд эффектов: во-первых, гидростатическое давление, зависящее от высоты х столба жидкости Рст = при этом сила, действующая на днище сосуда F = gp^hS, и есть вес жидкости в сосуде (й — общая высота столба жидкости; S — площадь днища сосуда — см. рис. 42). На пузырек газа 3, находящийся в жидкости, действует подъемная архимедова сила fn = 8(рж ~ Рг) vn, где ип — объем пузырька, а рг — плотность газа. Эта сила обеспечивает всплытие пузырька и удаление его из объема жидкости. Во-вторых, действие гидростатического давления обусловливает строго горизонтальную (эквипотенциальную) свободную поверхность 4 жидкости, т. е. поверхность раздела жидкости и газа, находящегося над ней. Эта поверхность устойчива к возмущениям: если на поверхности раздела возникли волны, например при встряхивании сосуда, то под действием силы тяжести они со временем затухнут и поверхность примет прежнее горизонтальное положение. Допустим, что мы стали перемещать опору с сосудом в направлении центра тяготения Земли с ускорением а, м/с2. Тогда согласно законам механики на каждый элементарный объем жидкости начнет действовать инерционная сила /и, пропорциональная массе объема и величине ускорения и направленная в сторону, противоположную ускорению движения fu = аржДи. Эта Сила будет вычитаться из силы гравитационного притяжения /г, и результирующая от их сложения сила тяжести будет f= fr -- fи = (g - а)ржДи. Аналогично уменьшится гидростатическое давление в жидкости рст = хрж (g - а), давление на днище сосуда, вес жидкости F = (g - а)р жй$ и подъемная сила, действующая на пузырек: fn = (g - а)(рж - рг) уп. В пределе при ускорении движения а, равном g = 9,81 м/с2, все эти силы обратятся в нуль — исчезнет гидростатическое давление столба жидкости, прекратится всплытие пузырька, исчезнет давление жидкости в сосуде на опору, т. е. ее вес.
Однако движение тела к центру тяготения Земли с ускорением, равным 9,81 м/с2, и есть состояние свободного падения, а описанные выше эффекты есть явление невесомости. Первым и главным следствием невесомости является нарушение наземного механизма объемного разделения фаз ’’газ-жидкость” под действием разности их плотностей и возникновение неустойчивости свободной поверхности жидкости, которая уже не имеет строгого горизонтального положения и может легко разрушаться при действии возмущений. Это в свою очередь вызывает значительные нарушения в ходе процессов, которые осуществляются на поверхности раздела фаз ’’газ—жидкость”. Например, процесс теплоотдачи при кипении жидкости в наземных условиях осуществляется парообразованием на поверхности греющей стенки 1 (рис. 43,а); растущие пузырьки пара 2 при достижении определенного предельного размера отрываются от стенки подъемной силой, всплывают на поверхность и удаляются из жидкости (рис. 43,а). С наступлением невесомости отрыв и всплытие пузырьков прекращаются; накапливаясь у греющей стенки, паровая фаза изолирует ее от жидкости, вызывает ухудшение теплопередачи и перегрев стенки. Накопление паровой фазы в объеме приводит к выбросу жидкости из испарителя. При конденсации пара 4 на холодной стенке 5 образующаяся пленка конденсата 6 стекает под действием силы тяжести gpx (рис. 43,6). Толщина этой низкотеплопроводной пленки главным образом определяет эффективность теплоотдачи при конденсации паров. В невесомости при отсутствии транспортирующей силы gpw нарастание пленки приведет к существенному ухудшению теплоотдачи, не говоря уже о том, что полученный конденсат требуется еще отделять от паровой и газовой фаз. В условиях невесомости единственными силами, которые действуют на неподвижную жидкость и определяют равновесную форму ее поверхности являются силы поверхностного натяжения. Действие поверхностных сил описывается двумя основными законами, определяющими поведение жидкости на свободной поверхности (т. е. поверхности раздела ’’жидкость—газ”) и в контакте с твердой поверхностью (граница раздела трех фаз ’’жидкость—газ — твердое тело”). Возникновение сил поверхностного натяжения обусловлено притяжением молекул, находящихся на поверхности, молекулами в объеме жидкости. С точки зрения механики поверхностный слой жидкости удобно представлять себе в виде натянутой тонкой эластичной мембраны. Силы поверхностного натяжения в месте разреза такой мембраны действуют по касательной к поверхности и величина их выражается в ньютонах на единицу длины разреза (Н/см). Рассмотрим условия равновесия элементарного участка со взаимно перпендикулярными сторонами а и &, вырезанного из 104
Рис. 44. К выводу условий равновесия поверхности жидкости: Сг С2 — центры кривизны поверхности; jRj, J?2 — радиусы кривизны; о — силы поверхности натяжения; Лк, Л — давление в жидкости и газе Рис. 45. Равновесная поверхность жидкости в невесомости 1 и деформированная, неравновесная поверхность 2 поверхности жидкости (рис. 44). Силы поверхностного натяжения о будут действовать на краях участка по касательной к поверхности во всех точках. Проведя нормали к поверхности в крайних точках, в точке их пересечения получим центр кривизны Ci, а расстояние Rt будет радиусом кривизны поверхности в сечении ее плоскостью ху. Составляющие силы в проекции на плоскость zy взаимно уравновешиваются, а суммарная сила, действующая на элемент поверхности по краям отрезков &, будет Fqi = a sin в! • 2Ь, где в х — половина угла между двумя нормалями-радиусами R1; sinflj = a/(2JRi) и FO1 = cablR^. Если поверхность имеет также кривизну jR2 и в другом сечении ее плоскостью zx, то сила, действующая по краям отрезков а в проекции на ось х, аналогично будет FO1 = oab!R2, а суммарная сила поверхностного давления Fo = FO1 + FO2 = aab^l/Ri + 1/P2). Эта сила должна уравновешиваться избыточным давлением в жидкости ДР = Рж - Рг, и условие равновесия элемента поверхности в проекции на ось х будет ДР а& = о (1/JRi + 1/R2)ab, откуда РЖ~Р = о(1/Я1 +1/*2) =РО. (4.1) Это известная формула Лапласа, определяющая величину скачка (перепада) давления на поверхности раздела фаз ’’газ-жидкость” в функции средней кривизны поверхности (1/Я, + + 1/Я2). При выпуклой поверхности жидкости давление в ней выше, чем в газовой среде, при вогнутой — ниже вследствие поверхностного давления Ра - a (1/Ri + 1//?2) • Поскольку в неподвижной жидкости в условиях невесомости давление по всему ее объему одинаково, то очевидно, что перепад давлений постоянен в любой точке поверхности и форма, ко-106
торую принимает свободная поверхность жидкости в условиях невесомости, есть поверхность постоянной средней кривизны 1/Ri + 1/Д2 = const. Для простых осесимметричных случаев Ri и R2 равны и уравнение свободной поверхности будет: R = .Ri = R2 = Pg~Pr = const. (4.2) Это уравнение сферы, имеющей постоянный радиус кривизны в любой точке поверхности. Такую форму принимает капля жидкости (или пузырьки газа в жидкости) в условиях невесомости. Эта форма отвечает условию обеспечения устойчивого равновесия. Действительно, если допустить, что равновесная поверхность под действием внешних возмущений деформировалась, например, как на рис. 45, то величина ее площади увеличится, а на выпуклых и вогнутых участках возникнут дополнительные, противоположно направленные силы поверхностного давления, по закону (4.1) стремящиеся вернуть ее форму в прежнее устойчивое состояние. При контакте жидкости с твердой поверхностью ее поведение зависит от величины краевого угла 9 (угла смачивания), под которым свободная поверхность жидкости контактирует с твердой поверхностью. Если жидкость хорошо смачивает поверхность, или, как говорят, имеет хорошую адгезию к поверхности (силы молекулярного сцепления), то угол 6 < я/2, т. е. поверхность жидкости контактирует с твердой поверхностью под острым углом (рис. 46,а, в). Если угол 6 >я/2 тупой (рис. 46, б, г), то в этом случае говорят, что жидкость не смачивает поверхность. Поверхности первого рода называют лиофильными (смачиваемыми), второго рода —лифобными (несмачиваемыми). Краевой угол зависит только от физических свойств системы ’’жидкость — твердое тело — газ”. Вблизи твердой стенки поверхность жидкости под действием молекулярных сил как бы отвердевает и краевой угол сохраняет постоянное значение для данной системы: в = const. (4.3) Уравнения (4.2) и (4.3) определяют форму неподвижной Рис. 46. Равновесные формы поверхности жидкости в невесомости в контакте со смачиваемой (а) и несмачи-ваемой (6) стенкой и поведение жидкости в цилиндрических сосудах разного диаметра со смачиваемыми (в) и несмачиваемыми (г) стенками; h — высота свободной поверхности жидкости
(4.4) поверхности жидкости и ее поведение в условиях, близких к статическим: первое уравнение определяет сферичность свободной поверхности, второе — угол касания с твердой стенкой. Одинаковый объем жидкости принимает различную форму на смачиваемой и несмачиваемой поверхности (см. рис. 46, а, б). В цилиндрических сосудах поверхность жидкости принимает вогнутую или выпуклую сферическую поверхность в зависимости от краевого угла (рис. 46, в, г). При этом в сосуде со смачиваемой поверхностью давление в жидкости ниже, чем в газе, вследствие поверхностного давления (действующего на поверхность жидкости всегда со стороны выпуклости), а в сосуде с несмачиваемой стенкой — выше, чем в газе. Радиус кривизны свободной поверхности жидкости в цилиндрическом сосуде R = r/cos0, где г — радиус поперечного сечения сосуда. Отсюда ясно, что величина поверхностного давления обратно пропорциональна радиусу г или диаметру сосуда d:' D _ 2 g cos 0 4g cos в . P°~ r ~ d Если в условиях невесомости соединить два сосуда со смачиваемыми стенками, то жидкость будет перетекать в сосуд с меньшим диаметром вследствие разности давлений жидкости в этих сосудах (см. рис. 46,в). Если стенки не смачиваются, то жидкость, наоборот, будет выталкиваться из меньшего в больший сосуд под действием преобладающего поверхностного давления в правом сосуде (см. рис. 46,г). Рассмотренные выше формы поверхности жидкости в сосудах в условиях невесомости могут существовать только в статике при полном отсутствии механических возмущений (потоков жидкости и газа, перегрузок, вибраций и т. п.), так ^ак величина поверхностных сил в сосудах обычного размера, как правило, крайне мала. Например, для воды, имеющей поверхностное натяжение g = 7,2 • 10" 2 Н/м, величина поверхностного давления в сосуде (или в капле) диаметром d = 0,1 м составляет Ро = ^ojd = - 4 • 7,2 • 10"2 /0,1 = 2,9 Па. В земном поле сил тяжести давление гидростатического столба в таком сосуде Рст = gp-^h =» gP-xd = = 9,81 • 103 • 0,1 = 9,81 • 102 Па превышает поверхностное давление в сотни раз и как бы сплющивает сферическую поверхность жидкости в горизонтальную плоскость (h — разность высот свободной поверхности, h « d (см. рис. 46). Кривизна поверхности сохраняется лишь в непосредственной близости к твердой стенке, где действует закон постоянства краевого угла д = const (явление мениска). Величина поверхностных сил сравнивается по порядку с силами тяжести лишь при достаточно малых размерах свободной поверхности L*. Размер L* приближенно можно оценить из равенства масштабов (порядков) сил тяжести и поверхностных сил: gp-*L* = ojL*, откуда L* = (g/gp»)1/2> Для воды L* имеет порядок 2,7 мм.
Соотношение между силами тяжести и поверхностными силами в общем случае характеризуется числом Бонда: Рст пвржь2 Во = ТГ = ------о----’ (4.6) где п — коэффициент перегрузки, равный единице в наземных условиях и нулю в невесомости; L — характерный линейный размер свободной поверхности жидкости, например диаметр сосуда в рассмотренных случаях. Если диаметр сосуда L меньше 2,7 мм и число Во < 1, то поверхностные силы преобладают и свободная поверхность воды ведет себя в таких сосудах (капиллярах) независимо от величины и направления сил тяжести во всем диапазоне п = 0 ... 1. В сосудах значительно большего размера, как было отмечено выше, свободная поверхность жидкости неустойчива к механическим возмущениям, например при вскипании жидкости. Поэтому осуществление в условиях невесомости гидродинамических процессов, таких как разделение жидкости и газа в потоке, конденсация паров и т. п., требует разработки специальных методов. 4.3. РАЗДЕЛЕНИЕ ФАЗ ’ТАЗ-ЖИДКОСТЬ ” И ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ "ЖИДКОСТЬ—ПАР В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ 4.3.1. Метод полупроницаемых пористых мембран Для разделения в невесомости жидкой и газовой (или паровой) фаз в принципе можно использовать центробежные силы, возникающие при вращении смеси ’’газ—жидкость” и заменяющие действие сил тяжести. Однако при этом значительно усложняется конструкция аппаратов (в особенности теплообменных) в связи с появлением вращающихся частей, электропривода, подвижных уплотнений по газу, жидкости и теплоносителю; требуются дополнительные постоянные энергозатраты на вращение; возникают вопросы ресурса работы вращающихся частей. Для большинства систем жизнеобеспечения, жестко лимитированных в энергетическом и массовом отношении, проблема невесомости наиболее эффективно решается на основе разработанного [22] способа разделения фаз ’’газ—жидкость” с помощью полупроницаемых лиофильных и лиофобных сит. Конструктивно указанные сита представляют собой капиллярно-пористые перегородки (мембраны) из смачиваемого и несмачиваемого жидкостью материалов и имеющие определенный размер капилляров. Положение поверхности раздела фаз может быть устойчиво фиксировано с помощью данных сит (мембран) двумя способами. В случае смачиваемой мембраны 1 жидкость заполняет объем
Рис. 47. Стабилизация поверхнос* ти раздела ”газ--жидкость” в условиях невесомости с помощью лиофильных (а) и лиофобных (б) пористых полупроницаемых мембран 0 а на Ki J 6 4 2 д) ее капилляров и выступает на наружной поверхности, обращенной к газовой фазе 2 (рис. 47,а). Если приложить некоторое избыточное давление со стороны газа Рг - - Рж, то поверхность жид- t 4) кости отступит в глубь капилляров и приобретет кривизну г, вы- зывающую противоположно направленное поверхностное давление Ро = 2а/г = Рг - Рж. Равновесие поверхности жидкости будет устойчивым, так как при смещениях поверхности от этого положения будут возникать дополнительные силы, возвращающие ее в прежнее положение. Равновесие будет сохраняться до тех пор, пока избыточное давление в газовой фазе Рг - Рж не превысит максимального поверхностного давления, возможного в данном капилляре по уравнению (4.4): Рашах = 2а cos 0t /гк, где гк — радиус капилляра. В этом случае жидкость будет выброшена из капилляров и поверхность раздела фаз ’’газ—жидкость” будет разрушена. Отсюда ясно, что условием устойчивости поверхности является ограничение 0< —-ж < 1, - ашах (4.6) где Ра max = 2acos0i/rK — предельный перепад давления ’’газ-жидкость”. Аналогичным образом поверхность раздела жидкости и газа может быть зафиксирована на поверхности несмачиваемой мембраны (рис. 47,6), только в этом случае избыточное давление должно действовать со стороны жидкости, так как поверхностные силы выталкивают жидкость из капилляров. Условие устойчивости (4.6) остается тем же, так как в нем одновременно меняют знак перепад давлений Рг - Рж < 0 и поверхностное давление Ра max < 0(0 2 >я/2 и cos02 < 0). Выбирая размер капилляров гк достаточно малым, можно обеспечить устойчивую поверхность раздела ’’жидкость—газ” независимо от величины и направления силы тяжести, действующей на жидкость в сосуде или аппарате. Так$ при гк = 10 мкм поверхностные силы превышают силы тяжести в 105 раз — по формуле (4.5). Лиофильными являются большинство неорганических материалов, асбест, металлы (краевой угол 0t обычно близок к нулю); лиофобными — некоторые искусственные полимеры, например фторопласты (краевой угол 02 « 110 ... 115°).
Рассмотренные мембраны обладают свойством избирательной фазовой проницаемости, или полупроницаемости. Лиофильная мембрана при выполнении условия (4.6) для газа непроницаема, в то же время при попадании на ее поверхность капли жидкости 5 (см. рис. 47, а) произойдет ее свободное перетекание по капиллярам в жидкостную полость 3 под действием перепада давлений Рг — Рж. Аналогично произойдет перетекание пузырька газа 6 через лифобную мембрану 4, непроницаемую для жидкости. Таким образом, условие (4.6) является условием полупроницаемости мембран. Скорости перетекания U будут зависеть от перепада давлений на мембране ДР, толщины мембраны 6, радиуса ее капилляров г и вязкости жидкости ц. Согласно закону Пуазейля для ламинарного течения в капиллярах потери давления ДР= (4.7) feM П откуда i7= feMAP= ДР 8гс2Д . ' (4.8) Здесь П — относительный объем пор (пористость) мембраны; с — коэффициент, учитывающий извилистость капилляров и не-изотропность капиллярной структуры, с & 2,5 ... 3; kM — коэффициент проницаемости мембраны. Из условия (4.6) и уравнения (4.8) ясно, что максимально возможная скорость перетекания (фильтрации) при ДР = Ро тах составляет Uтах = асо8 0гП/(4сдб), т. е. растет с увеличением радиуса капилляров. Если ввести понятие запаса устойчивости (по перепаду давления) др - р АР- cos 6 8сЬц тт АРу “ *a max ~ г ~2 ц U, Рис. 48. Зависимость предельного перепада Р^щах и потерь давления на фильтрацию ДР от радиуса пор полупроницаемых мембран: ° а — фильтрация воды через смачиваемую мембрану ( 6 — 20 ; 5 = 0,5 см; П= 0>4; 5= 710“4 Н/м2 ; д = 1,8210“5 Нс/м2; с=3); б—фильтрация воздуха через несмачиваемую мембрану (0 =130°; 6= 0,5 см; П= 0,4; д = = 10"3 Н?с/м2) скорости фильтрации U можно
Рис. 49. Схема разделения газа и жидкости в потоке: 1 — полость; 2 — смачиваемая пористая мембрана; 4 — несмачиваемая пористая мембрана; 3 и 5 — полость сбора жидкости и газа подобрать размер капилляров г * при котором запас устойчивости будет максимален, т. е. d(APy) /dr = 0: г* = 8сбд/(a cos0II). (4.9) Зависимость от радиуса капилляров предельного перепада давлений и потерь давления на фильтрацию жидкости и воздуха с заданными скоростями U показана на рис. 48. Зона полууправляемости лежит под кривыми Ра тах . Рассмотренные полупроницаемые мембраны позволяют осуществить в условиях невесомости разделение газа и жидкости путем подачи двухфазного потока в щелевой зазор между указанными мембранами. Под действием избыточного давления, поддерживаемого в полости 1 (рис. 49), будет происходить перетекание жидкости через смачиваемую мембрану 2 в полость сбора жидкости 3 и газа через несмачиваемую мембрану 4 в полость 5, т. е. будет просходить разделение компонентов газожидкостной смеси. Капли жидкости и пузырьки в зазоре приобретают осесимметричную тороидальную форму, определяемую величиной краевых углов на смачиваемой и несмачиваемой мембранах [22]. При этом по мере отсоса капли жидкости относительная площадь (диаметр) ее контакта с несмачиваемой мембраной непрерывно убывает до момента отделения (отрыва) капли от несмачиваемой мембраны и полного удаления ее из зазора (рис. 50, а). Аналогично полностью удаляется пузырек через несмачиваемую мембрану (рис. 50, в). Если выбрать высоту зазора L между мембранами, соответствующую числу Бонда по формуле (4.5), меньшему единицы, то поверхностные силы в зазоре будут преобладать над силами тяжести (для воды L < 2,7 мм). При этом изменение направления или величины силы тяжести уже не будет оказывать влияния на процесс разделения фаз в зазоре. Например, на кинограммах рис. 50, б и г сила тяжести препятствует процессу разделения фаз (разделитель перевернут на 180°) и жидкость отсасывается из зазора через верхнюю, смачиваемую мембрану, а газ — через нижнюю, несмачиваемую. Это подтверждает независимость процесса от действия силы тяжести и работоспособность разделителя в условиях невесомости. Рассмотренный способ разделения фаз позволяет решить проблемы осуществления в условиях невесомости тепломассообменных процессов — испарения жидкости и конденсации ее паров.
Рис. 50. Кинограммы процесса разделения жидкости и газа в щели между полупроницаемыми мембранами: а — отсос жидкости через смачиваемую (нижнюю) мембрану; б — то же, смачиваемая мембрана вверх (интервал между кадрами 0,4 с); в — отсос пузырька из жидкости через несмачиваемую (верхнюю) мембрану; г — то же, несмачиваемая мембрана внизу (интервал между кадрами 0,12 с) Конденсацию пара из влажного газа в полости 1 (рис. 51, а) можно осуществлять на поверхности смачиваемой пористой мембраны 2, охлаждаемой элементом 3, по которому циркулирует теплоноситель; 6 — выход осушенного газа. Отсос конденсата, выпадающего на мембране 2, в полость сбора жидкости 4 112
a) 5) Рис. 51. Схема осуществления процессов конденсации пара (а) и кипения жидкости (б) в условиях невесомости должен производиться насосом 5, создающим необходимый перепад давлений на мембране Др. Этот перепад должен быть не меньше чем АРmin ~ ~ Як/ (&м г Рж) > (4.10) где feM — коэффициент проницаемости мембраны согласно формуле (4.7); U — необходимая скорость фильтрации конденсата через мембрану, определяемая величиной плотности теплового потока qK при конденсации, теплотой парообразования г' и плот- ностью жидкости рж. Испарение или кипение жидкости можно осуществить с помощью лиофобной мембраны 10, расположенной с зазором 9 (рис. 51,5) у греющей поверхности 8. При кипении жидкости в зазоре 9 пузырек 7 проходит фазы роста, контакта с лиофобной мембраной и отсоса через мембрану 10 в полость 11, Минимальный перепад давлений, который необходимо поддерживать на мембране (от жидкости к пару), равен: ДР min = Рж - Рп = -Г- = , • (4-11) kMr PnV где (/ — необходимая скорость фильтрации пара через мембрану; q„ — плотность теплового потока, проходящего через греющую стенку 3; г', рп — теплота парообразования и плотность пара; П — коэффициент, учитывающий относительную среднеэффективную площадь контакта паровых пузырьков с мембраной в зазоре 2 (т? < 1). Максимально допустимый перепад давлений во всех случаях ограничивается условием полупроницаемости (4.6). К пористой структуре полупроницаемых мембран предъявляются специальные требования по однородности ее пор. Для испарения сильно загрязненных растворов типа урины с относительно невысокими плотностями тепловых нагрузок порядка 100—1000 Вт/м2, исключающими возможность вскипания жидкости, могут применяться селективные набухающие полимерные пленки [28]. Материал таких пленок — например, типа целофана — в контакте с водным раствором способен поглощать из него при набухании только молекулы воды, которую можно испарять с противоположной стороны пленки, обращенной в газовую полость (см. рис. 39).
4.3.2. Использование центробежных сил Для разделения газожидкостных смесей с сильно загрязненной жидкостью (типа урины или санитарно-гигиенической воды) целесообразно использовать центробежные методы разделения. Центробежные силы, возникающие при вращении жидкости, по своей природе являются массовыми силами (см. разд. ,1.4.2) ив невесомости могут заменить действие сил тяжести. Величина центробежной силы Fu, действующей на единицу объема вращающейся жидкости, зависит от угловой скорости вращения cj , расстояния от оси вращения г; она пропорциональна плотности жидкости р, так же как и сила тяжести: Рц = со2 гр. Отсюда ясно, что действие центробежных сил может обеспечить все эффекты, определяемые силами тяжести — разделение фаз, устойчивость свободной поверхности жидкости и т. п. Принцип действия центробежного разделения показан на рис. 52. Газожидкостная смесь 1 при входе во вращающееся колесо 2 разделителя приобретает угловую скорость о?; жидкость под действием центробежных сил отбрасывается на периферию диска 2, образуя кольцевую поверхность раздела ’’жидкость-газ” 3. Осушенный газ поступает на выход 4; жидкость через дренажный зазор 5 в корпусе колеса отсасывается гидронасосом 6. На входе смеси в колесо установлен отбойник жидкости 7; для придания смеси угловой скорости на входе могут устанавливаться лопатки. При проектировании центробежных разделителей следует учитывать возможность дробления жидкости на мелкодисперсные капли при столкновении с элементами колеса на больших окружных скоростях и уноса этих капель с сепари- рованным газом. Рис. 52. Схема центробежного разделителя газа и жидкости Рис. 53. Вихревые (циклонные) разделители: а ~ циклон со сходящимся конусом; б — с расходящимся конусом; в _ шнековый разделитель; 1 — вход газожидкостной смеси; 2 — выход газа; 3 — жидкостной гидрозатвор; 4 — гидронасос; 5 — шнек; 6 — сетка гидрозатвора
Рассмотренная схема центробежного разделителя по существу может служить для конденсации паров из проходящего потока газа (по пути 1—4), если по периферии колеса установить охлаждающий теплообменный элемент 9, или, наоборот, — для испарения жидкости в поток газа, если по периферии установить нагревательный элемент (в последнем случае направление потока жидкости на схеме необходимо насосом 6 изменить на обратное) . Недостатками данного типа разделителей являются сложность конструкции, наличие вращающихся Частей и подвижных уплотнений, необходимость в специальном электроприводе 8, неизбежность дополнительных энергозатрат, а также трудности сохранения гидрозатвора 3 в процессе работы, останова и пуска. Применение таких разделителей оправдано /в случае циклической, относительно кратковременной работы с большими производительностями, например при сборе и отделении урины в санитарных устройствах, при сборе использованной санитарно-гигиенической воды в душевых установках и т. п. Значительно проще по конструкции циклонные (или вихревые) разделители, не имеющие движущихся частей. Закрутка газожидкостной смеси в этих разделителях осуществляется благодаря начальной кинетической энергии струи газожидкостного потока, вдуваемой в разделитель. В циклонном разделителе [36] струя смеси 1 вводится в конический корпус разделителя тангенциально, т. е. по касательной к окружности корпуса в верхней его части (рис. 53, а). Жидкость под действием центробежных сил оседает на стенках разделителя, а газ через центральный патрубок 2 выходит наружу. В сужающейся конической части корпуса скорость вихревого движения газа ^возрастает и согласно закону Бернулли статическое давление в газе падает. Под действием указанного градиента (перепада) давления пленка жидкости движется к узкой части конуса, где под действием поверхностных сил смыкается в мениск жидкости, образующий гидрозатвор 3 для газа, откуда жидкость от-. качивается насосом 4. Возможны схемы цйклонных разделителей, в которых для транспортировки жидкости по стенке к гидрозатвору используется тангенциальная составляющая FT центробежной силы Рц, действующей на жидкость на стенке расходящегося конуса ' (рис. 53, б). Закрутка газожидкостного потока может осуществляться направляющими элементами канала разделителя, например шнеком 5 (рис. 53, в), при этом происходит отбрасывание жидкости на цилиндрическую стенку разделителя и транспортировка ее к выходу 3. Для стабилизации поверхности жидкости может применяться сетка 6; вход и выход газа при этом осевые. При проектировании вихревых разделителей следует учитывать возможность образования волн на поверхности жидкости,
(4.12) срыва и уноса капель с потоком сепарированного газа при превышении некоторого предела скорости движения газа U& няд поверхностью жидкости (гидродинамическая неустойчивость Тейлора): , и* - и = а —— —_______ г ж 6 * Pip? где иж — скорость движения жидкости; рж, рГ — плотности жидкости и газа; X — возможная длина волны на поверхности жидкости, которую для оценки по нижнему пределу можно считать равной удвоенному характерному линейному размеру свободной поверхности жидкости на стенке разделителя; а — ускорение, действующее на жидкость, — в данном случае центробежное ускорение а = ш2 г. Недостатком вихревых разделителей являются трудности с сохранением устойчивого гидрозатвора при колебаниях расхода газожидкостной смеси и необходимость в специальной следящей системе для поддержания постоянного уровня жидкости в гидрозатворе. 4.4. МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА В АППАРАТУРЕ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 4.4.1. Теплопередача и массообмен в неподвижной среде Процессы теплообмена (теплопередачи) и массообме-на лежат в основе работы большинства аппаратов СЖО, включая системы очистки, регенерации и регулирования температуры и влажности атмосферы, системы регенерации воды и т. п. Теплопередачей называется процесс передачи тепловой энергии под действием разности температур. В неподвижной сплошной среде (жидкой или газовой) передача тепла осуществляется молекулярной теплопроводностью. Плотность потока тепла q, Вт/м2, передаваемая по направлению х, определяется законом Фурье: (4-13) где X — теплофизическая константа среды — коэффициент теплопроводности, Вт/м - К; dT —изменение температуры на элемент длины dx; (dT/dx) называют градиентом температуры по направлению х ; знак минус означает, что тепловой поток всегда направлен по направлению убывания температуры. Если неподвижная среда с теплопроводностью X находится между двумя стенками с различной температурой (7\ > Т2), то количество тепла, передаваемого через 1 м2 поверхности от первой ко второй стенке, составит . Ti - тг q= X ——i (4.14) I » где I — расстояние между стенками (рис. 54, а).
Рис. 54. Теплообмен (а) и массообмен (б) через неподвижную газовую среду между двумя стенками Массообменом называется процесс переноса вещества в пространстве, например перенос паров воды в воздухе при испарении и конденсации, перенос углекислого газа в воздухе при очист- S) ке атмосферы. В основе массообмена лежит диффузия молекул вещества через газовую или жидкую среду под действием раз- ности концентраций этого вещества в различных точках пространства. Количество вещества i, передаваемого через единицу поверхности в единицу времени в направлении, перпендикулярном этой поверхности, т. е. плотность потока массы пц, кг/м2 . ч, в направлении х определяется законом Фика: do,- dp; dCi ^ = -D-^- = ~Dp-^- = -DpP0^r. (4.15) Здесь D — коэффициент диффузии вещества в данной среде; Pi — массовая концентрация вещества i в единице объема среды, кг/м3 , a dpjdx — градиент концентрации в направлении х. Концентрация может быть задана как массовыми единицами р,-, так и парциальным давлением данного вещества в газовой смеси р,- = p,-/(RiT) или объемными долями С,- = Pi/Po = Pf/(Rf7P0); при этом коэффициент диффузии приводится к виду Dp = = D/(R/T), где R, — газовая постоянная вещества f; Ро = р,- + + рг — общее давление газовой смеси; рг — парциальное давление остальных инертных газов смеси. Сумма объемных концентраций очевидно равна единице: + Сг = (pf + рг)/Р0 = Ро/Ро = 1. (4.16) Основываясь на сходстве математической структуры выражений (4.13), (4.15), можно говорить об подобии процессов теплообмена и массообмена. В этом случае данные процессы можно было бы рассчитывать по единым соотношениям и формула (4.15) по аналогии с формулой (4.14) дала бы выражение для плотности потока массы между двумя стенками, имеющими разную концентрацию вещества на поверхности С\ >С2 (рис. 54, б): "(0) - Дур. С‘ГС’ <4-17) Однако массообмен-имеет значительную особенность, ограничивающую область этой аналогии. Особенность заключается в том, что при диффузии вещества, например при диффузии паров воды в газе под действием градиента концентрации dCifdx, возникает также встречный диффузионный поток инертного компонента смеси (газа) тпт^у под
dCT dCi действием градиента его концентрации в смеси dx = — (рис. 54,б): DPq dCr DPq dc. mr(£>)~ RrT dx ~ RrT dx ' I4,10' Рассмотрим диффузию паров между испаряющей поверхностью 1, имеющей температуру Т\, давление насыщенных паров воды над поверхностью = рв(7\), объемную концентрацию паров Сп = Cj = а/Р0, и конденсирующей поверхностью 2, имеющей меньшую температуру Т2 и концентрацию паров С2 = = Рг /Ро = Р8 (Т2 )/Р0. Зазор между поверхностями заполнен не-конденсирующимся инертным газом, например воздухом с общим давлением смеси Ро = рп + Рг (см. рис. 54, б). Учитывая, что стенки 1 и 2 непроницаемы для газа, суммарный поток газа тг на них должен быть равен нулю, а с учетом уравнения неразрывности среды поток газа должен быть равен нулю и во всем объеме. Это условие обеспечивается тем, что по мере накопления газа у испаряющей стенки 1 в результате диффузии общее давление смеси у стенки Ро начинает повышаться и возникает движение смеси в целом в обратном направлении, т. е. молярный конвективный поток смеси, направленный от испаряющей 1 к конденсирующей стенке 2. Плотность потока газа, переносимого в этом движении, тг(к) = Upr = U r?t = RTT ^г» (4.19) где U— скорость конвективного движения смеси; R — газовая постоянная данного газа; рт, рГ — плотность и парциальное дав ление газа. Сумма диффузионного и конвективного потоков газа должна быть равна нулю: Dp dC р mr = mr(D) + тг(к) = “ ~R^T ~dx~ + UHJr Сг = °» отсюда определяется скорость конвекции: 1 dCr__________D dCn Ср dx 1 — dx (4.20) Поток пара будет равен сумме диффузионного и конвектив- ного потоков: mn ~ ~ DPP° dx + Црп = — DpP0 - _ _Е___ dCn £о_ _ ODPp dCn 1-Сп dx яп t'n- - !_Сп (4-21) Сравнивая полученное выражение с форм; лой (4.17), можно видеть, что возникновение конвективного переноса вещества интенсифицирует массообмен в отношении 1/(1 - СП). Интегрируя выражение (4.21) по ширине зазора I т„ 1 dC„
Если рассчитывать массообмен по аналогии с теплообменом (т. е. по формуле (4.17) ),не учитывая особенностей массообме-на, то для потока пара были бы получены заниженные значения по сравнению с данными, рассчитанными по формуле (4.22). Из рис. 55, где приведено отношение этих величин т„/тп(0) = (4.23) видно, что конвективное движение смеси вызывает существенную интенсификацию массообмена по сравнению с теплообменом — в рассмотренной системе двух поверхностей в 3 раза и более — в особенности при значительных концентрациях пара (0,9 ... 0,95). Приближенное подобие между теплообменом и массообменом существует лишь при незначительных перепадах концентраций пара (0,1—0,2). 4.4.2. Конвективный теплообмен и массообмен в движущейся среде Рассмотрим теперь процесс теплообмена, когда рабочая среда (жидкость или газ) движется относительно отражающих'теплопередающих поверхностей. Процессы теплообмена в этом случае существенно интенсифицируются в связи с появлением конвективного механизма теплопереноса, который дает конвективную составляющую потока qK=UpcT, (4.24) где U — скорость конвекции (движения) среды; с, р, Т — теплоемкость, плотность и температура среды. По этой причине распределение температур (поле температур) , определяющее теплопередачу, в значительной степени зависит от распределения скоростей в движущемся потоке. Распределение скоростей при движении у стенки определяется соотношением двух основных сил, действующих в текущей жидкости — сил инерции: fK = pUi, (4.25)
Рис. 56. Возникновение силы трения в потоке жидкости (а) и формирование гидродинамического (б) и теплового (в) пограничного слоев при входе жидкости в канал теплообменника и сил вязкостного трения, возникающих между двумя соседними слоями жидкости, движущимися с разными скоростями Uи U + bU (рис. 56,а): т = (4.26) где MJ — разность скоростей слоев жидкости, расположенных на расстоянии Эи; д —• коэффициент динамической вязкости жидкости, Н • с/м2. Касательное напряжение трения т приложено к единице условной поверхности раздела между соседними слоями жидкости и имеет знак минус, т. е. при возрастании скорости в направлении п, перпендикулярном движению (когда dU/bn >0), это напряжение действует тормозящим образом. Микрослой жидкости, непосредственно прилегающий к твердой поверхности, всегда неподвижен (17= 0). Поэтому при набегании потока на твердую пластину или при входе в трубу слои жидкости, прилегающие к поверхности, начинают затормаживаться силами вязкого трения и возникает явление образования гидродинамического пограничного слоя 6, в котором скорость жидкости резко изменяется от нуля до начальной скорости UQ в основном невозмущенном ядре потока (рис. 56, б). По мере продвижения вдоль оси х торможение распространяется в глубь потока, т. е. толщина пограничного слоя растет. В пограничном слое (согласно формуле (4.26,6)) сосредоточиваются основные силы вязкого трения, определяющие гидравлическое сопротивление при течении жидкости в каналах. С пограничным слоем, как будет показано ниже, связано основное термическое сопротивление при теплообмене потока жидкости со стенкой. Толщина гидродинамического пограничного слоя зависит от соотношения инерционных pU2 и вязкостных pbU/bn сил. Если ввести некоторый поперечный линейный размер /, характеризующий расстояние, на котором скорость в потоке изменяется от нуля до 170, то порядок вязкостных сил будет pUQ/l, а отношение инерционных и вязкостных сил даст гидродинамический критерий Re — число Рейнольдса Re = pUo ри0 и01 V (4.27) I =
Здесь v = р/р — коэффициент кинематической вязкости жидкости, м2 /с. Зависимость относительной толщины пограничного слоя от числа Re имеет вид Г- <4-28) где показатели степени m < 1, n < 1; К — постоянный коэффициент; х — координата вдоль обтекаемой поверхности. С увеличением инерционных сил (т. е. скорости 170 и числа Re) толщина пограничного слоя уменьшается, при этом возрастает гидравлическое сопротивление согласно (4.26); с увеличением вязкости v и уменьшением числа Re толщина слоя увеличивается. Характер развития пограничного слоя по длине и значения постоянных К, т, п зависят от геометрических условий течения (свободное обтекание пластины или стесненное течение в канале), а также от режима течения (ламинарное — число Re < < 103 или турбулентное Re >104). Если имеет место теплообмен между потоком и стенкой из-за разности температур между ними (То “ Тст), то аналогично гидродинамическому слою при входе жидкости в канал у поверхности твердой стенки возникает также тепловой пограничный слой — в невозмущенном ядре потока температура по сечению То сохраняется постоянной, прилежащий к стенке слой жидкости имеет температуру стенки Тст (рис. 56,в). Все изменение температуры Т0- Тст сосредоточивается в тонком слое 5Т, который развивается по мере продвижения жидкости вдоль оси х. Развитие теплового пограничного слоя зависит от распределения скоростей в потоке, и между параметрами гидродинамического и теплового слоев существует тесная взаимосвязь. Отношение толщины теплового слоя 5Т к толщине гидродинамического слоя 5 определяется отношением коэффициентов температуропроводности а = X/ср и кинематической вязкости среды р. Отношение v/a называется числом Прандтля Pr = v/a. Для ламинарного гидродинамического слоя отношение толщины слоев 4- = (-Г)1'1 = (4-29) У газов число Прандтля близко к единице и толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев приблизительно равны. Теперь можно найти плотность qK теплового потока между потоком среды и стенкой, которая согласно формуле (4.13) определится градиентом температуры на границе среда—стенка *Ту~'ст(к)‘ Приближенно величину градиента можно оценить по формуле (4.14), как (То _ Тст) /6Т. Отсюда . Ьт , ~ \ т° ~Тст /л чт «к = -*1-37(к) з; (4-3°)
Рис. 57. Градиент температуры у теплопередающей стенки в неподвижной 01 и движущейся в 2 жидкой среде В технических расчетах для характеристики интенсивности теплообмена между потоком и стенкой вводят величину коэффициента теплоотдачи к стенке а, Вт/(м2-К), и тепловой поток записывают как (4.31а) qk а(Тср Тст) Х| jy 'ст(к) ’ 1 I где TCD = — f Tdy — осредненная по сечению температура среды. Рис. 57 иллюстрирует физическую основу интенсификации теплообмена при движении среды у стенки (в2 >01). При отсутствии движения тепловой поток, передаваемый теплопроводностью через слой неподвижной среды (жидкости или газа) толщиной /, был бы <?о = -М171ст(о) = ^ Г°7ГСТ • (4-31б> Относительная интенсификация теплообмена, которую дает конвекция (движение) среды с учетом формул (4.30) и (4.31): । ,|8Т_| _Д(ТСР~ГСТ) .1 (Л.А9я\ q0 -| Эу ,ет(к),|Эу ст(0) Л(То -Тст) * (4,32а) Считая, что для относительно малых толщин пограничного слоя 6Т// < 1 величина средней по сечению температуры Тср близка к То, и определяя толщину теплового пограничного слоя 8Т из формул (4.28), (4.29), соотношение (4.32а) можно записать как 17 = Т-= tRe"(^")mprl/3- (4.326) Безразмерный комплекс al/У называется критерием (числом) Нусседьта Nu; он характеризует относительную интенсификацию теплопередачи при движении теплопроводящей среды у теплоотводящей стенки. Критерий Нуссельта является определяемым критерием, числа Рейнольдса и Прандтля — определяющими критериями. Выражение (4.326) является классическим критеральным уравнением теплопередачи на границе жидкость — твердое тело. Для теплообмена при ламинарном течении газов и жидкостей (Re < 2 ♦ 103 ) в трубах это уравнение имеет вид [32] Nu = 1,61 (Re • Рг 77 )гз , (4.33) где Nu = ad/X; Re = Ud/v, т. e. за определяющий поперечный размер I принимается диаметр трубы d,L — длина трубы. При турбулентном режиме течения (когда критерий Re >
>104 ) в ядре потока возникают турбулентные вихри, разрушающие нарастающий пограничный слой и перемешивающие жидкость в центре трубы. Уравнение теплообмена для турбулентного течения [33, 34] Nu = 0,021 Re0»3 Рг °>43 q, (4.34) где ei — поправка на входной участок трубы, при l/d > 50 е/ = 1. Рассмотрим теперь вопросы определения интенсивности массообмена между движущимся потоком и твердой стенкой. Движение среды вдоль твердой поверхности так же, как и в случае теплообмена, существенно интенсифицирует процесс в связи с появлением дополнительной конвективной составляющей переноса массы: тк = Piu = Ci и (4.35) (обозначения те же, что и в формуле (4.19)). На основе отмеченной аналогии между процессами теплообмена и массообмена (сравни формулы (4.13), (4.15) и (4.24), (4.35)) рассмотренные выше закономерности теплообмена в движущейся среде имеют место и для массообмена, а именно: в канале формируется поле концентраций диффундирующего вещества, аналогичное полю температур при теплообмене; на стенке образуется диффузионный пограничный слой, аналогичный тепловому слою; толщина диффузионного слоя 6 D связана с толщиной гидродинамического пограничного слоя 6 диффузионным критерием Прандтля PrD = v/D, аналогом теплового критерия Прандтля Рг = vfa (см. формулу (4.29)); интенсивность массообмена характеризует коэффициент массообмена (3, м/с, аналогичный коэффициенту теплоотдачи а (см. формулу (4.31а), тк = 0(рср - рст). В результате критериальные уравнения для расчета массообмена при движении среды полностью сохраняют свой вид для ламинарного (4.33) и турбулентного (4.34) режимов течения с той разницей, что вместо тепловых чисел Nu и Рг в уравнения входят их диффузионные аналоги Nuo = 01/D и PrD = v/D: NuP(0) = A RenPr£ . (4.36) Однако, как уже было отмечено, полная аналогия имеет место лишь при очень небольших градиентах концентраций переносимого вещества (см. рис. 55). Особенность массообмена заключается в возникновении конвективного потока смеси, перпендикулярного к стенке, с которой испаряется или на которой конденсируется рабочее вещество. При испарении этот поток направлен от стенки в среду, при конденсации паров — из среды к стенке (см. рис. 54, б). При течении среды, например парогазовой смеси в канале, со стенками которого осуществляется массообмен (конденсация
паров или испарение в среду), возникновение указанного поперечного потока в гидродинамическом отношении будет эквивалентно соответственно отсосу среды (при конденсации) или вду-ву среды (при испарении) в пограничный слой на стенке. Известно, что при отсосе среды из пограничного слоя (например, через пористую стенку) толщина его уменьшается; при этом согласно формулам (4.32а, б) интенсивность тепло- и мас-сообмена должна увеличиваться. При вдуве среды, наоборот, толщина слоя возрастает и интенсивность процессов должна уменьшаться [27,12]. Специальными исследованиями [2, 23] показано, что влияние указанного поперечного потока массы на толщину диффузионных пограничных слоев и на относительное изменение интенсивности массообмена по сравнению с аналоговой формулой (4.36) может быть описано дополнительным универсальным множителем, вводимым в эту формулу: Nuc = Nud(0) ( 1 (4.37) п _ Сп(0) ~ Сп(ст) где tf — --------------- — фактор отсоса или вдува; СП(л\, Vr(CT) ’ Сп (ст) ~ объемная концентрация переносимого вещества (пара) в потоке и у стенки; СГ(СТ) = 1 - СП(ст) — объемная концентрация неконденсирующегося, инертного газа смеси у стенки; Nup (о) — критерий Нуссельта, рассчитанный по аналогии с простым теплообменом, т. е. по формуле типа (4.36). Формула (4.37) является универсальной, так как позволяет рассчитывать интенсивность процессов массообмена как при конденсации паров, так и при испарении жидкостей в широком диапазоне содержания неконденсирующегося, инертного газа в рабочей среде (парогазовой смеси). В заключение остановимся на вопросе расчета гидросопротивления при конвективном тепло- и массообмене. Гидравлическое сопротивление при принудительном движении рабочей среды в каналах аппарата так же, как и интенсивность тепло- и массообмена, зависит от толщины гидродинамического пограничного слоя 6 и, следовательно, числа Рейнольдса. Гидравлическое сопротивление, т. е. потери давления ДР -= Pi - Р2 на отрезке трубы длиной L, можно определить из условия равенства сил давления и сил вязкого трения, действующих на элемент объема жидкости (ird2 /4) L : bPitd2 / 4 = rirdL. Порядок величины касательного напряжения трения г можно оценить из выражения (4.26), как г « дС70/8, где Uo — скорость в ядре потока, а 8 — толщина пограничного слоя, имеющая порядок согласно формуле (4.28) 6 * dRe"n. Отсюда гидравлическое сопротивление будет иметь порядок: др= 4-LT 4_L_ (4 38) а а о j2 р п > \ / гдеп < 1 и Др~ сН1 -п).
Отсюда видно, что увеличение скорости С70 и числа Рейнольдса, дающее уменьшение толщины пограничных слоев и интенсификацию тепло- и массообмена (4.32), неизбежно приводит к одновременному возрастанию гидравлических потерь энергии на вязкое трение в потоке рабочей среды. При ламинарном течении жидкостей в каналах (Re < 2 • 103) гидравлическое сопротивление пропорционально первой степени средней скорости течения в канале UQ. Для стабилизированного течения в длинных каналах (4-ЗЭ) При турбулентном течении в гладких трубах (Re >104) гидравлическое сопротивление пропорционально квадрату средней скорости в канале: ДРтурб~ pUo [8,12]. 4.4.3. Оптимизация параметров бортовых тепло- и массообменных аппаратов Основные задачи проектного расчета тепло- или массообменного аппарата обычно сводятся к определению необходимой рабочей поверхности F, массового расхода среды т и возникающего гидравлического сопротивления ДР, требующихся для обеспечения заданной тепловой (или массообменной) производительности аппарата Q при заданных температуре среды То на входе в аппарат и температуре поверхности теплообмена Тс: F= Q/[a(Tcp-rc)], (4.40) т= Q/[c(T0-Tk)], (4.41) где Тер — средняя температура рабочей среды по длине канала аппарата; Тк — температура среды на выходе из аппарата; с — удельная теплоемкость среды, Дж/кг • К. Величина ДР для ламинарного потока определяется формулой (4.39). Величины F, т и АР определяют основные технические параметры аппарата — массу его конструкции: MK=kMF (4.42) и энергозатраты на прокачку рабочей среды через аппарат: #=тДР/(ре), (4.43) которые в свою очередь сводятся к эквивалентной массе затрат электроэнергии на борту: MN = mN^ = mN^Pml(Pe) • (4.44) Здесь kM — конструктивный коэффициент (удельные затраты массы на 1 м2 поверхности аппарата, кг/м2); р — плотность среды; е — общий КПД привода и побудителя расхода рабочей среды — насоса или вентилятора: mN — удельные затраты массы на получение единицы электрической мощности на борту, кг/кВт.
Рис. 58. Изменение температурного перепада (Т — Тст) по ходу потока среды в теплообменном канале Величина а, определяющая рабочую поверхность F, и гидрооопро-тивление ДР, как было показано в предыдущем разделе, взаимосвязаны через режимные параметры про цесса (число Re и скорость потока 17) в аппарате. Это допускает их оптимизацию, т. е; выбор таких значений режимных парамет- ров, при которых суммарные эквивалентные затраты массы на осуществление процесса тепломассообмена в бортовых условиях (Мк +А/;у) будут минимальными. Поиск таких оптимальных значений параметров аппарата методом последовательных приближений в каждом отдельном случае проектирования требует громоздких и трудоемких расчетов. Поэтому ниже рассматривается общий подход к решению задачи оптимизации тепломассообменной бортовой аппаратуры СЖО. Рассмотрим случай простого теплообменника, например, охлаждающего поток несжимаемой среды — жидкости или воздуха (рис. 58). Сначала выразим неизвестные Тср и Тк через То и Тс. Уменьшение теплосодержания (тсТ) потока среды при прохождении элементарного участка канала теплообменника Дх определится тепловым потоком а(Т- Тс), отводимым в холодную стенку на этом участке: тс Дх = -а(Т- Тс)ПДх, где Т = f (х) — местная температура среды; П — периметр канала —для трубы П = ird. Интегрируя это уравнение в пределах от х = О, Т = То Д° некоторого текущего значения х и Т: Т dT_______аП х J Т~ТС - me J ах> ° , z Т-Тс ч аП получим In (Го , у"-) = “ 777" т. е. экспоненциальное падение температурного перепада по длине х канала: ДТ Т Те / аПх ч 4 л ЗтУ ~ То-Тс “ехР(- тс (4.45) где То ~ температура среды на входе в канал, а ДТ0 — начальный, максимальный перепад температур между средой и стенкой на входе; (знак exp (z) означает е2). Подставив в формулу (4.45) полную длину трубы х = L, получим значение минимального перепада температур на выходе из трубы: _ Тк— Тс _ z aF х Дто ТО“ТС тс ь где F — рабочая поверхность канала, F = ПЬ. 126 (4.45а)
Вычитая обе части равенства (4.45а) из единицы, получим выражение для подохлаждения жидкости (рабочей среды) в канале ДТЖ = То ~ Тк. Относительная величина подохлаждения ДТЖ/ДТО показывает степень использования начального полного перепада температур То - Тс в теплообменнике; назовем ее для краткости степенью использования перепада т?: _ ^Тж _ Тр - Тк _ 1 _ aF \ /л П - - ТО~ТС -1 ехр( тс Ь (4.46) Интегрируя значение текущего температурного перепада по длине х от 0 до L в формуле (4.45) и деля его на L, можно получить известное в теплопередаче выражение для среднего (среднелогарифмического) перепада температур, входящего в выражение для определения поверхности аппарата (4.40): ДТср = Тер - Тс = (То - Тк)/1п(ДТо/ДТк). (4.47) С помощью соотношений (4.45а) и (4.46) выразим средний перепад ДТср и величину подохлаждения жидкости ДТЖ через начальный перепад температур ДТ0 и величину rj: ДТср = ATon/ta ; (4.48а) ДТж = ДТоП- (4.486) Теперь можно выразить основные характеристики теплообменника — рабочую поверхность Н (по формуле (4.40)) и массовый расход т (по формуле (4.41)), в функции заданного начального перепада температур ДТ0 и одного варьируемого параметра — степени использования перепада т?: F~ аДТср ~ аАТ0 ~тГ l-i? ’ (4.49а) <4-49б> Заметим, что в этих формулах величина Fmjn = (?/(аДТ0) имеет физический смысл некоторой минимальной поверхности теплообменника в случае, если бы температура среды по длине канала не убывала (Т = То = const) и средний перепад был бы максимально возможным (ДТср = ДТ0 — случай т? -> 0, см. рис. 58) . Величина Q/(cAT0) = m^in имеет смысл минимально возможного расхода, когда рабочая среда полностью охлаждается до температуры стенки Тк = Тс, т. е. величина подохлаждения максимально возможная (ДТЖ = ДТ0 — случай т? -> 1). Поэтому, чтобы выявить влияние параметра i? на относительное изменение поверхности и массового расхода, формулы (4.52а) и (4.526) запишем в относительном, безразмерном виде: (4.50а) (4.506) Т? " 1-1? ^min m mmin = 1/П
Рис. 59. Зависимость относительной рабочей поверхности теплообменника 1, массового расхода рабочей среды 2 и энергозатрат на прокачку среды 3 от степени т? использования начального температурного перепада Из рис. 59, где приведены эти зависимости, видно, что при малых значениях 1? < 0,4 гиперболически растет величина расхода среды. Еще более интенсивно будут расти затраты энергии N на прокачку среды, так как гидросопротивление в формуле для энергозатрат (4.43) при прочих равных условиях также пропорционально величине расхода т, т. е. скорости U (при ламинарном течении, как минимум, в первой степени — см. формулу (4.39)); в результате относительные энергозатраты N/Nmin оказываются пропорциональны-миЛГ/ЛГпПп = 1/т?2. В то же время стремление к получению больших rj, т. е. к максимальному использованию начального перепада температур, уже при т? >0,8 приводит к существенному возрастанию рабочей поверхности и, следовательно, массы теплообменника. Анализ по приведенным кривым носит качественный характер, окончательная оптимизация по параметру т? требует учета конструктивного коэффициента feM и удельной массы энергозатрат mN, зависящей от типа системы энергопитания КЛА (см. формулы (4.42), (4.44)). Тем не менее диапазон оптимального выбора j? достаточно ограничен — обычно т? * 0,6 ... 0,8. Выбрав т? в данном диапазоне, можно сразу определить величину необходимого массового расхода т по соотношению (4.496) и, считая теперь расход постоянным, перейти к оптимизации гидродинамических параметров теплообменника, определяющих коэффициент теплоотдачи и гидросопротивление в формулах (4.49а), (4.43). Для ламинарного режима течения коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения (4.33): а = A(Re.Pr -7-)*'3 = а L/ = = , (4.51) где Ki =АХ/а1/3 — константа, учитывающая теплофизические параметры рабочей среды. Гидравлическое сопротивление для ламинарного течения определится по формуле (4.39): ДР = 32Д. а а Уже в этих формулах прослеживается общий определяющий параметр Ufd — отношение скорости течения в канале к его поперечному размеру (диаметру трубы d). Влияние этого параметра на массу и энергопотребление теплообменника, как видно из формул (4.40) и (4.43), разнонаправленное, т. е. с увеличением (U/d) поверхность и масса аппарата убывают, а энергозатраты растут. Величина скорости 17 при постоянной величине выбранного расхода
определяется только геометрией каналов и площадью проходного сечения $ каналов, т. е. количеством каналов и и их диаметром: U = т = т pS pnltiPI* Поэтому второй шаг оптимизации теплообменника сводится к выбору таких геометрических параметров теплообменника (длины L, диаметра d, количества п каналов), которые обеспечивали бы минимальную суммарную массу конструкции и энергозатрат Мк + (при выбранной величине расхода т и 1?). При заданной величине расхода т рабочая поверхность теплообменника выражается из формул (4.49а), (4.496): F = JH£- 1П7±-. (4.52) а 1—1? Теперь можно записать массу конструкции и энергозатрат в функции только величины расхода и указанных геометрических параметров (U/d) и (L/d): мк = Лм F = ; (4.53) MN = mN = mNmB2(-^-) (“j“) > (4.54) где остальные величины, входящие в коэффициенты и В2, представляют собой либо теплофизические константы (а, X, с, V — коэффициенты температуропроводности, теплопроводности, теплоемкости и кинематической вязкости), либо величины, которые можно считать мало меняющимися при изменениях параметров (U/d) и (L/d): Bi = с(aL)1,э In[1/(1 — 1?) ]/(АЛ), В2 = 32Р/е. Если рассчитан первый вариант теплообменника, который имеет массу ^к(О) и массовый эквивалент энергозатрат Af]V(O) при значениях параметров (U/d)Q и (L/d)o, то можно проследить относительное изменение масс Мк и MN при вариации параметра (U/d): мк1Мк{0} =(-^-)J/’/(-^-)1'3 ; (4.55) Mj^/Mjv(0) = (-j-)/(-^-)o . (4.56) а при вариации параметра (Lid) относительное изменение массы М^: MnIMN(0) = (^-)/(^-)о- (4.57) Характер этих зависимостей (рис. 60) показывает существование оптимальных значений параметров (Uld), (L/d), при которых суммарные затраты массы Мк + М^. на осуществление теплообмена в бортовых условиях минимальны. Конкретное значение этих оптимальных геометрических параметров будет зависеть от значений коэффициентов, входящих в формулы (4.53) и (4.54) и учитывающих род рабочей среды, конструкцию теплообменника (feM, кг/м2 ) и тип системы энергопитания на КЛА (т^, кг/кВт). Рассмотренные принципы оптимизации полностью применимы и для проектирования массообменных аппаратов, в силу аналогии между про- цессами тепло- и массообмена и единства методик их расчета с той только разницей, что коэффициенты массообмена определяются по критериальным формулам (4.37), включающим поправку на поперечный поток массы. Рис. 60. Относительное изменение массы конструкции теплообменника Мк/Мк (о) (1) и эквивалентной массы энергозатрат на прокачку среды Мдо/Л/дцо) (2, 3, 4) при вариации параметров U/d и ^=1/d\ 2-ЭД0 =1; З-^о = 2; 4-^о=3
ГЛ ABA 5. ВАРИАНТЫ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 5.1. СУММАРНАЯ ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА КОМПЛЕКСА СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ С УЧЕТОМ ЭНЕРГОПИТАНИЯ И ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ Построение и выбор оптимального комплекса СЖО для конкретного КЛА является одной из главных проектных задач, когда технические характеристики отдельных СЖО известны. При решении этой задачи уже недостаточно оперировать толь* ко собственными характеристиками СЖО — их массой и энергопотреблением, а Необходим комплексный анализ с учетом характеристик бортовых систем данного КЛА, взаимосвязанных с СЖО, в частности систем энергопитания (СЭП) и терморегулирования (СТР). Для количественного анализа эффективности комплекса СЖО на конкретном КЛА целесообразно использовать понятие суммарной эквивалентной массы комплекса, включающей в себя собственно массу СЖО и присоединенную эквивалентную массу взаимосвязанных с ним систем — СЭП и СТР, необходимую для обеспечения работы комплекса СЖО. Общими техническими характеристиками комплекса СЖО являются: масса комплекса в функции продолжительности полета (см. разд. 1.5): МСЖО = М« + тт » где т — суточный расход веществ на обеспечение одного человека, кг/сут; среднесуточная мощность потребления электроэнергии N, кВт; среднесуточное потребление тепловой энергии QT, кВт; среднесуточное тепловыделение (нагрузка СТР) QCTp, кВт. Суммарная эквивалентная масса комплекса выразится, как сумма: Мс = Мо + тт + mNN + mqQr + mCTp QCTp , (5.1) где mff — удельная масса электроэнергии в данной СЭП, кг/кВт; mq — удельная масса тепловой энергии (при наличии на борту специального источника тепла, если используется электроэнергия, mq = mN); тстр — удельная масса радиационных поверхностей СТР для отвода в космос 1 кВт тепловыделений СЖО. Коэффициенты mN, mq, mCTp отражают характеристики бортовых систем СЭП и СТР, взаимосвязанных с СЖО, и выражение (5.1) может служить критерием оценки эффективности данного типа комплекса СЖО для конкретного КЛА.
Очевидно, что величины присоединенной эквивалентной массы и суммарной эквивалентная масса СЖО будут различными в зависимости от типа СЭП и СТР КЛА. Остановимся вкратце на возможных типах бортовых СЭП и их характеристиках. По характеру источника энергии бортовые СЭП делятся на три основные группы: СЭП, использующие химическую энергию запасов рабочих тел; СЭП, использующие солнечную энергию; СЭП на основе запасов ядерного горючего. Для СЭП первого типа характерно то, что их масса растет пропорционально продолжительности их работы на борту за счет запасов расходуемых рабочих тел. Для обеспечения мощности N, кВт, в течение времени работы т потребуется масса СЭП •Мсэп = ЗбООт^ЛГт, (5.2) где mNT — удельный расход рабочих тел СЭП, кг/Дж. К этому типу СЭП относятся прежде всего аккумуляторные батареи, использующие при работе изменение химической энергии гальванической пары электродов и электролита. Удельный расход массы здесь наиболее высок: mNT = (2,5 - 4,0) • 1СГ 3 кг/кДж. Значительно ниже расход массы рабочих тел в более совершенных преобразователях химической энергии в электрическую — в топливных элементах, использующих в качестве рабочих тел водород и кислород. Принцип работы топливного элемента в термодинамическом отношении обратен работе электролизера воды, рассмотренного в разд. 3.2.3. В топливном элементе происходит окисление водорода кислородом, при этом выделяется тепло и свободная энергия (AG = 237 кДж на 1 моль образующейся воды), которая может быть преобразована в электрическую работу: 2Н2 + О2 - 2Н2О + (AG + TdS). (5.3) Окисление водорода производится на электроде, отделенном от кислородного электрода прослойкой электролита, например щелочного (см. разд. 3.2.3). При окислении молекула водорода теряет электроны и водородный электрод заряжается отрицательно (катод), а кислородный — положительно. Расход рабочих тел на единицу вырабатываемой электроэнергии зависит также от поляризационных и омических потерь, связанных с величиной плотности электротока в элементе, и составляет обычно (0,1 ... 0,14) • 10г3 кг/кДж [11]. В этом типе СЭП продукт реакции (5.3) — вода может использоваться для нужд СЖО и других бортовых систем. Масса СЭП второго типа, использующих солнечную энергию от времени работы практически не зависит. Характеристикой таких систем может служить их удельная масса на выработку единицы электрической мощности mN, кг/кВт.
Преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено различными способами: преобразованием тепловой энергии солнечного излучения в механическую с помощью турбокомпрессорного цикла (паровой или газовой турбины) и затем в электрическую ,с помощью электромеханического генератора; термоэлектрическим способом, основанным на эффекте возникновения электрической разности потенциалов между горячим и холодным спаями двух различных металлов; прямым фотоэлектрическим преобразованием, непосредственно использующим световую энергию солнечного излучения, т. е. солнечными батареями. Для условий бортовой эксплуатации в конструкционном отношении наиболее просты и надежны солнечные батареи. Работа солнечных батарей основана на фотоэлектрическом эффекте, т. е. на способности некоторых полупроводников вырабатывать электрический потенциал при освещении вентильного, т. е. запорного, слоя полупроводника. Конструкция фотоэлектрического элемента представляет собой двухслойную пластину из кремния, верхний слой которой прозрачен, а граница раздела (запорный слой) способна пропускать электроны только в направлении нижнегЬ слоя. Поэтому при воздействии светового потока возбужденные электроны верхнего слоя, получившие энергию квантов света, преодолевая потенциальный барьер запорного слоя, переходят в нижний, создавая в нем избыточный отрицательный потенциал, который может быть использован как электродвижущая сила. Величина разности потенциалов на элементе составляет от 0,3 до 0,5 В в зависимости от освещенности и плотности тока. В конструкции плоских панельных солнечных батарей отдельные элементы соединяются в несколько последовательных цепей до достижения необходимого напряжения и общей мощности. КПД кремниевых солнечных батарей составляет 5—7%, т. е. при солнечной постоянной 1400 Вт/м2 1 м2 батарей обеспечивает мощность 70—100 Вт. Это соответствует удельным затратам массы около mN = 100 ... 140 кг/кВт. С учетом того, что при орбитальных полетах КЛА часть времени находится в тени Земли и в состав СЭП должны входить буферные аккумуляторные батареи, запасающие энергию, величина mN может возрастать до 150— 200 кг/кВт [11]. Перспективные фотоэлектрические элементы на основе арсенида галлия позволяют повысить КПД солнечных батарей до 10-12%. Машинное преобразование солнечной энергии в электрическую, например с помощью газотрубинного цикла (цикл Брайтона) или паротурбинного цикла (цикл Ренкина), позволяет повысить КПД использования солнечной энергии до 19—25%. Однако при этом существенно возрастает сложность конструкции и эксплуатации СЭП. Удельная масса механических преобразователей
тепла зависит от мощности СЭП и при небольших мощностях (1,5—2 кВт) имеет порядок 50—80 кг/кВт [11]. Третий тип СЭП — ядерно-энергетические установки — основан на использовании тепловой энергии, образующейся при управляемом ядерном распаде радиоактивных элементов. При использовании долгоживущих элементов, например урана U23s, массу ядерного реактора в пределах 1—2 лет работы можно считать практически не зависящей от времени. В ядерном реакторе просто получить высокие температуры, поэтому для преобразования тепла в электричество можно применить конструктивно простые системы прямого преобразования энергии, эффективность которых возрастает с повышением температурного уровня подвода тепла, — термоэлектрические преобразователи (КПД 4—7%) и термоэмиссионные преобразователи (КПД 8-17%). Более высокими КПД преобразования энергии обладают упомянутые выше установки машинного преобразования. Рабочий цикл этих установок заключается в том, что рабочее тело (газ — в цикле Брайтона или пары жидкости —.в цикле Ренкина), нагреваясь за счет тепловыделения реактора, повышает свое давление и температуру, а затем отдает эту энергию, расширяясь в турбине, которая вращает вал электрогенератора. После прохождения турбины рабочее тело охлаждается в теплообменнике — радиаторе, сбрасывающем тепло в космос, и путем сжатия компрессором (или перекачки гидронасосом в случае парожидкостного цикла Ренкина) принудительно подается обратно в тепловой реактор для нагрева. КПД использования исходной тепловой энергии в цикле Брайтона достигает 19—25%, в цикле Ренкина 30—35%. Удельная масса mN таких СЭП существенно зависит от их общей мощности ^сэп > так как масса собственно ядерногЬ топлива составляет небольшую долю от общей массы СЭП ЛГсэд, включающей массу конструкции реактора, машинного преобразователя, радиатора и главное — массу экранов биологической защиты экипажа от нейтронного и у-излучения, сопровождающего работу ядерного реактора (масса защиты имеет порядок 500—1000 кг). Масса этих экранов сравнительно слабо зависит от количества ядерного топлива в реакторе, поэтому с увеличением мощности СЭП (т. е. количества топлива) удельная масса энергии снижается почти гиперболически: mN « ^сэп/^СЭП [И]. Значительно меньшей защиты требуют изотопные источники тепловой энергии. Ряд радиоактивных изотопов распадается с выделением только а-частиц, которые обладают малой проникающей способностью и полностью поглощаются листом металла толщиной в сотые доли миллиметра. Скорость распада изотопов имеет определенное значение и соответствует мощности энерговыделения изотопа, например для плутония Ри238 эта мощность составляет
около 0,5 кВт на 1 кг изотопа, для полония Ро210 — до 5 кВт на 1 кг. Сравнительная характеристика СЭП различного типа приведена в табл. И [41]. Таблица И Сравнительная характеристика систем энергопитания различных типов Тип СЭП Удельный расход рабочих тел т^г • 103 кг/кДж Удельная масса энергии mjj, кг/кВт Примечания Химические аккумуляторные батареи 2,5—4,0 — Кислород-водородные топливные элементы 0,1-0,14 — Солнечные батареи с кремниевыми полупроводниками 100—140 150-200 кг/кВт с учетом теневых орбит ИСЗ Солнечные системы с машинным преобразованием — 50-80 — Ядерный реактор (U235 ) 250-350 7-10 При мощности СЭП А^СЭП < < 3 кВт При N > > 300 кВт Изотопный источник энергии (Ри238 ) — 130-280 При ^СЭП * « 1,5 ... 6 кВт Удельная масса наружных радиаторов систем терморегулирования тетр, как было определено в разд. 2.6, для температурного уровня отвода тепла из СЖО (~ 276—280 К) составляет около 50 кг на 1 кг отводимого тепла. 5.2. ВАРИАНТЫ КОМПЛЕКСОВ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 5.2.1. Комбинированный комплекс СЖО с минимальным энергопотреблением Из рассмотренных в гл. 2 и 3 систем жизнеобеспечения можно построить серию вариантов комплексов СЖО, существенно различающихся по своим характеристикам — потреблению энергии и удельному суточному расходу массы. Выбор оптимального варианта определится задачами КЛА, длительностью полета и возможностями бортовых СЭП и СТР. Рассмотрим последовательно несколько вариантов комплексов СЖО с возрастающей степенью замкнутости, в частности первый комплекс, включающий в себя запасы химически связанного кислорода в виде перекиси водорода и частичную регенерацию 134
воды из конденсата атмосферной влаги. Такие комплексы называются комбинированными, так как включает в себя СЖО различных типов — с запасами веществ и с регенерацией веществ. Применение их оправдано тем, что они, не требуя существенного увеличения энергозатрат, позволяют заметно снизить суточный расход массы запасов на жизнеобеспечение. Структура такого комплекса (рис. 61) включаете себя: систему кислородообеспечения с запасами перекиси водорода в баках 1, блоками разложения перекиси водорода 2 и конденсации паров воды 3; систему очистки атмосферы на основе твердых регенерируемых поглотителей 4; теплообменник—осушитель атмосферы отсека 5; систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (КАВ) 6; систему удаления отходов (ассенизационно-санитарное устройство с контейнерами сбора отходов) 7; систему обеспечения питания 8, включающую в себя запасы продуктов питания в упаковке и средства подогрева, приготовления и приема пищи. Эти системы обеспечивают непосредственные физиологические нужды (жизнедеятельности) человека и главным образом определяют общие массоэнергетические характеристики комплекса СЖО. Помимо них в состав комплекса входят средства санитарно-гигиенического обеспечения (душевая установка 9 с блоком 10 регенерации санитарно-бытовой воды), а также прочие средства обеспечения бытовых нужд, индивидуальной защиты, регулирования давления, рассмотренные в разд. 2.4, 2.5, 2.6. Эти средства и их масса остаются практически без изменений в различных вариантах комплексов СЖО и в дальнейшем сравнительном анализе вариантов они учитываться не будут. Принципиальные схемы указанных систем описаны в соответ- кислорода и частичной регенерации воды
Перекись водорода подается из баков с расходом 1,9 кг на одного человека в сутки. После разложения перекиси на кислород и воду в каталитическом реакторе блока 2 (см. рис. 61) вода проходит очистку в колонках с адсорбентами блока 3 и поступает на питье в количестве 1 кг/сут. Отделенный от воды кислород поступает в атмосферу отсека в количестве 0,9 кг/сут. Остальное количество воды (1,5 кг) человек получает из системы регенерации воды из конденсата (сокращенно СРВ-К) — 1 кг и с продуктами питания, которые содержат около 0,5 кг воды в необходимой массе суточного рациона питания (1,1 кг/сут). Пары воды, выделяемые человеком в атмосферу в количестве 1,2 кг/сут конденсируются на холодных поверхностях теплообменника-осушителя 5; при этом по балансу образуется даже некоторый избыток воды — 1 кг воды направляется на очистку в СРВ-К (блок б), а 0,2 кг сбрасываются в систему удаления отходов 7. Выделяемый человеком при дыхании углекислый газ поглощается адсорбентами системы очистки атмосферы 4 (сокращенно СОА); при вакуумной регенерации адсорбентов этот СО2 полностью выбрасывается в наружное космическое пространство в количестве 1 кг/сут. Отходы жизнедеятельности — урина (1,6 кг/сут) и твердые отходы (0,2 кг/сут) — собираются в системе удаления отходов 7 и по мере накопления также могут удаляться из отсека в наружное пространство. Таким образом в данном комплексе суммарный расход веществ — перекиси водорода и продуктов питания — составляет 3 кг/сут; соответственно ему равен суточный расход удаляемых продуктов жизнедеятельности — углекислого газа и отходов. К указанному расходу массы чистых веществ добавляется масса емкостей для их хранения, масса расходуемых фильтров и адсорбентов очистки воды и масса теряемых веществ (см. табл. 5): баки перекиси водорода (25% от ее массы) — 0,5 кг; упаковка продуктов питания (40%) — 0,4 кг; колонки очистки воды СРВ-К — 0,1 кг; колонки очистки воды из Н2О2 — 0,05 кг; емкости сбора урины (25%) — 0,4 кг; емкости сбора твердых отходов (50%) — 0,3 кг; потери воздуха при вакуумной регенерации адсорбентов СОА — до 0,3 кг, т. е. в сумме 2,05 кг/сут. (Эти величины указаны на рис. 61 внутри обозначений блоков в скобках). Суммарный удельный расход массы на жизнеобеспечение одного человека в данном комплексе составляет около 5 кг/сут. Расход массы адсорбентов на очистку санитарно-гигиенической воды в душевой установке 9 (см. рис. 61) также имеет место. При периодическом пользовании душем раз в семь суток про-136
изводительность блока очистки воды 10 должна иметь порядок 0,5 кг воды в сутки на человека (см. разд. 2.4), что соответствует расходу адсорбентов около 0,05—0,1 кг/сут. Однако, как было отмечено выше, эта система остается без изменений в различных вариантах комплексов СЖО и в сравнительном анализе вариантов ее рассматривать далее не будем. Энергопотребление комплекса определяется главным образом энергозатратами на регенерацию поглотителей СОА —100 Вт на человека. Электрическое оборудование остальных систем — вентиляторы системы удаления отходов, нагреватели пищи, насосы блоков очистки воды (газоанализаторы атмосферы и т.п.) — работает циклически с большой скважностью. Поэтому среднесуточное энергопотребление этих систем не превышает 2—4 Вт. Мощность постоянно работающего вентилятора теплообменника-осушителя 5 также имеет порядок 5 Вт. Суммарная среднесуточная мощность потребления электроэнергии рассмотренным комплексом СЖО составляет около 120 Вт. Постоянная (начальная) масса каждой системы, включающая ее оборудование (вентиляторы, насосы, арматуру, силовую конструкцию, приборы автоматики), зависит от степени сложности технологической схемы системы и может составлять от 30 до 60 кг на человека (см. разд. 1.5, 2.12). Пять основных систем, входящих в рассмотренный комплекс, имеют относительно простые схемы (без сложных замкнутых тепломассообменных и циркуляционных контуров); поэтому суммарную начальную массу комплекса можно оценить в 140—150 кг. 5.2.2. Частично замкнутый комплекс СЖО Рассмотрим теперь вариант комплекса СЖО, основанного на частичной регенерации кислорода по циклу Сабатье и на полной регенерации воды (рис. 62). В этом комплексе по сравнению с рассмотренным выше полностью остается без изменений лишь система СРВ-К, остальные
системы частично изменяют свои функции и появляются две новые системы — регенерации кислорода из углекислого газа и регенерации воды из урины. Система очистки атмосферы 1 в данном комплексе выполняет также функцию концентрирования углекислого газа и подачи его на переработку в систему регенерации кислорода (см. рис. 29). В связи с этим энергопотребление СОА увеличивается до 200 Вт на человека. Система регенерации кислорода включает в себя реактор Сабатье 2 электролизер воды 3. В реакторе Сабатье углекислый газ, взаимодействуя с водородом, образует метан и воду, метан выбрасывается за борт, а вода поступает на электролизер 3, где разлагается на кислород и водород. Кислород поступает в атмосферу отсека, а водород возвращается в реактор Сабатье (см. схему на рис. 32). В связи с тем, что половина водорода, участвующего в реакции Сабатье, теряется с метаном, в данной системе для замыкания баланса по водороду в цикл добавляют воду из запасов 4 (0,5 кг/сут). При электролизе этой воды образуется половина необходимого человеку кислорода (0,45 кг), поэтому углекислый газ в данной системе используется только в количестве около 60% от выделяемого человеком, остальные 40% сбрасываются за борт. Запас воды можно уменьшить до 0,3 кг/сут, используя избыток воды, образующийся при регенерации воды из урины и конденсата — 0,2 кг. В предыдущем варианте комплекса этот избыток, образующийся за счет метаболической воды (см. разд. 1.1 и 3.1) сбрасывался за борт. Отходы жизнедеятельности собираются сйстемой удаления отходов (СУО) 5 так же, как и в предыдущем варианте комплекса; однако урина не складируется в контейнеры, а после отделения от воздуха направляется на регенерацию в систему 6 регенерации воды из урины (СРВ-У). Это позволяет уменьшить массу контейнеров сбора отходов до 0,3 кг/сут. В СРВ-У из исходного количества урины 1,6 кг/сут регенерируется 96—97% воды (1,5 кг), остальное количество воды (0,05 кг) сбрасывается за борт вместе с солями урины в виде нерегенерированного остатка в количестве 0,1 кг/сут. При работе СРВ-У потребляется тепловая или электрическая энергия на перегонку воды, которая составляет при работе 120 Вт или 90 Вт среднесуточно (см. разд. 3.3.2). Действие СРВ-К 7 и теплообменника-осушителя 8 аналогично рассмотренному выше. В сумме системы регенерации воды вырабатывают в сутки 2,7 кг воды, из которых 0,2 кг идет в систему регенерации кислорода 3, а 2,5 кг — на потребление человеком виде питьевой воды и для приготовления (обводнения) продуктов питания 9, находящихся в обезвоженном, лиофилизированном виде в данном комплексе СЖО (см. разд. 2.3). Хранение запасов продуктов в обезвоженном виде позволяет снизить их удельный расход до 0,6 кг/сут.
Расход веществ в данном -варианте комплекса составляет 0,3 кг воды и 0,6 кг продуктов питания, т. е. 0,9 кг/сут; этому соответствует количество удаляемых из КЛА веществ — метана, углекислого газа, твердых отходов и остатка регенерации урины. Остальные расходуемые элементы: емкости хранения запасов воды — 0,05 кг; упаковка продуктов питания — 0,25 кг; контейнеры сбора твердых отходов — 0,3 кг; колонки очистки воды СРВ-К и СРВ-У — 0,2 кг. В сумме удельный расход массы в данном комплексе СЖО т = 1,7 кг/сут на одного человека. Энергопотребление комплекса складывается из потребления СОА (200 Вт), СРВ-У (90 Вт), электролизера воды (250 Вт) и прочих малопотребляющих систем — СУО, теплообменника-осушителя, системы обеспечения питанием (около 15 Вт среднесуточно) и в сумме составляет около 555 Вт на человека. За исключением электролизера, энергия, потребляемая системами, практически полностью переходит в тепло, выделяемое в атмосферу отсека или непосредственно в теплообменник и СТР в системах. В электролизере в тепло переходит около 50% потребляемой энергии, т. е. 125 Вт. Отсюда общая нагрузка на СТР с учетом тепловыделения человеком (145 Вт) составляет в данном комплексе СЖО около 575 Вт. В связи с введением в состав комплекса двух новых систем с замкнутым технологическим циклом и сложным агрегатным оборудованием — системы регенерации кислорода и регенерации воды из урины, имеющих максимальную начальную массу (около 80 кг на человека), постоянная начальная масса комплекса возрастает до Ма = 300 кг. Особенностью данного комплекса по сравнению с первым вариантом является отсутствие проблем длительного хранения запасов веществ в нем — воды и обезвоженных продуктов питания — в отличие от перекиси водорода, имеющей определенную скорость самопроизвольного разложения, и обводненных продуктов, имеющих ограниченный срок хранения. 5.2.3. Максимально замкнутый комплекс СЖО Рассмотрим комплекс с полной регенерацией кислорода на основе высокотемпературного электролиза углекислого газа и с полной регенерацией воды.. В этом комплексе по сравнению с предыдущим вариантом изменяется только система регенерации кислорода (рис. 63). Концетрированный СО2 из СОА 1 полностью подается в высокотемпературный электролизер 2 с твердым электролитом, где происходит его разложение на кислород и окись углерода. Кислород подается в атмосферу отсека; окись углерода поступает в реактор Бодуара 3, где производится
С(),2Вкг) Рис. 63. Максимально замкнутый комплекс СЖО ее рекомбинация в углерод и остаточное количество СО2, который возвращается в электролизер 2 на доразложение (см. схему системы — рис. 33). Углерод 4 в виде сажи может удаляться из КЛА за борт в количестве около 0,28 кг/сут. При разложении всего углекислого газа образуется, как было отмечено в разд. 3.2.2, около 80% необходимого кислорода. Для получения остальных 20% необходимо разлагать часть метаболической воды (0,2 кг/сут) в отдельном малом электролизере 5; образующийся при этом водород (0,02 кг/сут) удаляется. Состав и работа остальных систем СРВ-У (6),СРВ-К (7) и ТО (8) полностью аналогичны предыдущему варианту комплекса. Расходуемое вещество в данном комплексе — только обезвоженные продукты питания 10 (0,6 кг/сут); удаляемые вещества СУО 9 — углерод, водород, твердые отходы и остаток урины из СРВ-У (в сумме 0,6 кг/сут). Расходуемые элементы: упаковка продуктов питания — 0,25 кг; контейнеры сбора твердых отходов — 0,3 кг; колонки очистки воды СРВ-У и СРВ-К — 0,2 кг. Суммарный удельный расход массы в комплексе—1,35 кг/сут. Расход энергии в комплексе несколько ниже, чем в предыдущем в связи с повышением эффективности процесса электролиза при высоких температурах (около 220 Вт вместо 250 Вт на низкотемпературный электролиз). Энергопотребление комплекса составляет около 525 Вт, нагрузка на СТР — 550 Вт. Постоянная (начальная) масса комплекса Мо несколько выше, чем в предыдущем варианте в связи с усложнением агрегатного оборудования системы регенерации кислорода, включающей высокотемпературные агрегаты и узлы сбора и выгрузки твердого углерода. Приближенно можно принять Мо = 350 кг.
5.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВАРИАНТОВ КОМПЛЕКСОВ СЖО На основе проведенного анализа можно определить суммарную эквивалентную массу вариантов комплексов СЖО по формуле (5.1), учитывающей собственную массу СЖО и эквивалентную массу СЭП и СТР в функции длительности пилотируемого полета КЛА. Принимая в качестве СЭП вариант солнечных батарей, имеем mN = 200 кг/кВт, а для удельной массы СТР пгстр = 50 кг/кВт. Результаты расчета характеристик рассмотренных трех вариантов комплексов СЖО сведены в табл. 12. Для сравнения в таблицу включены характеристики варианта комплекса СЖО на основе запасов веществ — химически связанного кислорода в виде надперекиси калия (см. разд. 2.1.1), запасов воды и продуктов питания (СМ. табл. 5) . Таблица 12 Характеристики вариантов комплексов СЖО № по пор. Тип комплекса Постоянная масса Mq , кг Удельный расход веществ т, кг/сут Потребляемая мощность N, Вт Тёпло-fl ыд еле-ние в CTPQ, Вт Эквивалентная масса СЭП, кг СТР, кг 1 На основе запасов веществ 50 8,8 15 160 3 8 2 Комбиниро- ванный (вариант I) 140 5,0 120 265 24 13 3 Частично зам- кнутый цикл Сабатье (вариант II) 300 1,7 555 575 111 29 4 Максимально замкнутый цикл Бодуара (вариант III) 350 1,35 525 550 105 28 Графически зависимость суммарной эквивалентной массы комплексов СЖО от продолжительности полета (на одного человека) иллюстрируется рис. 64. Нумерация зависимостей соответствует позициям табл. 12. Из этих зависимостей видно, что при продолжительности полета « 30 сут масса комплекса на основе запасов веществ достигает 320 кг, и в дальнейшем становится выгодным применение комбинированного комплекса СЖО на основе запасов перекиси водорода (кривая 2), рассмотренного в разд. 5.2.1. При увеличении продолжительности полета до т2 ~ 75 сут масса комбинированного комплекса (вариант/) достигает 560 кг, и при более длительных полетах становится целесообразным применение замкнутых комплексов с регенерацией кислорода и воды, несмотря на их значительное энергопотребление.
Рис. 64. Сравнительные массовые характеристики (суммарная эквивалентная масса) и области оптимального применения вариантов комплексов СЖО: 1 — комплекс на основе запасов веществ; 2 — комбинированный комплекс; 3 — частично замкнутый комплекс; За — то же, без учета эквивалентной массы СЭП и СТР; 4 — максимально замкнутый комплекс СЖО Массы замкнутых комплексов — вариант II и вариант III — сравниваются при продолжительности полета т3 ~ 110 сут. Однако заметные преимущества максимально замкнутый комплекс варианта III (кривая 4) приобретает лишь при значительно более продолжительных полетах порядка 1000 суток. Здесь напомним, что под величиной т на рис. 64, строго говоря, следует понимать рабочий ресурс СЖО в человеко-сутках; он совпадает с величиной длительности полета при экипаже из одного человека; при полете, например, двух человек ресурс т = = 1000 чел.-сут будет достигнут в полете продолжительностью 500 суток. Для иллюстрации роли присоединенной эквивалентной массы на рис. 64 для варианта II частично замкнутого комплекса даны полная масса (кривая 3) и собственная масса (кривая 3,а). Из рисунка видно, что если не учитывать присоединенной массы СЭП и СТР, то можно прийти к ошибочному выводу о выгодности применения замкнутых комплексов СЖО уже при длительности полета порядка 30 суток. Следует отметить, что в полную реальную массу комплекса СЖО должны входить еще запасные и дублирующие сменные детали и элементы (ЗИП), необходимые для обеспечения требующегося ресурса надежной работы агрегатов с подвижными частями (клапанов, электродвигателей, насосов), и фильтрующих пористых элементов разделителей фаз. Полученные в этом анализе границы областей оптимального применения вариантов комплексов СЖО Т1, т2, т3 очевидно могут сдвигаться в сторону больших значений т при СЭП с расходуемыми рабочими телами и, наоборот, — в сторону меньших при наличии на борту дешевой электроэнергии, например мощного ядерного реактора с низким коэффициентом mN, кг/кВт.
5.4. ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЖО । 5.4.1. Основные понятия теории надежности* Наряду с массоэнергетическими характеристиками надежность систем является определяющим фактором при выборе оптимального типа комплекса СЖО. Надежностью называют меру способности системы выполнить заданные функции в процессе эксплуатации. Количественно надежность определяется как вероятность безотказной работы системы в течение заданного периода времени и условий эксплуатации. Вероятность является статистическим понятием, т. е. она проявляется при достаточно большом числе испытаний системы (или однотипных систем). Так вероятность Р (А) получения результата А в экспериментах числом No определится как Р (А) = lim /е V 7 No-> 00 No <5Л) т. е. как предел отношения полученного числа NA исходов эксперимента с результатами А к общему числу экспериментов No при его неограниченном увеличении. В известном примере с бросанием монеты возможность выпадания изображения герба или цифры зависит от случайных факторов (в частности, от случайного положения монеты в момент касания с грунтом). При небольшом числе бросаний, например при No = 10, изображение герба может выпасть семь раз, а цифра — три раза, что, казалось бы, дает вероятность выпадания гербаРг= 7/10= 0,7 (70%), а цифры Рц = 3/10= 0,3 (30%). Тем не менее'при увеличении числа бросаний, например до 1000, число выпаданий и изображения герба и цифры станет почти одинаковым. Это будет отражать тот закономерный факт, что истинная вероятность выпадания обеих сторон в силу симметричности монеты одинакова и равна 0,5 (50%). Очевидно, что сумма вероятностей выпадания изображения герба или цифры, как взаимно исключающих событий, равна 100% или единице: Рг + Р = = (Nr+NJINo = NolNo= 1. Когда мы имеем дело с эксплуатацией технического изделия (системы, агрегата, узла), то в течение заданного периода работы продолжительностью т возможны только два взаимно исключающих исхода ~ нормальная работа или отказ изделия. Поэтому сумма вероятностей нормальной работы изделия Р и отказа Q также равна единице Р + Q = 1. Отказом называют такую неисправность изделия, возникшую в процессе работы, которая не позволяет ему в дальнейшем выполнять заданные технические функции. В технических расчетах используют обычно приближенную ♦Раздел написан при участии Л. В. Свешниковой.
оценку вероятности, опуская в формуле (5.4) знак предела, а возможную ошибку в определении истинной вероятности, связанную с ограниченным числом испытаний No, вычисляют по формулам математической статистики. Чем больше число испытаний, тем меньше ошибка. Характерной особенностью технических изделий является то, что вероятность их отказа Q = f(r) возрастает с увеличением продолжительности непрерывной работы т; при этом соответственно уменьшается вероятность безотказной работы, т. е. надежность: Р (т) = 1 - Q (т). Так, если поставить на испытания одновременно Nq одинаковых изделий, то за период т часов непрерывной работы откажет 7VOT изделий, останется работать Np = = Nq - NOT изделий. Вероятность безотказной работы изделия на протяжении времени т тогда можно определить по формуле (5.1): Nn No ~ NOT p^ = ^=-V^=1-Q(T)- (5-5) Здесь, как было выше сказано, знак предела lim приближенно можно опустить, считая, что число Nq достаточно велико. Свяжем надежность со временем работы. Допустим, что за элементарный промежуток времени dr отказывает число изделий dNm, тогда число отказов в единицу времёни будет dNOT/dr. Относительное число отказов в единицу времени (или доля отказов) от общего числа работающих в данный момент изделий "р б.уде\. Np dT (5.6) Эта величина называется интенсивностью отказов и является одной из важнейших характеристик надежности технических изделий. Из формулы (5.5) определим = PN0, а, дифференцируя (5.5), определим производную dN^/dr = - NodP/dr. Подставляя эти значения в выражение (5.8), получим ' х _ 1 .г dP _ 1 dP PN0 N° dr P dT ' В начальный момент времени т = 0, очевидно, исходная надежность равна единице Р(0) = 1. Разделим переменные и про-интегрйруем выражение (5.7) от т = О, Р = 1 до текущего значения времени rfXdr = } ^P~1dP; получим -/Xdr = In Р(т)-In 1 или 01 0 Р(т) = exp (-/Xdr). (5.8) Отсюда видно, что с увеличением продолжительности работы т надежность уменьшается и тем быстрее, чем больше интенсивность отказов X. Среди возможных отказов технических изделий можно выде
лить три типа в зависимости от причин их возникновения и характерного для них закона распределения по времени работы X = = f (т). Типичная статистическая зависимость интенсивности отказов от времени работы изделий приведена на рис. 65 (кривая 1). Эта зависимость имеет три характерных участка. На первом участке, составляющем от нескольких минут до нескольких часов, частота отказов резко снижается. Этот участок называют периодом приработки, а отказы приработочными. Причинами приработочных отказов могут быть проектно-конструкторские ошибки (неудачное назначение допусков на размеры, температурные деформации и прочие параметры стыкующихся деталей и элементов схем), недостатки производства и технического контроля при изготовлении (несовершенство технологии изготовления, ошибки сборки и монтажа, дефекты пайки электросхем, дефекты исходных материалов и комплектующих готовых элементов в составе изделия). В период приработки отбраковываются дефектные образцы, затем интенсивность отказов снижается и остается постоянной (X = const) в течение периода времени II, который называют периодом нормальной работы изделия. В этот период отказы вызываются случайными причинами, например неблагоприятным сочетанием внешних воздействий (температуры, влажности, ударов, вибраций) и внутренних рабочих условий (пиковых механических и токовых нагрузок, нагрузок пуска и останова и т. п.). В результате случайного взаимодействия этих условий, может возникнуть внезапная концентрация нагрузок, привышающая расчетную, что приведет к механическим или электрическим повреждениям изделия (заклинивание подвижных соединений, разрушение уплотнений, пробой электроизоляции, спекание контактов и т. п.). При достаточно длительном периоде непрерывной эксплуатации эти случайные причины приводят в среднем к постоянной интенсивности отказов. Эти отказы называются случайными. Начиная с некоторого времени эксплуатации Т2, интенсивность отказов резко возрастает из-за износа изделий. Износовые отказы возникают прежде всего в активных элементах изделия, работающих в наиболее нагруженном механическом, тепловом илй электрическом режиме. Причинами износовых отказов могут быть усталостная прочность материалов, абразивный износ трущихся поверхностей, старение резин и пластмасс с потерей механических и изоляционных свойств, выработка сорбционной емкости фильтров и поглотителей СЖО. С наступлением периода износовых отказов т > Т2 надежность изделия Р резко снижается (см. кривую 2 на рис. 65). При этом говорят, что изделие выработало свой ресурс работы. Для основного периода нормальной работы, когда X = const, выражение для надежности (5.8) можно записать так: Р(т) = ехр (- Хт) = е“ ^т, (5.9)
Рис. 65. Распределение интенсивности отказов по времени (1) и зависимость надежности изделий (после периода приработки) (2) от времени непрерывной эксплуатации Рис. 66. Зависимость надежности сложной системы от количества и надежности п последовательно связанных составляющих элементов В этот период надежность убывает по экспоненциальному закону, а при переходе в зону III износовых отказов убывает более резко, так как к случайным отказам добавляются изно-совые с высокой интенсивностью Хи и надежность определяется как Р (г) = е~^+^и)т см. кривую 2 на рис. 65). Надежность сложных систем, к которым относятся СЖО, т. е. надежность систем, состоящих из нескольких последовательно соединенных элементов, зависит от надежности и числа этих элементов (рис. 66). Так, например, в систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (см. рис. 38) входят последовательно соединенные насос откачки конденсата, сепаратор воды от воздуха, насос откачки воды, блок колонок химической очистки воды и бактериальной очистки. Отказ любого из этих элементов равнозначен отказу всей системы. Поэтому интенсивность отказов сложной системы Хс будет равна сумме интенсивностей отказов всех п последовательно соединенных в ней элементов Хс = = Xi + Х2 + ••• + а надежность Рс — произведению надежностей всех составляющих ее п элементов Рс= е~(Х1+Х2 + "+Хп) = е-Х,т е-Х2Т ... e-X»T = PiP2...Pn. (5.10) Если надежности элементов равны Pi = Р2 = ... = Р„ = Р~, получим ^С=^э- , (5.11) Так как надежность любого элемента Рэ всегда меньше единицы, очевидно, что чем больше последовательных элементов в системе, тем ниже ее надежность (см. рис. 66). По этой причине более простые по фукциональной схеме СЖО на основе запасов веществ зачастую находят применение в 146
полетах с продолжительностью, значительно превышающей область оптимального применения (см. т х на рис. 64), несмотря на проигрыш в массе по сравнению с более сложными регенерационными СЖО. Из формулы (5.11) следуют высокие требования к надежности комплектующих элементов: если необходимо обеспечить надежность всей системы Рс = 0,990, состоящей из десяти элементов, то надежность каждого элемента должна быть не менее чем Р~ = 0,999, т. е. допускается не более одного отказа на тысячу работающих элементов. 5.4.2. Проектно-конструкторские методы обеспечения надежности Программа обеспечения надежности начинается на ранней стадии проектирования изделия — при выборе общей принципиальной схемы (или кинематической схемы) изделия. Любое техническое решение может иметь несколько возможных вариантов. Анализ надежности этих вариантов и выбор наиболее простой и, следовательно, наиболее надежной схемы является основой обеспечения высокой надежности создаваемого изделия. Очень важен анализ работы изделия в экстремальных внешних условиях и при возможных пиковых нагрузках. Обеспечение и расчет надежности сложных схем облегчаются применением отработанных унифицированных элементов. Проектно-конструкторские методы обеспечения надежности вновь разрабатываемых изделий в большой мере зависят от типа отказов, присущих данному конкретному изделию — приработоч-ных, случайных или износовых. Кривая 1 распределения отказов изделия (см. рис. 65) может быть определена только экспериментально — по статистике результатов испытаний образцов изделия. Отсюда ясна роль экспериментальной отработки изделия как важнейшего этапа общей программы мероприятий по обеспечению надежности, которая включает в себя: анализ надежности и проектно-конструкторские мероприятия на стадии разработки изделия; изготовление образцов и испытания их по заданной программе с определением причин и классификацией отказов; доработку конструкции или технологии изготовления изделия. Меры по устранению приработочных отказов включают в себя: на стадии проектирования — всесторонний расчетный анализ нагрузок элементов (механических, тепловых, гидравлических, электрических) и обоснованный выбор коэффициентов запаса и допусков; анализ взаимодействия и правильное согласование входных и выходных параметров стыкующихся элементов сложных схем; максимальное применение стандартизованных элементов с учетом условий их работы в схеме нового изделия;
на стадии изготовления — совершенствование технологии изготовления и культуры производства; пооперационный технический контроль в процессе изготовления узлов и элементов; входной контроль и отбраковка некондиционных материалов и готовых элементов до установки в изделие. Основной метод устранения износовых отказов — это обеспечение величины работы (долговечности) изделия с запасом, превышающим заданную продолжительность эксплуатации тэ (т. е. Т2 > тэ, см. участок II на рис. 65). На стадии проектирования ресурс можно рассчитывать точно (для фильтров, сорбционных патронов и т. п.) либо оценивать приближенно на основе экспериментальных данных. Истинный ресурс определяется в длительных испытаниях изделия, где устанавливаются наиболее нагруженные и слабые узлы, первыми выходящие из строя. Мероприятия по повышению ресурса работы включают — применение принципа разгруженных (облегченных) режимов работы наиболее ответственных элементов изделия, выбор запасов усталостной прочности и применение материалов повышенной износостойкости, применение прогрессивных схем подвижных узлов, например аэродинамических подшипников (с воздушной ’’смазкой”), бесколлекторных схем электродвигателей и т. п. При необходимости обеспечения длительного периода эксплуатации, превышающего ресурс изделия,- используется принцип ремонта изделия силами экипажа с заменой отдельных ’’слабых” элементов изделия или целых блоков изделия из бортового запаса. Конструкция изделия при этом должна обеспечивать легкость, быстроту и безопасность демонтажа и установки элементов и блоков; на жидкостных магистралях, подлежащих расстыковке, должны устанавливаться самозапираюгциеся разъемы, исключающие возможность выброса жидкости. Общая схема и компоновка изделия (системы) должна предусматривать секционирование на отдельные блоки, подлежащие замене по определенной программе при выработке ими ресурса. Выполнение указанных требований определяет ремонтоспособность системы. Грамотно спроектированная, тщательно изготовленная и всесторонне испытанная система не должна иметь приработочных и износовых отказов. Надежность такой системы определяется частотой случайных отказов, возникающих в период нормальной работы системы (см. участок II на рис. 65). Для повышения надежности систем в период нормальной работы применяются следующие проектно-конструкторские методы: резервирование элементов и агрегатов и резервирование мощности (производительности) агрегатов. Резервирование производят обычно для наиболее отвествен-ных, а также наиболее нагруженных элементов изделий. Сущ-148
ность резервирования заключается в том, что параллельно основному элементу в схеме системы устанавливается дополнительно один или несколько таких же элементов (рис. 67/х), которые включаются в работу при отказе основного (дублирование, троирование и т. д. элементов). Очевидно, что отказ такой системы элементов произойдет только тогда, когда откажут все элементы. По правилу умножения вероятностей независимых событий (см. формулу (5.11)) вероятность отказа <?с всей системы п элементов будет равна произведению: Qc= Q1Q2 -Qn= (5-12) где Qi = Q2 = Qn = — вероятность отказа одного независи- мого элемента. Поскольку <?э всегда меньше единицы, ясно, что увеличение числа элементов п быстро снижает вероятность отказа и, следовательно, повышает надежность системы Рс. Учитывая, что Рс = = 1 - Qc, выражение (5.12) можно записать так: Рс= 1-QC= 1-(1-Рэ)п, (5.13) где Рэ — надежность отдельного элемента. Как показывает рис. 68, резервирование является эффективным методом повышения надежности. Рассмотренный метод называют активным резервированием. Недостатком этого метода является возрастание массы системы пропорционально количеству введенных резервных элементов (или агрегатов). В этом отношении более выгоден метод пассивного резервирования [1, 5]. Он заключается в том, что резервные элементы (агрегаты) постоянно включены в работу параллельно с основным (рис. 67, б). При отказе основного агрегата его рабочую нагрузку принимают на себя исправные агрегаты. Практически этот метод сводится к тому, что вместо одного агрегата заданной производительности проектируется несколько агрегатов меньшей производительности и из них строится система параллельно включенных элементов необходимой производительности. При Рис. 67. Схемы активного (а) и пассивного (б) резервирования блоков: 1— работающий блок; 2 — неработающие блоки; 3 — переключатель блоков Рис. 68. Зависимость надежности резервированной системы от количества параллельно включенных блоков
этим необходимо учитывать, что по мере отказа отдельных агрегатов будет возрастать рабочая нагрузка оставшихся и, следовательно, частота их отказов. Этот метод, тем не менее, является одним из наиболее оптимальных при проектировании сложных систем; его называют также методом секционирования. Секционирование позволяет унифицировать и хорошо отработать элементарный агрегат (модуль), из которого в дальнейшем можно компоновать схемы систем любой производительности, обеспечивая их высокую надежность. Метод резервирования мощности заключается в том, что при построении схемы системы используются элементы с номинальными характеристиками и параметрами, превышающими с запасом их рабочую нагрузку в системе (производительность, рабочее напряжение, прочность и т. п.). При работе такого элемента в системе с разгруженным режимом частота его случайных отказов существенно снижается. Так, для радиоэлектронных элементов снижение рабочей нагрузки вдвое (по сравнению с ее номинальным значением для элемента) обеспечивает уменьшение интенсивности случайных отказов X в 8—10 раз [ 1]. 5.4.3. Задачи и особенности наземной экспериментальной отработки комплексов СЖО С точки зрения этапности программы обеспечения надежности можно выделить два основных типа испытаний. Доводочные (или отработочные) испытания проводятся в процессе проектирования изделия на специально изготовленной партии первых опытных образцов изделия. В испытания входит проверка функционирования и основных рабочих параметров изделия, заданных техническими требованиями (производительность, гидрохарактеристики, герметичность и т. п.). На этой стадии выполняются приработочные отказы, устраняются наиболее грубые ошибки проектирования и технологии изготовления, производится необходимая доработка технической документации. После изготовления первой партии изделий по доработанной документации определенное количество образцов подвергается типовым испытаниям. Эти испытания являются наиболее всесторонними, в них определяются: все заданные рабочие характеристики и ресурсные возможности изделия при длительной непрерывной работе в заданных условиях эксплуатации; устойчивость работы изделия и его характеристик во всех экстремальных условиях эксплуатации, включая климатические, механические и химические воздействия внешней среды. Испытания проводятся длительно с заменой выявленных слабых узлов и узлов, отработавших свой ресурс. В этих испытаниях могут быть определены истинный ресурс изделия, интенсивность случайных и износовых отказов. По результатам испытаний производятся необходимая доработка выявленных слабых узлов и уточненный расчет надежности изделия. Программа наземной экспериментальной отработки СЖО имеет дополнительно некоторые особенности по следующим причинам: замыкающим звеном СЖО является человек как потребитель и, с другой стороны, как источник продуктов жизнедеятельности, состав и количество которых зависит от условий среды и режима работы человека; при полете на КЛА опасные для жизни экипажа ситуации могут вызываться не /Только внутренними причинами (отказ СЖО), но и внешними 150
(разгерметизация отсека, возникновение неблагоприятного теплового режима, загорание в отсеке). Первые опытные образцы СЖО проходят специальные медицинские испытания, имеющие целью проверку надежности технологического процесса регенерации веществ и качества получаемого продукта (кислорода, воды) на соответствие медицинским нормативам для употребления человеком. В длительных экспериментах на реальном исходном веществе контролируется качество получаемого в СЖО продукта химическим анализом и проводятся токсилогические исследования на подопытных животных, потребляющих этот продукт. После прохождения медицинских и типовых испытаний СЖО допускаются к комплексным медицинским испытаниям с участием человека (испытателей) . Эти испытания проводятся на натурном макете КЛА, оборудованном комплексом СЖО в полном составе и взаимосвязанными с ним агрегатами других бортовых систем. В цели испытаний входит: проверка соответствия заданным нормам комплекса параметров обитаемой среды в КЛА, обеспечиваемых СЖО и СТР во взаимодействии, при работе по программе реального полета; уточнение количественных характеристик массообмена ’’экипаж — СЖО’ и истинного ресурса СЖО при работе экипажа по программе полета; оценка удобства пользования, управления и обслуживания СЖО экипажем, включая ремонтные работы; отработка действий экипажа и мероприятий по его спасению в нерасчетных ситуациях (при отказе СЖО, разгерметизации отсека и т. п.). Испытания ведутся длительно, по программе реального полета до выработки ресурса СЖО. С помощью наземного оборудования, расположенного вне макета КЛА, осуществляются контроль функционирования СЖО, измерения параметров обитаемой среды в макете и медицинский контроль физилогического состояния экипажа (испытателей). В испытаниях могут быть выявлены отдельные приработочные отказы в масштабе всего комплекса СЖО и уточнены истинные ресурсы работы СЖО. На отдельном этапе испытаний имитируются нерасчетные экстремальные ситуации — отказ отдельных СЖО, разгерметизации отсека, загорание в отсеке и т. п., при этом отрабатываются средства спасения и индивидуальной защиты экипажа и методика его действий. Комплексные медицинские испытания являются завершающим этапом наземной экспериментальной отработки СЖО, по их результатам дается заключение о годности СЖО к эксплуатации на КЛА. 5.4.4. Бортовой и радиотелеметрический контроль СЖО При полете КЛА осуществляется постоянный контроль работы СЖО наземными службами, а также с пульта экипажа КЛА с целью своевременного распознавания и предупреждения отказов СЖО, определения мер по их устранению, а в случае необходимости принятия мер по аварийному спасению экипажа. Контролю подвергаются основные параметры обитаемой среды, обеспечиваемые СЖО (давление, температура, газовый состав атмосферы, количество и качество регенерированной воды и т.п.), а также параметры, характеризующие работу основных элементов и агрегатов СЖО (клапанов, вентиляторов, насосов, теплообменников и т.п.). Наземный контроль работы СЖО осуществляется с помощью бортовой радиотелеметрической системы измерений (РТС) и первичной датчиковой аппаратуры,
Рис. 69. Схема действия радиотелеметрического контроля работы СЖО в полете установленной в контролируемых агрегатах. В первичных датчиках измеряемая неэлектрическая величина (давление, расход рабочего тела, температура) преобразуются в электрический сигнал, который поступает на РТС и затем передается на наземные приемные устройства станций слежения за полетом. В наиболее простом, потенциометрическом способе измерения колебания измеряемой величины, например давления, преобразуются в движение штока анероидного датчика давления 1 (рис. 69), который механически связан со скользящим контактом 2 (реохордом) электрического сопротивления 3. При подаче на это сопротивление калиброванного напряжения телеметрии U? на выходе со скользящего контакта будет формироваться электрический потенциал величиной от нуля до U? в зависимости от положения контакта 2, т.е. от величины измеряемого давления. Аналогичным образом могут измеряться расходы рабочего тела — по перепаду давления на дроссельной шайбе 4, установленной в магистрали, и с помощью дифференциального датчика давления 5. Измерение температур может осуществляться с помощью термометров сопротивления 6 — проволочных сопротивлений из сплава, существенно меняющего свое электросопротивление при изменении температуры (7 — усилитель). В любом из рассмотренных случаев на выходе датчиков формируется потенциал напряжения, меняющийся в диапазоне от 0 до С7Т в зависимости от значения измеряемого параметра. Такие параметры называют амплитудными. Контроль работы элементов, имеющих два рабочих положения типа ’’открыт—закрыт”, например клапанов, люков, осуществляется концевыми выключателями. При закрытом электроклапане 8 контакты выключателя 9, связанного со штоком, замкнуты; при открытии клапана — разомкнуты. Такие параметры называют сигнальными.
Выходной сигнал из первичных датчиков поступает на ламе* ли (неподвижные контакты) коммутатора РТС 10, по которым скользит ползунок 11, вращающийся с постоянной угловой скоростью. Сигнал, периодически снимаемый ползунком 11 с ламелей, поступает на радиопередающую установку КЛА 12 и затем передается на Землю. Радиосигнал, принятый наземными станциями слежения 13, расшифровывается и передается в Центр управления полетом 14, где производятся обработка, анализ полученной информации и выдача рекомендаций экипажу. С связи с большим общим объемом получаемой в полете информации о работе СЖО на пульт экипажа выдаются только основные параметры, характеризующие нормальную работу систем, либо аварийные сигналы, требующие немедленных действий экипажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Базовский И. Надежность — теория и практика /Пер. с англ. Под ред. Б.Р. Левина. М.: Мир, 1965. 373 с. 2. Бобе Л.С., Малышев Д.Д. К вопросу об аналогии процессов тепло* и массообмена при конденсации паров из парогазовых смесей. — Теплофизика высоких температур, 1973, т.11, № 6, с. 1240—1244. 3. Воронин Г.И. Системы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 1973, 439 с. 4. Воронин Г.И., Поливода А.И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей. М.: Машиностроение, 1967. 209 с. 5. Дмитрюк Г.Н., Пясик И.Б. Надежность механических систем. М.: Машиностроение, 1966. 183 с. 6. Ефимов В.П., Фролов В.А. Некоторые способы транспортировки жидких отходов жизнедеятельности и санитарно-бытовых вод в условиях космического полета. — Космическая биология и медицина, 1972, № 3, с. 24-28. 7. Иванов Д.И., Хромушкин А.Н. Системы жизнеобеспечения человека при высотных и космических полётах М.: Машиностроение, 1968. 251 с. 8. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. 439 с. 9. Испытания высокотемпературного электролизера с твердым окисным электролитом/ В.П. Бочин, Б.И. Гуцевич, Ю.А. Шаров и др. — Вопр. атомной науки и техники, сер. Атомно-водородная энергетика, 1978, вып. 1 (4), с. 26-29. ' 10. Краткий справочник по космической биологии и медицине /Под ред. А.И. Бурназяна. М.: Медицина, 1967. 367 с. 11. Куландин А.А., Тимашев С.В., Иванов В.П. Энергетические системы космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1972. 421 с. 12. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. Новосибирск: Наука, 1970. 660 с. 13. Лыков А.В. Теплообмен. М.: Энергия, 1972. 560 с. 14. Морозов К.В. Ракеты—носители космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.118 с. 15. О кинетике и динамике сорбции газов и паров на синтетических цеолитах/ Б.Б. Фенелонов, Л.Е. Фенелонова, А.Н. Салюков и др. — В кн. Цеолиты, их синтез, свойства и применение. М.—Л.: Наука, 1965, с.345— 348. 16. Основы космической биологии и медицины/ Под ред. О.Г.Газенко и М. Кальвина. М.: Наука, 1975, т.2, 425 с., т.З, 557 с. 18. Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике/ В.С. Авдуевский, В.М. Галицевский, Т.А. Глебов и др. М'.: Машиностроение, 1975, 624 с. 19. Пронин Л.Н. Ракеты для космических исследований. М.: Воениздат, 1973.208 с. 20. Применение синтетических цеолитов-молекулярных сит для приготовления защитных атмосфер/ С.Е. Барк, Н.В. Кельцев, И.П.Оглоблина и др. — В кн.: Синтетические цеолиты. М.: Изд. АН СССР, 1962, с.276—283. 21. Сайли Р.Е., Ремон М.Р. Космические системы жизнеобеспечения. — Вопр. ракетной техники, 1965, № 11, с.23—99.
22. Серебряков В.Н. Управление динамикой двухфазной среды жидкость-газ в условиях невесомости с помощью поверхностных эффектов. — Космические исследования, 1966, т. 4, вып. 5, с. 713—721. 23. Тепло- и массообмен в парогазовой фазе при конденсации пара из смесей паров и парогазовых смесей/ Л.С. Бобе, Д.Д. Малышев, В.В. Раков и др. — В кн.: Тепло- и массоперенос, т. 2. Минск: Изд. АН БССР, с. 475—480. 24 Уманский С.П. Человек на космической орбите. М.: Машиностроение, 1974. 138 с. 25. Фаворский О.Н., ЛСаданер Я.С. Вопросы теплообмена в космосе. М.: Высшая школа, 1972. 280 с. 26. Чижов С.В., Синяк Ю.Е. Водоснабжение экипажей космических кораблей. М.: ;Наука, 1973. 273 с. 27. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 711 с. 28. Blecher W.A. Development of a prototipe vapor diffusion water reclamation system. ASME publ. No 71 — Av — 31. 29. Le Blanc O.H. Youmal of memrane sience, 1980, v.6, No 3,p. 339—343. 30. Mader P.P., Lucero A.S., Honorof E.P. Analysis of trace contaminants. ASME publ. No 71 - Av - 17. 31. Manned Spacecraft center cryogenic simposium, Huston, Texas, May, 1971, MSC-04,312. 32. Nuttal L.I., Fitterington W.A. General Electric company solid polimer electrolyte wat er electrolysis system, ASME publ. No 71 — Av — 9. 33. Rosener A.A., Parker D.M., Harris S.C. Space shower habitability technology. AIAA paper, No 71 — 813. 34. Shubert F.H. Status of the life support systems static feed water electrolysis system. ASME publ. No 71 — Av — 25.
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ................................................... 3 От автора...................................................... 6 Введение..................................................... 7 Глава 1. Задачи состав и классификация систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов................. 10 1.1. Массобмен и энергообмен человека с окружающей средой . . Ю 1.2. Условия окружающей среды, нормируемые системами жизнеобеспечения ............................................ 16 1.3. Состав и назначение систем жизнеобеспечения.......... 19 1.4. Особенности условий космического полета и технические требования к бортовым системам............................ 21 1.4.1. Условия внешней среды ........................... 21 Плотность среды...................................... 21 Тепловой режим...................................... 21 Радиационная и метеоритная опасность................. 23 1.4.2. Механические воздействия— перегрузки и невесомость 24 1.4.3. Ограничения массы и энергопотребления систем.... 26 1.4.4. Надежность систем................................ 27 1.5. Возможные принципы жизнеобеспечения и классификация СЖО.................................................... 28 Глава 2. Системы жизнеобеспечения на основе запасов веществ . . 2.1. Обеспечение газового состава атмосферы................. 2.1.1. Системы кислородообеспечения и очистки атмосферы (СОГС) на основе запасов веществ ...................... Криогенный кислород и химические поглотители углекислого газа........................................... Химически связанный кислород. Регулирование газового состава атмосферы.......... . .................... Химически связанный кислород в виде жидкой перекиси водорода ........................................... 2.1.2. Система очистки атмосферы с регенерируемыми поглотителями .............................................. 2.1.3. Сравнительные характеристики вариантов СОГС .... 2.2. Средства регулирования температуры и влажности атмосферы 2.3. Средства водообеспечения и обеспечения питанием..... 2.4. Средства удаления отходов и санитарно-бытового обеспечения. Душевые установки................................... 2.5. Средства регулирования давления..................... 2.6. Средства индивидуальной защиты экипажа.............. 2.7. Терморегулирование в комплексах жизнеобеспечения.... Глава 3. Основы регенерации веществ в системах жизнеобеспечения ........................................................ 3.1. Предпосылки и основные проблемы создания круговорота веществ................................................. 3.2. Регенерация кислорода.............................. 3.2.1. Методы концентрирования углекислого газа....... 3.2.2. Методы разложения углекислого газа............. Реакция Саоатье.................................... Высокотемпературный электролиз..................... 3.2.3. Разложение воды................................ 36 36 38 44 46 55 55 60 63 68 77 77 78 79 82 82 84
3.3. Регенерация воды из влаговыделений человека.......... 90 3.3.1. Регенерация воды из атмосферной влаги............ 90 3.3.2. Регенерация воды из урины........................ 94 3.4. Биологические элементы регенерационных систем ....... 9g Глава 4. Проектирование аппаратуры и агрегатов систем жизнеобеспечения ............................................. 101 4.1. Проблемы проектирования аппаратуры бортовых систем жизнеобеспечения......................................... 101 4.2. Особенности поведения жидкости в условиях невесомости . 102 4.3. Разделение фаз ’’газ—жидкость” и осуществление теплообмена при фазовых переходах ’’жидкость—пар” в условиях невесомости ................................................... 10© 4.3.1. Метод полупроницаемых пористых мембран ......... 108 4.3.2. Использование центробежных сил.................. 114 4.4. Механизм и особенности расчета процессов тепло- и массообмена в аппаратуре систем жизнеобеспечения ............... 116 4.4.1. Теплопередача и массообмен в неподвижной среде .... 116 4.4.2. Конвективный теплообмен и массообмен в движущейся среде.................................................. 119 4.4.3. Оптимизация параметров бортовых тепло- и массообменных аппаратов........................................ 125 Глава 5. Варианты комплексов систем жизнеобеспечения ........ 130 5.1. Суммарная эквивалентная масса комплекса систем жизнеобеспечения с учетом энергопитания и терморегулирования .... 130 5.2. Варианты комплексов систем жизнеобеспечения......... 234 5.2.1. Комбинированный комплекс СЖО с минимальным энергопотреблением..................................... 134 5.2.2. Частично замкнутый комплекс СЖО................. 137 5.2.3. Максимально замкнутый комплекс СЖО.............. 239 5.3. Сравнительные характеристики и обларти применения вариантов комплексов СЖО..................................... 141 5.4. Вопросы обеспечения надежности СЖО.................. 143 5.4.1. Основные понятия теории надежности............ 143 5.4.2. Проектно-конструкторские методы обеспечения надежности ................................................. 147 5.4.3. Задачи и особенности наземной экспериментальной отработки комплексов СЖО................................. 150 5.4.4. Бортовой и радиотелеметрический контроль СЖО .... 151 Список литературы............................................ 154
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ! В 1984 году издательство "Машиностроение” выпускает ряд <ниг, распространяемых только по подписке. Подписка на эти 'сниги будет приниматься в магазинах подписных изданий, отде-гах подписных изданий универсальных книжных магазинов, а гакже в специализированных магазинах — опорных пунктах издательства Машиностроение”. Подписка на специальные научно-технические книги — удобный способ обслуживания покупателей, он гарантирует приобретение книги и экономит время. При оформлении подписной квитанции индивидуальные покупатели полностью оплачивают книгу. Организации и предприятия оформляют свои заказы на книги, распространяемые по подписке, гарантийными письмами. Подписка на книги выпуска 1984 года будет производиться только до 30 декабря 1983 г. ОБЪЯВЛЕННЫЕ ПО ПОДПИСКЕ КНИГИ В ОБЫЧНУЮ ПРОДАЖУ НЕ ПОСТУПАЮТ! На 1984 год издательство предлагает следующие книги по авиационной технике и космонавтике, распространяемые по подписке: Беляев М. Ю. Научные эксперименты на космических кораблях и орбитальных станциях / Под ред. А. С. Елисеева. Изложены современные направления научных исследовании и физические основы проведения экспериментов в космосе. Дана методология управления полетом исследовательских космических аппаратов (КА). Управление полетом исследовательских КА рассмотрено как управление сложной системой. Показано, как в процессе управления рассматриваемой системы решаются задачи планирования, контроля состояния используемой аппаратуры, управления движением КА, информационными потоками и т. д.
Панкратов Б. М. Спускаемые аппараты. Изложены современные представления о методах проектирования различных типов спускаемых аппаратов для посадки на планеты Солнечной системы и возвращения на Землю с орбит и межпланетных траекторий. Проанализированы аэродинамические схемы, приведены методы определения основных проектных параметров аппаратов баллистического, планирующего и скользящего спусков, при входе их в атмосферу, с первой и второй космическими скоростями. Рассмотрены вопросы тепловой защиты спускаемых аппаратов и дан расчет на прочность топливных, приборных, двигательных отсеков, конструкций аппаратов и их посадочных систем. Скафандры и системы для работы в открытом космосе / И. П. Абрамов, Г. И. Северин, А. Ю. Стоклицкий и др. Изложены теоретические основы, методы расчета и проектирования комплекса систем для работы в открытом космосе. Основное внимание уделено проблеме создания скафандров и автономных систем жизнеобеспечения. Рассмотрены вопросы создания систем шлюзования и другого оборудования, обеспечивающего выход человека из летательного аппарата, основы проектирования систем перемещения космонавтов, особенности испытаний скафандров и их систем. Рассмотрены схемы и конструкции скафандров, шлюзовых камер и систем перемещения космонавтов. Чернявский Г. М., Бартенев В. А., Малышев В. А. Управление орбитой стационарного спутника. Рассмотрены основы и особенности полета спутника на стационарной орбите. Классифицированы задачи управления движением при построении и поддержании орбитальной структуры спутниковой системы. Приведены методы управления движением спутника с использованием двигательных установок большой и малой тяги. Особое внимание уделено проблемам удержания стационарного спутника в заданных диапазонах долгот и широт относительно поверхности Земли в процессе его функционирования.
ИБ № 3278 Владимир Николаевич СЕРЕБРЯКОВ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Редактор Ф. Г. Тубянская Художественный редактор В. В. Лебедев Технические редакторы М. Ю. Соловье ва , Г. Г. Семенова Переплет художника В. Д. Дмитриади Корректор Л. В. Тарасова Операторы Л. В. Д ан и л о в а , Л. А. Шеина Подписано в печать 28/ХП-82 г. Т-21444 Формат 60X90 1/16 Бумага офсетная № 2 Ротапринт Гарнитура Сенчури Усл. печ. л. 10,0 Усл. кр.-отт. 10,25 Уч.-изд. л. 10,64 Тираж 2000 экз. Заказ 1986 Цена 35 к. Ордена Трудового Красного Знамени издательство "Машиностроение" 107076, Москва, Б-7о, Стромынский пер., 4 Московская типография № 9 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли Москва, Волочаевская ул., 40
МОСКВА « МАШИНОСТРОЕНИЕ»