Есть ли воздух в космосе: «Почему в космосе нет воздуха?» — Яндекс Кью

Содержание

Воздушные компрессоры в открытом космосе

Воздушные компрессоры в космосе являются незаметными участниками каждой миссии. Расскажем немного о том, как космические агентства используют сжатый воздух в космическом пространстве.

Если бы Вы хотели полететь на Луну, Вы бы, вероятно, много думали о жидком топливе в гигантских баках и о большом количестве тяги. Но, если Вы забудете добавить сжатый воздух, то никуда не доберетесь ни безопасно, ни эффективно. Воздушные компрессоры в космосе обеспечивают всех космонавтов воздухом для дыхания от подъема космического корабля,в течение всего пути и до посадки.

Воздушные компрессоры в системах космических кораблей играют важную роль в будущем путешествий, поскольку они позволяют системам быть умнее, эффективнее и легче. В то время как в космической индустрии постоянно внедряются новые технологии, применение сжатого воздуха остается стабильным.

Безмасляные компрессоры в настоящее время используются системой тепловых насосов Международной космической станции, так как они нечувствительны к гравитации. Применением таких компрессоров решается проблема утечек масла, а также проблемы иного характера, присущие маслозаполненным компрессорам.

Космонавты используют сжатый воздух в космическом пространстве для управления подачей воздуха, проведения экспериментов, обеспечения эффективной работы ускорителей, чтобы транспортные средства и космические станции оставались на орбите и поддерживали комфортную температуру для всех находящихся на борту.

Например, жидкости, которые обычно смешиваются и легко сочетаются на Земле, в космосе разбиваются на отдельные шарики жидкости каждого вида. Без гравитации Земли разделение этих жидкостей может представлять опасность и вызывать сбои в работе традиционного теплового насоса или зависящих от жидкости воздушных компрессоров в космосе. Достижения в области технологий тепловых насосов привели к созданию блоков с низким энергопотреблением и чрезвычайно высокой эффективностью, что делает их идеальными для различных систем космических станций.

Воздушные и газовые компрессоры нашли свое применение в космосе, потому что они предлагают долгий срок службы и надежное использование в течение многих лет, особенно по сравнению с тепловыми насосами, которым требуется жидкость для охлаждения. Системы на основе жидкостей имеют такие проблемы, как кавитация, но их использование в космосе представляет большой риск в космосе.

Использование сжатого воздуха в ракетных двигателях

Сжатый воздух играет большую роль в том, чтобы ракеты исправно достигали скоростей не менее 8 км/сек для преодоления силы земного притяжения и вывода космических аппаратов на орбиту Земли.

Сегодня турбинные двигатели приводят в действие подавляющее большинство самолетов военного и частного назначения. В каждой турбине есть воздушный компрессор, который увеличивает давление воздуха, прежде чем он попадет в камеру сгорания. Чем лучше работает воздушный компрессор, тем выше производительность двигателя, особенно в момент сгорания топлива. В двигателях ракет в качестве насосов применяются центробежные компрессоры. Многие двигатели, от турбореактивных до форсажных, будут использовать сжатый воздух, чтобы качественно воспламенить топливо.

Ракетные двигатели и сжатый воздух

В топливных баках ракет хранится значительное количество жидкого водорода и кислорода. С помощью системы насосов и клапанов обе эти сжатые жидкости выталкиваются в камеру сгорания, где смесь воспламеняется и служит для приведения ракеты в движение.

По сути, воздушный компрессор является незаметным компонентом, который обеспечивает смешивание топлива с правильной скоростью и его перемещение в камеру сгорания, поэтому ракетный двигатель создает тягу, необходимую для выхода в космическое пространство.

Двигатели шаттла NASA

Космические челноки NASA используют три главных двигателя вместе с твердотопливным ракетным ускорителем для создания ускорения, необходимого для вывода космического челнока и других транспортных средств в космическое пространство. Основные двигатели космического челнока сгорают во время старта и могут работать до 8,5 минут после запуска, что является типичной продолжительностью полета для космического челнока.

Для всех челночных двигателей требуются мощные воздушные компрессоры — центробежные компрессоры — для подачи сжатого воздуха в жидкое топливо с целью зажигания и контролируемого ускорения.

Когда челнок взлетает, он ускоряется, сжигая жидкий водород, который хранится при температуре минус 252,8 градуса по Цельсию, а также жидкий кислород. Воздушные компрессоры необходимы для бесперебойной работы. В гигантском оранжевом баке содержится примерно 2 миллиона литров этих жидкостей. Температура в камере сгорания основного двигателя поднимется до более чем 3315,6 градусов по Цельсию.

Шаттл будет сжигать жидкого топлива, количество которого достаточно, чтобы наполнить стандартный бассейн за 25 секунд. Во время этого ускорения турбины вращаются примерно в 13 раз быстрее, чем в Вашем автомобиле при езде по шоссе. Это означает, что центробежные компрессоры должны работать сверхэффективно, чтобы все работало надежно. Обеспечение ракеты сжатым воздухом сводится не только к тому, чтобы оторваться от земли, но и к поддержке систем жизнеобеспечения при подъеме в космос.

Центробежные компрессоры

Центробежные компрессоры используются во многих отраслях промышленности, в том числе в аэрокосмической отрасли, поскольку они имеют меньше частей, которые соприкасаются друг с другом, а также обеспечивают высокую энергоэффективность и значительно больший поток воздуха по сравнению с другими компрессорами того же размера.

Центробежные компрессоры работают, втягивая воздух в центр через вращающееся рабочее колесо. Радиальные лопасти вращаются и подают воздух, используя центробежную силу, повышая давление, а также создают кинетическую энергию. Как правило, эти типы воздушных компрессоров будут работать со сверхскоростными электродвигателями, которые приводят в движение рабочие колеса. Компрессору такого типа не потребуется много места или системы смазки на масляной основе.

Воздух для дыхания в космосе

Для дыхания в космосе, независимо от того, находитесь ли Вы на космической станции или в транспортном средстве, таком как челнок, требуется сжатый воздух различных типов и составов.

Атмосфера Земли состоит из 78% азота, 21% кислорода и 1% других газов при давлении в одну атмосферу. Космические аппараты перевозят жидкий кислород и жидкий азот в резервуарах под давлением, которое регулируется воздушным компрессором. Компрессоры также могут помочь поддерживать откачку этих газов из их резервуаров. На орбите космический челнок будет использовать только одну кислородно-азотную систему. Тем не менее, при взлете обе системы будут использоваться для поддержания максимальной работоспособности всех компонентов на борту.

Воздух, который циркулирует по космической станции, будет иметь несколько элементов, которые распространены в воздушных компрессорах и промышленных решениях для воздуха — особенно в системах очистки воздуха, которые мы часто видим в сочетании с компрессорами, используемыми при очистке сточных вод. Эти элементы включают в себя:

  • Теплообменники, которые распространены из-за экстремальных колебаний температуры на космических аппаратах. Они также являются основным элементом, используемым для сбора воды из воздуха, после чего воздух рециркулирует и вода поступает в специальный контейнер. В космосе при выдохе образуются пары воды, которые необходимо собирать, чтобы избежать повреждения оборудования!
  • Баллоны с диоксидом углерода, которые удаляют углекислый газ из воздуха. Они работают, позволяя воздуху взаимодействовать с гидроксидом лития. Компрессионные системы могут использоваться для перемещения этого воздуха через гидроксид лития в чрезвычайных ситуациях, когда существуют проблемы с качеством воздуха или когда определенные части станции отключены для ремонта.
  • Фильтры и канистры с активированным углем, которые используются для удаления запахов и мелких твердых частиц, а также для очистки воздуха после экспериментов. Это особенно важно при работе с летучими химическими веществами и при дегазации.

Что дальше?

В конце 2014 года NASA спроектировала новый тип баллона для сжатого воздуха и газов, который обеспечит высококачественный воздух для космонавтов на Международной космической станции.

Новая система представляет собой систему перезарядки азота и кислорода с резервуарами, которые предлагают взаимозаменяемое использование на космической станции. Резервуары и их приспособления предназначены для работы с существующей сетью подачи воздуха на МКС, но при необходимости могут использоваться и в специальных индивидуальных условиях.

Первоначально эти резервуары будут использоваться для замены и пополнения существующего воздуха. Работая с первоклассным воздушным компрессором, эти новые резервуары могут хранить воздух под давлением до 400 бар, что более чем вдвое превышает нагрузку предыдущего набора резервуаров. Это означает, что в каждом танке доступно намного больше воздуха, что сокращает количество случаев, когда грузовые корабли должны подавать воздух для пополнения запасов воздуха МКС. Одна интересная вещь заключается в том, что эти резервуары становятся чрезвычайно горячими при их заправке на Земле, и их нужно оставить на стенде на целый день, чтобы дать им остыть. Новые резервуары будут использоваться в системе охлаждения на основе аммиака МКС, а также в ряде других экспериментальных космических систем.

Возможно, в ближайшее время Вы не отправитесь в космос, но мы уверены, что и для Вас воздушные компрессоры могут сделать много полезных вещей. Мы поможем вам определить области, в которых Вы могли бы сэкономить время и деньги с помощью воздушного компрессора, подобрать винтовой компрессор, который Вам нужен, расскажем, как безопасно эксплуатировать Ваш воздушный компрессор.

Мечты инженеров. Архитектура в космосе

Прежде всего что такое архитектура? Это отнюдь не украшение фасадов и не выдумывание эстетически выразительной формы здания. Задача архитектуры — в широком и правильном смысле этого слова — создание искусственной пространственной среды для деятельности человека, материальная организация пространства. До сегодняшнего дня проблема освоения космического пространства еще не требовала от архитекторов решения каких-либо конкретных практических вопросов. Кабины космических кораблей, на которых совершены первые полеты в космос, мало отличаются от кабины современного самолета. Но ведь сегодня человек сделал лишь первый шаг в космос. Следующий же шаг потребует роста размеров космических объектов и дифференциации внутренних помещений их: выделятся спальные места, санитарные узлы, кухня, рабочие и вспомогательные помещения и т. д. Решение этого вопроса — задача архитекторов.

На рисунке изображены отдельные элементы, из которых будут собираться лунные поселения.

Здесь изображено несколько схем космических станций, в разное время предложенных конструкторами. Первая из схем — «бублик» — имеет самые простые связи между отсеками. Однако, по медико-биологическим соображениям, это не лучшая из схем.

Возможно, что именно в такой последовательности из отдельных элементов, доставляемых на временную орбиту, будет собираться космическая станция. Количество «ветвей», отходящих от центрального ствола, будет постепенно увеличиваться.

Лестница в «бублике», ведущая к оси станции, имеет вид спирали. Но это не должно смущать космонавта: сила тяжести на каждой ступеньке направлена вниз. Космонавт, поднимающийся по лестнице, будет чувствовать себя на ней вполне устойчиво.

Впрочем, у лестницы, ведущей к оси вращения, — и в «бублике» и в «рамке» — есть одна любопытная особенность. Искусственная сила тяжести на ней уменьшается с каждой ступенькой. Чем выше поднимается космонавт, тем легче ему идти.

Поверхность пола в «бублике» на взгляд криволинейна. Но это только на взгляд. Сила искусственной тяжести в любой точке поверхности пола нормальна к поверхности и одинакова по величине. Кривой пол «бублика» эквивалентен плоскому полу вашей комнаты.

Иная картина в многограннике. В каждой секции его пол прямолинеен. Однако прямолинеен он лишь для глаза, но не для ног. От угла к углу многогранника величина силы искусственной тяжести непрерывно меняется и во всех точках поверхности, кроме одной.

На Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной. Там нет атмосферы, а следовательно, не бывает ветров.

Конечно же, стенками этих помещений будет не пористый лунный грунт, а плотная, воздухонепроницаемая оболочка. Изнутри ее распирает давление воздуха. А снаружи конструкция разгружается сопротивлением грунта.

Чтобы развернуть работы по строительству лунного поселка, нужно обеспечить условия для жизни первых строителей. Очевидно, в этом случае поможет оболочка, прикрепленная к грунту и поддерживаемая изнутри давлением воздуха.

Внутреннее давление создает очень большие усилия. Даже при небольших пролетах они велики и опасны: и прочность самой оболочки и прочность удерживающего его грунта могут быть недостаточны. Поэтому усилия следует равномерно распределить.

Под такой оболочкой можно будет построить многоэтажное — уходящее этажами под грунт — сооружение.

Наверное, на Луне можно будет наладить производство бетона из местных материалов. Вот предполагаемая конструкция сооружения из бетонных блоков. Как это ни странно на первый взгляд, но и их вес несравним с величиной внутреннего давления.

Впрочем, при сводчатой конструкции, изображенной вверху, мы не полностью используем прочностные свойства материалов: ведь своды у нас работают «по-земному» — на сжатие. Очевидно, лучшей будет такая вот конструкция — из многослойных оболочек.

‹

›

Открыть в полном размере

Конечно же, в космосе архитекторов подстерегают многие неожиданности. Специфика пространства, в котором нет атмосферы, нет тяжести, поставит перед ними много новых проблем, в том числе и таких, которые сегодня даже невозможно предвидеть. Но остановимся на предвидимом. Попробуем представить себе, как будут решаться ближайшие задачи завтрашнего дня: архитектура околоземных космических и исследовательских лабораторий на Луне.



«Дом» в невесомости

Первые полеты в космос подтвердили, что человек может жить и работать в условиях невесомости. Но это относится пока к сроку меньше недели. О периоде в несколько месяцев ничего определенного сказать нельзя.


Но как бы то ни было, при длительном пребывании человека в космосе желательно создать для него привычную, похожую на земную обстановку, мир, в котором есть и верх и низ. И не случайно, что идея создания искусственной тяжести зародилась почти одновременно с самыми первыми трудами об освоении космоса.


Силу земного притяжения может заменить центробежная сила, ибо по биологическому действию инерциальные и гравитационные силы не отличаются друг от друга.


Величина центробежной силы зависит от скорости вращения и радиуса. Исходя из этого, можно подумать, что идеальной формой для космического объекта было бы тело, имеющее форму тора — «бублика».


Если космическая станция такой формы вращается вокруг собственной оси тора, то все ее помещения находятся в зоне, где искусственная сила тяжести имеет наибольшую величину.


Однако при более тщательном рассмотрении оказывается, что «бублик» весьма далек от идеала. Прежде всего при относительно небольших размерах космической станции нагрузка на различные части тела космонавта будет неодинаковой. Известно, что центробежная сила, имитирующая в нашем случае силу тяжести, зависит от радиуса вращения. Пусть, например, внешний радиус тора (радиус «пола», на котором стоят ноги космонавта) равен 10 метрам. Пусть достигнута определенная скорость вращения станции, при которой ноги будут испытывать центробежное ускорение, равное 0,5 земного ускорения силы тяжести. При этом голова — а она во вращательном движении расположена на окружности с меньшим радиусом: 10 метров минус рост человека — испытывает ускорение, равное лишь 0,42 земного. Разница между весом ног и головы существенна —17 процентов! Когда космонавт нагнется, присядет или ляжет в постель, например, голова становится тяжелее… Не приведет ли это к каким-то вредным последствиям?


Впрочем, та же самая неприятность ожидает и обитателей космических станций при почти любой другой конструкции. У «бублика» же есть специфическая особенность. Искусственная сила тяжести на нашей станции получена путем вращения. Но при вращении на космонавта будет действовать не только центробежное ускорение, но и так называемое кориолисово проявляющееся при любом перемещении внутри станции. Причем далеко не безразлично направление, в котором совершается это перемещение. Аппарат равновесия и координации движений человека — вестибулярный аппарат — приспособлен к определенному направлению силы тяжести и постоянной величине ее. Если космонавт движется параллельно оси вращения, постоянство направления и величины искусственной силы тяжести не нарушается — никаких неприятностей не происходит. Хуже, если космонавт перемещается в направлении вращения или против него. В первом случае искусственная сила тяжести — центробежная сила — будет возрастать, во втором — убывать. Самое же неприятное — передвижение в радиальном направлении. В этом случае сила тяжести будет непрерывно убывать до 0, а затем, после того как человек минует центр вращения, начнет возрастать в противоположном направлении.


Можно строить космическую станцию из отдельных цилиндрической формы помещений, собирая их в рамы, крестовины или иной формы сооружения. Такая конструкция хуже, чем «бублик». В этом случае не все помещения находятся в зоне максимальной величины искусственной силы тяжести. Зато в каждой «перекладине» рамки, например, человек сможет перемещаться в параллельном оси вращения направлении, В этом случае вестибулярные нарушения будут наименьшими. Но связь между жилыми отсеками должна осуществляться по самому неприятному направлению — радиальному.


Вообще пространство, в котором создана искусственная сила тяжести, таит много непривычных и неожиданных сюрпризов для проектировщиков. Посмотрите, например, на рисунок, где изображена лестница, ведущая к центру станции-«бублика». Она имеет вид спирали. Но это лишь для глаза. Вестибулярный аппарат человека, идущего по этой лестнице, не чувствует ее спиральной формы; ведь плоскость каждой ступени перпендикулярна силе тяжести, и вестибулярные ощущения остаются такими же, как и при ходьбе по обыкновенной «земной» лестнице, исключая разве уменьшение силы тяжести по мере поднятия по ступенькам. Однако зрительные ощущения у находящихся на лестнице будут довольно-таки непривычными: ведь два человека, одинаково твердо стоящие на ее верхних и нижних ступенях, обращены друг к другу головами. Каждый из них видит товарища, висящего над ним вверх ногами.


Кстати, а какие ступени должна иметь лестница? Обычная ступенька «земной» лестницы имеет размер 15X30 см. Если мы хотим, чтобы человек мог подниматься по лестнице с меньшей затратой сил, мы увеличиваем ширину ступени и уменьшаем высоту. Конструируя всякого рода вспомогательные лестницы, мы обычно поступаем наоборот.


Соотношение ширины и высоты ступени для любой лестницы определяется обычно по эмпирической формуле, которая учитывает такие факторы, как средний размер стопы, усилия, человека при подъеме на определенную высоту, ширина шага, координация движений.


Но если величина искусственной тяжести не такая, как на Земле, а, например, втрое меньшая?


Размер стопы, понятно, не изменится. А три остальных фактора — как отразится на них уменьшение силы тяжести? Во всяком случае, длина лестничного марша наверняка может быть большей.


А какие ступени будут лучше, когда сила тяжести по мере подъема по лестнице убывает, — одинаковые или разные?


Надо подумать и над тем, устроят ли человека привычные, «земные» габариты помещений в условиях необычной силы тяжести,


Всемирно известный французский архитектор Шарль ле Корбюзье, исходя из анализа пропорций человеческого тела, утверждал, что минимальный размер помещения, в котором может нормально чувствовать себя человек,— куб размером 2,28X2,28X2,28 м. Но сохранятся ли размеры этого куба при изменившейся силе тяжести? Например, если эта сила втрое меньше земной? Ведь характер движений человека изменится. Привычный толчок ноги, необходимый для того, чтобы сделать шаг по Земле, окажется достаточным для прыжка.


Работая на Земле, архитекторы привыкли компоновать здания и помещения в плане. Отсюда и произошло понятие «планировка». Космическая станция не имеет плана. Компоновка помещений должна вестись в непривычной проекции — в развертке криволинейных поверхностей в плоскость, перпендикулярную направлению искусственной силы тяжести.


С точки зрения изготовления и монтажа отдельных элементов «бублик» удобнее делать не кругом, а многогранником. Но вот ведь какой казус: в таком «бублике» человек будет ходить словно бы по кривому полу! (См. рисунок.) По-видимому, психологически это обстоятельство будет не очень приятным. Так же, как и обратное, когда кривой пол будет казаться горизонтальным, И перед архитектором встанет очень сложная и деликатная задача: смягчить эти неприятности, зрительно успокоить человека. Это можно сделать, если выбрать форму помещений так, чтобы не подчеркивались неправильные углы и отражения. Понадобится использовать для этой цели физические свойства материалов, различные приемы освещения.


Свои требования к форме и конструкции космических станций предъявляет и механика вращения. Предположим, человек внутри «бублика» перешел из одного отсека в другой. Последний стал тяжелее, и в его сторону сместился центр тяжести. Это, в свою очередь, изменяет положение центра тяжести всей станции. В станции-«рамке» перемещения человека, движущегося параллельно оси вращения, приводят к некоторому наклону оси в пространстве. Каждое такое изменение сказывается на характере движения станции. Поэтому с точки зрения механики выгодно, чтобы основная масса была вблизи оси вращения, то есть там, где центробежная сила близка к нулю. Помещение для людей, напротив, следует размещать по периферии, там, где сила максимальна. Архитектор, компонуя помещения станции, должен учитывать и то и другое требование: размещать людей у наружного края, а тяжелое оборудование — в центре.


Все помещения станции должны иметь удобную взаимосвязь. Наиболее просто решается эта задача в «бублике»: здесь можно попасть в любое помещение самым простым путем, хотя при этом и будут возникать некоторые неприятные ощущения, о которых говорилось выше. А вот, к примеру, в крестовине (см. рисунок) связь и усложнена и очень неудобна, так как проходит через центр вращения — точку невесомости.


Поселок на луне


Наверное, совсем не за горами время, когда на Луне возникнут поселки исследовательских экспедиций, подобные, например, антарктическому «Мирному».

  • 1
  • 2
  • Следующая страница

Кондиционирование в космосе

Для поддержания жизнедеятельности человека в космосе разработана и постоянно совершенствуется система жизнеобеспечения (СЖО). Это сложный многокомпонентный комплекс, состоящий из ряда самостоятельных, но взаимосвязанных систем. Собственно, за кондиционирование в нашем земном понимании отвечают две из них – система обеспечения газового состава и система обеспечения теплового режима.

Для жизни человека в космосе необходимо прежде всего поддерживать определенное давление и состав окружающей газовой среды, постоянно пополнять количество кислорода и удалять углекислый газ. Кроме того, в газовой среде и на стенках кабин и отсеков КА постепенно накапливается вода, выделяемая космонавтами при дыхании и в виде пота. Ее тоже нужно удалять. И, наконец, еще одна задача, которую нужно решить при кондиционировании в космосе, – это очистка воздуха от мельчайших пылинок, крошек, мусора. В космосе это еще важнее, чем на Земле. Дело в том, что в невесомости пыль и мусор не сядут на пол – там нет ни силы тяжести, ни пола. Со всем этим и должен справиться «космический кондиционер».

Решения разработчиков этой системы в СССР и США отличаются друг от друга. В американских кораблях «Меркурий», «Джемини», «Аполлон» (кроме «Шаттлов») применена чисто кислородная атмосфера с давлением 260-280 мм ртутного столба. Такое решение упрощает задачи конструкторов, поскольку снижает требования к прочности элементов конструкции корабля и позволяет уменьшить его вес. А каждый килограмм на орбите пока еще дороже золота. Но кислородный состав «воздуха» вынуждает астронавтов перед стартом около двух часов дышать в корабле чистым кислородом, а при выведении аппарата на орбиту стравливать давление из кабины. Запасы кислорода на американских кораблях находятся в баллонах высокого давления.

Наши специалисты решили создать внутри корабля атмосферу, подобную земной. С точки зрения комфорта это наилучшее решение. Но при наддуве скафандров (а это необходимо в случае нарушения герметичности космического корабля и, как следствие, резкого падения давления в кабине) создается большой перепад давления: внутри скафандра примерно 760 мм ртутного столба, снаружи – ноль. В этих условиях космонавт становится практически обездвижен. Выход есть: снизить давление и перейти на дыхание чистым кислородом, что технически очень непросто. Но это, пожалуй, единственная проблема. Вторая очевидная проблема – увеличение веса корабля – имеет обратную сторону, которая означает значительный плюс для экипажа, – радиационная защита в кораблях с земной атмосферой значительно лучше за счет увеличения толщины оболочки корабля.

В длительных полетах это имеет решающее значение. Поэтому в современных космических кораблях – как в российских, так и в американских – создается земная атмосфера. Отвечает за ее воспроизведение система, которая по терминологии отечественной космонавтики называется СОГС – система обеспечения газового состава.

СОГС предусматривает в качестве основного источника кислорода регенерационную установку, в которой кислород восстанавливается из воды. Интересна история создания первой подобной установки. Специалистам ОКБ-124 под руководством Г. И. Воронина в конце 50-х годов прошлого века было поручено решить вопрос об обеспечении кислородом космонавтов на космическом корабле «Восток». Решение было выбрано в пользу применения регенерационной установки, но в авиации опыта конструирования и применения регенераторов не было. Тогда с помощью предприятий-разработчиков регенерационных установок для подводных лодок был подобран ее тип и материал, который при прохождении через него влажного воздуха выделял кислород с образованием щелочи. Щелочь вступала в реакцию с углекислым газом и связывала его, превращая в твердое вещество. Ресурс установки – 12 суток, что ораздо больше ресурса системы подачи кислорода первого пилотируемого КА США «Меркурий» (36 часов).

Повышенный ресурс СОГС КА «Восток» имел большое значение для спасения космонавтов при отказе тормозного двигателя. В этом случае КА все равно бы оказался на Земле за счет естественного торможения, поскольку остатки атмосферы на высотах орбитального полета еще имеются. Ожидаемое время нахождения КА на орбите без выдачи тормозного импульса – около недели, космонавт на «Востоке» мог относительно спокойно дождаться приземления, правда, это могло случиться практически в любой точке траектории, например в Тихом океане или в горах Южной Америки. Малый ресурс системы подачи кислорода «Меркурия» требовал повышенной надежности работы тормозного двигателя. Его отказ приравнивался к гибели астронавта, так как корабль остался бы на орбите значительно дольше заданных 36 часов.

Одно необходимое замечание о работе СОГС. Важную роль на борту КА в условиях невесомости – там нет конвекции – играют вентиляторы и воздуховоды. Они установлены в отсеках так, чтобы не возникало застойных зон и обеспечивалось равномерное перемешивание газовой среды. В противном случае возможна ситуация, когда космонавт (или астронавт), неподвижно выполняя какой-то длительный эксперимент или во время сна, «выдышит» кислород в пространстве рядом с собой и почувствует себя плохо от избытка углекислого газа.

Каждое новое поколение КА имело на борту усовершенствованные системы СОГС. Так, в составе СОГС транспортного корабля «Союз» используются регенератор и поглотитель углекислого газа с газоанализатором, блоком вентиляторов и фильтрами для поглощения вредных газов и пыли. При изменении парциального давления кислорода газоанализатор выдает сигнал на привод исполнительного устройства, который, распределяя газовую смесь между регенератором и поглотителем, регулирует скорость реакции в регенераторе и скорость поглощения углекислого газа и вредных примесей в поглотителе.

На первой долговременной орбитальной станции «Салют» принцип работы СОГС не изменился. Были добавлены дополнительные блоки поглощения углекислого газа. С учетом значительного увеличения объема кабины были установлены воздуховоды и циркуляционные вентиляторы. Дополнительный фильтр вредных примесей был способен поглощать выделения материалов станции и продуктов жизнедеятельности экипажа (аммиак, окись углерода, сероводород, ацетон, жирные кислоты, углеводороды и др.). В схему обеспечения Международной космической станции воздухом, пригодным для дыхания, включены сложные многокомпонентные устройства, которые взаимодействуют друг с другом.

Основной системой подачи кислорода в гермообъемы МКС является российская система «Электрон», которая работает по принципу разложения воды на кислород и водород (водород удаляется за борт станции). Все системы обеспечения жизнедеятельности МКС дублируются на случай отказов. Дублирующей для «Электрона» системой является твердотопливный генератор кислорода (ТГК). Кислород в генераторе получают из шашек, в которых находится кислородсодержащее вещество в твердом виде. Шашки «поджигают» (конечно, речь идет не об открытом пламени), и в процессе горения выделяется кислород. Температура внутри шашки достигает +450°С. Для одного человека необходимо около 600 литров кислорода в сутки. В зависимости от типа шашки при ее сгорании выделяется от 420 до 600 литров кислорода.

Кроме того, кислород доставляется на МКС грузовыми кораблями «Прогресс» в баллонах в газообразном виде под высоким давлением. Как мы уже говорили, для нормальной жизнедеятельности на станции нужно очищать атмосферу от углекислого газа.

Заметим, что превышение содержания углекислого газа в атмосфере гораздо опаснее, чем снижение количества кислорода. Это к вопросу о том, что некоторые производители бытовых кондиционеров пытаются выдать как свое преимущество «доставку кислорода» в комнату.

Не надо этим заниматься. Лучше бы боролись с углекислотой. Основным средством для очистки атмосферы от углекислого газа на борту МКС является система «Воздух». Принцип работы этой системы состоит в адсорбции (поглощении) углекислого газа с последующей вакуумной регенерацией поглотительных патронов.

Блок очистки атмосферы от микропримесей (БМП) очищает воздух от всевозможных вредных газообразных примесей в атмосфере станции. Это тоже система регенерационного типа, ее патроны работают в режиме очистки 18-19 суток с последующей регенерацией. Ресурс ее главных функциональных элементов – патронов очистки атмосферы – составляет три года, но даже за десять лет работы системы необходимость их замены не возникла: газоанализаторы показывают отличное состояние атмосферы.

Кроме того, нормальный состав атмосферы поддерживают дублирующие системы: одноразовые поглотительные патроны, фильтры удаления вредных примесей и очистки от дыма, а также устройство обеззараживания воздуха «Поток», которое автоматически включается каждые сутки на шесть часов и обеззараживает атмосферу МКС.

Теперь рассмотрим работу систем терморегулирования. Ее задача – поддержание температуры КА и газовой среды (атмосферы) в его герметичных обитаемых отсеках. Для сравнения – у поверхности Земли привычный для нас в быту кондиционер должен использоваться при температуре наружного воздуха в среднем от -15 до +40°C, при этом окружающая среда – воздух за окном – либо холодный, либо теплый. На орбите условия работы космического кондиционера совсем другие. Определяющими тепловыми воздействиями в ходе орбитального полета являются солнечное излучение и тепловыделение от работающей на борту аппаратуры.

На солнечной стороне орбиты идет интенсивный нагрев поверхности КА, обращенной к Солнцу (противоположная сторона при этом остается холодной). На теневой части орбиты КА охлаждается. Температура поверхности КА при этом может меняться в очень широких пределах – от +200 до -200°C. Тепловыделение внутренних источников – приборов, агрегатов, самого экипажа – достигает значительных величин и постоянно увеличивается по мере усложнения стоящих перед экипажами задач. Если на американском космическом корабле «Джемини», например, тепловыделение бортовой аппаратуры составляло порядка 500-600 ккал/ч, тепловыделение самих астронавтов – 230 ккал/ч (то есть в сумме примерно 1 кВт), то на современной Международной космической станции речь идет уже о 70-80 кВт (!). Подчеркнем – здесь и далее речь идет только об орбитальном участке полета. Участки выведения на орбиту и особенно спуска с нее требуют своих решений.

Таким образом, конструктор космических аппаратов (КА) – транспортных кораблей и станций – вынужден решать две прямо противоположные задачи: одновременно предохранять космический аппарат от переохлаждения и от перегрева. Для их решения используется система, в отечественной космонавтике называемая СОТР – система обеспечения теплового режима. Это вторая главная часть космического кондиционера. СОТР представляет собой совокупность различных средств и устройств, регулирующих внешний и внутренний теплообмен КА. В состав СОТР входят средства пассивного терморегулирования (СПТР) и комплекс средств активного регулирования тепловых процессов, называемый системой терморегулирования (СТР). СПТР – это набор конструктивных элементов, обеспечивающих заданные параметры теплообмена с помощью излучения и теплопроводности (терморегулирующие покрытия, тепловая изоляция и термозащита, термомосты и термосопротивления), а СТР – это вентиляционные устройства,  жидкостной контур с теплообменными устройствами и средствами регулирования тепловых потоков, активные средства регулирования лучистого теплообмена и т.д.

Главное в СПТР – это термозащита, своего рода космическая «шуба». Только в космосе она служит не столько для согрева, сколько для термоизоляции конструкции корабля. Роль такой «шубы» выполняет так называемая экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ) – она многослойная, требует тщательного подбора материалов. «Пошив» и «надевание» «шубы» на космический корабль – это трудоемкая технологическая операция.

Но одной изоляции мало. Прежде всего она не решает задачи отвода избытка тепла. Для этого и предназначена система терморегулирования – СТР. Принцип ее построения наглядно раскрывается на примере космических кораблей «Восток» и «Восход». В ее состав входили основной и резервный вентиляторы, теплообменник и система автоматического регулирования температуры. Приводимый в движение вентилятором (а как иначе, без вентилятора никак) воздух снимал тепло, исходившее от приборов гермоотсека и от космонавта (на «Восходе» – от космонавтов), и далее он направлялся в теплообменник. Космонавт устанавливал необходимую температуру, поддерживавшуюся потом автоматически. Чувствительный элемент в соответствии с заданной температурой вырабатывал управляющий сигнал, который влиял на положение специальной шторки, определявшей расход воздуха в теплообменнике. С помощью шестеренчатого гидронасоса через трубы теплообменника прокачивался хладагент, отбиравший тепло от воздуха и переносивший его (тепло) на радиационную поверхность. Циркулируя по трубопроводам, расположенным на этой поверхности, хладагент отдавал ей свое тепло, излучавшееся далее в космос. Такая система весьма эффективно поддерживала заданную температуру с точностью ±1,5°С.

Следующее поколение СТР было реализовано в конструкции корабля «Союз» и долговременной орбитальной станции (ДОС) «Салют». Весьма большие размеры гермоотсека ДОС «Салют», значительные тепловые мощности, выделяемые ее аппаратурой и экипажем, заставили найти новые подходы к решению проблемы обеспечения теплового режима, хотя основные элементы СТР этих КА похожи друг на друга. Прежде всего это два основных жидкостных контура: внутренний, предназначенный для терморегулирования жилых отсеков, и внешний, служащий для отвода избыточного тепла от гермоотсека в космосе. Тепло снималось из внутреннего объема КА с помощью двигавшегося под напором вентиляторов воздуха и передавалось в газожидкостном теплообменнике жидкости, прогонявшейся с помощью гидронасосов по гидромагистрали.

Далее оно передавалось в жидкостно-жидкостном теплообменнике внешнему контуру и сбрасывалось в космос с радиационной поверхности (радиатора) наружного теплообменника. Для решения задачи удаления влаги из атмосферы станции служили специальные холодильно-сушильные аппараты. Влага оседала на охлаждавшихся до температуры порядка +5°С поверхностях этих аппаратов, собиралась в емкости, а затем подавалась в систему, регенерировавшую из конденсата воду.

Температура жидкости внутреннего контура регулировалась с помощью автоматики и регуляторов. Это позволяло поддерживать на необходимом уровне температуру стенок холодильно-сушильного агрегата, а значит, и уровень влажности воздуха в отсеках.  Температура воздуха также регулировалась автоматически. Так как при изменении температуры жидкости изменяется и занимаемый ею объем, то есть меняется давление в охлаждающих трактах, в системе терморегулирования был предусмотрен компенсатор объема.

Когда на станции нет экипажа и ее аппаратура выделяет мало тепла, температура воздуха в гермоотсеке понижается. Для того чтобы она не опустилась ниже допустимого предела, в составе системы терморегулирования был предусмотрен электрообогреватель. В ходе многолетней эксплуатации таких орбитальных станций и космических кораблей, как «Салют» и «Союз», было установлено, что использовать в целях обеспечения комфортного климата сушильно-холодильные системы не самый лучший вариант. Таких систем попросту недостаточно для того, чтобы поддерживать требуемую обработку искусственной атмосферы и оптимальный уровень влажности. Поэтому при переходе к эксплуатации орбитального многоблочного комплекса «Мир» перед разработчиками встал вопрос о создании инновационных кондиционирующих установок. Впервые за всю историю мирового космического машиностроения был разработан и введен в постоянную эксплуатацию высокоэффективный и компактный комплекс автономного типа, основанный на парокомпрессионном цикле. Данная система кондиционирования работала с так называемыми компрессорами «сухого типа», наряду с уникальным воздухоохладительным модулем нового поколения.

Надежность компрессорного оборудования в условиях орбитального функционирования обеспечивал сварной каркас на основе алюминиевых сплавов. Внутренняя часть, а именно холодильный контур, по которому циркулировал фреон, был изготовлен с использованием исключительно нержавеющих металлов.

Дальнейшее развитие получила система терморегулирования Международной космической станции. Радиаторы современной МКС работают на аммиаке. Испаряясь при комнатной температуре (при давлении в 10 атмосфер), аммиак хорошо работает в холодильном цикле, охлаждая МКС, нагревающуюся на солнце и за счет своих внутренних процессов. Внутренний контур МКС использует для охлаждения обычную воду, которая охлаждается испарением аммиака из внешнего контура. На сегодня штурные радиаторы позволяют МКС скидывать в окружающее пространство около 70 кВт тепловой мощности с возможностью увеличения теплового сброса еще на 14 кВт.

Сегодня на Международной космической станции площадь радиаторов для сброса тепла уже сравнима с площадью солнечных батарей (рис. 2). Бортовые системы МКС на дневной стороне непрерывно подворачивают панели солнечных батарей и радиаторов, ориентируя первые на максимальный прием солнечного света, а вторые на минимальный. Минимизировать солнечный нагрев самих радиаторов должен и их белый цвет – эстетика здесь ни при чем. На теневой же стороне станция ориентирует панели батарей и радиаторов к плоскости орбиты, подобно крыльям и килям летящего самолета. Здесь первостепенной задачей на 45 темных минут становится минимизировать сопротивление остатков атмосферы, которые на высоте 400 км все же есть и тормозящий эффект которых виток за витком постепенно сказывается, что приводит к замедлению и снижению высоты орбиты. Станция как бы шевелит «крыльями» – медленно и непрерывно. Со стороны очень красиво…

Перед разработчиками было поставлено достаточно много технических и конструкционных задач, которые удалось решить в ходе многочисленных наземных испытаний. Конструкция орбитальных кондиционеров непрерывно совершенствуется и обновляется. Это, в свою очередь, позволяет добиваться более значимых успехов для космонавтов в создании более комфортных условий пребывания на орбите.

Текст: Михаил Николаев

Источник: Журнал «ON» (http://on-m.ru/2017/12/18/konditsionirovanie-v-kosmose)

Спросите Доктора Вселенная: Почему мы не можем дышать в космосе?

Новости  > 

Семья

7 октября 2021 г.
Обновлено вс, 10 октября 2021 г., 14:42.

Астронавт НАСА Энн Макклейн из Спокана работает в лабораторном модуле Кибо 30 января 2019 года, спроектированном и построенном Японским агентством аэрокосмических исследований. Макклейн работает над установкой NanoRacks CubeSat Deployer в шлюзе Кибо. (НАСА)

  • Твиттер
  • Электронная почта
  • Реддит

 

Подпишитесь на доставку EXPRESS SCIENCE NEWS