Проектиование Системы Жизнеобеспечения на Запасах

Задание: 

Спроектировать  СОЖ с запасом пищи и запасом  кислорода. 
 

Исходные  данные:

1. Длительность полета 0,6*365 дней;
2. Количество членов экипажа – 1 человек;
3. Тепловыделения научной аппаратуры 2 кВт;
4. КА находится на околоземной орбите;

 

Определить:

1. Выбрать СОТР и определить ее массу;
2. Определить массу энергетической установки;
3. Разработать функциональную схему комплекса СОЖ с системой автоматического регулирования.

 

Чертежи: Функциональная схема СОЖ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 на стыке различных научных дисциплин.

К числу таких проблем относится создание средств жизнеобеспечения человека, то есть средств, обеспечивающих его нормальное существование и работу в специфических условиях космического полета – глубокого наружного вакуума, невесомости, необычного внешнего теплового режима, ионизирующих излучений…

Основное содержание задач жизнеобеспечения определяется прежде всего физиологическими нуждами  человеческого организма.

В процессе жизнедеятельности  человек потребляет из окружающей его  земной среды (биосферы) определенные вещества: кислород, пищевые вещества, воду. В биологических обменных реакциях организма пищевые вещества окисляются кислородом и дают энергию, необходимую для жизнедеятельности человека. Продукты реакций окисления выделяются обратно в окружающую среду в виде углекислого газа и шлаков с жидкими и твердыми продуктами жизнедеятельности.

В земных условиях продукты жизнедеятельности 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 – давлению, газовому составу атмосферы, температуре, влажности…

В космическом  полете, когда человек полностью  изолирован от земной биосферы, ее функции  ложатся на специальные бортовые системы космического аппарата –  системы обеспечения жизнедеятельности экипажа.

Эти системы должны обеспечивать:

1. Снабжение человека необходимыми для жизни веществами;
2. Сбор и удаление продуктов жизнедеятельности;
3. Создание и поддержание в обитаемом отсеке космического летательного аппарата необходимых условий атмосферной среды, оптимальных для жизни и работы человека.

В условиях космического вакуума человек в замкнутом  отсеке полностью изолирован от земной среды обитания и обеспечение  его всеми необходимыми веществами производится средствами бортовых систем жизнеобеспечения.

В космическом  полете определяющими критериями совершенства систем жизнеобеспечения являются минимальная  масса и энергопотребление систем. Данные ограничения носят принципиальный характер, вытекающий из формулы Циолковского о предельном полезном грузе ракеты-носителя и, если масса систем превышает некоторый предел для конкретного космического летательного аппарата, то он не может быть выведен на орбиту. 
 

Состав  и назначение Систем Обеспечения Жизнедеятельности: 

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).

Система очистки атмосферы (СОА) должна обеспечивать сбор и удаление из атмосферы углекислого газа в количестве 1,0 кг/сутки, поддерживать его парциальное давление на уровне не более 10 гПа, а также обеспечивать очистку атмосферы от вредных микропримесей, выделяемых человеком и оборудованием.

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.*сутки).

Система питания экипажа (СОП) должна обеспечивать космонавта полноценным питанием, с рационом содержащим белки, жиры и углеводы с массовым соотношением около 1:1:4 и с общей калорийностью до 12500 кДж/(чел.*сутки).

Средства  регулирования температуры  и влажности атмосферы (СРТ) вместе с общей системой терморегулирования (СТР) должны осуществлять отвод из отсека тепла, выделяемого человеком (~145 Вт/человека), удаление из атмосферы паров воды, выделяемых человеком (50 г/чел.), а также поддерживать заданную температуру (18-22 ), относительную влажность и циркуляцию воздуха (0,1-0,4 м/c).

Средства  удаления отходов (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 СОЖ, обеспечивающий непосредственные физиологические  нужды человека, находящегося в замкнутом отсеке.

Помимо этих систем в состав комплекса СОЖ 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 экипажа (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 экипажа в полете, медикаменты.  
 

Блоки систем жизнеобеспечения: 

1. Блок запаса кислорода:

   а) вес = 416,5 кг;

   б) объем = 290 дм²;

   в) энергопотребность – нет.

2. Блок запаса пищи:

   а) количество = 8;

   в) вес = 40 кг;

   б) объем = 40 дм²;

  в) энергопотребность – нет.

3. Блок приготовления пищи:

   а) вес = 20 кг;

   б) объем = 25 дм²;

   г) энергопотребность = 0,002 кВт.

4. Блок химического поглощения углекислоты:

  а) количество = 8;

   в) вес = 100 кг;

  б) объем = 130 дм²;

  в) энергопотребность – нет.

5. Блок сбора жидких отходов (АСУ):

  а) вес = 5 кг;

  б) объем = 130 дм²;

  г) энергопотребность = 0,002 кВт.

6. Блок сбора твердых отходов (АСУ):

   а) количество = 8;

  в) вес = 10 кг;

  б) объем = 50 дм²;

  в) энергопотребность – нет.

7. Блок сбора конденсата:

   а) вес = 10 кг;

   б) объем = 60 дм²;

   г) энергопотребность = 0,001 кВт.

8. Блок переработки конденсата в пищевую воду:

  а) вес = 5 кг;

  б) объем = 5 дм²;

  в) энергопотребность – нет.

9. Блок физико-химической регенерации воды:

  а) вес = 10 кг;

  б) объем = 10 дм²;

  г) энергопотребность = 0,005 кВт.

10. Блок стерилизации воды озоном:

  а) вес = 5 кг;

  б) объем = 5 дм²;

  в) энергопотребность = 0,001 кВт.

11. Блок аварийного запаса кислорода для человека:

   а) количество = 3;

  б) вес = 3 кг;

  в) объем = 15 дм²;

  г) энергопотребность – нет.

12. Блок аварийного запаса воды для человека:

  а) количество = 3;

  б) вес = 7,5 кг;

  в) объем = 9 дм²;

  г) энергопотребность – нет.

13. Блок запаса микроэлементов и солей:

  а) вес = 60 кг;

  б) объем = 40 дм²;

  в) энергопотребность - нет.

14. Блок инструментов:

  0,5% веса системы.

15. Блок медико-санитарного обслуживания:

  а) вес = 3 кг;

  б) объем = 5 дм²;

  в) энергопотребность - нет.  

Итого:

Общий вес  системы:

Вместе  с блоком инструментов:

Энергозатраты системы:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Система обеспечения жизнедеятельности  на запасах:

Наиболее простым  решением задач СОЖ для нахождения космического аппарата на околоземной орбите в течение 219 дней с одним членом экипажа на борту и при тепловыделении научной аппаратуры 2 кВт

является применение на борту КА 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 калия: . При этом количество , необходимое для связывания одного килограмма в зависимости от глубины реакции (т.е. полноты отработки ), 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 КА 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 специальных емкостях, заполненных физическим поглотителем жидкости, т .е. капиллярно-пористым влагопоглощающим материалом.

Такие системы  называются СОЖ на основе запасов веществ. Общая структура типичного комплекса СОЖ на основе запасов включает в себя (рисунок 1): 

 

• 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 для подачи ее космонавту.
• Продукты питания (ПП) в упаковке 5 и средства приготовления пищи 6;
• Емкости с твердым химическим поглотителем углекислого газа (поглотительные патроны) и вентилятор 8 для продувки через них очищаемого воздуха;

 

Рисунок 1