Проектиование Системы Жизнеобеспечения на Запасах

То есть для  нахождения космического аппарата на околоземной орбите в течение 219 суток с одним членом экипажа на борту необходимо:

 кг.

 . 

Хранить перекись водорода можно при невысоких  давлениях, поэтому относительная  масса емкостей (баков) может быть снижена до =0,25, то есть до . Суточный расход 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 СОЖ.

Жидкое состояние  перекиси водорода позволяет достаточно просто осуществить ее дозированную подачу на разложение и регулирование  заданной концентрации кислорода в  обитаемом отсеке КА. Схема системы может быть следующей (рисунок 3): 

Рисунок 3

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 800-900К. 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 дозирующего клапана 7 может осуществляться по величине парциального давления кислорода в отсеке, измеряемого газоанализатором 14. 

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.

По массе количество микропримесей, поступающих в атмосферу  невелико – от 0,01 до 1 г/сут. Однако многие из этих веществ (их всего до 100 наименований) могут стать токсичными, то есть 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; часть примесей удаляется из атмосферы при ее очистке от углекислого газа. Тем не менее в длительных полетах необходимы специальные средства очистки атмосферы от вредных микропримесей – адсорбция угольным фильтром или каталитическое окисление.

Наиболее простым  способом очистки атмосферы от углекислого  газа при наличии запасов кислорода  является химическое поглощение с помощью гидратов окисей щелочных металлов – калия, натрия, лития… В ходе реакции углекислый газ из атмосферы вступает во взаимодействие со щелочами, образуя бикарбонаты металлов, воду и некоторое количество тепла:

  (**)

  (***)

Расход щелочных веществ на связывание 1 кг углекислого  газа минимален в случае самого легкого  металла – лития ( -1,1). 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 формируют вещество в виде гранул или блоков. В этом случае общий расход поглотителя на основе составляет около 1,5кг/кг , а с учетом массы емкостей кг/кг .

Соответственно  на 219 суток для одного человека:

 кг

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 . 

Таким образом, Система  Очистки Атмосферы состоит из: 

      Поглотитей  углекислого газа

Принцип действия поглотителей основан на использовании  химического поглощения углекислого  газа. Емкость одного поглотительного  патрона — 1600 литров. Поглотитель  углекислого газа представляет собой  патрон, снаряженный литиевым поглотителем KОН.

      Фильтра вредных примесей (ФВП), предназначенного для поглощения вредных газообразных примесей из атмосферы (ацетона, аммиака, сероводорода, окиси углерода и др.). Фильтр состоит из двух частей: сменной кассеты с химическим поглотителем и активированным углем и незаменяемой части — катализатора (для окисления СО и H2).  
 
 
 

Система водообеспечения (СВО): 

Должна обеспечивать экипаж питьевой водой в количестве 2,5 кг/(чел.*сутки).

Так как в нашем  случае система обеспечения кислородом работает на запасах перекиси водорода, то при этом образуется 1 кг/сут воды. 

Система регенерации 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 являются мочевина - до 20 г/л и хлористый натрий - до 12 г/л, остальное сложная смесь, состоящая почти из 150 различных органических веществ и минеральных солей.

Высокое содержание примесей в урине исключает возможность  ее очистки адсорбцией, так как  необходимый расход поглотителей превышает  массу самой очищенной воды, и  требует применения методов перегонки, то есть выпаривания воды из урины с последующей конденсацией паров.

Примем схему  регенерации воды из урины на основе атмосферной перегонки с каталитическим окислением примесей в паровой фазе. Сущность метода заключается в том, что пары воды, содержащие вредные летучие примеси, после выхода из испарителя 1 пропускаются через колонку с катализатором 2, нагретым до 380-430K; при этом происходит окисление и разрушение органических примесей, состоящих из углерода, водорода, азота, серы и кислорода, до нейтральных после растворения в воде веществ , , , и так далее – рисунок 4.  

Рисунок 4

Наиболее эффективным  катализатором является гопкалит –  смесь марганца и . Конденсат воды в этом методе получается высокой чистоты даже при полном извлечении воды из урины. Система регенерации (рисунок 4) представляет собой замкнутый контур по которому циркулирует газ – носитель паров воды (например, воздух), и включает в себя испаритель 1 с полимерной мембраной 10, каталитическую печь 2 с электроподогревом, конденсатор паров воды 3, циркуляционный вентилятор 4, нагреватель воздуха 5.

Остальные узлы:

• система подачи урины 6;
• сепаратор воды 11;
• гидронасос 12;
• колонки адсорбционной очистки 7;
• колонки кондиционирования 8;
• контейнер хранения воды 9.

Основные  энергозатраты в рассмотренной  системе регенерации воды из урины  определяются теплотой, необходимой  для испарения воды - при температуре испарения около 300K. Если принять тепловые потери из системы в окружающую среду около , а время работы в сутки с учетом необходимого запаса производительности ч, то для регенерации суточного выделения урины человеком требуется мощность . 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. 

Система регенерации воды из влаговыделений человека: 

Наиболее  удобным методом сбора воды, испаряемой через кожу и легкие, является конденсация  ее паров из атмосферы на холодных поверхностях теплообменников-осушителей. Собранная таким путем вода называется конденсатом атмосферной влаги (КАВ), 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.

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 отсеке.

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 вещества легко переходят в сконденсированную воду, загрязняя ее первые порции еще больше, чем исходный конденсат.

Низкое  содержание примесей в конденсате позволяет  применить методы адсорбционной  очистки, не требующие затрат энергии.

Схема системы регенерации воды из конденсата (рисунок 5) включает в себя разделитель 4 водовоздушной смеси, подаваемой в него гидронасосом 5 через колонку с катионитом 6, анионитом 7 и

Рисунок 5

 

Активированным  углем 8, где и 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, натрия, магния (бикарбонаты, хлориды, сульфаты), а также микроэлементы – фтор, йод. Для этой цели на выходе из системы устанавливаются колонки кондиционирования воды 9, содержащие соленасыщающую шихту из минералов – гипса ( ), доломита ( ), флюорита ( ) 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, а с учетом массы конструкции колонок – на одного человека до 100 г/сутки. То есть для полета длительностью 219 суток:

Вода, регенерированная из продуктов жизнедеятельности, должна удовлетворять санитарным нормам и требованиям, разрабатываемым на основе специальных медико-биологических исследований.

Получаем 1,2 кг воды на человека в сутки. То есть:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Cистема Энергопитания (СЭП): 

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 потребуется масса СЭП: