26.09.2017 Cостоялось заседание Президиума НТС АО «НИИхиммаш» подробнее...
31.08.2017 Лицензия на осуществление космической деятельности подробнее...
Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш»

Регенерация воды и атмосферы на космической станции: опыт орбитальных станций "Салют", "Мир" и МКС, перспективы развития

Л.С.Бобе, Л.И.Гаврилов, А.А.Кочетков, Э.А.Курмазенко (АО "НИИхиммаш"), П.О.Андрейчук, А.А.Зеленчуков, С.Ю.Романов (НПО "Энергия"), Ю.Е.Синяк (ИМБП РАН). Доклад на конференции IAC-10.A1.6.6., 27.10.2010 

Реферат

На основе анализа опыта эксплуатации российских космических станций "Салют", "Мир" и Международной космической станции МКС представлены данные по балансу воды и кислорода на станции, параметрам работы и характеристикам систем регенерации воды и атмосферы. На основе этих данных проведен проектный анализ комплекса регенерационных системы жизнеобеспечения для космической станции на орбите Луны. Предложенный комплекс физико-химических систем жизнеобеспечения включает: комплексную систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, из конденсата витаминной оранжереи и воды из системы утилизации углекислого газа; систему регенерации воды из урины; систему регенерации санитарно-гигиенической воды; систему регенерации кислорода на основе электролиза воды; систему очистки атмосферы от микропримесей; систему очистки атмосферы от углекислого газа и его концентрирования и систему переработки углекислого газа; систему запасов воды, кислорода и азота. Стартовая масса систем жизнеобеспечения (включая ЗИП, резервное оборудование, эквивалентную массу потребления электроэнергии и сброса тепла) приемлема для лунной орбитальной станции. Обязательной стадией проверки новых процессов и систем регенерации воды и атмосферы для перспективных миссий является их испытания на МКС. 

Введение

Реализация перспективных орбитальных и межпланетных полётов связана с совершенствованием систем жизнеобеспечения (СЖО) экипажа. Эти системы должны осуществлять максимальное извлечение и регенерацию воды из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека и биотехнического комплекса, осуществлять электролизное получение кислорода из регенерированной воды, очищать атмосферу от углекислого газа и других примесей, преобразовывать углекислый газ с получением воды; обеспечивать потребности экипажа в воде и кислороде с минимальным добавлением этих веществ из запасов.

Источниками воды и кислорода на борту станции являются продукты жизнедеятельности человека: пот и выдыхаемая влага, собираемые в системе кондиционирования атмосферы (конденсат атмосферной влаги); урина; углекислый газ; влага, испаряемая растениями; санитарно-гигиеническая вода, а также вода, выделяемая техническими системами, например, топливными элементами электрохимического генератора.

Из-за энергетических, объёмных и массовых ограничений на космической станции в настоящее время и в ближайшей перспективе в системах регенерации воды и атмосферы будут использоваться физико-химические процессы. Использование биологических процессов и воспроизведение пищи являются задачами будущего и скорее всего будут реализованы на планетных базах.

Опыт эксплуатации систем жизнеобеспечения российских орбитальных космических станций (ОКС) "Салют" и "Мир" и международной космической станции МКС, основанных на регенерации воды и атмосферы с частичным использованием воды и кислорода из доставляемых запасов, позволил получить данные по балансу воды и кислорода на космической станции и параметрам работы систем регенерации. Использование этих данных позволяет провести проектный анализ систем жизнеобеспечения для перспективных в том числе для межпланетных, космических станций.

В представляемом докладе рассмотрены системы, основанные на физико-химических процессах. Предполагается, что витаминная оранжерея так же будет включена в состав комплекса СЖО. Степень возврата (регенерации) веществ рассмотрена на основе баланса по воде, используемой на потребление, получение электролизного кислорода и другие нужды.

Опыт разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы. Наземные испытания в составе комплекса систем жизнеобеспечения.

В 1967-1968 г.г. в ИМБП был испытан комплекс физико-химических регенерационных систем жизнеобеспечения РСЖО НЛК, укомплектованный системами, разработанными и изготовленными НИИхиммашем. [1,2]. Структурная схема комплекса РСЖО НЛК представлена на рис.1 (вариант А). Физико-химические регенерационные системы в течение года обеспечивали жизнедеятельность экипажа из трёх человек, находившихся в герметичном макете межпланетного корабля. В составе комплекса работали системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической воды; система электролизного получения кислорода из регенерированной воды; система очистки атмосферы от микропримесей; системы очистки атмосферы от углекислого газа и его концентрирования; система утилизации углекислого газа путём его разложения на воду и метан по методу Сабатье. Была экспериментально подтверждена принципиальная возможность длительного регенерационного жизнеобеспечения, человека, находящегося в замкнутом ограниченном пространстве. 

На основании этих исследований и дальнейших работ по созданию и эксплуатации лётных систем сформировались основные методы регенерации воды и атмосферы. В настоящее время реализуются следующие методы. Для регенерации воды из конденсата атмосферной влаги используется сорбционно-каталитический метод с последующей минерализацией, консервацией серебром и пастеризацией очищенной воды. Извлечение воды из мочи осуществляется путём дистилляции с сорбционно-каталитической очисткой дистиллята. 

Регенерация санитарно-гигиенической воды производится путём фильтрации с последующей сорбционной доочисткой. Получение кислорода производится путём электролиза водного раствора щёлочи с использованием воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществляется сорбционно-каталитическим методом на регенерируемых сорбентах. Очистка от углекислого газа путём сорбции на регенерируемых сорбентах с его концентрированием при регенерации сорбентов. Переработка углекислого газа методом гидрирования водородом по реакции Сабатье с получением воды и метана. Для реализации этих методов разработана малогабаритная аппаратура, работоспособная в условиях космического полёта. Особо следует отметить аппаратуру для осуществления процессов гидродинамики и тепломассообмена в газожидкостных средах в условиях невесомости.

Рис.1. Структурная схема комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения космической станции.

A. Наземный комплекс РСЖО НЛК: все системы, представленные на рисунке. 
B. Комплекс РСЖО ОКС "Мир": позиции 1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17. 
C. Комплекс РСЖО МКС: позиции 1, 2, 4, 5, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17. 
D. Комплекс РСЖО перспективной станции: все системы, представленные на рисунке.

Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги на станциях "Салют"

Для использования в полёте первоначально были разработаны системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К для долговременных орбитальных станций "Салют". В январе 1975 г. впервые в мировой практике пилотируемых полётов экипаж космической станции "Салют-4" в составе А.А. Губарева и Г.М. Гречко использовал регенерированную из конденсата воду для питья и приготовления пищи и напитков. Система работала в течение всего пилотируемого полёта станции. Аналогичные системы типа СРВ-К работали на станциях "Салют-6" (1977-1981гг.- 570 суток) и "Салют-7" (1982-1986 гг.- 743 суток). Система СРВ-К совместно с системой запасов обеспечивала станцию водой и наряду с функцией регенерации осуществляла очистку воды с просроченными запасами, подогрев воды запасов и получение горячей воды для санитарно-гигиенических процедур [3].

Жизнеобеспечение экипажей космической станции "Мир"

На орбитальной космической станции ОКС "Мир" впервые в мировой практике был реализован практически полный (за исключением системы концентрирования и утилизации углекислого газа) комплекс физико-химических систем регенерации воды и атмосферы, который в значительной мере обеспечил длительное и эффективное функционирование станции в пилотируемом режиме [4, 5]. Структурная схема жизнеобеспечения представлена на рисунке 1 (вариант В). Регенерация воды из конденсата атмосферной влаги, урины и санитарно-гигиенической воды осуществлялась в отдельных системах, а кислород для дыхания получали методом электролиза воды, регенерированной из урины. Очистка атмосферы от микропримесей осуществлялась в системе СОА-МП; очистка атмосферы от углекислого газа проводилась в системе "Воздух". Вода запасов доставлялись на станцию грузовыми кораблями "Прогресс" в баках системы "Родник" и ёмкостях ЕДВ. После начала российско-американского сотрудничества вода, образующаяся в топливных элементах космических кораблей "Шаттл", передавалась на станцию "Мир" для питья и получения электролизного кислорода. Системы регенерации обеспечили получение качественной воды и кислорода и чистоту атмосферы в течение всего полета станции. Некоторые характеристики систем представлены в таблице 1. Система СРВ-К работала в базовом модуле весь период пилотируемого полёта с 16.03.86 по 27.08.99; системы СПК-У, СРВ-У и СОА МП работали в модуле "Квант 2" с 16.01.90 по 27.08.99; система "Электрон-В" работала попеременно в модулях "Квант 1" и "Квант 2" весь период полёта, система "Воздух" работала в модуле "Квант 1" с апреля 1987 г до конца полёта, система СРВ-СГ работала кратковременно только для подтверждения работоспособности.

Как видно, массозатраты при регенерации воды и атмосферы значительно ниже, чем массозатраты при её доставке на космическую станцию. Удельные затраты массы при регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и для получения кислорода составили 0,14 кг массы системы на 1 кг получаемой воды или кислорода. Удельные затраты массы при очистке атмосферы от углекислого газа составили 0,08 кг массы системы на 1 кг удаляемого СО2.

Массозатраты при доставке 1 кг воды составляют с учетом массы тары - 1,25 кг/л H2O; при доставке кислорода - 2,8 кг/кг O2 и 2,1 кг/кг СО2 при доставке расходуемых материалов для очистки атмосферы от СО2 нерегенерируемыми поглотителями. В процессе эксплуатации станции "Мир" за счет работы систем регенерации получена экономия массы доставляемых грузов 58650 кг. Следует также отметить уникально малые затраты энергии особенно в системах регенерации воды типа СРВ-К и СРВ-СГ: 2 Втч/л воды и 8 Втч/л воды соответственно.

Жизнеобеспечение экипажей международной космической станции МКС

Аналогичный комплекс жизнеобеспечения (рис. 1, вариант С), включая системы концентрирования и утилизации углекислого газа и витаминную оранжерею и регенерацию воды из этих систем, предполагалось постадийно воплотить на Международной космической станции МКС [4, 6]. В настоящее время в составе служебного модуля СМ работают усовершенствованные системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К2М, приёма и консервации урины СПК-УМ (1-я часть системы регенерации воды из урины), электролизного получения кислорода "Электрон-ВМ", очистки от микропримесей СОА-МП и очистки от углекислого газа "Воздух".

Характеристики усовершенствованных систем значительно лучше, чем у систем, работавших на станции "Мир". Значительно увеличена производительность систем, снижены массо- и энергозатраты. Производительность системы "Электрон-ВМ" увеличена по сравнению с системой "Электрон-В" в 2 раза и составляет 160 нл О2 в час (для обеспечения 6 человек). В систему очистки от микропримесей, первоначально включавшую регенерируемый адсорбер ЗПЛ, нерегенерируемый адсорбер ФОА и низкотемпературный каталитический фильтр ПКФ, введён с 24.10.2003 г. высокотемпературный каталитический фильтр ПКФ-Т, обеспечивающий периодическую высокотемпературную каталитическую очистку атмосферы от метана. В системах СРВ-К2М и "Электрон-ВМ" удельные затраты массы на получение (поглощение) целевого продукта снизились, в 1,5 - 2 раза до 0,08 кг/кг и 0,07 кг/кг соответственно. Основные характеристики работы систем регенерации воды на международной космической станции МКС с 2.11.00. (начало пилотируемого полёта) по 1.06.10. приведены в таблице 2 [7, 8]. В системе СРВ-К2М регенерировано до питьевых кондиций 12970 литров конденсата атмосферной влаги, что составляет 63% от расхода питьевой воды и 44% от общего расхода воды на станции. В системах "Электрон-ВМ" и "Воздух" получено 5835 кг кислорода и поглощено 10250 кг углекислого газа. Работа систем позволила сэкономить более 50000 кг массы доставок воды и оборудования, т.е. несколько пусков грузовых кораблей "Прогресс".

Примечания. * - расшифровка в перечне условных обозначений и сокращений; **с учётом нагрева воды; ***- потребление воды запасов -16660 л, общее потребление воды на станции - 29630л, ****-для 6 человек.

Эффективность работы комплекса СЖО может быть существенно повышена при повышении степени его замкнутости. За рассматриваемый период на российском сегменте МКС собрано и удалено 15300 литров мочи со смывной водой. При коэффициенте извлечения воды 0,9 количество регенерированной в СРВ-УМ воды составило бы 13770 литров при собственной массе системы 15% от массы полученной воды. На МКС также собрано и удалено 10250 кг углекислого газа. В системе переработки углекислого газа по реакции Сабатье можно было бы получить, используя водород из системы "Электрон-ВМ", около 4610 литров воды. Получение на борту дополнительных 18380 литров воды практически обеспечивает баланс станции по воде и кислороду. Таким образом, одним из приоритетных направлений развития российского сегмента МКС и перспективных станций является введение в состав СЖО систем регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки углекислого газа. Это позволит снизить массу доставок воды, повысить надёжность водообеспечения и автономность полёта станции, при этом расширятся возможности доставки научного оборудования.

Качество воды и атмосферы

В настоящее время накоплен большой опыт по оценке качества регенерированной воды и воды запасов. По окончании каждой экспедиции, при экспедициях посещения и при совместных полётах с кораблями "Шаттл" отбирались и доставлялись на Землю пробы конденсата атмосферной влаги, регенерированной воды и воды из системы запасов. В таблице 3 приведены обобщённые данные [7] за весь рассматриваемый период полёта МКС. Как видно, несмотря на относительно высокое содержание органических примесей в конденсате регенерированная вода полностью удовлетворяет нормативам. Питьевая вода запасов сохраняет свой состав и соответствует всем требованиям нормативов. Периодически проводимые американскими астронавтами непосредственно на борту станции бактериологические анализы показали, что в регенерированной воде и в воде запасов микрофлора практически отсутствует. Приведённые данные убедительно подтверждают химическую и бактериологическую безопасность воды на космической станции. Содержание примесей в атмосфере станции не превышает нормативы. Содержание основных примесей в электролизном кислороде приведено в таблице 4 [8]. Как видно, качество кислорода полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Перспективы развития комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения

На основе опыта разработки и эксплуатации систем регенерации воды и атмосферы в докладе рассмотрена перспективная физико-химическая система регенерационного жизнеобеспечения межпланетной станции. Рассмотрим в качестве примера регенерационное жизнеобеспечение космической станции на лунной орбите с экипажем до 4 человек. Доставка грузов на такую станцию чрезвычайно сложна, поэтому оптимальным для данной цели является практически замкнутый по воде и кислороду комплекс регенерационных СЖО. Комплекс представлен на рис.1 (вариант D) и включает все приведённые на схеме физико-химические системы регенерации, санитарно-гигиеническое оборудование и витаминную оранжерею с освещенной площадью 0,4 м² [10,11]. Используются запасы пищи, содержащей 0,6 кг на человека в сутки сухого вещества и 0,5 кг на человека в сутки воды. Технический баланс по воде приведен в таблице 5. Первая колонка в правой и левой части таблицы относится к структуре СЖО МКС с минимальными потребностями в воде. Колонка 2 учитывает потребности в воде витаминной оранжереи и в воде для мытья и стирки. Колонка 1.2 характеризует первый этап развития СЖО при введении системы регенерации воды из урины и систем концентрирования и переработки СО2 (по методу Сабатье). Колонка 2 характеризует второй этап развития СЖО при введении санитарно-гигиенического оборудования, витаминной оранжереи и соответствующих систем регенерации воды. Оценочный расчёт массы и энергопотребления комплекса СЖО по этому варианту представлен в таблице 6. На основании анализа возможностей увеличения ресурса блоков и оборудования систем регенерации удельные затраты массы на 1 кг получаемого продукта снижены до значений, приведённых в таблице. Нагрузка на системы принята на основании баланса веществ, приведенного в таблице 5.

Потребление, выделение и возможности возврата веществ на космической станции (для 1-го космонавта в сутки)

Потери воды и атмосферы и расход азота для продувки капсулы системы "Электрон-ВМ", точные значения которых не известны, не учитывались. Не учтён также расход воды и атмосферы для скафандров. Удельные массы доставляемых запасов воды приняты 1,3 кг/кг Н2О, кислорода - 3 кг/кг О2. Аварийные запасы принимались а 90 суток из расчёта потребностей в кислороде и азоте (5 кг/чел-сутки) и воде (4 кг/чел-сутки). Использованы американские данные по массозатратам на энергопитание и отвод тепла в системе обеспечения теплового режима: 230 кг/кВт и 146 кг/кВт соответственно [12]. Принималось что количество отведённого тепла эквивалентно затратам электрической энергии, суммарный учёт 0,4 кг/Вт. При расчёте энергопотребления систем СРВ-К и СРВ-СГ учитывались затраты на нагрев воды. Следует ещё раз подчеркнуть, что в соответствии с направленностью доклада рассматривались затраты массы и энергии на регенерацию воды и атмосферы. Остальные статьи затрат на жизнеобеспечение: кондиционирование воздуха, пища, санитарно-гигиеническое и медицинское оборудование, системы для внекорабельной деятельности и т.д. не рассматривались.

Расчётные затраты массы и энергии для пребывания 4-х человек на лунной орбите в течение года составили: 
- на регенерацию воды и водообеспечение 2810 кг оборудования и запасов воды и 280 Вт электрической энергии (среднесуточно); 
- на регенерацию и запасы атмосферы 2630 кг оборудования и запасов кислорода и азота и 1740 Вт электрической энергии (среднесуточно). 
Суммарные затраты на регенерацию воды и атмосферы и запасы составили 5440 кг (оборудования и запасов воды, кислорода и азота) и 2020 Вт электрической энергии (среднесуточно).

Масса аварийных запасов сравнима с затратами на регенерацию, поэтому необходимо обеспечить технические предпосылки для её снижения. Особое внимание следует обратить на коэффициенты регенерации веществ и на минимизацию потерь воды и атмосферы, которые непосредственно влияют на расход запасов (при расчётах эти потери не учитывались). Основным направлением развития комплексов СЖО является повышение их замкнутости и надёжности. Для повышения надёжности в комплекс СЖО должны входить не только запасные агрегаты, но и дублирующие системы, обеспечивающие экипаж водой и атмосферой при неисправности основных систем. С увеличением длительности и автономности полёта решающее значение приобретают увеличение ресурса оборудования, обеспечение ремонтопригодности, снижение затрат массы и энергопотребления систем и уменьшение занимаемого ими объёма. Необходимы повышение эффективности существующих и разработка новых процессов регенерации воды и атмосферы.

*С учётом дополнительных блоков и резервной подсистемы. **С учётом аварийного запаса.

В настоящее время системы и комплексы СЖО, полностью удовлетворяющие указанным требованиям, отсутствуют. Для их создания необходимо проведение целенаправленных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Важнейшей стадией проверки новых технологических процессов и систем для длительных автономных полётов являются их испытания и отработка на международной космической станции МКС. 

При организации планетных баз следует обеспечить постепенный переход от работающего при невесомости оборудования межпланетных кораблей к более простому оборудованию, использующему гравитацию планет. Отдельной задачей является разработка процессов и систем, использующих планетные ресурсы.

Выводы

1. Созданы регенерационные системы жизнеобеспечения, успешно работавшие на Российских космических станциях "Салют", "Мир" и в настоящее время на МКС, обеспечивая длительное пребывание космонавтов на станции и значительный технико-экономический эффект. 

2. Проведенный анализ, использующий достигнутый опыт, подтверждает техническую возможность создания комплекса систем жизнеобеспечения, основанного на регенерации воды и атмосферы, для лунной орбитальной космической станции. 

3. Для решения этой задачи необходимо повысить степень замкнутости комплекса СЖО за счёт повышения коэффициентов извлечения воды и введения в состав СЖО систем регенерации воды из урины, концентрирования и переработки углекислого газа. 

На втором этапе совершенствования комплекса СЖО необходимо повысить его комфортность и ввести санитарно-гигиеническое оборудование, витаминную оранжерею и соответствующие системы регенерации воды. 

4. Создание комплексов систем жизнеобеспечения для перспективных миссий требует разработки усовершенствованной аппаратуры, систем и технологий, позволяющих увеличить надёжность регенерации и значительно снизить расход массы на получение целевых продуктов. Необходимо также разработать и внедрить резервные системы, обеспечивающие функциональное дублирование основных систем в нештатных ситуациях.