Обитаемые космические станции

На высоте около 19 км давление снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому здесь начнется кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступит почти мгновенно.

Таким образом, с точки зрения физиологии человека космос начинается уже на высоте 19 км.

В современной авиации большое распространение получили герметические кабины с наддувом внешним атмосферным воздухом. Но такой тип кабины практически пригоден лишь для полетов на высотах ниже 30 км. На больших высотах для сжатия сильно разреженного воздуха требуется очень большая мощность компрессора. Кроме того, при сжатии такого разреженного воздуха температура его растет настолько интенсивно, что требуется дополнительное охлаждение воздуха. Поэтому в космических полетах используется принципиально новый тип кабины для пилота — полностью герметизированная и наддуваемая изнутри.

Однако для поддержания жизнедеятельности человека внутри герметической кабины совершенно недостаточно иметь лишь атмосферное давление воздуха и нужное количество кислорода. Внутри космического корабля должен поддерживаться такой климат, к которому человек привык на Земле, т. е. определенный диапазон изменения влажности и температуры воздуха.

Такой искусственно созданный и автоматически поддерживаемый климат был в кабинах советских космических кораблей. Напомним, что в кабине корабля «Восток-5» состав воздуха, давление, влажность и температура поддерживались в заданных пределах почти пять суток. Таким же и даже более высоким требованиям будут удовлетворять рабочие и жилые отсеки ОКС, в которых помещения для экипажа будут намного больше по объему, а время поддержания нормального для человека климата возрастет во много раз.

Физиологическая классификация зон указывает и на то, что на высотах более 36 км интенсивно действует ионизирующая радиация — первичные космические лучи, на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра и на высотах более 120 км — интенсивные метеорные потоки.

Можно представить себе любую другую классификацию зон околоземного пространства. Следует лишь оговориться, что каждая из этих классификаций, как и предыдущие, является условной и неокончательной. В частности, можно рассматривать техническую классификацию зон атмосферы.

По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные всем явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение подъемной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В верхних, разреженных слоях воздуха, где длина свободного пробега частиц становится соизмеримой с длиной волны звуковых колебаний, распространение звука оказывается невозможным. До высот порядка 60–90 км еще возможно использование сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического полета. Но начиная с высот 100–130 км знакомые каждому летчику понятия числа М и «звукового барьера» теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полета там еще можно применить аэродинамическое крыло. На высотах же 180–200 км начинается сфера чисто баллистического полета, управлять которым можно лишь используя реактивные силы. Если при таком полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то наступает состояние так называемой динамической невесомости и летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.

На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию обычной конвекцией. Это означает, что различные элементы оборудования аппаратуры ОКС не смогут охлаждаться так, как это делается обычно на самолете, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение. Известно, что полет с большой скоростью в нижних слоях атмосферы связан с очень сильным конвективным нагревом носовой части и обшивки летательного аппарата, возникающим в результате трения о молекулы воздуха. При полете же на высотах 130–160 км нагрев обшивки от трения о воздух становится ничтожно малым.

Итак, где же, начинается собственно космос — свободное межпланетное пространство в «чистом» виде?

Едва ли на этот вопрос можно ответить вполне определенно. На схеме рис. 22 показаны все три рассмотренные нами классификации зон околоземного пространства — физическая, физиологическая и техническая. Интересно, что при подъеме на высоту особенно быстро начинается космос для физиологов — с высоты 19 и даже 15 км. Правда, на этих высотах проявляются лишь отдельные свойства космической среды. Поэтому зону от 19 до 200 км физиологи считают частично эквивалентной космосу.

Конечно, и выше 200 км космос все же отличается от межпланетного пространства, так как еще сказывается влияние близости Земли. Радиационные пояса Земли распространяются на многие десятки тысяч, а гравитационные и магнитные поля — на многие сотни тысяч километров.

Рис. 22. Классификация зон околоземного пространства

Радиация. Пожалуй, одной из самых больших опасностей, подстерегающих человека в космосе, является воздействие космической радиации. Еще не ясны до конца размеры этой опасности, но уже очевидна: необходимость в мощной антирадиационной защите для экипажа ОКС, тем более что вредное влияние радиации на организм обладает свойством накапливаемости и может проявиться через несколько лет или передаться по наследству.

С биологическим действием ионизирующей радиации: люди впервые столкнулись более полувека назад после открытия естественной радиоактивности. Однако серьезным изучением влияния радиации на живые организмы ученые занялись лишь в недавнее время в связи с бурным развитием атомной техники.

Предельно допустимая доза облучения для человека не должна превышать 0,3 рентгена в неделю или 15 рентген в год. Предельной для человека дозой при кратковременном облучении считают 600 рентген. В связи с необходимостью длительного пребывания человека на борту ОКС или в далеком космосе ученые ищут эффективные средства защиты от ионизирующей радиации. Такой защитой, возможно, будут специальные экраны — поглотители и отражатели космических частиц. Ученые ведут также усиленные поиски специальных препаратов, способных в случаях сильного облучения предотвратить или хотя бы задержать развитие лучевой болезни.

При проектировании ОКС будет учитываться влияние космической радиации не только на организм человека, но и на материалы конструкции и оборудование. Исследования показали, что радиация почти не действует на металлы, но в условиях вакуума способна вызывать деполимеризацию пластмасс, нарушающую их структуру. Процесс деполимеризации сопровождается обычно выделением газа, обесцвечиванием, повышением хрупкости и электропроводности, уменьшением сцепляемости частиц пластических материалов.

Известную опасность радиация представляет и для полупроводниковых приборов — транзисторов.

Мы уже упоминали об околоземных поясах радиации, образованных магнитным полем Земли (см. рис. 6). Это главный источник опасных излучений для экипажа ОКС. Радиационная «оболочка» Земли состоит из трех зон, или поясов — внутреннего, внешнего и самого внешнего.

Первый — внутренний пояс радиации — как бы охватывает земной шар вдоль геомагнитного экватора. Он состоит из частиц с высокой энергией — протонов. Относительно центра Земли этот пояс, как и порождающее его магнитное поле, расположен несимметрично: в западном полушарии нижний край его опускается до высоты 600 км, в восточном — поднимается до 1600 км. В некоторых местах (например, в южной части Атлантического океана) повышенная радиация начинается на еще меньших высотах — 350–400 км, что объясняется влиянием местных магнитных аномалий. По широте внутренний пояс распространяется примерно на 20° к северу и на 20° к югу от экватора. Интенсивность потока заряженных частиц в нем переменна по высоте: с подъемом на каждые 100 км она удваивается и достигает максимального значения на высоте 3000 км. Ионизирующее действие радиации внутреннего пояса вызывают главным образом протоны, которые могут создавать максимальную дозу, равную 50-100 рентгенов в час. Создать надежную защиту при такой дозе радиации можно, лишь применяя очень толстые экраны, вес каждого погонного сантиметра которых, по оценке американских специалистов, на современном уровне техники может составлять до 80 г.

Второй — внешний пояс радиации, — открытый советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км. Он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора) и также обладает переменной интенсивностью. Максимальная доза, создаваемая внешним поясом за один час, может составить громадную величину — до 10000 рентген. Однако проблема защиты от радиации внешнего пояса будет, по всей вероятности, менее сложной, чем проблема защиты от радиации внутреннего пояса. Дело в том, что внешний пояс состоит в основном из частиц сравнительно невысокой энергии — электронов, от которых могут неплохо защитить даже обычные материалы обшивки космического корабля. Если же применить довольно тонкие свинцовые экраны, то эту дозу можно снизить в тысячи и десятки тысяч раз.

Что касается третьего — самого внешнего пояса радиации, — расположенного на высотах 45000-80000 км, то, несмотря на его пока еще недостаточную изученность, полагают, что радиация в нем не будет представлять большой опасности из-за малой энергии его частиц.

Интенсивность космической радиации резко возрастает под влиянием солнечных вспышек, которые, что особенно важно, довольно нерегулярны по времени и интенсивности. Например, за период с 1956 по 1960 г. было отмечено около десятка мощных вспышек на Солнце с частотой появления около двух в год. Вспышка, наблюдавшаяся 12 мая 1959 г., сопровождалась излучением протонов, которые на высоте 30 км создавали биологическую дозу в 2 рентгена в час; причем надо учитывать, что на этой высоте сильно сказывается экранирующее влияние атмосферы. Как видим, уже этот уровень дозы чрезмерно велик для человека, однако солнечные вспышки могут создавать и более интенсивные потоки радиации. Зарегистрированная в июле того же года при очередной вспышке на Солнце интенсивность потока протонов оказалась в десять раз больше предшествующей.

Обеспечение надежной защиты экипажа космического аппарата от действия радиации солнечных вспышек — весьма сложная задача. Достаточно сказать, что для защиты от средней по интенсивности вспышки 12 мая 1959 г. потребовался бы толстый графитовый экран, вес которого при площади 10 м2 составил бы 5 т. Теперь понятно, почему большое значение приобретает прогнозирование вспышек на Солнце. Многолетними наблюдениями за Солнцем установлено, что в его деятельности имеются периоды минимальной активности, Эти периоды наиболее благоприятны для полетов человека в космос и пребывания людей на борту орбитальных станций. Предполагается, что очередные периоды минимальной солнечной активности будут наблюдаться в 1963–1966 и 1972–1975 гг.

Итак, наибольшую опасность для экипажа ОКС представят интенсивные потоки протонов при вспышках на Солнце и при прохождении станцией внутреннего пояса радиации, где мощность дозы может достигать 1 рентгена в минуту и более. Как мы уже говорили, именно протоны являются теми частицами, от которых в первую очередь необходимо защищаться. Однако при разработке системы радиационной защиты ОКС нужно учитывать и то, что, попадая в материал обшивки и конструкции, протоны способны создавать вторичные продукты радиации, в частности гамма-лучи и рентгеновские лучи, обладающие еще большей проникающей способностью, чем протоны.

Способы защиты от космической радиации могут быть пассивными и активными. Пассивные способы аналогичны тем, которые применяются в настоящее время в практике реакторостроения, и основаны на свойствах материалов поглощать и частично отражать радиацию. Активные способы — это отражение протонов с использованием электростатических или электромагнитных полей. Используя положительный заряд протонов, можно воздействием поля изменить направление их потока и заставить обойти космическую станцию. Активная защита более эффективна, но связана с очень большим расходом энергии.

Пассивная защита может осуществляться экранированием наиболее ответственных, в первую очередь жилых и рабочих, отсеков ОКС щитами из материала, обеспечивающего уменьшение дозы ниже допустимого предела. Наилучшей поглощающей способностью обладают элементы с высоким атомным весом и прочными электронными связями, например свинец. Он является эффективным защитным материалом не только от протонов, но и от вторичных продуктов радиации. Водород, например, в качестве защиты от протонов по весу в пять раз эффективнее свинца, но водород беспомощен против гамма-излучения. Система же защиты свинцовыми экранами имеет очень большой вес.

На графике рис. 23 в логарифмическом масштабе показано изменение потребного веса защитных свинцовых экранов в зависимости от допускаемой скорости нарастания биологической дозы, создаваемой протонами внутреннего пояса радиации на высоте 3500 км и протонами от солнечной вспышки в мае 1959 г. [16].

Рис. 23. График изменения веса защиты в зависимости от скорости нарастания условной биологической дозы:

1 — от протонов во внутреннем поясе радиации; 2 — от протонов солнечной вспышки

На том же графике можно видеть, что если экипаж ОКС длительное время находится на орбите и существует опасность возникновения солнечной вспышки, то для снижения скорости нарастания дозы до более или менее приемлемого уровня (0,001 рентгена в минуту) свинцовая защита должна иметь толщину, соответствующую погонному весу более 500 кг на квадратный метр.

Приведенные зависимости носят, разумеется, общий оценочный характер и нуждаются в дальнейшем уточнении. Однако уже в таком виде они дают представление о потребной толщине свинцовых экранов и свидетельствуют о необходимости применения более эффективных в весовом отношении защитных материалов. Такими материалами могут оказаться исследуемые в настоящее время бор, углерод, полиэтилен и их комбинации.

Весьма перспективным средством повышения эффективности противорадиационной защиты считается комбинирование пассивного экрана с одним из активных способов.

Зная энергию приходящих протонов, нетрудно подсчитать потенциал электростатического поля для отражения всех протонов с заданным уровнем энергии. При создании электростатического поля вокруг космического аппарата его можно окружить двумя концентрическими сферами: внешней, заряженной отрицательно, и внутренней, заряженной положительно. Чем больше будет радиус внешней сферы, тем меньше величина заряда, которую надо сообщить сферам для отражения всех протонов с заданной энергией.

Разумеется, создание противорадиационной защиты подобного типа является пока лишь проблемой. При наличии внешней сферы с радиусом лишь в несколько метров (что само по себе связано с большими конструктивными трудностями) величина заряда, необходимая для защиты от высокоэнергичных протонов, должна быть огромной. Однако в условиях космического вакуума создать большие заряды, видимо, будет легче, чем в атмосфере, где велики токи утечки. Осуществимость такой противорадиационной защиты всецело зависит от создания сверхвысоковольтных электростатических генераторов приемлемого веса.

Электромагнитное поле также может изменять траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии. Для отражения высокоэнергичных протонов важна не только величина электромагнитного поля, но и его форма. Расчеты показывают, что для создания вокруг ОКС сферического защитного электромагнитного поля потребуется громадная электрическая мощность порядка 10-100 Мвт. Несколько эффективнее будут поля других, более сложных форм, например спиральное. Но нельзя забывать и о том, что наличие сильного электромагнитного поля вокруг ОКС затруднит выполнение многих научных экспериментов.

И все же надо полагать, что электромагнитный и электростатический способы противорадиационной защиты будут служить хорошим дополнением к пассивной защите экранированием. А в будущем, при полетах к другим планетам, быть может, они станут основным средством борьбы с радиационной опасностью.

Метеорные тела. Атмосфера надежно защищает поверхность Земли от еще одного «властелина» космоса — метеоров, метеорных дождей и потоков космической пыли. Подходя к поверхности Земли, большинство из этих посланцев космоса сгорает при входе в атмосферу на высоте 40-120 км.

До недавнего времени наши представления об истинных размерах метеорных потоков на больших высотах основывались лишь на оптических и радиолокационных наблюдениях. Только в последние годы благодаря многочисленным запускам исследовательских ракет, спутников и космических кораблей были получены обширные сведения, позволившие более строго подойти к оценке той опасности, которую представляют метеоры при продолжительных полетах людей в космосе.

Частицы космического вещества распределяются в пределах солнечной системы неравномерно и имеют самые различные физические свойства. Пока более или менее изучены метеорные потоки лишь в околоземной части межпланетного пространства, но они-то и представляют наибольший интерес с точки зрения создания ОКС. Обшивка орбитальных станций будет подвержена бомбардировке частицами различных размеров и массы.

Осколки больших метеорных тел, изредка достигающие земной поверхности, называются метеоритами. Они имеют относительно высокие плотности — от 2 г/см3 (плотность камня) до 8 г/см3 (плотность железа). Метеорные частицы кометного происхождения, составляющие 89 % в общем метеорном потоке, имеют, судя по косвенным оптическим и радиолокационным измерениям, гораздо меньшую плотность — ниже 0,05 г/см2 (плотность только что выпавшего снега). Около 10 % общего числа метеорных тел, встречающихся в околоземном пространстве, составляют осколки рассыпавшихся астероидов. Лишь 1 % всех метеорных частиц имеет галактическое происхождение.

Плотность метеора определяют обычно с Земли оптическими методами по яркости его свечения. Скорости метеорных потоков вблизи Земли достигают огромных величин — от 11 до 76 км/сек, причем, как полагают, наиболее интенсивно метеорные потоки действуют в плоскости эклиптики.

В чем же заключается метеорная опасность при полетах в космос? Продолжительные полеты искусственных спутников Земли показали, что вероятность столкновения в космосе с крупными метеорными телами весьма мала. Более реальную угрозу для экипажа и конструкции корабля представляют мелкие твердые частицы. При столкновении, их с обшивкой ОКС в ней могут образоваться сквозные пробоины, что может вызвать разгерметизацию кабины.

Метеорные частицы имеют самые различные размеры и вес. Наиболее крупные из них, весом от 510–3 до 2•10–5 г и диаметром от 1 до 0,2 см, составляют в общем потоке лишь около 0,3 %.

При проектировании обшивки ОКС нельзя забывать о том, что вероятность попадания микрометеора возрастает с увеличением размеров станции. Кроме того, толщина обшивки в значительной мере влияет на вес полезной нагрузки всей станции. Поэтому толщина обшивки должна быть выбрана оптимальной, причем ограничением является, с одной стороны, вес обшивки, с другой — возможность пробивания ее метеорными телами.

Учитывая, что вероятность попадания этих частиц в ОКС невелика, полет станции практически можно будет считать безопасным в течение длительного времени. Несмотря на это, конструкторам космических станций придется преодолеть немало трудностей при создании прочных и легких обшивок. Для этого им необходимо знать возможные глубины проникновения микрометеоров в различные материалы. Все эксперименты в этом направлении проведены пока что при скоростях метеорных частиц до 8 км/сек и плотностях материалов больших, чем это необходимо. Существует много различных оценок пробивных свойств микрометеоров. По опубликованным данным [21], глубина проникновения микрометеора в дюралевую обшивку в среднем равна 7,5 d, а в стальную — 4,4 d, где d- диаметр метеора. Тогда по средневероятностной оценке размеров метеоров для обшивки ОКС потребуется толщина 4,8 мм для дюраля (вес 1 м2 обшивки 12,6 кг) и 2,8 мм для стали (вес 1 м2 обшивки 21,4 кг).

В зависимости от размеров пробитого отверстия и объема внутренних помещений ОКС воздух будет с той или иной скоростью вытекать наружу. Расчеты показывают, что в среднем скорость падения давления (декомпрессии) в помещении ОКС при пробивании обшивки метеорным телом, как правило, будет не настолько значительной, чтобы космонавты не успели принять необходимые защитные меры: перейти в запасную кабину (если таковая имеется) или надеть специальный скафандр.

Конструкторы ищут пути уменьшения вероятности пробоя обшивки космических кораблей путем подбора лучших материалов и создания специальных конструкций обшивки. Из новых материалов, выгодных с точки зрения уменьшения веса обшивки и способных более или менее успешно противостоять метеорным телам, можно назвать бериллий, магний, титан. Каждый из них имеет, конечно, и свои недостатки. Например, магний при нагреве теряет свои прочностные свойства, поэтому он может быть применен лишь в том случае, если конструкция ОКС не будет возвращаться на Землю. Кроме того, предполагается использовать самогерметизирующиеся при пробое резиновые материалы, наносимые на металлическую обшивку и предохраняющие от утечки воздуха при пробое, как это делается в авиации для герметизации баков.

Рис. 24. Схема многослойной антиметеорной защиты:

1 — тонкая внешняя стенка; 2 — толстая внутренняя стенка; 3 — «запечатывающий» материал; 4 — бандаж; 5 — сепаратор из фольги

Весьма перспективным способом антиметеорной защиты является применение многослойной обшивки, состоящей из нескольких листов металла, разделенных промежутками. Защитные листы можно сделать очень тонкими, и суммарный вес многослойной обшивки будет во много раз меньше веса однослойной защиты. В простейшем случае такая обшивка состоит из двух стенок. Внешняя стенка, выполненная, например, из бериллия, — тонкая — толщиной всего 0,3–0,5 мм; она предназначена для поглощения энергии микрометеоров низкой плотности. Толщина внутренней стенки, также бериллиевой, будет выбрана в соответствии с обычными условиями непробиваемости для определенного размера частиц в течение заданного времени.

Многослойную обшивку ОКС можно сделать еще более тонкой и легкой, если промежутки между стенками заполнить резиновым материалом или специальным веществом, способным «запечатывать» пробоины, например кипящим при понижении давления. Многослойная обшивка с «запечатывающим» заполнителем показана в разрезе на рис. 24.

Хотя пробивание обшивки микрометеором даже при длительном существовании ОКС можно считать весьма редким явлением, с которым к тому же можно довольно успешно бороться, тем не менее метеорную опасность нельзя недооценивать. Кроме того, постоянное воздействие мелких метеорных частиц на различные поверхности приведет к их эрозии, т. е. к уносу материала с поверхности обшивки. При проектировании ОКС с периодом существования более одного года придется, вероятно, учитывать возможное уменьшение толщины обшивки вследствие эрозионного действия попавших в обшивку станции метеорных тел. Вероятно, эрозии будет подвергаться и разнообразное оборудование научной космической станции: наружные линзы оптических приборов, поверхности излучателей и солнечных коллекторов.

ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?

Любая форма живой материи немыслима вне той среды, к существованию в которой она приспособлена, причем более высокоорганизованные формы жизни являются и более требовательными к постоянству состава и свойств внешней среды.

Отрасль биологии, занимающаяся изучением взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, называется экологией. Наука поставила перед учеными и инженерами сложнейшую проблему: как обеспечить человеку вне Земли длительную работоспособность, как создать в космической пустыне, в невесомости условия, пригодные для жизни и работы?

Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.

Количественные отношения, в которых совершается процесс обмена веществ, во многом зависят от состояния окружающей среды, например от температуры. Но прежде всего они определяются родом жизнедеятельности. Достаточно сказать, что часовое потребление кислорода человеком может изменяться в среднем от 15 л при полном покое (сон) до 75 л и более при тяжелой физической работе.

Однако для уяснения требований, предъявляемых к системе жизнеобеспечения экипажа ОКС, обычно рассматривают некоторые средние нормы. Примером таких осредненных норм суточного круговорота веществ в организме человека могут служить данные, представленные в виде диаграммы на рис. 25 [16]. Приведенная диаграмма составлена из предположения, что вес человека равен 70 кг, суточный рацион питания состоит из 80 г белков, 270 г углеводов и 150 г жиров, а отношение массы вдыхаемого кислорода к массе выдыхаемого углекислого газа составляет 0,82. Рассматривая диаграмму, можно прийти к двум важным выводам. Во-первых, масса всех вводимых в организм веществ равняется массе всех выделяющихся продуктов жизнедеятельности; другими словами, процесс обмена веществ у здорового взрослого человека, вес которого практически остается неизменным, совершается при строгом массовом балансе. Во-вторых, воды выделяется несколько больше, чем вводится. Увеличение массы воды происходит за счет окислительных процессов пищеварения. Количество этой «лишней» воды зависит от типа пищи. Жиры, в частности, создают больший прирост воды, нежели белки и углеводы.

Таким образом, для поддержания постоянства весового баланса веществ, который на Земле вполне естествен, на борту ОКС должна постоянно действовать заранее рассчитанная система обеспечения жизнедеятельности человека. Такая система называется экологической.

Рис. 25. Диаграмма суточного круговорота веществ в организме человека

Важно тщательно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс обмена веществ. Выгодно ли, например, увеличить в рационе космонавта процент высококалорийных жиров? Казалось бы, да — ведь это позволит снизить вес запасаемых на борту продуктов питания. Но оказывается, что увеличение в рационе количества жиров будет повышать содержание воды в атмосфере кабины, а следовательно, потребует и дополнительного влагопоглощающего оборудования. Таким образом, исходя из требования минимального веса всей экологической системы можно будет найти оптимальные решения.

Приступая к разработке принципов построения экологических систем для полетов в космос, ученые обращаются прежде всего к идеальному прототипу таких систем, которым служит созданный самой природой, «космический корабль» — наша планета. На Земле осуществляется замкнутый круговорот всех необходимых для жизни веществ: постоянно расходуются и вновь регенерируются вода и азот, циклически совершаются превращения кислорода в углекислый газ при дыхании животных и углекислого газа в кислород при фотосинтезе в растениях и т. д.

Возникает вопрос: можно ли хотя бы в какой-то мере скопировать эти процессы в экологической системе ОКС? Ведь запастись всеми нужными для жизни продуктами в достаточном количестве для длительного пребывания людей в космосе очень сложно. Это потребует огромного количества транспортных ракет, тем более что вес потребного запаса быстро возрастает с увеличением численности экипажа и времени полета.

Разумеется, какой-то первоначальный запас надо иметь в любом случае. Однако если при кратковременном полете в космос можно пойти на то, чтобы полностью расходовать этот запас, заботясь лишь об удалении продуктов жизнедеятельности из кабины, то обеспечение продолжительного пребывания человека в космосе заставляет подумать о способах регенерации продуктов жизнедеятельности для повторного их использования. Это означает, например, что надо иметь такие материалы для поглощения углекислого газа и влаги, которые допускали бы многократное применение их после регенерации. Еще лучше, если они будут при этом в достаточном количестве выделять новые порции необходимого для человека кислорода. Ставится и более сложная задача получения пищевых продуктов из остатков процесса жизнедеятельности: сахара и крахмала — из углекислого газа и воды, белков — из азотсодержащихся веществ мочевины.

Главной проблемой при создании экологической системы ОКС является поддержание в кабине нормального давления и состава атмосферы, а также ее температуры и влажности. При этом давление в кабине может быть и меньше атмосферного, но не ниже 0,7 кг/см2. Парциальное давление кислорода необходимо поддерживать близким к давлению на уровне моря (158 мм рт. ст.). Давление других газов, присутствующих обычно в земной атмосфере, соответствующее их содержанию, не должно превышать следующих норм: для углекислого газа — 4–8 мм рт. ст., паров воды — 5-12 мм рт. ст.

В настоящее время существует несколько способов поддержания нормального состава атмосферы в герметических кабинах. Все они сводятся к одному — к созданию запаса кислорода и средств для поглощения углекислого газа и воды.

Самый простой способ обеспечения экипажа кислородом — это создание на борту ОКС его запасов в газообразном или жидком виде. Но хранение газообразного кислорода приводит к большому «мертвому» весу металлических баллонов. Так, например, вес газообразного кислорода обычно составляет только 10–20 % полного веса снаряженных баллонов.

Жидкий кислород хранится в специальных сосудах — конверторах. Однако хранение его в условиях космического полета сопряжено с некоторыми техническими трудностями. В частности, необходимо иметь очень хорошую тепловую изоляцию конверторов с жидким кислородом для уменьшения потерь на испарение.

Перспективным представляется получение кислорода непосредственно на борту ОКС из продуктов, запасенных на Земле, хранение которых в количествах, достаточных для обеспечения кислородом, не вызывает больших трудностей.

Такими химическими соединениями, которые при реагировании с другими веществами выделяют кислород, вполне пригодный для дыхания, являются перекись водорода (Н₂О₂), хлорат натрия (NaClO₃), перекись натрия (Na₂О₂) и др. Правда, с точки зрения весовой отдачи химические источники кислорода занимают пока промежуточное положение между баллонами с газообразным кислородом и жидкостными конверторами.

Использование химических соединений для кислородного снабжения экипажа ОКС может дать и другие преимущества. Некоторые из этих веществ могут не только выделять кислород, но и образовывать продукты, способные поглощать углекислый газ, частично влагу, также уничтожать вирусы и бактерии. Примером такого соединения служит перекись калия КО₂. При взаимодействии перекиси калия с водяными парами протекает следующая реакция:

4КО₂+2Н₂О = 4КОН+3О₂.

Как видно из уравнения этой реакции, кроме трех молекул О₂, образуется еще четыре молекулы гидроокиси калия, которые можно затем использовать для поглощения углекислого газа:

4КОН+2СО₂ = 2К₂СО₃+2Н₂О.

Кстати, для поглощения углекислого газа давно уж используют гидроокиси щелочных металлов — натрия калия, кальция, бария или лития. Правда, при поглощении углекислого газа гидроокисью какого-либо щелочного металла образуется вода, часть которой испаряется и должна удаляться другими влагопоглотителями.

Существует также метод удаления углекислого газа основанный на высокой растворимости его в некоторых жидкостях. Этот метод, широко применяющийся на подводных лодках, требует довольно тяжелых и громоздки; установок, что делает его малопригодным для использования в космосе.

В качестве влагопоглотителей для герметической кабины предлагается целый ряд химических веществ Обычные поглотители воды — окислы кальция или бария и широко использующийся в авиации и быту силикагель — требуют от 7 до 10 единиц собственного веса для поглощения одной весовой единицы воды. Значительно выгоднее в весовом отношении перхлорат магния и хлорид лития, требующие лишь 2–3 единицы собственного веса на единицу веса поглощаемой воды. Перхлорат магния может к тому же регенерироваться, т. е. восстанавливаться нагреванием. Правда, это потребует специальных мер предосторожности, так как перхлорат магния при контакте с парами органических веществ и высокой температуре становится взрывоопасным.

Воду и углекислый газ можно удалять и вымораживанием. На ОКС с постоянной ориентацией на Солнце такой метод может оказаться эффективным; для этого необходимо будет обеспечить отвод воды и углекислого газа на холодную, теневую, сторону станции. Как показали лабораторные испытания [23], система поддержания атмосферы в герметической кабине с использованием перекиси калия получается достаточно простой и надежной, причем для поддержания жизнедеятельности одного человека в течение суток необходимо иметь около 2 кг перекиси калия. Определенный интерес для регенерации кислорода на борту ОКС представляет также известный из химии процесс электролиза, т. е. разложения воды под действием электрического тока на кислород и водород. Необходимые для этой цели запасы воды могут пополняться с помощью углекислого газа, который сам может быть превращен в воду при взаимодействии с водородом в присутствии катализатора. Полученный в результате электролиза газообразный кислород можно использовать непосредственно для дыхания, а водород вновь применить для получения воды.

Выполненная в США действующая модель электролитического устройства для регенерации кислорода в герметической кабине весит около 90 кг и занимает площадь примерно 0,2 м2.

Недостатками системы, использующей электролиз воды, являются взрывоопасность свободного водорода и довольно значительный расход электроэнергии. Рассмотренные выше способы поддержания нормального состава атмосферы в герметической кабине основаны на физико-химических процессах, протекающих без участия органической природы, и предоставляют поэтому лишь ограниченные возможности для получения замкнутого кругооборота веществ внутри космической станции.

Но еще К.Э.Циолковский указывал, что в систему жизнеобеспечения продолжительных полетов нужно включать живую материю. Он предлагал выращивать на космическом корабле растения, богатые хлорофиллом, В последнее время в литературе по космической медицине широко обсуждается вопрос об использовании для этой цели водорослевых культур. Особенно перспективна в этом отношении одноклеточная водоросль хлорелла. Теоретически она позволяет осуществить почти полностью замкнутый цикл обмена веществ внутри ОКС при сравнительно несложном оборудовании. Из 230 л водной суспензии хлореллы под действием света ежедневно может выделиться около 600 л кислорода. При этом в процессе фотосинтеза образование кислорода сопровождается поглощением углекислого газа, причем отношение объема выделяемого кислорода к объему поглощаемого углекислого газа равно единице.

Хлорелла обладает еще одним интересным свойством. В процессе роста она синтезирует ценные пищевые продукты: белки, углеводы, жиры и различные витамины, которые могут служить пищей человеку. Если учесть, что для питания хлореллы пригодны такие продукты жизнедеятельности человека, как мочевина, соли и эфиры азотной кислоты, то эту ценную водоросль можно считать замыкающим звеном в цикле азотного обмена между человеком и растениями. Кстати, растет хлорелла поразительно быстро: каждый килограмм ее при соответствующих условиях может увеличить свой вес за сутки в 2,6 раза.

Водорослевая система жизнеобеспечения обладает отличными весовыми характеристиками. Целесообразность ее применения возрастает с увеличением времени пребывания в космосе. Трудностей в разработке подобных систем еще очень много. Но несомненные достоинства их для применения на очень больших обитаемых станциях, а также при длительных межпланетных полетах привлекают к ним все большее внимание.

Приведем примерную классификацию и весовые характеристики экологических систем, предназначаемых для обитаемых космических аппаратов, которые позволяют судить о целесообразности применения системы того или иного типа в зависимости от продолжительности полета [28].