Разработка и модернизация системы отбора проб для оценки качества воздушной среды в НЭК

1  2  3

---

Глава 1. Аналитический обзор литературы

 

Источники загрязнения воздушной среды пилотируемых космических аппаратов

Проблема обитаемости пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, под которой понимают обеспечение условий жизни и профессиональной деятельности космонавтов включает комплекс вопросов физиологического, психологического характера и достаточно обширный комплекс санитарно-гигиенических условий, формируемых в герметичной кабине космического объекта.

В замкнутом помещении между человеком и окружающей средой складываются особые отношения, проявляющиеся в активном формировании воздушной среды за счет различных химических соединений, выделяющихся в процессе жизнедеятельности организма. При этом речь идет не только о колебаниях состава основных ингредиентов (кислорода, азота, углекислого газ), но и о загрязнении воздушной среды различными микропримесями. Выдыхаемый человеком воздух является одним из основных источников загрязнения воздушной среды герметичного помещения химическими микропримесями, причем содержание их весьма изменчиво и зависит от ряда условий: индивидуальных особенностей обменных процессов в организме человека, выраженности действия микроклиматических параметров, состава и калорийности питания, двигательной активности человека и пр.

Но выдыхаемый воздух является не единственным источником загрязнения воздушной среды герметичного помещения различными химическими веществами. Продукты сало- и потоотделения, кишечные газы также могут существенным образом влиять на уровень общей загрязненности и состав микропримесей атмосферы герметичного объекта.

Выраженное влияние на формирование среды обитания оказывают продукты газовыделения полимерных конструкционных и декоративно-отделочных материалов, применяемых для внутреннего оборудования космического корабля. Интенсивность выделения летучих веществ из полимерных материалов в значительной мере зависит от условий эксплуатации и параметров окружающей среды (рис. 1).

Наложение спектров источников загрязнения воздушной среды, обусловленных продуктами жизнедеятельности человека, газовыделениями из технических средств и неметаллических материалов является специфической особенностью гермообъекта, отличающего его от промышленных сооружений, жилых и общественных зданий. Сочетание вредных примесей, свойственных как производственной, так и жилой среде, формирует сложный спектр химического состава воздушной среды пилотируемых космических аппаратов.

В образующейся сложной смеси возможны химические реакции с образованием вторичных чаще более токсичных соединений. Процесс трансформации органических примесей является постоянно протекающим во всех обитаемых замкнутых экологических системах.

Поддержание уровня загрязняющих примесей в соответствии требованиям гигиенических регламентов, является технически трудно решаемой проблемой из-за весомых и энергетических ограничений, характерных для кораблей. Должно обеспечиваться профилактическими мерами на этапах наземной подготовки изделий, а в полете – эффективной системой очистки и регенерации воздушной среды. Для нештатных ситуаций требуется превентивная разработка гигиенических мероприятий, обеспечивающих безопасность космонавтов.

Рисунок 1 — Источники загрязнения воздушной среды ПКА

Решение поставленных практических задач возможно при установлении закономерностей формирования загрязнения и экспериментального обоснования критериев гигиенической оценки качества воздушной среды при многокомпонентном загрязнении как научной базы для разработки медико-санитарного обеспечения безопасности экипажей, при осуществлении длительных космических полетов включая, автономные полеты межпланетных экспедиций.

Формирование многокомпонентного загрязнения воздушной среды обусловливает одновременное ингаляционное поступление в организм человека суммы веществ, сопровождающееся, как правило, изменением их биологической активности по сравнению с изолированным действием. Актуальность изучения динамики химического состава загрязняющих микропримесей при длительной эксплуатации космических объектов обусловлена необходимостью рационального выбора веществ – маркеров качества среды и установления реальных концентраций при воздействии их в смеси.

В результате исследований химического состава загрязняющих примесей в пилотируемых ОС «Салют-7», ОС «МИР», МКС установлено, что в пилотируемых ОС формируется многокомпонентная по химическом составе воздушная среда с превалированием техногенного загрязнения, характерными особенностями которой являются:

• динамичность количественного и качественного состава химических соединений с периодическими резким изменением концентрации загрязняющих веществ («всплески»), обусловленных привнесением загрязнений с воздушной средой стыкующихся модулей, грузовых и транспортных кораблей, газовыделениями из доставляемых грузов.
• трансформация химических соединений с образованием вторичных более токсичных веществ вследствие термоокислительных реакций в системах очистки и регенерации воздуха, деструктирующей активности космофизических факторов.

Система жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов и орбитальных станций

Требования к среде обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате были разработаны Институтом медико-биологических проблем Минздравмедпрома России с участием Ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П. Королева и АООТ «Звезда» в виде ГОСТа Р 50804-95, который распространяется:

1. На пилотируемые космические аппараты (ПКА), космические корабли, обитаемые отсеки транспортных орбитальных средств, орбитальных комплексов и космических станций с продолжительностью пребывания в них космонавта до 1 года;
2. На автоматические космические аппараты, предназначенные для функционирования в комплексе с ПКА, в части контроля их санитарно-гигиенической и токсикологической безопасности для космонавта;
3. На исследовательскую и экспериментальную аппаратуру, размещаемую в обитаемых отсеках, а также на применяемые в обитаемых отсеках материалы, средства и системы в части получения допуска по санитарно-гигиеническим, микробиологическим и токсикологическим показателям к эксплуатации в обитаемых отсеках ПКА.

Создание среды и поддержание ее состояния на заданном уровне должны обеспечиваться комплексом систем обеспечения жизнедеятельности (КСОЖ) космонавта в ПКА, а также наземным и бортовым комплексом средств и мероприятий медико-биологического обеспечения космического полета в зависимости от вида и конструкции ПКА.

В соответствии с ГОСТ 28040-89 «Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате» — СЖО космонавта — это «Совокупность функционально взаимосвязанных средств и мероприятий, предназначенных для создания в обитаемом отсеке пилотируемого космического аппарата условий, обеспечивающих поддержание энергомассообмена организма космонавта с окружающей средой на уровне, необходимом для сохранения его здоровья и работоспособности».

Системы жизнеобеспечения (СЖО) обитаемых космических объектов (космических кораблей, орбитальных станций, Лунных, Марсианских баз и поселений) предназначены для решения следующих задач :

1. обеспечение экипажа кислородом,
2. удаление диоксида углерода,
3. удаление вредных микропримесей,
4. поддержание физических и химических характеристик атмосферы (оптимальной температуры, состава, давления, влажности, аэроионного состава, скорости вентиляции газовой среды, оптимальных уровней электростатических и электромагнитных полей),
5. снабжение экипажа необходимым количеством питьевой воды и воды для санитарно-гигиенических и бытовых нужд,
6. снабжение экипажа необходимым количеством пищи заданного состава и калорийности, витаминами и минеральными солями,
7. обеспечение санитарно — гигиенических процедур и бытовых нужд экипажа,
8. обеспечение микробиологической безопасности,
9. обеспечение стабилизации (обеззараживания), хранения (консервации) и / или трансформации физиологических и бытовых отходов,
10. обеспечение радиационной безопасности,
11. обеспечение оперативного анализа, оперативного контроля и управления качеством среды обитания, а также штатного протекания технологических процессов в различных звеньях системы.

Принципиальная схема СЖО обитаемых космических объектов диктуется: сценарием предстоящего полета; проектным обликом ПКА; требованиями обеспечения безопасности и надежности функционирования СЖО с учетом специфики экспедиции и обусловленными современным содержанием понятия «обитаемость»; возможностью использования местных ресурсов (в экспедициях на другие планеты) и зависит от длительности полета; энергетических и массогабаритных ресурсов, выделяемых на потребности СЖО; условий и места размещения СЖО (на борту, орбитальной станции, станции на поверхности планеты или скафандре космонавта).

Такие системы могут быть созданы как на основе запасов расходуемых веществ, взятых с Земли, так и на основе процессов регенерации и возврата, обеспечивающих круговорот веществ, либо на сочетании этих возможностей с преобладанием того или иного подхода в зависимости от длительности космической экспедиции и энерговооруженности космического объекта. [5]

Несмотря на повышенную безопасность и надежность, незначительные энергетические потребности при функционировании систем жизнеобеспечения на основе запасов расходуемых веществ, взятых с Земли, последние имеют существенный недостаток: их масса и габариты возрастают прямо пропорционально длительности космической экспедиции и количеству членов экипажей. По достижении определенной продолжительности полета СЖО на основе запасов могут быть препятствием для реализации экспедиции

 

Таблица 1- Данные об основных компонентах жизнеобеспечения

В таблице 1 приведены массовые характеристики СЖО, основанных на запасах расходуемых веществ применительно к экспедиции длительностью 50, 100 и 500 суток для экипажа, состоящего из 6 человек. Основываясь на нормах потребления основных компонентов СЖО, полученных в результате многолетней практики длительных орбитальных полетов на станциях типа «САЛЮТ», «МИР» и «МКС» (кислород — 0,96 кг/чел.сут., питьевая вода — 2,5 кг/чел.сут., пища — 1,75 кг/чел.сут. и т.д.), легко подсчитать, что необходимая масса запасов для экипажа, состоящего из 6 — и человек в условиях 500-суточного полета без учета массы тары и систем хранения составило бы величину более 58 тонн (таблица 1). В случае использования систем жизнеобеспечения, основанных на запасах расходных материалов, понадобится создание систем хранения продуктов жизнедеятельности космонавтов: фекалий, мочи, конденсата атмосферной влаги, использованных санитарно-гигиенических и кухонных вод и т.д.

В таблице 1 представлены: масса компонентов СЖО (кислород, вода и пища) для марсианских экспедиций — 6 членов экипажа, длительность экспедиций — 50, 100 и 500 суток (без учета массы тары, упаковки, средств хранения). Данные, из таблицы 1, свидетельствуют о том, что системы жизнеобеспечения на основе запасов практически исключают реализацию длительных экспедиций. Габаритно-массовые ограничения могут быть преодолены за счет применения регенерационных систем жизнеобеспечения.

Рассмотрим одну из составляющей системы жизнеобеспечения — систему обеспечения газового состава (СОГС).

СОГС должна поддерживать следующие основные характеристики атмосферы кабины ПКА:

1. качественный состав газовый среды (концентрации кислорода, азота, диоксида углерода и др.);
2. общее давление газовой среды;
3. парциальные давления компонентов газовой среды;
4. содержание пыли, вредных примесей и микробной флоры в газовой среде;
5. аэроионный состав газовой среды;
6. скорость движения воздуха в обитаемом отсеке.

Общее давление газовой среды должно составлять 87,9-114,8 кПа (660-860 мм рт.ст.) непрерывно, а с учетом операций выхода в космическое пространство и наддува – 53,2-133,3 кПа (400-1000 мм рт.ст.). На МКС поддерживается давление близкое к земному – 101,3 кПа.

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности экипажа в газовой среде кабины необходимо поддерживать парциальное давление кислорода на уровне 120-220 мм рт.ст. Изменение давления в этих пределах не вызывает каких-либо нарушений физиологических функций у экипажа при длительном пребывании в азотно-кислородной атмосфере.

В ПКА должно быть предусмотрено удаление из газовой среды обитаемых отсеков пыли, аэрозолей различной дисперсности, аэрозольных ионов. Предельная среднесуточная концентрация нетоксичной пыли в газовой среде обитаемого отсека не должна превышать 0,15 мг/. Допускается максимальная разовая запыленность до 0,5 мг/.

Температура газовой среды в жилой зоне должна быть равной 18-25, а относительная влажность 40-75%.

Подсистемы СОГС:

1. Система регенерации кислорода. Система регенерации кислорода на орбитальных космических станциях «МИР» и МКС основана на методе электролиза водного раствора щелочи;
2. Система удаления диоксида углерода. Предельно допустимая объемная концентрация диоксида углерода составляет лишь десятые доли процента. При большем количестве он начинает препятствовать усвоению кислорода. Если не очищать воздух, содержание диоксида углерода быстро вырастет и самочувствие экипажа резко ухудшится. Система удаления диоксида углерода на космических орбитальных станциях «МИР» и МКС основана на использовании твердого гидрофильного адсорбента диоксида углерода с последующей вакуумной регенерацией.
3. Система очистки атмосферы от микропримесей. Система очистки атмосферы от микропримесей основана на использовании методов сорбционной очистки воздуха твердым адсорбентом, регенерируемым с помощью термовакуумной регенерации и низкотемпературного каталитического окисления примесей .

В настоящее время на борту МКС используется следующие подсистемы СОГС.

Система регенерации кислорода представлена системой «Электрон». Российская система генерации кислорода (СГК) «Электрон-ВМ» расположена в служебном модуле на борту Международной космической станции (МКС) и предназначена для получения кислорода для дыхания экипажа. СГК и все ее основные блоки разработаны в ОАО «НИИхиммаш».

Система удаления диоксида углерода «Воздух» состоит из блока осушки, в котором из воздуха кабины удаляются водяные пары, поочередно проходя через адсорберы со слоем силикагеля. Осушенный воздух далее поступает в теплообменник, в котором отдает тепло сорбции водяных паров обратному потоку воздуха, поступающему в блок осушки для термической регенерации силикагеля. С целью оптимизации условий сорбции диоксида углерода в поглотителе воздух охлаждается в воздушно-жидкостном теплообменнике. Осушенный и охлажденный поток воздуха вентилятором продувается через адсорберы со слоем поглотителя диоксида углерода. В качестве поглотителя диоксида углерода используется адсорбент ХАК-18-2М-Т. После завершения цикла сорбции, продолжительность которого может изменяться в зависимости от численности экипажа, поглотители регенерируются, для чего системой клапанов внутренний объём адсорбера соединяется с забортным вакуумом. В целях экономии атмосферы объекта воздух из адсорбера предварительно откачивается вакуум-насосом в атмосферу станции. Осушенный и очищенный от диоксида углерода воздух из блока поглощения, прежде чем возвратиться в кабину, подогревается в электронагревателе и поступает в блок осушки для термической регенерации силикагеля от влаги. Использование системы «Воздух» на орбитальных станциях «МИР» и МКС обеспечило существенное снижение массозатрат .

Система очистки атмосферы от вредных микропримесей (СБМП) предназначена для очистки атмосферы обитаемых отсеков от вредных микропримесей, выделяемых человеком и конструкционными неметаллическими материалами.

СБМП имеет пять фильтров, каждый из которых выполняет свою функцию .

В состав СБМП входят аппараты, разработанные, изготовленные и поставляемые АО «НИИхиммаш»:

1. ФОА – фильтр адсорбционный нерегенерируемый, предназначенный для поглощения и долгосрочного удерживания «тяжелых» углеводородов;
2. ЗПЛ – фильтр, адсорбционный регенерируемый методом термовакуумной десорбции с использованием космического вакуума, предназначенный для поглощения «легких» и «среднесорбируемых» примесей;
3. ПКФ – фильтр палладиевый каталитический низкотемпературный, который предназначен для окисления водорода, угарного газа и сероводорода.
4. ПКФ-Т — фильтр палладиевый каталитический высокотемпературный, который предназначен для окисления метана и угарного газа.

Система очистки от микропримесей успешно эксплуатировалась на космической станции «МИР» в течение 13 лет, на международной космической станции (МКС) эксплуатируется с момента запуска российского служебного модуля «Звезда» .

Экспериментальная отработка систем жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов

Созданию штатных космических регенерационных систем жизнеобеспечения предшествовали обширные исследования медико-биологических и технологических основ их разработок с последующей санитарно-гигиенической и токсикологической оценкой экспериментальных систем.

Созданные экспериментальные системы удаления диоксида углерода, генерирования кислорода, регенерации воды из мочи, из конденсата атмосферной влаги, блок удаления вредных микропримесей проходили всестороннюю оценку в длительных наземных медико-технических экспериментах с участием испытателей. В 1967-1968 годах в Институте медико-биологических проблем МЗ был проведен уникальный годовой медико-технический эксперимент с участием трех испытателей: Г.А. Мановцева, А.Н. Божко и Б.Н. Улыбышева. В гермокамерном эксперименте, длившемся 365 суток, проходила медико-биологическая и техническая оценка нового комплекса регенерационных систем жизнеобеспечения. В состав СЖО наземного лабораторного комплекса входили:

1. Система удаления диоксида углерода,
2. Система очистки атмосферы от вредных микропримесей,
3. Система генерирования кислорода,
4. Система регенерации воды из влагосодержащих продуктов жизнедеятельности испытателей,
5. Санитарно-гигиеническое оборудование,
6. Оранжерея,
7. Система контрольно-измерительной аппаратуры.

Диоксид углерода удалялся с помощью регенерируемых синтетических цеолитов. Процесс регенерации цеолитов осуществлялся термовакуумным способом. Для очистки атмосферы от вредных микропримесей использовались процессы каталитического окисления. Кислород получался в системе, основанной на электролизном разложении воды с использованием щелочного электролита.

Система регенерации воды из влагосодержащих продуктов жизнедеятельности испытателей включала регенерацию воды из их мочи, из конденсата атмосферной влаги, из использованных санитарно-гигиенических и бытовых вод. Вода из мочи и бытовых вод регенерировалась с помощью окислительно-каталитического метода; из конденсата атмосферной влаги — с помощью окислительно-сорбционного метода; из использованных санитарно-гигиенических вод — методом коагуляции с последующей фильтрацией и сорбционной доочисткой. В годовом медико-техническом эксперименте по существу впервые в мире был реализован полный круговорот воды.

В настоящее время основной долгосрочной целью NASA и Роскосмоса в области изучения и освоения дальнего космоса является осуществление пилотируемых экспедиций на Марс. Роскосмос на ближайшие 10−15 лет пилотируемые полеты на Марс не планирует, рассматривая в качестве основной цели пилотируемые миссии на поверхность Луны: вначале это будет окололунная станция на низкой орбите, а потом станция на Луне.

Одной из актуальных задач обеспечения межпланетных полетов является создание Базового комплекса перспективных систем жизнеобеспечения, ориентированных на разработку замкнутого комплекса СЖО. Согласно предложенной на сегодня концепции в основе перспективного комплекса СЖО замкнутого типа будет использован физико-химический метод, используемый на МКС с элементами модернизации системы, задачей которого является поддержание состава воздушной среды, обеспечивающей безопасную и комфортную жизнедеятельность экипажа. При этом обязательным условием является минимальные затраты переменной массы продуктов и оборудования для обеспечения ресурса систем.

Системы жизнеобеспечения для экипажей обитаемых космических объектов в условиях освоения дальнего космоса будут отличаться от СЖО орбитальных околоземных объектов. Основные отличия заключаются в отсутствии возможности возобновления расходуемых материалов, узлов, агрегатов, в повышенной радиационной обстановке, требующей проведения поиска новых эффективных методов и средств радиационной защиты, в наличии геомагнитных условий окружающей среды, в возможности использования местных планетных ресурсов. Для инопланетных баз и станций кардинальным решением было бы создание замкнутой экологической, биолого-технической СЖО на основе полного круговорота веществ. Однако в настоящее время для инопланетных космических кораблей энергетические и массогабаритные ограничения не позволяют создавать подобные системы. В этих случаях основные функции СЖО будут поддерживаться физико-химическими системами с возрастающей ролью биологических систем по мере увеличения энерговооруженности космических летательных аппаратов и продолжительности полетов. Необходимо уделить созданию систем, обеспечивающих наиболее полный круговорот веществ. С этой целью необходимо использовать процесс гидрирования диоксида углерода по реакции Сабатье или Боша-Будуара, которые позволят реализовать круговорот по кислороду и воде:

СО₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂О

Большое внимание следует уделить работам в области создания автоматической системы оперативного контроля и управления качеством среды обитания. На борту будущих обитаемых объектов необходимо создать систему анализа по физико-химическим и микробиологическим показателям атмосферы, воды, пищи, интерьера, а также отдельных технологических узлов, агрегатов, звеньев, составляющих общую систему жизнеобеспечения.

Опыт создания систем жизнеобеспечения долговременных орбитальных станций показал, что на разработку и отработку нового комплекса необходимо не менее 10 лет. Особенностью этой отработки, принятой для всех отечественных пилотируемых аппаратов, является длительная отработка летных образцов в полноразмерных макетах обитаемых модулей с операторами на борту, которой предшествует длительная техническая отработка. В качестве экспериментальной базы для этой отработтки можно использовать базу ГНЦ РФ – ИМБП РАН для 500 суточного эксперимента.

Экспериментальная отработка систем жизнеобеспечения является одной из самых сложных и длительных операций. Поэтому параллельно с многолетней наземной отработкой в макетах обитаемых модулей лунной базы целесообразно проводить летную отработку в дополнительном обитаемом модуле российского сегмента МКС.

Наземный экспериментальный комплекс

Наземный экспериментальный комплекс (НЭК) предназначен для проведения научных экспериментов с участием человека в условиях искусственно регулируемой среды обитания. Он проектировался и создавался в 1964-1970 гг., как макет тяжелого межпланетного корабля и предназначался для максимально реалистичного моделирования полета на Марс и других сверхдлительных пилотируемых космических миссий. На протяжении 30 лет комплекс использовался в многочисленных экспериментах с участием человека, а также в испытаниях систем обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) для орбитальных станций и других космических летательных аппаратов. В 2006 г. комплекс был полностью модернизирован, оснащен связью с центром управления полетами, системой постоянного видеонаблюдения, современными СОЖ и имитатором поверхности чужой планеты. В 2010-2011 гг. на базе НЭК был проведен уникальный, не имеющий мировых аналогов эксперимент «Марс 500», в ходе которого моделировались все ключевые этапы марсианской миссии в реальном масштабе времени.

Комплекс активно используется для проведения исследований в интересах практического здравоохранения. В экспериментах с участием добровольцев, проводимых на базе НЭК проходили медико-технические испытания перспективных систем жизнеобеспечения, образцов диагностической и научно-исследовательской аппаратуры, средств гигиены и профилактики. Технические характеристики комплекса позволяют изучать влияние на организм человека неблагоприятных факторов окружающей среды, потенциально вредных и опасных воздействий в полностью контролируемых условиях. В 2012 г. Российский кардиологический научно-производственный комплекс МЗ РФ провел в НЭКе эксперимент «Климат 2010» по изучению воздействия климатических изменений августа 2010 года (высокая температура и влажность в сочетании с высоким содержанием углекислого газа) на здоровье человека.

Проект «Марс-500»

Изучение взаимодействия в системе «человек – окружающая среда» и получение экспериментальных данных о состоянии здоровья и работоспособности человека, длительно находящегося в условиях изоляции в герметично замкнутом пространстве ограниченного объема при моделировании основных особенностей марсианского полета (сверхдлительность, автономность, измененные условия коммуникации с Землей – задержка связи, лимитированность расходуемых ресурсов) и отработка технологий медицинского обеспечения космонавтов применительно к межпланетным перелетам.

Особенности марсианской экспедиции (большая продолжительность; высокая степень автономности, что предполагает самоконтроль всей жизнедеятельности экипажа, включая контроль состояния здоровья, психологического состояния и работоспособности; длительное пребывание экипажа в условиях социальной изоляции, ограниченного пространства и отрыва от земных условий жизни; высокая степень ответственности за успех миссии в сочетании со значительным риском) моделируются в условиях наземного медико-технического экспериментального комплекса ГНЦ РФ-ИМБП РАН с учетом задержек коммуникации и ограничения информации.

---

1  2  3