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".

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.

Коротко о радиации.

 

Обшивка

Смотря что Вы понимете под космическим кораблем.
И ракетоноситель и орбитальная станция и спускаемый аппарат - тоже космические корабли.
В космонавтике наиболее активно используется высокопрочный алюминиевый сплав В95, а также АМГ-6 - тоже сплав алюминия. Отличные параметры и магниео-литиевый сплав показал, но его в военке, в основном используют. Титановые сплавы тоже в ходу. Композиты металлы вытесняют. Сталь (нержа типа 12Х18Н10Т) используется только для баков, в которых окислители типа азотной кислоты или азотного тетраксида - там другие материал не держат.

А вообще и в космосе и в авиции важна не абсолютная, а относитеьная прочность. Т. е. отношение прочности к удельному весу. Да, оболочка толще при той же прочности получается, зато ее вес меньше будет, что крайне важно для ЛА.

По удельной прочности композиты (углерод-углерод, углепластики, бор-алюминий, стеклопластики и т. п.) всех превосходят, потом идут титановые сплавы, потом магний-литиевые, потом алюминиевые. К сожалению, рекордсмен по абсолютной прочности - сталь - в гонке удельных прочностей в хвосте плетется. Потому и не используется для несущих конструкций в ракетостроении, где химии противостоять не надо.

Характерная оболочка это не просто лист со стрингерами и лонжеронами - это вафельная конструкция.
Она обладает наилучшими показателями по прочности при наименьшем весе.
А делают такую "вафлю" из листа толщиной 20-30 мм (на Южмаше наблюдал как это фрезеруется, на Энергии химфрезерование в ходу - по крайней мере раньше, сейчас не знаю). В конечном итоге стенка между ребрами остается толщиной в единицы миллиметров.

А на спускаемых аппаратах без теплозащиты не обойтись. Там целая гамма материалов и толщин используется.

Керамика и сплавы различных металлов.

 

Пояс Ван Алена
Известно, что в магнитосфере Земли располагаются два радиационных пояса, которые содержат заряженные частицы солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли. Они называются радиационными поясами Ван-Аллена (Van Allen Belt).

Хотя американец Ван-Аллен открыл только внутренний пояс, а открывателями внешнего радиационного пояса являются советские ученые Вернов и Чудаков. Внутренний пояс находится на высоте от 3 до 12 тыс.км над поверхностью Земли, а внешний - на высоте от 18 до 57 тысяч км. Внутренний состоит главным образом из протонов, а внешний - из электронов. Хотя разделение на внутренний и внешний пояса достаточно условно, поскольку все околоземное пространство заполнено заряженными частицами, которые движутся в магнитном поле Земли.

Наличие радиационных поясов и их характеристики учитываются при проектировании спутников, поскольку длительное пребывание электронной техники в таких условиях чревато поломками. Опасны радиационные пояса и для экипажей космических кораблей (правда, до сих пор сквозь радиационные пояса Земли проходили только американские корабли "Аполлон", направлявшиеся к Луне). Между радиационными поясами находится так называемая безопасная зона. Вот уже почти 40 лет среди ученых ведутся дебаты на тему того, как именно сформировалась эта безопасная зона и как происходит процесс ее "очистки" от заряженных частиц. Ранее считалось, что энергия солнечной радиации рассеивается радиоволнами идущими непосредственно от области электромагнитного всплеска, возникающего вследствии солнечной бури.

Недавние исследования, в финансировании которых принимало участие космическое агентство NASA, дали довольно неожиданные результаты. Как оказалось, за "расчистку" безопасной зоны высотой в несколько тысяч километров отвечают обычные молнии в атмосфере, которые во время гроз сверкают на высоте всего лишь 3-5 километров над поверхностью Земли. А в верхних слоях их называют голубой джет, тайгерт, спрайт и эльфы.

Молния - это не только яркая вспышка света. Во время молнии генерируются также и радиоволны.

Траектория распространения этих радиоволн искривляется под действием электрически заряженного газа, захваченного магнитным полем Земли, в результате чего радиоволны направляются в окружающее нашу планету космическое пространство. Во внутреннем радиационном поясе они взаимодействуют с заряженными частицами, отнимают у них часть их энергии и изменяют направление их движения.

В результате этого взаимодействия зеркальная точка, от которой "отражаются" заряженные частицы при их движении в магнитном поле Земли от северного полюса к южному и обратно, спускается вниз и оказывается в атмосфере Земли. А в атмосфере заряженные частицы из радиационных поясов сталкиваются с атмосферными частицами и теряют свою энергию.

Так по мнению ученых и происходит "очистка" радиационного пояса, пусть и кратковременная, но постоянная (так как молнии сверкают каждый день).

Для подтверждения данной теории, ученые использовали глобальную карту активности молний, сделанную с помощью научного спутника Micro Lab 1. Использовались данные с радио-камеры Radio Plasma Imager, установленной на спутнике IMAGE (Imager for Magnetopause Aurora Global Exploration), а также архивные данные с космического аппарата Dynamics Explorer. В результате обработки этих данных не было обнаружено корреляции радио-магнитных возмущений в моменты наиболее высокой солнечной активности. Оказалось, что заряженные частицы распределяются и накапливаются в магнитосфере Земли. В течение нескольких дней после магнитной бури, этот избыток частиц постепенно нейтрализуется мощными разрядами молний.

Был у США такой проект под названием "Starfish Prime". В его задачи входило изучение ядерного взрыва в условиях космического пространства.

9 июля 1962 года с атолла Джонстон с помощью ракеты "Тор" ядерная боеголовка мощностью 1,45 мегатонны была приведена в действие на высоте 400 километров.

Практически полное отсутствие воздуха на высоте 400 км воспрепятствовало образованию привычного ядерного гриба. Однако при высотном ядерном взрыве наблюдались другие интересные эффекты. На Гавайях на расстоянии 1500 километров от эпицентра взрыва под воздействием электромагнитного импульса три сотни уличных фонарей, телевизоры, радиоприемники и другая электроника вышли из строя. В небе в этом регионе более семи минут можно было наблюдать зарево. Его наблюдали и засняли на пленку с островов Самоа, расположенных в 3200 километрах от эпицентра.

Взрыв повлиял и на космические аппараты. Три спутника были сразу выведены из строя электромагнитным импульсом. Заряженные частицы, появившиеся в результате взрыва, были захвачены магнитосферой Земли, в результате чего их концентрация в радиационном поясе Земли увеличилась на 2-3 порядка. Воздействие радиационного пояса привело к очень быстрой деградации солнечных батарей и электроники еще у семи спутников, в том числе и у первого коммерческого телекоммуникационного спутника Телстар 1. В общей сложности взрыв вывел из строя треть космических аппаратов, находившихся на низких орбитах в момент взрыва. Тем не менее, в течение недолгого времени, концентрация заряженных частиц в радиационном поясе Земли опять вернулась к норме, нейтрализованная мощными разрядами молний.

Кроме того, в 1994 году ЮЕО сообщила об открытии двух новых неожиданных популяций космических частиц, непредвиденных для радиационных поясов Ван-Аллена, окружающих Землю:

1. В периоды внезапных солнечных магнитных бурь, известных как Инжекции Корональной Массы или ИКМ, во внутреннюю магнитосферу Земли впрыскивается плотный пучок электронов с энергией больше 50 МэВ.

2. В радиационных поясах Ван Аллена, окружающих Землю, возникает новый пояс. Он содержит ионы, характерные для состава звезд.