ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РАБОТ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ
ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОЛЕТАХ НА ПКА
| О.Ф. Остапенко Подполковник медицинской службы запаса |
| О.Ф. Остапенко Подполковник медицинской службы запаса |
Наиболее значительная работа по созданию систем регенерации (СР) и кондиционирования воздуха (KB) и исследований условий искусственной газовой среды в гермокабинах началась с 1956 г., накануне запуска первых искусственных спутников Земли. Обширная программа биологических экспериментов, проводимая первоначально на животных, требовала создания и поддержания необходимых условий в гермокабинах в течение различных сроков.
Первые летные эксперименты проводились на ракетах, запускаемых на высоту до 470 км. В гермокабинах таких ракет с животными на борту устанавливались автономные системы регенерации и кондиционирования воздуха, разработанные специалистами Института и соответствующих КБ на основе систем, применяемых ранее на аэростатах. Системы были просты по устройству, надежны и обеспечивали требуемые условия в течение всего эксперимента. Разработка и испытания этих систем велись небольшой группой научных работников под руководством В.И. Яздовского, А.М. Генина, А.Д. Серяпина.
Несмотря на ряд достоинств, системы регенерации воздуха (РВ), применяемые на ракетах, имели и существенный недостаток, заключавшийся главным образом в большом весе источников кислорода (баллонов с газообразным кислородом под давлением 150 атм.).
Первой наиболее совершенной системой РВ, разработанной сотрудниками III Направления Института совместно с КБ (Генин, Серяпин, Буйлов), была система, установленная на втором искусственном спутнике Земли с собакой Лайкой. Система включала в себя источник кислорода (баллон с газообразным кислородом), поглотитель углекислого газа (пластины «ТРП») и поглотитель влаги (силикагель). Вентиляция воздуха через поглотители влаги и СО2 осуществлялась вентилятором с электроприводом. Эта установка уже позволяла поддерживать необходимые условия в гермокабине с животными довольно продолжительное время (до нескольких десятков часов).
Подготовка последующих полетов искусственных спутников Земли с животными на борту, в задачу которых входило исследование длительного воздействия космических факторов на живой организм, потребовала дальнейших шагов в разработке средств жизнеобеспечения, поскольку предыдущие системы не удовлетворяли предъявленным требованиям по весу и объему.
Планируемые длительные полеты искусственных спутников с животными поставили, в свою очередь, перед исследователями задачу разработки специальных требований к параметрам газовой среды и создания новых более совершенных систем регенерации и кондиционирования воздуха.
На основании многочисленных работ отечественных и зарубежных авторов, а также исследований, проведенных в Институте, были разработаны физиолого-гигиенические требования к газовым средам кабин с животными. Чтобы исключить возможность неблагоприятного воздействия среды на организм животного, в требованиях предусматривалось создание таких условий, которые по своим параметрам были бы близки к привычным для организма наземным условиям. Эти условия характеризовались нормальным барометрическим давлением, небольшой концентрацией углекислого газа (до 1+2%), концентрацией кислорода (21+35%) и температурой в пределах 20±10°С (Яздовский, Генин, Серяпин) [1].
Основная трудность в разработке СР и KB состояла в том, что они должны были удовлетворять целому ряду технических требований, специфичных для космических объектов (ограничение веса и габаритов, прочность, высокая надежность, малое энергопотребление, невесомость и т. д.). К тому же эти системы должны были работать автоматически, не допуская выхода какого-либо параметра среды за установленные пределы.
Из многочисленных систем РВ, предложенных в то время, наиболее легкой по весу и занимающей сравнительно небольшой объем являлась система, основанная на применении надперекиси калия (КО2).
Вопрос о возможности применения для этих целей регенеративных веществ нашел свое принципиальное решение в экспериментальных работал НИИИАМ в 1957-1959 гг., выполненных Гениным, Серяпиным, Моховым, Саламановым [2]. Эти вещества позволяют совмещать функцию выделения кислорода в необходимых количествах с функциями поглощения углекислого газа и водяных паров.
Программа биологических экспериментов на животных предусматривала получение исчерпывающей информации, которая должна была явиться основой для осуществления полета человека в космическое пространство. В связи с этим требовалось проведение неоднократных полетов искусственных спутников Земли (ИСЗ) с биологическими объектами на борту. Для суждения о биологическом действии всего комплекса факторов космического полета на живые организмы совершенно необходимо возвращение их на Землю с последующим тщательным изучением ряда важнейших вопросов. Для проведения таких экспериментов в 1959 г. был разработан проект космического корабля «Восток-1», в котором предусматривались полеты живых организмов (собак и прочих биообъектов) длительностью до 15 суток.
Разработка систем обеспечения жизнедеятельности животных, в число которых входили СР и KB, а также система питания и водообеспечения, была возложена на ГНИИИАиКМ, завод «Звезда», «Биофизприбор» и ряд КБ. Ведущим звеном по разработке, исследованию и испытанию этих систем в Институте был 9 отдел III Направления (А.М. Генин).
В соответствии с поставленными задачами вся работа по подготовке систем обеспечения жизнедеятельности проводилась по следующим основным направлениям:
1. Разработка, исследование и испытание СР и KB и терморегулирование в кабине объекта «Восток-1».
2. Разработка и испытание систем питания и водообеспечения животных в кабине объекта «Восток-1».
3. Испытание системы обеспечения жизненных условий животным в кабине «Восток-1» после приземления.
В процессе выполнения этой обширной и сложной программы коллектив отдела в короткий срок проделал следующие работы:
1. Создал необходимую базу для исследований и испытаний систем обеспечения жизнедеятельности животных.
2. Разработал физиолого-гигиенические требования к системам СР и KB, питания и водообеспечения объекта «Восток-1».
3. Возглавил и провел совместно со специалистами КБ разработку предложенных систем обеспечения жизнедеятельности животных.
4. Выполнил большой ряд экспериментальных работ по испытаниям макетных и опытных образцов системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) на своей базе.
5. Участвовал в подготовке и запуске кораблей-спутников «Восток-1» с животными на борту.
В итоге была разработана, испытана и передана в производство новая система регенерации и кондиционирования воздуха, основанная на применении регенеративного вещества и импрегнирования осушителей на основе силикагеля, явившаяся затем прототипом системы для кораблей-спутников «Восток», «Восход», на которых были осуществлены первые полеты человека, выход в космос и полет трех космонавтов.
Применение подобной системы дало ряд преимуществ по сравнению с системами газообразного кислорода: она имела сравнительно небольшой вес, малый объем и потребляла небольшое количество энергии. Отсутствие высокого давления и ограниченное число подвижных элементов позволили значительно повысить ее надежность. Существенной доработке подверглись системы терморегулирования, питания и водообеспечения.
В тесном сотрудничестве со специалистами КБ «Биофизприбор» был разработан и испытан специальный автомат кормления животных АКП-01М, рассчитанный на обеспечение пищей и водой двух собак в течение 15 суток.
Так же успешно был решен вопрос об обеспечении жизненных условий животных в кабине корабля после приземления.
Проведенный комплекс работ позволил обеспечить уникальные эксперименты с запуском на орбиту кораблей-спутников «Восток» с собаками Белкой и Стрелкой, Чернушкой и Звездочкой.
В полетах первых кораблей-спутников «Восток» были проверены установки и регулирующие устройства, которые в целом обеспечивали животным оптимальные условия для жизни на всех этапах полета. Одновременно были исследованы воздействия на СОЖ длительных ускорений, различной величины вибраций и длительного состояния невесомости, а также ряда других факторов космического полета.
Успешное осуществление полетов КК « Восток-1» с животными позволило приступить к подготовке полета в космическое пространство человека.
Приступая к конкретной подготовке полета человека, институт разрабатывает физиолого-гигиенические требования к условиям обитания космических кораблей типа «Восток-3». При решении этого вопроса основной упор делается на то, что условия обитания в гермокабине корабля должны быть в основном близки к привычным для организма наземным условиям, чтобы исключить возможность неблагоприятного воздействия какого-либо фактора среды на организм человека.
Чтобы обеспечить указанные условия, необходимо было изыскать способы их создания и поддержания и по возможности осуществить достаточно достоверный и надежный контроль в течение всего полета.
При разработке СР и KB для объекта «Восток-3» была использована система, установленная на КК «Восток-1». После проведенной модификации и ряда доработок установка обеспечивала регенерацию воздуха в объекте «Восток» объемом 5 м3 в течение 12 суток при нахождении в ней одного человека.
Большую роль в разработке дополнительной системы осушки воздуха СР и KB сыграл коллектив специалистов во главе с Л А Моховым. В результате больших поисковых работ совместно со смежными организациями были найдены эффективные осушители ЛС-60 и ЛУ-60 и проведены их тщательные исследования и испытания (Л.А. Мохов, А.Г. Фомин, A.M. Финогенов). Применение новых осушителей резко повысило эффективность средств осушки, и система в основном стала удовлетворять предъявленным к ней требованиям.
В период пусковых экспериментов была проведена обширная работа по испытаниям летных образцов СР и KB и исследованиям их характеристик как в наземных условиях, так и в полете.
В ходе последующих исследований по отработке СР и KB объекта «Восток» большое внимание было уделено надежности и эффективности ее работы в различных условиях (попадание морской, болотной и обычной воды, понижение температуры воздуха до 0°С, действие вакуума и т. д.). Для химических СР и KB, использующих регенеративное вещество на основе надперекисей щелочных металлов, был предложен и испытан метод, значительно повышающий надежность работы. Доработка системы, связанная с подключением в линию вентиляции воздуха трубопровода с массой, позволила поддерживать процесс регенерации воздуха кабин даже при выходе из строя вентилятора (Серяпин А.Д., Фомин А.Г. Изобретение. 1963).
Система регенерации воздуха, разработанная на основе использования надперекисей щелочных металлов и импрегированных осушителей для ЮС «Восток», была рассчитана и практически обеспечивала в экспериментах, проводимых в наземных условиях, пребывание человека в герметической кабине объекта типа «Восток» в течение 12-13 суток.
Увеличение времени полета перспективных пилотируемых космических аппаратов (ПКА) потребовало проведения новых исследований и дальнейших разработок наиболее рациональных по весу и габаритам СР и KB, обеспечивающих пребывание человека в герметических кабинах в течение 30 суток и более. В связи с этим в период с 1960 по 1963 гг. наряду с работой по обеспечению полетов КК «Восток» были проведены научно-исследовательские работы по перспективной тематике.
1. Разработка системы химической регенерации воздуха для кабин ракетных летательных аппаратов.
2. Разработка физиолого-гигиенических обоснований, тактико-технических требований (ТТТ) к автономной системе химической регенерации и кондиционирования воздуха для космического скафандра или капсулы.
3. Изучение возможности получения кислорода путем разложения углекислоты и применения его для дыхания человека в условиях космического полета.
4. Изучение возможности применения кислорода, полученного электролизом воды, для дыхания человека в условиях космического полета.
В задачи темы «Разработка системы химической регенерации воздуха для кабин ракетных летательных аппаратов» входили:
а) разработка изготовления макетных образцов регенерационных установок с автоматическим регулированием необходимого газового состава воздуха и выбор наиболее рациональной системы регенерации;
б) исследование наиболее оптимальных условий для получения равномерной отработки регенерированного вещества в форме пластин и дырчатых блоков при атмосферном давлении и давлении 400 мм рт. ст.;
в) исследование общего состояния человека и его работоспособности при длительном пребывании в герметической кабине с регенерацией воздуха посредством разработанных систем;
г) определение газообразных продуктов, выделенных человеком при длительном пребывании в герметической кабине, и изыскание способов их удаления.
В процессе выполнения работы был проведен широкий анализ возможных принципов и методов регенерации воздуха в замкнутых объемах в зависимости от продолжительности нахождения в них человека, проведена классификация систем регенерации.
При анализе возможных схем систем регенерации, основанных на применении регенеративных веществ, было определено, что для обеспечения одного человека в течение 30 суток возможно разработать такую систему регенерации воздуха, которая при сравнительно малых весах и габаритах способна будет автоматически поддерживать все необходимые параметры в пределах заданных норм.
Конкретно были разработаны и предложены две установки, основанные на принципе поочередного ввода в работу регенеративного вещества и регулирования подачи влаги в регенераторы за счет предварительной осушки потока воздуха.
Одновременно была проведена сравнительная оценка эффективности работы существующих регенеративных веществ, различных рецептур и форм, а также выполнены исследования по изысканию других веществ, с большим содержанием кислорода.
В процессе проведения длительных экспериментов были определены средние максимальные и средние минимальные количества некоторых продуктов, выделенных человеком в процессе его жизнедеятельности. Исследования показали также, что регенеративные вещества, изготовленные на основе надперекиси щелочных металлов, способны поглощать окись углерода и сероводород.
В итоге был разработан и составлен проект медико-технических требований на разработку опытного образца регенерационной системы.
Весьма актуальными, вытекающими из практической необходимости предстоящих космических полетов, были исследования по разработке основных физиолого-гигиенических требований для систем жизнеобеспечения человека, находящегося в космическом скафандре. Материалы исследований позволили разработать и обосновать технические и физиолого-гигиенические требования на изготовление макетного образца системы регенерации и кондиционирования газа, среды космического скафандра или капсулы. Особенностью этой системы являлось то, что она объединяла контур скафандра с контуром кабины или капсулы и могла быть использована при аварийных ситуациях, когда требуется изолировать скафандр от кабины и в нем поддерживать необходимые условия газовой среды.
Исполнители также исследовали и обосновали возможность проведения съема тепла с поверхности тела человека посредством специального костюма охлаждения и теплозащиты в диапазоне окружающей температуры от -10 до + 60°С. Разработанный костюм охлаждения позволял поддерживать средневзвешенную температуру воздуха в пределах 29-32°С и обеспечивать равномерный съем тепла со всей поверхности тела человека. За сделанные в ходе этой темы разработки исполнители получили авторские свидетельства. Экспериментальные материалы, а также все разработки имели большое практическое значение и использовались ОКБ, занимающимися разработкой и изготовлением специального снаряжения экипажей КК и выходных скафандров.
Научные исследования были посвящены также основным вопросам разработки перспективных систем регенерации воздуха, рассчитанным на продолжительные космические полеты или экспедиции. Они были направлены на обоснование применения новых источников кислорода, использующих в своей работе регенерированную воду или углекислый газ. В них рассматривались и исследовались вопросы получения кислорода из углекислого газа путем физико-химического разложения его на О2 и С, разрабатывались способы электролитического разложения воды на О2 и Н2.
Способы утилизации продуктов жизнедеятельности человека для обеспечения космических полетов в настоящее время приобретают значительную актуальность, ибо только они смогут успешно решить весовую проблему космических кораблей дальних полетов. Разработка и создание систем, использующих регенерацию кислорода для человека из отходов его жизнедеятельности (Н2О и СО2) - чрезвычайно обширная и трудная задача.
В 1960-1961 гг. коллективом сотрудников был разработан и предложен ряд принципиальных схем частично замкнутых систем регенерации кислорода из углекислоты и метаболической воды, основанных на физико-химических методах. Основными элементами этих схем считались концентраторы углекислоты, регенераторы воды и электролизеры. В целях изучения рациональных процессов сбора и концентрации СО2 и возможности получения кислорода из СО2 различными методами совместно со смежными организациями был выполнен ряд экспериментальных и теоретических исследований. Работы велись в двух направлениях:
а) способы удаления из воздуха гермокабины СО2 и некоторых вредных газообразных примесей, являющихся продуктами жизнедеятельности человека;
б) способы получения кислорода из СО2.
По первому направлению исследований были изучены и оценены два способа выделения СО2 из воздуха гермокабин:
с помощью гранулированных синтетических цеолитов различных форм;
с помощью вымораживания СО2 из воздуха.
При исследовании цеолитов в качестве сорбентов углекислого газа определялись требования к ним, режимы их использования и регенерации. Исследовались также возможности цеолитов как сорбентов некоторых вредных газообразных примесей воздуха гермокабины (окиси углерода, аммиака, сероводорода и др.). На основе этих сорбентов была разработана и изготовлена макетная установка по очистке воздуха от углекислоты, работающая в циклическом режиме «сорбция-десорбция». Характеристики этой установки исследованы в пятисуточном эксперименте с участием человека.
При изучении вопроса очистки воздуха от СО2 методом глубокого охлаждения из проработанных нескольких принципиальных схем (была выбрана схема с использованием высокого давления. Были также определены требования к основным узлам и режимам работы установки по вымораживанию СО2.
По способам получения кислорода из СО2 был проведен анализ отечественных и зарубежных материалов - по вопросам разложения СО2 методом фотолиза, в тлеющем разряде и разложения с помощью катализаторов. Сравнительная оценка их позволила сосредоточить исследовательские работы на наиболее подходящем каталитическом способе разложения углекислоты. Были исследованы несколько типов катализаторов. Экспериментально был определен катализатор, позволяющий полностью восстанавливать углекислоту до воды и метана. Определены были режимы реакции, некоторые ее термодинамические характеристики, кинетика выхода продуктов реакции и стабильность работы катализатора. Полученная в процессе реакции вода подвергалась электролитическому разложению на специальной лабораторной электролизной установке в экспериментах различной продолжительности. Образующийся кислород исследовался на пригодность для дыхания человека.
В итоге работы были выданы рекомендации на применение для средств очистки воздуха от СО2 и некоторых вредных примесей синтетических цеолитов, а в качестве метода получения кислорода из СО2 был предложен метод каталитического восстановления СО2 до метана и воды с последующим электролизом последней на О2 и Н2.
Материалы исследований позволили также обосновать ТТТ на изготовление двух узлов системы жизнеобеспечения - реактора по восстановлению СО2 до метана и воды и регенерируемого концентратора СО2.
Полученные в процессе исследований данные по очистке воздуха гермокабин с помощью цеолитов до завершения темы были использованы КБ при проектировании СОЖ КК «Союз».
Актуальными были исследования по разработке методов получения кислорода электролитическим разложением воды в условиях невесомости и по выявлению возможности использования его для дыхания человека. В процессе работы решались следующие основные задачи:
1. Выяснение возможности осуществления электролитического разложения воды в условиях невесомости различными методами:
путем создания искусственного силового поля вращением всей установки или отдельных элементов;
путем использования физико-химических свойств разделяемых компонентов и материалов установки.
2. Выбор наиболее рациональных схем электролитического разложения воды в условиях невесомости.
3. Изыскание способов очистки электролитических газов от паров влаги и аэрозоля щелочи.
4. Проведение наземных испытаний выбранных схем электролитического разложения воды с целью определения оптимальных условий получения кислорода из воды применительно к использованию в гермокабинах космических кораблей.
5. Медико-биологическая оценка пригодности кислорода, полученного электролитическим разложением воды, для дыхания человека.
Работа проводилась совместно с рядом смежных организаций.
Исполнителями работы были определены основные условия осуществления электролитического разложения воды в невесомости и рассмотрены два возможных метода: метод создания искусственного силового поля и метод использования физико-химических свойств электролита и материалов элементов конструкции, а также были разработаны принципиальные схемы установок, основанных на этих методах.
 А.М. Генин (слева) и В.А. Смирнов за пультом системы |
Анализ условий проведения электролиза воды в условиях невосомости, методов электролиза и принципиальных схем установок позволил исполнителям сделать вывод о том, что наиболее эффективными и перспективными могут быть электролизные установки, основанные на использовании физико-химических свойств электролита и материалов конструкции элементов. В этом направлении и были проведены широкие экспериментальные исследования.
Исследовались три варианта электролизных установок:
с сетчатыми электродами и гидрофобными элементами;
с сетчатыми электродами и гидрофильными элементами;
установки с пористыми элементами.
В результате выполненных работ было определено перспективное направление решения задачи осуществления процесса электролиза воды в условиях невесомости. Лучшие результаты были получены на установке с пористыми электродами. Эта установка была испытана в условиях кратковременной невесомости на самолете лаборатории Ту-104А. Данные эксперимента подтвердили ее работоспособность в условиях невесомости.
В процессе экспериментальных работ были разработаны также способы очистки образующихся в процессе электролиза газообразных продуктов. Кислород, полученный электролитическим разложением воды и использующийся в процессе проведения физиолого-гигиенических исследований, по своим санитарно-гигиеническим характеристикам являлся пригодным для дыхания человека. Степень чистоты его соответствовала 99,9%.
В итоге исследований был разработан проект ТТТ на электролизную установку.
Общие результаты проведенных исследований позволили в дальнейшем рассматривать электролиз воды как один из перспективных способов продуцирования кислорода в системах регенерации воздуха гермокабин КК, основанных на физико-химических методах. В связи с этим требовались новые исследования и экспериментальные работы по вопросам электролитического разложения воды с целью получения кислорода, пригодного для дыхания человека в условиях длительной невесомости. Основываясь на полученных результатах, коллектив научных работников в дальнейших своих исследованиях намечал решение более обширной и трудной задачи, заключающейся в соединении определенных процессов общей схемы обеспечения жизнедеятельности человека, находящегося длительное время в замкнутом объеме, в единую систему регенерации газовой среды. К сожалению, штатная реорганизация в 1964 г..уже сложившихся групп сотрудников, объединенных единой целью, значительно изменила планы их дальнейших работ.
1. Яздовский В.И., Генин A.M., Серяпин А.Д.и др. Отчет НИИАМ по теме: Исследование возможности выживания и жизнедеятельности животных в герметических отсеках геофизических ракет. - 1957.
2. Яздовский В.И.На тропах Вселенной (рукопись). - 1990 г.