Система жизнеобеспечения

Система жизнеобеспечения — это комбинация оборудования, позволяющая выжить в среде или ситуации, которая не могла бы поддерживать эту жизнь в ее отсутствие. Обычно он применяется к системам, поддерживающим человеческую жизнь в ситуациях, когда внешняя среда враждебна, например, в космическом пространстве или под водой , или в медицинских ситуациях, когда здоровье человека поставлено под угрозу до такой степени, что без этой функции риск смерти был бы высоким. оборудования. ^{[ 1 ]}

В пилотируемом космическом полете система жизнеобеспечения — это группа устройств, позволяющих человеку выжить в космическом пространстве. Государственное космическое агентство США НАСА , ^{[ 2 ]} и частные космические компании при описании этих систем используйте фразу «система экологического контроля и жизнеобеспечения» или аббревиатуру «ECLSS». ^{[ 3 ]} Система жизнеобеспечения может поставлять воздух, воду и пищу. Он также должен поддерживать правильную температуру тела, приемлемое давление на организм и бороться с отходами жизнедеятельности организма. Также может потребоваться защита от вредных внешних воздействий, таких как радиация и микрометеориты. Компоненты системы жизнеобеспечения критически важны для жизни и спроектированы и изготовлены с использованием методов техники безопасности .

При подводном плавании дыхательный аппарат считается оборудованием жизнеобеспечения, а система насыщенного дайвинга — системой жизнеобеспечения — персонал, отвечающий за его эксплуатацию, называется техническим персоналом жизнеобеспечения . Эту концепцию также можно распространить на подводные лодки , подводные аппараты с экипажем и атмосферные водолазные костюмы , где дыхательный газ требует обработки, чтобы оставаться пригодным для вдыхания, а находящиеся внутри люди изолированы от внешнего давления и температуры окружающей среды.

Медицинские системы жизнеобеспечения включают аппараты искусственного кровообращения , аппараты искусственной вентиляции легких и для диализа оборудование .

Физиологические и метаболические потребности человека

Члену экипажа обычного размера требуется примерно 5 килограммов (11 фунтов) еды , воды и кислорода в день для выполнения стандартных действий в рамках космической миссии, и он выбрасывает такое же количество в виде твердых отходов, жидких отходов и углекислого газа . ^{[ 4 ]} Распределение этих метаболических параметров по массе следующее: 0,84 кг (1,9 фунта) кислорода, 0,62 кг (1,4 фунта) пищи и 3,54 кг (7,8 фунта) потребляемой воды преобразуются в результате физиологических процессов организма в 0,11 кг ( 3,9 унции) твердых отходов, 3,89 кг (8,6 фунта) жидких отходов и 1,00 кг (2,20 фунта) произведенного углекислого газа. Эти уровни могут варьироваться в зависимости от уровня активности конкретного задания миссии, но должны подчиняться принципу баланса массы . Фактическое использование воды во время космических полетов обычно вдвое превышает заданное значение, в основном из-за небиологического использования (например, принятия душа). Кроме того, объем и разнообразие отходов варьируется в зависимости от продолжительности миссии и включает волосы, ногти, шелушение кожи и другие биологические отходы в миссиях продолжительностью более одной недели. Другие факторы окружающей среды, такие как радиация, гравитация, шум, вибрация и освещение, также влияют на физиологическую реакцию человека в космическом пространстве, хотя и не с таким непосредственным эффектом, как метаболические параметры.

Атмосфера

Системы жизнеобеспечения в космическом пространстве поддерживают атмосферу, состоящую как минимум из кислорода, водяного пара и углекислого газа. Парциальное давление каждого компонента газа добавляется к общему барометрическому давлению .

Однако исключение газов-разбавителей существенно увеличивает риск пожара, особенно при наземных операциях, когда по конструкционным причинам общее давление в кабине должно превышать внешнее атмосферное давление; см. Аполлон-1 . Кроме того, кислородная токсичность становится фактором при высоких концентрациях кислорода. По этой причине в большинстве современных космических кораблей с экипажем используется обычная воздушная (азотно-кислородная) атмосфера, а чистый кислород используется только в скафандрах во время работы в открытом космосе , где приемлемая гибкость скафандра требует минимально возможного внутреннего давления.

Вода

Вода потребляется членами экипажа для питья, уборки, терморегуляции выхода в открытый космос и использования в чрезвычайных ситуациях. Его необходимо эффективно хранить, использовать и утилизировать (из сточных вод и выдыхаемого водяного пара), поскольку в настоящее время не существует локальных источников для окружающей среды, достигнутой в ходе освоения человеком космоса. Будущие лунные миссии могут использовать воду, добываемую из полярных льдов; Миссии на Марс могут использовать воду из атмосферы или ледяных отложений.

Еда

На сегодняшний день все космические миссии использовали поставляемую еду. Системы жизнеобеспечения могут включать систему выращивания растений, которая позволяет выращивать продукты питания внутри зданий или сосудов. Это также позволит регенерировать воду и кислород. Однако ни одна такая система пока не летала в космическом пространстве. Такую систему можно было бы спроектировать так, чтобы она повторно использовала большую часть (в противном случае потерянных) питательных веществ. Это делается, например, путем компостирования туалетов , которые реинтегрируют отходы (экскременты) обратно в систему, позволяя питательным веществам усваиваться продовольственными культурами. Продукты питания, получаемые из посевов, затем снова потребляются пользователями системы, и цикл продолжается. Однако требования к логистике и площади на сегодняшний день не позволяют реализовать такую систему.

Гравитация

В зависимости от продолжительности миссии астронавтам может потребоваться искусственная гравитация, чтобы уменьшить последствия синдрома космической адаптации , перераспределения жидкости в организме и потери костной и мышечной массы. Существуют два метода создания искусственного веса в космическом пространстве.

Линейное ускорение

Если бы двигатели космического корабля могли непрерывно создавать тягу во время полета с уровнем тяги, равным массе корабля, он бы постоянно ускорялся со скоростью 32,2 фута в секунду (9,8 м/с) в секунду, и экипаж испытывал бы корабля тяга к кормовой переборке при нормальной земной силе тяжести (одна g). Эффект пропорционален скорости ускорения. Когда корабль достигнет середины пути, он развернется и создаст тягу в ретроградном направлении, чтобы замедлиться.

Вращение

В качестве альтернативы, если каюта корабля спроектирована с большой цилиндрической стеной или с длинной балкой, расширяющей другую секцию каюты или противовес, вращение ее с соответствующей скоростью вызовет центробежную силу , имитирующую эффект гравитации. Если ω — угловая скорость вращения корабля, то ускорение на радиусе r равно:

g=\omega ^{2}r

Обратите внимание, что величина этого эффекта зависит от радиуса вращения, что может оказаться неудобным для членов экипажа в зависимости от конструкции кабины. воздействие силы Кориолиса Кроме того, необходимо учитывать (силы, действующей под прямым углом к движению внутри кабины). Есть опасения, что вращение может усугубить последствия вестибулярных нарушений.

Системы космических аппаратов

Близнецы, Меркурий и Аполлон

Американские космические корабли «Меркурий», «Джемини» и «Аполлон» содержали 100% кислородную атмосферу, подходящую для краткосрочных миссий, чтобы минимизировать вес и сложность. ^{[ 5 ]}

Космический шаттл

Спейс Шаттл был первым американским космическим кораблем, имевшим земную атмосферную смесь, состоящую из 22% кислорода и 78% азота. ^{[ 5 ]} Для космического корабля «Шаттл» НАСА включает в категорию ECLSS системы, которые обеспечивают как жизнеобеспечение экипажа, так и экологический контроль полезной нагрузки. Справочное руководство по ECLSS содержит разделы по: Наддув кабины боевого отделения, Оживление воздуха в кабине, Система контура водяного охлаждения, Система активного терморегулирования, Приточная и сточная вода, Система сбора отходов, Резервуар для сточной воды, Шлюзовая поддержка, Единицы внекорабельной подвижности , Высота экипажа Система защиты, охлаждение радиоизотопного термоэлектрического генератора и продувка газообразным азотом полезной нагрузки. ^{[ 6 ]}

Soyuz

The life-support system on the Soyuz spacecraft is called the Kompleks Sredstv Obespecheniya Zhiznideyatelnosti (KSOZh) ( Russian : Комплекс Средств Обеспечения Жизнедеятельности (KCOЖ) ). ^{[ нужна ссылка ]} «Восток», «Вошкод» и «Союз» содержали воздухоподобные смеси при давлении примерно 101 кПа (14,7 фунтов на квадратный дюйм). ^{[ 5 ]} Система жизнеобеспечения обеспечивает атмосферу азота/кислорода с парциальным давлением на уровне моря. Затем атмосфера регенерируется с помощью баллонов с KO2, которые поглощают большую часть CO2 и воды, производимых экипажем биологическим путем, и регенерируют кислород, а баллоны с LiOH затем поглощают оставшийся CO2. ^{[ 7 ]}

Подключи и играй

Корпорация космического развития Paragon разрабатывает готовую к использованию ECLSS, называемую системой оживления коммерческой перевозки экипажа и воздуха (CCT-ARS). ^{[ 8 ]} для будущих космических кораблей частично оплачено финансирование программы развития коммерческих экипажей НАСА ( CCDev ). ^{[ 9 ]}

CCT-ARS обеспечивает семь основных функций жизнеобеспечения космического корабля в высокоинтегрированной и надежной системе: контроль температуры воздуха, удаление влажности, удаление углекислого газа , удаление следов загрязнений, восстановление атмосферы после пожара, фильтрация воздуха и циркуляция воздуха в кабине. ^{[ 10 ]}

Системы космических станций

Системы космических станций включают в себя технологии, которые позволяют людям жить в космическом пространстве в течение длительного периода времени. Такая технология включает системы фильтрации для удаления отходов жизнедеятельности человека и производства воздуха.

Скайлэб

Скайлэб использовал 72% кислорода и 28% азота при общем давлении 5 фунтов на квадратный дюйм. ^{[ нужна ссылка ]}

Salyut and Mir

Космические станции «Салют» и «Мир» содержали воздухоподобную смесь кислорода и азота при давлении на уровне моря примерно от 93,1 кПа (13,5 фунтов на квадратный дюйм) до 129 кПа (18,8 фунтов на квадратный дюйм) с содержанием кислорода от 21% до 40%. ^{[ 5 ]}

Коммерческая космическая станция Бигелоу

Система жизнеобеспечения коммерческой космической станции Бигелоу разрабатывается компанией Bigelow Aerospace в Лас-Вегасе, штат Невада . Космическая станция будет построена из обитаемых модулей Sundancer и расширяемых модулей космического корабля BA 330 . По состоянию на октябрь 2010 г. ^[update] « испытания с участием человека системы экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS)» для Sundancer . Начались ^{[ 11 ]}

Природные системы

Естественные LSS, такие как « Биосфера-2» в Аризоне, были проверены на предмет будущих космических путешествий или колонизации. Эти системы также известны как закрытые экологические системы . У них есть то преимущество, что они используют солнечную энергию только в качестве первичной энергии и не зависят от логистической поддержки топливом. Природные системы обладают высочайшей степенью эффективности благодаря интеграции множества функций. Они также обеспечивают человеку надлежащую атмосферу, необходимую для длительного пребывания в космосе.

Подводные и насыщенные среды обитания для дайвинга

Подводные места обитания и жилые помещения, насыщаемые на поверхности, обеспечивают жизнеобеспечение своих обитателей в течение периодов от дней до недель. Пассажиры не могут немедленно вернуться к атмосферному давлению на поверхности из-за обязательств по декомпрессии продолжительностью до нескольких недель.

Система жизнеобеспечения жилого комплекса поверхностного насыщения обеспечивает дыхательный газ и другие услуги для поддержания жизни персонала, находящегося под давлением. Он включает в себя следующие компоненты: ^{[ 12 ]} Подводные среды обитания отличаются тем, что внешнее давление окружающей среды такое же, как и внутреннее, поэтому некоторые инженерные проблемы упрощаются.

Установки сжатия, смешивания и хранения газа
Система климат-контроля камеры – контроль температуры и влажности, фильтрация газа
Аппаратура КИП, управления, контроля и связи
Системы пожаротушения
Санитарные системы

Подводные среды обитания уравновешивают внутреннее давление с внешним давлением окружающей среды, обеспечивая обитателям свободный доступ к окружающей среде в пределах определенного диапазона глубин, в то время как дайверы, размещающиеся в надводных системах, переводятся под давлением на рабочую глубину в закрытом водолазном колоколе.

Система жизнеобеспечения колокола обеспечивает и контролирует основную подачу дыхательного газа , а станция управления следит за его размещением и связью с водолазами. Первичная подача газа, электропитание и связь с колоколом осуществляются через шлангокабель колокола, состоящий из ряда шлангов и электрических кабелей, скрученных вместе и развернутых как единое целое. ^{[ 13 ]} Это распространяется на дайверов через водолазные шлангокабели. ^{[ 12 ]}

Система жизнеобеспечения помещения поддерживает условия в камере в пределах, приемлемых для здоровья и комфорта находящихся в помещении. Температура, влажность, качество дыхательных газов, функционирование санитарных систем и оборудования контролируются и контролируются. ^{[ 13 ]}

Экспериментальные системы жизнеобеспечения

Мелисса

Альтернатива микроэкологической системе жизнеобеспечения ( MELiSSA ) — это инициатива Европейского космического агентства , задуманная как экосистема на основе микроорганизмов и высших растений, предназначенная в качестве инструмента для понимания поведения искусственных экосистем и для разработки технологий. для будущей регенеративной системы жизнеобеспечения для долгосрочных пилотируемых космических полетов.

КИБЛИСС

CyBLiSS («Системы жизнеобеспечения на основе цианобактерий») — это концепция, разработанная исследователями нескольких космических агентств ( НАСА , Немецкого аэрокосмического центра и Итальянского космического агентства ), которая будет использовать цианобактерии для переработки ресурсов, доступных на Марсе, непосредственно в полезные продукты, и в субстраты ^{[ нужны разъяснения ]} для других ключевых организмов Биорегенеративной системы жизнеобеспечения (БСЖ). ^{[ 14 ]} Цель состоит в том, чтобы сделать будущие населенные людьми аванпосты на Марсе как можно более независимыми от Земли (исследователи, живущие «за пределами земли»), чтобы снизить затраты на миссию и повысить безопасность. Несмотря на то, что CyBLiSS разработан независимо, он будет дополнять другие проекты BLSS (такие как MELiSSA), поскольку он может связать их с материалами, найденными на Марсе, тем самым сделав их устойчивыми и расширяемыми там. Вместо того, чтобы полагаться на замкнутый цикл, в систему можно внести новые элементы, обнаруженные на месте.

См. также

Биорегенеративная система жизнеобеспечения ( БСЖ ) — Искусственная экосистема
Закрытая экологическая система - Экосистема, которая не обменивается веществом с внешней средой.
Влияние космического полета на организм человека – Медицинские проблемы, связанные с космическим полетом
Система экологического контроля - система самолета, которая поддерживает внутреннее давление, климат, подачу воздуха и многое другое.
Международная конференция по экологическим системам - Конференция по технологиям пилотируемых космических полетов и человеческому фактору в космосе.
ISS ECLSS – Система жизнеобеспечения Международной космической станции.
Первичная система жизнеобеспечения - Устройство жизнеобеспечения скафандра.
Система погружения с насыщением - средство для поддержки проектов дайвинга с насыщением.
Тепловой контроль космического корабля - процесс поддержания всех частей космического корабля в допустимых диапазонах температур.
Подводная лодка # Системы жизнеобеспечения - плавсредства, способные автономно работать под водой.

Сноски

^ «Определение СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ» . www.merriam-webster.com . Проверено 14 июня 2023 г.
^ НАСА, 2008 г.
^ Барри 2000 .
^ Сульцман и Генин 1994 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис, Джонсон и Степанек, 2008 .
^ НАСА-HSF
^ «Жилой модуль корабля «Союз» . www.russianspaceweb.com . Проверено 15 мая 2024 г.
^ Проекты Парагона
^ НАСА 2010 г.
^ Пресс-релиз Paragon
^ Волонтеры Бигелоу
^ Jump up to: ^а ^б Кроуфорд, Дж. (2016). «8.5.1 Системы рекуперации гелия». Практика морской установки (переработанная ред.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 150–155. ISBN 9781483163192 .
^ Jump up to: ^а ^б Персонал ВМС США (2006 г.). «15» . Руководство по водолазному делу ВМС США, 6-я редакция . США: Командование морских систем ВМС США . Проверено 15 июня 2008 г.
^ Версо, Сиприен; Бак, Микаэль; Лехто, Кирси; де Вера, Жан-Пьер П.; Ротшильд, Линн Дж .; Билли, Даниэла (3 августа 2015 г.). «Устойчивое поддержание жизни на Марсе – потенциальная роль цианобактерий» . Международный журнал астробиологии . 15 (1): 65–92. Бибкод : 2016IJAsB..15...65В . дои : 10.1017/S147355041500021X .

Ссылки

Барри, Патрик Л. (13 ноября 2000 г.). «Дышать легко на космической станции» . Наука@НАСА. Архивировано из оригинала 21 сентября 2008 года.
Белл, Труди Э. (11 мая 2007 г.). «Профилактика «больных» космических кораблей» . Наука@НАСА. Архивировано из оригинала 20 июля 2012 года.
«Волонтеры тестируют средства жизнеобеспечения Бигелоу» . Авиационная неделя . 22 октября 2010 г. Проверено 23 октября 2010 г.
Дэвис, Джеффри Р.; Джонсон, Роберт и Степанек, январь (2008). Основы аэрокосмической медицины . Том. XII. Филадельфия, Пенсильвания, США: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. стр. 261–264.
«Система экологического контроля и жизнеобеспечения Международной космической станции» (PDF) . НАСА . Проверено 11 декабря 2010 г.
«Коммерческий экипаж и грузовой образец CCDev» . НАСА. 30 ноября 2010 г.
«HSF – Шаттл: система экологического контроля и жизнеобеспечения» . НАСА. Архивировано из оригинала 9 ноября 2000 года.
«Проекты идеала» . Парагон. Январь 2011 г. Архивировано из оригинала 24 июня 2011 г.
«Пресс-релиз – Корпорация космического развития Paragon завершила все основные этапы разработки программы развития коммерческих экипажей НАСА» . Корпорация космического развития «Парагон». Архивировано из оригинала 31 января 2013 года . Проверено 25 ноября 2012 г.
Сульцман, FM; Генин, AM (1994). Космос, биология и медицина, том. II: Жизнеобеспечение и обитаемость . Американский институт аэронавтики и астронавтики.

Дальнейшее чтение

Эккарт, Питер. Жизнеобеспечение космических полётов и биосфера . Торранс, Калифорния: Microcosm Press; 1996. ISBN 1-881883-04-3 .
Ларсон, Уайли Дж. и Пранке, Линда К., ред. Пилотируемый космический полет: анализ и проектирование миссии . Нью-Йорк: МакГроу Хилл; 1999. ISBN 0-07-236811-X .
Рид, Рональд Д. и Коултер, Гэри Р. Физиология космического полета - Глава 5: 103–132.
Эккарт, Питер и Долл, Сьюзен. Система экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS) – Глава 17: 539–572.
Гриффин, Брэнд Н., Спампинато, Фил, и Уайлд, Ричард К. Системы внекорабельной деятельности – Глава 22: 707–738.
Виланд, Пол О., Проектирование присутствия человека в космосе: введение в контроль окружающей среды и системы жизнеобеспечения . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Справочная публикация НАСА RP-1324, 1994 г.

Внешние ссылки

[1] «Определение СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ» . www.merriam-webster.com . Проверено 14 июня 2023 г.

[2] НАСА, 2008 г.

[FOOTNOTEBarry2000-3] Барри 2000 .

[FOOTNOTESulzmanGenin1994-4] Сульцман и Генин 1994 .

[FOOTNOTEDavisJohnsonStepanek2008-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Дэвис, Джонсон и Степанек, 2008 .

[6] НАСА-HSF

[7] «Жилой модуль корабля «Союз» . www.russianspaceweb.com . Проверено 15 мая 2024 г.

[8] Проекты Парагона

[9] НАСА 2010 г.

[10] Пресс-релиз Paragon

[11] Волонтеры Бигелоу

[Crawford_2016-12] Jump up to: ^а ^б Кроуфорд, Дж. (2016). «8.5.1 Системы рекуперации гелия». Практика морской установки (переработанная ред.). Баттерворт-Хайнеманн. стр. 150–155. ISBN 9781483163192 .

[usn_ch15-13] Jump up to: ^а ^б Персонал ВМС США (2006 г.). «15» . Руководство по водолазному делу ВМС США, 6-я редакция . США: Командование морских систем ВМС США . Проверено 15 июня 2008 г.

[Verseux2015-14] Версо, Сиприен; Бак, Микаэль; Лехто, Кирси; де Вера, Жан-Пьер П.; Ротшильд, Линн Дж .; Билли, Даниэла (3 августа 2015 г.). «Устойчивое поддержание жизни на Марсе – потенциальная роль цианобактерий» . Международный журнал астробиологии . 15 (1): 65–92. Бибкод : 2016IJAsB..15...65В . дои : 10.1017/S147355041500021X .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]