32

ЛЕКЦИЯ 3.

ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ЗАПАСАХ

1. Процессы в ЗСЖО.

2. Выбор варианта ЗСЖО.

3. Перспективы развития ЗСЖО

ЛЕКЦИЯ 3.

ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ, ОСНОВАННЫХ НА ЗАПАСАХ

1. Процессы в зсжо.

На прошлых лекциях мы рассмотрели некоторые технологии, используемые в ЗСЖО. Сегодня мы кратко рассмотрим процессы в агрегатах ЗСЖО.

ЗСЖО – простейший вид СЖО. Оборудование, используемое в ЗСЖО – преимущественно тара разной формы и размера и предназначенная для разного агрегатного состояния:

- газы - О₂,

- жидкости Н₂О, жидкая пища, КАВ, урина;

- твердые вещества – пища, остатки пищи, фекалии, одежда, фильтры для СО2 и микропримесей, вспомогательные инструменты, ЗИП.

Кроме тары используются трубопроводы для газов и жидкостей , насосы и вентиляторы, клапаны, пульты, холодильники и нагреватели.

Конкретные конструкции агрегатов различаются в разных странах и для разных видов ПКА. В СССР и в США имелись разные взгляды на состав систем газоснабжения, водообеспечения, гигиенических процедур.

Процессы обеспечения газового состава.

Поскольку жилые отсеки ПКА являются замкнутыми объемами, процессы регулирования газового состава можно считать равномерными, установившимися. В объем поступают газовые выделения экипажа, а часть газов удаляется из объема вследствие потребления их экипажем.

Экипаж выделяет СО₂, пары Н₂О и ряд микропримесей.

Потребляет экипаж О₂.

О₂ хранится в газообразном состоянии.

Используются также пероксидные соединения щелочных металлов (надперекиси):

k_кис ρкг/л

Надперекись калия - 0,338 кгО₂/кг 0,655

Надперекись натрия - 0,436 кгО₂/кг

Надперекись кальция - 0,46 кгО₂/кг

Кроме того возможно хранение его в химически связанном виде в форме твердых соединений, например, перхлоратов (LiClO₃, NaClO₃). Выделение О₂ из них происходит при тепловом воздействии (электрозапалом). Перхлорат натрия начинает разлагаться при Т = 1000 – 1100^оС.

Хлораты изготовляются в виде свечей или шашек, поджигаемых запалом. Однако реакция идет неуправляемо, с высокими скоростями. Поэтому применение этих средств происходит в основном при аварийных ситуациях, приводящих к разгерметизации (при шлюзовании).

СО₂ поглощается из атмосферы отсека в химических фильтрах, содержащих активное вещество, вступающее в реакцию с СО₂ и связывающее его.

Существует несколько видов веществ, поглощающих СО₂. В настоящее время у нас отработаны агрегаты с гидроокисью лития (LiOH). В ней происходит реакция

СО₂ + 2 LiOH = Li₂СO₃ + Н₂О

И гидроокись лития и продукт реакции – карбонат лития являются твердыми веществами. Это вещество изготавливается в виде порошка либо в виде цилиндрических столбиков, испещренных отверстиями, и помещается в металлический стакан. При больших количествах вещества его изготавливают в виде круглых пластин (блинов) небольшой толщины, которые укладывают друг на друга в цилиндрическую тару.

Количество вещества составляет 1,1 – 1,5 кг/кг СО₂.

Возможно использование и гидроокиси других щелочных металлов (K, Na, Ca). Но для них расход вещества фильтра существенно больше:

Ca(ОН)₂ - 1,7 кг/кг СО₂,

NaОН - 1,8 кг/кг СО₂ ,

KОН - 2,5 кг/кг СО₂ .

Все твердые химические фильтры изменяют свою физическую структуру в процессе поглощения СО₂. Изменяется плотность, однородность вещества. Наружные слои, ранее других соприкасающиеся с поглощаемым газом, становятся плотнее, образуют корку, через которую прохождение воздуха с СО₂ затрудняется. Поэтому со временем скорость поглощения СО₂ уменьшается и требуется замена патрона с поглотителем.

Значительные преимущества по удобству длительного хранения и простоте эксплуатации представляет способ хранения О₂ в химически связанном состоянии. Среди них выделяются надперекиси щелочных металлов, отличающиеся тем, что одновременно служат источником О₂ и поглотителем СО₂. Наибольшее применение в СССР получила КО₂, на которой были основаны СОГС на кораблях «Восток», «Восход», «Союз».

Реакция при прохождении воздуха с О₂, СО₂ и парами Н₂О через поглотитель СО₂ в форме надперекиси проходит в 2 стадии:

- в первой стадии надперекись реагирует с парами Н₂О:

2КО₂ + Н₂О = 2КОН + 3/2 О₂

Образующийся при этой реакции О₂ поступает в атмосферу.

Второе соединение, образующееся при реакции – щелочь – эффективно поглощает воздух из проходящего через нее воздуха:

2КОН + СО₂ = К₂СО3 + Н₂О (ж)

Образующаяся при этом вода впитывается веществом карбоната калия (К₂СО₃), ухудшая его физические свойства (вещество «оплавляется», разбухает, покрывается коркой, через которую СО₂ не может поступать к внутренним слоям вещества).

При применении надперекисей не удается обеспечить балансирование скоростей процессов выделения человеком СО₂ и поглощения его поглотителем, а также скоростей потребления человеком О₂ и выделения его поглотителем. Проявляется это в изменении состава воздуха – повышении концентрации СО₂ либо концентрации О₂ .

Соотношение потребления О₂ и выделения СО₂ называется дыхательным коэффициентом, который у человека составляет 0,8 -0,84. Это означает, что для поддержания постоянного газового состава СОГС должна на каждый литр поглощенного СО₂ выделять

1/(0,8 – 0,84) = 1,25 – 1,2 л О₂

А реально в поглотительном патроне выделяется

3/2:1 = 1,5 л О₂

Для регулирования количества выделения О₂ в поглотительном патроне варьируется количество паров воды в воздухе, поскольку от него зависит количество выделяемого О₂ согласно реакции в первой стадии процесса. Если доступ паров Н₂О к поглотителю уменьшить, скорость выделения О₂ снизится, а поглощение СО₂ будет продолжаться, но по другой реакции:

К₂СО3 + Н₂О (ж) + СО₂ = 2КНСО3.

При этом дополнительно поглотится столько же СО₂ , а соотношение О₂ и СО₂ станет равным1,5/2 = 0,7 л/л.

В агрегате поглощения уменьшение паров воды в воздухе (осушка) осуществляется в дополнительном патроне с LiCl.

Здесь рассмотрен случай однородного выделения человеком углекислого газа. Реально возможны ситуации, когда часть космонавтов могут вследствие повышенной физической нагрузки выделять большее, чем обычно количество СО₂ . В этом случае концентрация СО₂ в отсеке может превысить допустимую, что опасно для человека. Поэтому в некоторых программах космических полетов в СОГС вводятся дополнительные поглотительные патроны для СО₂. Эти патроны включаются при выходе концентрации СО₂ за допустимый предел. После снижения концентрации СО₂ дополнительный поглотитель отключается.

Процессы в агрегатах ЗСЖО.