Проектирование ксжо.

Цель каждого проекта – определение состава и проектных параметров системы. Есть два вида проектов:

- исследовательские, разрабатываемые для оценки возможностей БТСЖО;

- реальные, разрабатываемые для реализации и применения БТСЖО в определенной космической экспедиции.

В исследовательских проектах изучаются возможности разных составов подсистем БТСЖО выполнять функцию обеспечения экипажа в различных космических экспедициях (межпланетный полет, орбитальные околоземные и окололунные станции, лунная и марсианская базы и др.). В этих проектах можно проверять разные подходы к организации жизнеобеспечения космонавтов, изучать влияние разных факторов. Критериями сравнения вариантов БТСЖО в этих случаях могут быть разные параметры.

В реальных проектах проводится выбор одного варианта БТСЖО, который впоследствии реализуется в космическом исполнении, согласовывается с другими системами, входящими в штатный КСЖО, и с бортовыми системами ПКА, испытывается и применяется в реальном полете.

Разумеется, разработка реального проекта БТСЖО наиболее сложна и ответственна и не сводится только к расчетам различных характеристик системы.

Можно выделить следующие группы задач, решаемых при проектировании БТСЖО:

- определение состава подсистем проектируемой БТСЖО и функций, выполняемых подсистемами;

- определение видов биологических объектов, культивируемых в подсистемах, и количества объектов каждого вида;

- определение целесообразных режимов жизнедеятельности выбранных видов биообъектов;

- определение физических условий жизнедеятельности выбранных видов биообъектов и технических устройств, обеспечивающих эти условия;

- определение этапов реализации проекта – создания всех компонентов БТСЖО и подготовки их к космическому полету;

- оптимизация заданной (или выбранной) целевой функции;

- согласование режимов работы подсистем БТСЖО с условиями на ПКА и с работой физико-химических систем жизнеобеспечения.

Кроме того, при проектировании БТСЖО необходимо решение задач, характерных для создания любых космических средств:

- обеспечение работоспособности всех подсистем в невесомости или при пониженной весомости;

- обеспечение высокой надежности и безопасности подсистем в течение всего времени функционирования ПКА;

- обеспечение минимальной трудоемкости обслуживания подсистем экипажем.

Продукция подсистем БТСЖО, потребляемая экипажем, считается заданной по составу и по качественным показателям.

7.2.4. Оборудование для круговорота газов.

Этот вопрос практически уже рассмотрен.

Для получения круговорота веществ в жилом отсеке ПКА необходимы агрегаты, способные осуществлять в невесомости:

- извлечение из воздуха углекислоты при концентрации 0,5 – 1 % и концентрацию ее до 100%;

- разложение углекислоты до СО или Н₂О;

- электролиз СО₂ или Н₂О.

7.2.5. Оборудование для круговорота воды.

Цель каждого проекта – определение состава и проектных параметров системы. Есть два вида проектов:

- исследовательские, разрабатываемые для оценки возможностей БТСЖО;

- реальные, разрабатываемые для реализации и применения БТСЖО в определенной космической экспедиции.

В исследовательских проектах изучаются возможности разных составов подсистем БТСЖО выполнять функцию обеспечения экипажа в различных космических экспедициях (межпланетный полет, орбитальные околоземные и окололунные станции, лунная и марсианская базы и др.). В этих проектах можно проверять разные подходы к организации жизнеобеспечения космонавтов, изучать влияние разных факторов. Критериями сравнения вариантов БТСЖО в этих случаях могут быть разные параметры.

В реальных проектах проводится выбор одного варианта БТСЖО, который впоследствии реализуется в космическом исполнении, согласовывается с другими системами, входящими в штатный КСЖО, и с бортовыми системами ПКА, испытывается и применяется в реальном полете.

Разумеется, разработка реального проекта БТСЖО наиболее сложна и ответственна и не сводится только к расчетам различных характеристик системы.

Можно выделить следующие группы задач, решаемых при проектировании БТСЖО:

- определение состава подсистем проектируемой БТСЖО и функций, выполняемых подсистемами;

- определение видов биологических объектов, культивируемых в подсистемах, и количества объектов каждого вида;

- определение целесообразных режимов жизнедеятельности выбранных видов биообъектов;

- определение физических условий жизнедеятельности выбранных видов биообъектов и технических устройств, обеспечивающих эти условия;

- определение этапов реализации проекта – создания всех компонентов БТСЖО и подготовки их к космическому полету;

- оптимизация заданной (или выбранной) целевой функции;

- согласование режимов работы подсистем БТСЖО с условиями на ПКА и с работой физико-химических систем жизнеобеспечения.

Кроме того, при проектировании БТСЖО необходимо решение задач, характерных для создания любых космических средств:

- обеспечение работоспособности всех подсистем в невесомости или при пониженной весомости;

- обеспечение высокой надежности и безопасности подсистем в течение всего времени функционирования ПКА;

- обеспечение минимальной трудоемкости обслуживания подсистем экипажем.

Продукция подсистем БТСЖО, потребляемая экипажем, считается заданной по составу и по качественным показателям.

В проекте необходимо обеспечить согласование показателей функционирования всех подсистем БТСЖО для обеспечения баланса их входных и выходных потоков. Этот внутренний баланс в БТСЖО поддерживает устойчивый обмен веществом и энергией между БТСЖО и другими компонентами КСЖО в течение всего времени функционирования БТСЖО. Внешний массоэнергообмен БТСЖО участвует в обеспечении баланса потоков вещества и энергии в КСЖО и в ИЭС ПКА.

Фактически только с появлением БТСЖО в составе КСЖО этот комплекс становится системой. До этого времени связи между отдельными системами, основанными на запасах, с системами, входящими в ФХСЖО, проявляются крайне слабо, т.е. все системы функционируют фактически автономно. При наличии БТСЖО начинают проявляться связи между ЗСЖО и подсистемами БТСЖО, связи между системами ФХСЖО и подсистемами БТСЖО. Производительность систем ФХСЖО будет меньше, чем без БТСЖО, потому что часть их функций будут выполнять подсистемы БТСЖО.

При проектировании БТСЖО необходимо учитывать следующие аспекты:

- космический (специфику работы космической техники, условия работы систем ПКА, требования к бортовым системам ПКА);

- биологический (выбор биообъектов, определение условий их культивирования, реальные ограничения);

- психофизиологический (положительное влияние на космонавтов наличия живых объектов в ПКА, совмещение микрофлоры экипажа и биообъектов и др.);

- экологический (совместимость биообъектов, влияние физических условий существования биообъектов на их продуктивность);

- эксплуатационный (специфика управления процессами в биообъектах, обслуживание, безопасность, надежность);

- системный (структура компонентов БТСЖО, иерархия управления процессами).

БТСЖО – необычная для земных условий и крайне сложная система. Ее сложность определяется тем, что в ней впервые в практике человека совмещены технические подсистемы с подсистемами, состоящими из живых объектов (высших и низших растений, высших животных и микроорганизмов). При этом живые существа в этих подсистемах должны не просто выжить в течение всего космического полета, а иметь определенную продуктивность по выделяемым и потребляемым веществам. Такого требования к живым объектам земной биосферы еще никто и никогда не предъявлял. Неизвестно заранее, все ли живые объекты, выбранные технологами на Земле, удовлетворят этим требованиям при длительном пребывании в космосе.

Поэтому для создания работоспособной и устойчиво функционирующей биотехнической системы должны быть проведены многочисленные испытания на Земле и в космосе. На Земле – потому что это дешевле, к тому же не всегда для проверки биообъектов требуется воспроизведение космических условий.

Разумеется, лучше всего проводить испытания на полноразмерном макете системы. Однако это слишком сложно и дорого. Поэтому целесообразно возможно больший объем ценной информации получать при моделировании системы – математическом и экспериментальном, на математических и экспериментальных моделях.

Простейшие экспериментальные модели БТСЖО создают и испытывают уже в течение свыше 50 лет во всех странах мира. Наиболее масштабные и сложные экспериментальные модели были созданы и проверены в СССР и в США. В СССР было испытано несколько экспериментальных моделей одно-, двух- и трехзвенных экосистем в замкнутом объеме в помещении – с испытателями и без них.

Наиболее продолжительные эксперименты в экосистемах с участием человека в СССР продолжались полгода (в Красноярске в 1973 г.) и один год (в Москве в ИМБП – в 1967–1968 гг.).

В годовом эксперименте в ИМБП использовалась оранжерея для снабжения испытателей свежей растительной пищей. Площадь оранжереи – 7,5 м². Растения освещались искусственными источниками света с интенсивностью 45–50 ВтФАР/м². Растения выращивались на субстрате из ионообменных смол, насыщенных заранее питательными веществами. На первом этапе эксперимента, продолжавшемся 68 суток, оранжерея была изолирована от жилого отсека и автономно выводилась на режим зеленого конвейера. На втором этапе оранжерея была подключена к жилому отсеку и ежесуточно выдавала 200 г свежей растительной биомассы, в которой содержалось до 100 мг витамина С. Транспирационная влага растений, выделяемая листьями в атмосферу, собиралась и применялась для увлажнения субстрата без очистки. [4].

В 1991–1993 гг. в США был проведен двухгодичный эксперимент с участием 8 испытателей на специальном стенде-лаборатории площадью 1,3 гектара и объемом 165 000 м³ [7, 23].

Сейчас в России готовится 500-суточный эксперимент, но в нем задачи создания БТСЖО представлены слабо, хотя, возможно, в помещении для эксперимента установят небольшую оранжерею.

Математические модели при создании БТСЖО имеют вспомогательный и дополнительный к экспериментам характер, поскольку выразить математически процессы в отдельных организмах биообъектов и в их группах разного биологического вида (говоря в терминах экологии, в биоценозе экосистемы), пока не удается.

Тем не менее некоторые виды математических моделей БТСЖО разработаны и изучаются.

Модели проектных характеристик объектов (подсистем, блоков, БТСЖО в целом)

Модели процессов:

- модели процессов функционирования (роста и развития) биообъектов;

- модели функционирования технических и биотехнических объектов (подсистем, блоков и др.);

- модели отдельных физических процессов в технических средствах (в основном аэродинамические, тепловые и гидравлические).

Теорией проектирования БТСЖО можно назвать систематическое изложение объективных закономерностей обеспечения длительного надежного совместного функционирования биологических и технических средств, включаемых проектантами в БТСЖО.

При проектировании БТСЖО может также рассматриваться роль работ по созданию космических БТСЖО для земных направлений науки, техники и хозяйства.

Все эти вопросы применительно к БТСЖО пока слабо разработаны.

В настоящее время опыт практической разработки космических БТСЖО от проекта до этапа летно-конструкторских испытаний имеется лишь применительно к отдельным элементам этих систем:

- экспериментальным установкам для выращивания высших растений «Оазис», «Малахит», «Свет» и др.;

- экспериментальным установкам культивирования рыб «Аквариум»,

- экспериментальным установкам «Инкубатор» для получения птенцов перепелов из яиц.

Значительное число проектов отдельных блоков и подсистем разработано, но сами изделия не изготовлены; что касается БТСЖО в целом, то даже проектов таких систем немного. Однако за многие годы исследований различных проблем создания БТСЖО, проводившихся в наземных лабораториях и в космическом полете на пилотируемых и беспилотных КА, накопилось немало теоретических и экспериментальных результатов, позволяющих путем обобщения имеющихся данных сформулировать основы теории проектирования БТСЖО.

К этим основам в первую очередь относится современное понимание функций БТСЖО в общем комплексе СЖО, в искусственной экосистеме ПКА. Важной теоретической информацией является также обобщение накопленных медико-биологических данных о функциях подсистем БТСЖО и методах их реализации. Не менее важно обобщение результатов исследования разных технических устройств, используемых в БТСЖО. Но самой важной, определяющей успех проекта, является информация о системных – экологических и биотехнических – закономерностях функционирования БТСЖО в составе ИЭС ПКА.

Теория проектирования БТСЖО должна включать следующие разделы:

- Общие положения о БТСЖО:

- назначение БТСЖО (функции),

- отличия БТСЖО от других СЖО,

- место БТСЖО в КСЖО,

- место БТСЖО в ИЭС ПКА.

- Состав подсистем и структура БТСЖО.

- Принципы и методы определения функций и состава БТСЖО.

- Исходные данные для расчета подсистем.

- Методы расчета проектных параметров подсистем и объектов, входящих в подсистемы.

- Методы анализа связей подсистем БТСЖО с другими объектами ПКА.

- Методы оптимизации состава БТСЖО и параметров ее подсистем.

- Критерии сравнения различных вариантов БТСЖО и вариантов ее подсистем.

- Математические модели БТСЖО, ее подсистем и элементов различного уровня иерархии (биологических, технических, биотехнических).

- Методы управления процессами, протекающими в подсистемах БТСЖО.

- Методы обеспечения надежности и безопасности подсистем БТСЖО и отдельных элементов (технических, биологических, биотехнических).

По-видимому, в будущей теории проектирования БТСЖО будут содержаться ответы и на другие, более частные вопросы, число которых со временем будет расти.

Начинается работа над проектом с выдачи технического задания (ТЗ), в котором перечислены задачи, возлагаемые на систему, требования к системе и ограничения на проектные параметры [20].

Исходя из условий ТЗ, определяются подсистемы БТСЖО, виды биообъектов в каждой подсистеме, предварительное распределение энергии.

Среди этих материалов для проектирования БТСЖО основные:

- задачи, выполняемые ПКА;

- численность экипажа;

- продолжительность функционирования БТСЖО;

- ограничения на массу, объем и энергопотребление БТСЖО.

Затем производится расчет продуктивности подсистем и БТСЖО в целом по пищевым продуктам, выделяемому кислороду и питьевой воде, направляемой из системы экипажу. Определяются также величины проектных параметров БТСЖО (массы, энергопотребления, занимаемого в ПКА объема, тепловыделения в общую СОТР ПКА).

Важной задачей, решаемой при проектировании системы, является определение ее оптимальной структуры, т.е. состава подсистем, входящих в систему, и связей между ними.

С анализа структуры и начинается, по существу, проектирование БТСЖО. Анализ возможных вариантов структуры БТСЖО удобно осуществлять путем построения структурной схемы. На структурной схеме изображаются в общем виде все возможные варианты построения системы и фиксируются основные ее элементы, а также характерные для них внутренние и внешние связи. На рис. 6.1 приведена структурная схема шестизвенной БТСЖО.

Разбиение системы на отдельные самостоятельные элементы производится разными авторами по-разному. В этой процедуре есть элемент субъективизма. Но ценность структурной схемы заключается не столько в том, как она составлена, сколько в том, что будучи составлена, она позволяет вести расчет систем с учетом всех взаимных связей между элементами. Поскольку на структурной схеме изображаются все элементы системы и все связи этих элементов, есть уверенность в том, что при пользовании структурной схемой никакой элемент и никакая связь не будут упущены. На структурной схеме нецелесообразно изображать чрезмерно мелкие, второстепенные элементы, не имеющие взаимных связей и не оказывающие большого влияния на работу системы в целом. Но и изображение только крупных элементов (например, только подсистем) тоже нежелательно, так как это приводит к очень большому числу связей у каждого элемента схемы. Наиболее рациональна, по-видимому, двухступенчатая структура схемы (подсистема – блок). Блок может быть составной частью подсистемы, а может и не входить ни в одну подсистему, выполняя самостоятельные функции в системе.

Перечень иерархии компонентов БТСЖО, используемой автором, приведен в главе 2 (подсистема – блок – модуль – узел – агрегат – элемент – деталь). В табл. 6.1. приведена иерархия компонентов ИЭС ПКА, которые наиболее тесно связаны с подсистемами БТСЖО.

Перечень наиболее полного состава блоков БТСЖО с унифицированными названиями приведен в табл. 6.2.

Анализ структуры БТСЖО заключается в совместном рассмотрении возможных вариантов компонентов системы и связей их как друг с другом, так и с другими системами. По сути дела, до тех пор, пока эти связи не ощутимы при создании отдельных подсистем, их совокупность трудно признать взаимосвязанной единой системой. Так, ЗСЖО является фактически набором независимых друг от друга агрегатов.

Структура БТСЖО определяется несколькими факторами. Биологические факторы – функции, выполняемые биообъектами. Биотехнические факторы – связи между потребностями биообъектов в комфортных условиях и возможностями технических объектов удовлетворять эти потребности. Экологические факторы – многофункциональность биообъектов и разнообразие их биомассы по степени использования человеком, что требует применения биологической обработки несъедобной биомассы для превращения ее в съедобную или для сокращения массы и объема складируемых отходов.

Эти факторы приводят к появлению дополнительных массоэнергетических связей между биообъектами, блоками и подсистемами, в которых они содержатся, и различными техническими блоками.

Кроме того, существует проблема контроля и управления процессами в подсистемах, решение которой также требует учета массоэнергетических и информационных связей между компонентами БТСЖО.

В соответствии с принятыми допущениями иерархия учитываемых в проекте связей БТСЖО и ее подсистем с другими компонентами ИЭС будет следующая.

- Связи первого уровня – связи с экипажем.

- Связи второго уровня – связи с:

- жилыми отсеками,

- СОТР,

- СЭП,

- системами ЗСЖО,

- системами ФХСЖО.

- Связи третьего уровня – связи подсистем БТСЖО между собой и с общесистемными блоками, а также с отдельными блоками и агрегатами систем ЗСЖО и ФХСЖО.

На рис. 6.2 – 6.4 приведены схемы связей подсистем БТСЖО, состояших из разного числа подсистем (2, 3, 6).

Более конкретно проектирование БТСЖО заключается в последовательном решении вопросов:

1. Определение основной функции БТСЖО как подсистемы ИЭС ПКА.

2. Выбор критерия оптимизации состава БТСЖО как подсистемы ИЭС ПКА.

3. Определение возможных вариантов состава подсистем БТСЖО.

4. Определение основных функций каждой подсистемы БТСЖО.

5. Определение наивыгоднейшей степени выполнения БТСЖО своей основной функции.

6. Определение наивыгоднейшего видового состава биообъектов в каждой подсистеме и количества биообъектов каждого вида.

7. Определение наивыгоднейших режимов культивирования каждого вида объектов с учетом их взаимных массоэнергетических связей, а также связей с экипажем и другими составляющими ИЭС ПКА.

8. Определение оптимальных конструктивных решений основных технических средств, входящих в подсистемы, а также общесистемных средств.

9. Определение основных биологических, технических и биотехнических характеристик подсистем и БТСЖО в целом.

Эти вопросы в ходе разработки ПКА должны решаться в соответствии с этапами жизненного цикла КСЖО итеративно, с уточнением на каждом этапе. Методы решения этих вопросов опираются на следующие принципиальные положения, не учитываемые обычно при проектировании СЖО:

- учет связей подсистем БТСЖО друг с другом и с внешними системами при приоритете связей с системами более высокого уровня иерархии;

- использование в качестве критерия сравнения вариантов объекта (блоков, подсистем, БТСЖО в целом) характеристик систем более высокого ранга, чем рассматриваемый объект;

- одновременное рассмотрение биологических, технических и биотехнических характеристик проектируемых объектов при приоритете биотехническим характеристикам;

- при испытаниях подсистем использовать не только автономные, но и совместные испытания взаимосвязанных подсистем.