6.4. Критерии сравнения вариантов биотехнической системы жизнеобеспечения

Сравнение вариантов состава БТСЖО в реальном проекте –ответственная задача, от решения которой в какой-то степени зависит судьба всего проекта. Поэтому критерий сравнения вариантов БТСЖО должен учитывать все наиболее важные факторы, влияющие на успех космической экспедиции, и может не учитывать частные биологические аспекты и специфику отдельных конструкций технических объектов.

Как уже говорилось, в БТСЖО происходит объединение и взаимосвязанное функционирование трех разнородных объектов: биологических, технических и биотехнических. Поэтому при проектировании БТСЖО необходимо объективно сопоставлять различные варианты совмещения этих объектов. Выбор технических объектов БТСЖО для создателей космической техники проще и привычнее, но к выбору биологических и биотехнических объектов придется приступать впервые.

Известно, что по вопросу выбора биологических объектов для обеспечения жизнедеятельности космонавтов в длительном космическом полете у биологов существуют объективные противоречия. «Это объясняется в основном двумя обстоятельствами: потребностями человека и стремлением к повышению эффективности системы в целом и каждого функционального звена. Поэтому выбор биологических объектов будет чаще всего неоднозначным и компромиссным. Тактика вынужденных компромиссов является, очевидно, универсальной для систем жизнеобеспечения, характерных ограничениями веса, объема и энергопотребления. Однако удельный вес отдельных критериев может изменяться в зависимости от биоценотической структуры системы. Все же можно наметить наиболее общие требования, определяющие прдпочтительность одних организмов перед другими. Это прежде всего пищевая приемлемость для человека, высокая удельная продуктивность при наибольшей полноте использования в системе производимой биомассы, общность физических условий среды в многовидовом сообществе и биологическая совместимость при совместном культивировании. Окончательный выбор биологических объектов будет компромиссным и будет определяться соображениями оптимальности системы в целом» [70].

По мнению автора, критерием, объединяющим требования ко всем составляющим БТСЖО, является общая масса КСЖО. Этот критерий может использоваться и в исследовательских проектах при анализе перспектив развития БТСЖО. В таких задачах степень выполнения основной функции БТСЖО может фиксироваться.

При сравнении вариантов БТСЖО в исследовательских проектах могут использоваться упрощенные критерии, например общая продуктивность БТСЖО по пищевым продуктам, кислороду и питьевой воде (g_прбт) при фиксировании общего энергопотребления БТСЖО N_бт. Возможно также использовать в качестве критерия сравнения приведенную массу БТСЖО (G_привбт = G_бт + ΔG_Nбт + Δ G_Vбт + ΔG_Qбт) при фиксированной величине g_ппбт.

При сравнении вариантов одной подсистемы БТСЖО в качестве критерия сравнения целесообразно использовать разные параметры для разных подсистем.

Одна из важных проблем создания БТСЖО – определение места биотехнических звеньев в бортовом КСЖО и перспектив научно-технического развития и усовершенствования этих звеньев. При решении этой проблемы наиболее трудными вопросами являются: оценка эффективности произвольного варианта БТСЖО с учетом как весо-энергетических, так и медико-биологических показателей, а также определение наилучшего состава БТСЖО. Для решения этих вопросов необходимо проведение расчетов по сравнению параметров БТСЖО.

Целесообразно рассматривать варианты КСЖО, в которых биотехнические звенья выполняют лишь некоторую часть одной или нескольких функций. Для этой цели наиболее продуктивным является системный подход, предусматривающий анализ сравниваемых систем с учетом их внутренней структуры и важнейших функциональных связей с другими системами.

Согласно теории сложных систем, в качестве критерия сравнения вариантов системы при ее оптимизации должен использоваться параметр системы более высокого уровня, с учетом всех важнейших связей оптимизируемой системы с другими системами.

Поскольку БТСЖО – часть КСЖО, возможно сравнение вариантов БТСЖО путем сопоставления величин характеристик КСЖО. Но и этого в ряде случаев недостаточно. Ведь БТСЖО имеет связи не только с ФХСЖО и ЗСЖО, но и с такими бортовыми системами, как система энергопитания (СЭП), система обеспечения теплового режима (СОТР). Необходимость участия экипажа в обслуживании БТСЖО обусловливает влияние эффективности БТСЖО на загрузку экипажа выпонением целевой программы. Наиболее полным, по-видимому, было бы сравнение вариантов ПКА, в которых предусматривается размещение БТСЖО, с вариантом без БТСЖО.

В этом случае может использоваться следующий алгоритм расчета.

Например, сравнение по массе:

I

G_КАф = G_эк + G_корф + G_СЭПф + G_СОТРф + Σ G_iф, (6.14)

i=1

I

G_КАбт = G_эк + G_корбт + G_СЭПбт + G_СОТРбт + Σ G_iбт + G_бт, (6.15)

i=1

где G_КАф – масса ПКА без БТСЖО, кг; G_эк – масса экипажа, кг; G_корф – масса корпуса ПКА без БТСЖО, кг; G_СЭПф – масса СЭП в ПКА без БТСЖО, кг; G_СОТРф – масса СОТР в ПКА без БТСЖО, кг; G_iф – масса i–й системы КСЖО в ПКА без БТСЖО, кг; G_КАбт – масса ПКА с БТСЖО, кг; G_корпбт – масса корпуса ПКА с БТСЖО, кг; G_СЭПбт – масса СЭП в ПКА с БТСЖО, кг; G_СОТРбт – масса СОТР в ПКА с БТСЖО, кг; G_iбт – масса i–й системы КСЖО в ПКА с БТСЖО (с учетом связи системы с БТСЖО), кг; G_бт - масса БТСЖО, кг; I – общее число систем ФХСЖО и ЗСЖО.

Результат сравнения удобно вычислять в виде разности:

I I

ΔG_КА = G_КАбт - G_КАф = Σ (G_iбт - G_iф) + G_бт = Σ ΔG_i + G_бт . (6.16)

i=1 i=1

Очевидно, что для систем, которые не имеют связей с БТСЖО,

ΔG_i = 0 . (6.17)

Поэтому в формуле (6.16) i – индекс систем, имеющих связи с БТСЖО.

ΔG_корп = G_корпф - G_{корпб ,} (6.18)

ΔG_СЭП = G_СЭПф - G_СЭПб , (6.19)

ΔG_СОТР = G_СОТРф - G_СОТРб, (6.20)

ΔG_i = G_iф - G_iб . (6.21)

При таком подходе наилучшим признается не тот вариант БТСЖО, для которого минимальна G_БТ, а тот, для которого максимальна величина ΔG_КА, показывающая уменьшение массы объекта при введении БТСЖО.

Выражения составляющих формулы (6.16) можно представить в виде:

G_iф = (k_oi + q_перi T_i) L, (6.22)

где Т_i – длительность функционирования i–й системы, сут.; L – численность экипажа, чел.; k_оi – коэффициент постоянной массы конструкции i-й системы, кг/чел.; q_перi – относительная величина переменной массы конструкции i-й системы, кг/чел.сут.;

I

G_корф = k_кор Σ V_iф, (6.23)

i=1

I

G_СЭПф = k_N Σ N_iф, (6.24)

i=1

I

G_СОТРф = k_Q Σ Q_iф, (6.25)

i=1

G_iб = [(1-α_i) k_oi + (1-β_i) q_перi T_i] L, (6.26)

I

G_кор = k_кор [ Σ (1-γ_i) V_iф + V_бт], (6.27)

i=1

I

G_СЭПбт = k_N [Σ (1-ε_i) N_iф + N_бт] (6.28)

i=1

I

G_СОТРбт = k_Q Σ [(1-δ_i) Q_iф + Q_бт], (6.29)

i=1

ΔG_i = (α_i k_oi + β_i q_перi T_i) L, (6.30)

I

ΔG_корбт = k_кор (Σ γ_i V_iф - V_бт), (6.31)

i=1

I

ΔG_СЭПбт = k_N (Σ ε_i N_iф - N_бт), (6.32)

i=1

I

ΔG_СОТРбт = k_Q (Σ δ_i Q_iф - Q_бт). (6.33)

i=1

Тогда:

I

ΔG_КА = Σ [(α_ik_oi + β_iq_перiT_i) L + γ_ik_корV_iф + ε_ik_корN_iф + δ_ik_QQ_iф]-

i=1

-(G_бт + k_корV_бт + k_NN_бт + k_QQ_бт), (6.34)

где k_кор, кг/м³, k_N, кг/Вт, k_Q, кг/Вт – коэффициенты, показывающие увеличение массы корпуса, СЭП, СОТР, соответственно, при увеличении объема жилого отсека, энергопотребления, тепловыделения; V_бт - объем, занимаемый БТСЖО, м³; N_бт - энергопотребление БТСЖО, Вт; Q_бт - тепловыделение БТСЖО, Вт.

Коэффициенты α_i, β_i, γ_i, ε_i, δ_i показывают степень влияния БТСЖО на постоянную и переменную массу, объем, энергопотребление, тепловыделение i-й системы. При введении биотехнических звеньев снижается производительность разгружаемых ФХСЖО и ЗСЖО, что ведет к уменьшению переменной массы (β_i), а постоянная масса системы при этом практически не меняется. Поэтому пока i-я система находится в составе КСЖО,

α_i = 0, (6.35)

а когда она полностью заменяется подсистемами БТСЖО и выводится из состава КСЖО,

α_i = 1. (6.36)

Коэффициент β_i можно заменить величиной относительной степени выполнения биотехническими звеньями функций i-й системы (ν_i):

β_i = ν_i . (6.37)

Так, для СОГС:

g_кисбт

ν_iСОГС = ----------, (6.38)

g_кисэк

для СОП:

g_ппбт

ν_iСОП = ----------. (6.39)

g_ппэк

Для ЗСЖО можно принять:

γ_i = ν_i , (6.40)

поскольку для них основным является переменный объем.

Для ФХСЖО:

γ_i = α_i , (6.41)

поскольку для них основной - постоянный объем, не меняющийся, пока система находится в составе КСЖО.

И для ЗСЖО и для ФХСЖО можно принять:

ε_i = ν_i , (6.42)

δ_i = ν_i . (6.43)

С учетом (6.37), (6.42), (6.43) получим:

I

ΔG_КА = Σ [(α_ik_oi + ν_iq_перiT) L + γ_ik_кV_iф + ν_i (k_NN_iф + k_QQ_iф)] -

i=1

- (G_бт + k_кV_бт + k_NN_бт + k_QQ_бт). (6.44)

В исследовательских проектах спектр решаемых задач шире и определенность сравнения не так велика. В этих работах при выборе варианта БТСЖО часто необходимо одновременно учитывать взаимосвязанные свойства биообъектов и свойства технических средств, используемых для культивирования биообъектов. Для системы в целом эти свойства будут не биологическими и не техническими, а системными, биотехническими.

Использование разных показателей в проектных расчетах осуществляется по мере возникновения соответствующих практических задач. На современном этапе основной лимитирующий фактор – энергопотребление БТСЖО, поэтому важнейший проектный биотехнический показатель БТСЖО – продуктивность на единицу затрачиваемой энергии.

Энергетическое совершенство системы выражают показатели удельной продуктивности системы по отдельным продуктам или по общему количеству вещества, производимым системой для потребления экипажем:

g_ппбтν

q_ппбтν = ------------- , (6.45)

N_бт

g_прбт

q_прбт = ------------- . (6.46)

N_бт

Возможны и другие показатели биотехнических свойств – отражающие эффективность использования в системе веществ, берущихся в запас, весовое совершенство конструкции, стабильность продуктивности системы во времени и т.д.

При любом критерии сравнения решение задачи может быть осуществлено по программе оптимизации системы с энергетическим ограничением. Меняется лишь форма критерия сравнения вариантов.

К сожалению, известные критерии эффективности сложных технических систем оценивают только технические и технико-экономические показатели. Для оценки биологических и биотехнических свойств они не пригодны. Поэтому достаточно полную оценку возможностей БТСЖО можно произвести только по нескольким показателям, в том числе оценивающим биологические свойства используемых биообъектов.

В качестве таких показателей можно использовать степень удовлетворения предъявляемым к системе требованиям со стороны:

- ПКА,

- экипажа как потребителя продукции, вырабатываемой в БТСЖО,

- биообъектов, культивируемых в БТСЖО.

С практической точки зрения целесообразно оценивать соответствие сравниваемых вариантов БТСЖО предъявляемым к системе требованиям с помощью величин, имеющих простой физический смысл и поддающихся измерению сравнительно простыми средствами.

Рассмотрим некоторые из величин, удовлетворяющие этим условиям.

Степень соответствия системы физиолого-гигиеническим требованиям характеризуют:

1. Состав пищевых продуктов и количество каждого вида пищевых продуктов (спектр пищевых продуктов), производимых в системе.

2. Состав функций жизнеобеспечения, выполняемых системой, и степень их выполнения.

Объемно-массовые требования характеризуют следующие величины:

1. Сухая масса системы G_сс, кг.

2. Масса заправленной системы G_сз, кг.

3. Среднесуточная потребность системы в технологических веществах, берущихся в запас g_зап, кг/сут.

4. Среднесуточная потребность системы в запасных частях g_зип, кг/сут.

5. Объем заправленной системы V_с, м³.

6. Объем помещения, требующийся для монтажа и обслуживания системы при ее эксплуатации V_экспл, м³.

Энергетические требования характеризуют:

1. Среднесуточное энергопотребление системы N_с, Вт.

2. Пиковое энергопотребление системы N_пик, Вт.

Эксплуатационные требования характеризуют показатели трудоемкости обслуживания системы.

1. Среднесуточная трудоемкость обслуживания системы

τ_экбт , челчас/сут.

2. Удельная среднесуточная трудоемкость производства пищевой

чел.час

продукции τ_экпп , ---------.

кг/сут

Требования биообъектов БТСЖО – ограничения по физическим условиям существования, а также по спектру ресурсов и по количеству каждого вида ресурсов (освещенности Е_μ, количеству питательных солей g_солμ для растений; корма для животных g_кпλμ).

Наиболее приемлем единый критерий, учитывающий все группы требований, но такого критерия пока нет. Поэтому приходится при сравнении вариантов БТСЖО использовать одновременно несколько показателей, оценивающих варианты системы с разных точек зрения

ПРИНЦИПЫ И ТЕХНОЛОГИИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ.