Состав и назначение систем жизнеобеспечения

Введение

.

В необычных условиях космического полета (вакуум, лучистый теплообмен, ионизирующие излучения) человек должен находиться в замкнутом герметичном отсеке космического летательного аппарата. В обитаемом отсеке необходимо создавать условия для обеспечения нормального существования и работы человека. Эти условия необходимо поддерживать в течение всего полета, подавая в отсек вещества, потребляемые человеком и удаляя продукты его жизнедеятельности. Бортовые системы космического летательного аппарата (КЛА), которые решают эти задачи, называются системами жизнеобеспечения (СЖО).

 Космическая биология и медицина

комплексная наука, изучающая особенности жизнедеятельности человека и других организмов в условиях космического полета. Основной задачей исследований в области космической биологии и медицины является разработка средств и методов жизнеобеспечения, сохранения здоровья и работоспособности членов экипажей космических кораблей и станций в полетах различной продолжительности и степени сложности. Космическая биология и медицина неразрывно связана с космонавтикой, астрономией, астрофизикой, геофизикой, биологией, авиационной медициной и многими другими науками

 

Состав и назначение систем жизнеобеспечения

 

Система кислородообеспечения (СКО) должна обеспечивать подачу в атмосферу обитаемого отсека кислорода в количестве 0,9 кг/сут (на одного человека) и поддерживать парциальное давление кислорода в заданном диапазоне значений (18—32 кПа).

• Система очистки атмосферы (СОА) должна обеспечивать сбор и удаление из атмосферы углекислого газа в количестве 1,0 кг/сут, поддерживать его парциальное давление на уровне не более 1 кПа, а также обеспечивать очистку атмосферы от вредных микропримесей, выделяемых человеком и оборудованием.

Эти две системы часто функционально объединяются в одну — систему обеспечения газового состава атмосферы (СОГС).

• Система водообеспечения (СВО) должна обеспечивать экипаж питьевой водой в количестве 2,5 кг/(чел.-сут); в случае использования натуральных продуктов питания, содержащих воду (до 0,5 кг/сут), норма питьевой воды уменьшается до 2 кг/(чел.-сут).
• Система питания экипажа (СОП) должна обеспечивать космонавта полноценным питанием, с рационом, содержащим белки, жиры и углеводы в массовом соотношении около 1:1:4 и с общей калорийностью до 12500 кДж/(чел.-сут).
• Средства регулирования температуры и влажности атмосферы (СРТ) вместе с общей системой терморегулирования (СТР) должны осуществлять: отвод из отсека тепла, выделяемого человеком (~145 Вт/чел.), удаление из атмосферы паров воды, выделяемых человеком (50 г/чел.-ч), а также поддерживать заданную температуру (18-22 град. по Цельсию), относительную влажность (30-70 %) и циркуляцию воздуха (0,1-0,4 м/с).
• Средства удаления отходов (СУО) должны обеспечивать сбор и изоляцию из атмосферы жидких (урины) и твердых продуктов жизнедеятельности.

 

 

• Средства регулирования давления (СРД) должны поддерживать общее давление атмосферы равным 77—107 кПа, осуществлять контроль герметичности отсека и компенсацию утечек воздуха из отсека.

Указанные системы составляют комплекс СЖО, обеспечивающий непосредственные физиологические нужды человека, находящегося в замкнутом отсеке. Помимо этих систем в состав комплекса СЖО входят так же следующие средства.

• Средства санитарно-бытового обеспечения (ССБО), предназначенные для личной гигиены экипажа (умывание, душ) и удовлетворения бытовых нужд — одежда, спальные принадлежности, предметы для санитарной уборки отсеков.
• Средства индивидуальной защиты экипажа (СЗ):

• аварийно-спасательные скафандры, дыхательные маски, обеспечивающие защиту экипажа в аварийных ситуациях — при разгерметизации отсека, возникновении пожара и т. п.;
• космические скафандры для обеспечения выхода и работы человека в космическом пространстве вне отсека КЛА.

• Средства медико-биологического обеспечения, включающие приборы для медицинского контроля состояния экипажа, тренажеры для физической тренировки экипажа в полете, медикаменты

• Система медицинского контроля состояния экипажа (космонавтика)

Питание и водообеспечение

Комфортабельные пассажирские самолеты, обслуживающие дальние рейсы, оборудованы всем необходимым для того, чтобы экипаж и пассажиры могли питаться в воздухе. Если бы такой возможности воздушным путешественникам не предоставлялось, это было бы неприятно, но вполне терпимо. Ведь даже самые дальние беспосадочные полеты продолжаются всего несколько часов.

В космическом полете люди могут находиться несколько суток, месяцев и даже лет. Для длительного космического полета пища и вода так же необходимы, как кислород. Поэтому питание и водообеспечение космонавтов требуют такого же серьезного внимания, как регенерация и кондиционирование воздуха.

Если бы на космическом корабле имелся большой и разнообразный запас продуктов, кухня, оборудованная всем необходимым, и если бы невесомость не мешала приготовлению и приему пищи, то питание космонавтов не представляло бы специальной проблемы.

На современном космическом корабле каждый грамм веса, каждый литр объема должны экономиться. Поэтому питание должно быть построено наиболее просто и рационально. Пища должна полностью покрывать энергетические траты космонавта, содержать необходимое количество белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и витаминов. Она должна быть вкусной, удобной для приема в условиях невесомости. В то же время подбор пищевых продуктов должен быть таким, чтобы они содержали минимальное количество неперевариваемых веществ, были максимально калорийны при небольшом весе, выдерживали длительное хранение в неблагоприятных условиях и требовали наименьшей кулинарной обработки.

Для полетов в условиях невесомости немаловажное значение имеет и особая расфасовка пищевых продуктов, при которой нет необходимости пользоваться ножом и вилкой или откусывать или отламывать куски пищи.

Все эти требования накладывают известные ограничения на выбор продуктов для пищи космонавтов.

Перед первым космическим полетом человека ученые располагали ограниченным экспериментальным материалом о возможности нормального проглатывания твердой и жидкой пищи в условиях невесомости. Правда, опыты, поставленные на животных, свидетельствовали о возможности приема пищи в условиях космического полета. Однако прямо переносить эти данные на человека не было достаточных оснований.

Пища, приготовленная для первых космонавтов – Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова, состояла главным образом из питательных соков и пюреобразных продуктов, заключенных в алюминиевые тубы, что облегчало стерилизацию продуктов. Прием пищи из туб в условиях невесомости не должен был встретить затруднений, а усвояемость пюреобразной пищи была максимальной. Калорийность и состав пищевых продуктов полностью соответствовали предполагаемым энергетическим тратам человека. Количество витаминов было увеличено, так как при значительном нервно-эмоциональном возбуждении и физической нагрузке потребность в витаминах существенно возрастает.

Вместе с тем следует отметить, что вкусовые качества и необычная консистенция различных продуктов оценивались положительно не всеми космонавтами. Было очевидным, что для более длительных полетов потребуется применение не только жидкой и полужидкой, но и твердой пищи. Поэтому в пищевой рацион первых космонавтов, помимо пюреобразных консервов, были включены в небольшом количестве и натуральные продукты твердой консистенции. Предполагалось, что если разжевывание и проглатывание этих продуктов не будут затруднены в условиях невесомости, то в дальнейшем эти натуральные продукты найдут более широкое применение.

Полеты первых космонавтов разрушили все опасения относительно невозможности в условиях невесомости приема пищи любой консистенции. Оказалось, что невесомость никоим образом не затрудняет акта глотания, а консистенция пищи играет такую же роль, как на Земле.

Таким образом, при подготовке дальних космических рейсов А. Г. Николаева и П. Р. Поповича можно было более смело и сознательно идти на расширение состава пищевого рациона, на включение в него большого набора натуральных пищевых продуктов, к которым космонавты привыкли в обычных наземных условиях. Учтены были и их индивидуальные вкусы.

Особенно важным следует считать повышение вкусовых качеств пищи. Ведь высококалорийный полноценный рацион мог остаться на космическом корабле в значительной мере «мертвым грузом», если бы вкусовые качества его были невысоки и не вызывали аппетита. Неразумно относиться к питанию, как к приему лекарства (неважно, что невкусно, лишь бы полезно). Известно, что отрицательное отношение человека к пище не способствует ее усвоению и может привести к расстройствам пищеварения.

Пищевой рацион космонавтов кораблей «Восток-3» и «Восток-4» включал сандвичи с различной начинкой, мясные блюда, куриное филе, свежие фрукты, витаминизированное шоколадное драже, фруктовые соки. Калорийность суточного рациона составляла 2700 килокалорий, а вес 1800 г. Соотношение пищевых веществ в рационе было оптимальным, усвояемость высокой. 
Пищевой рацион был полностью использован космонавтами. Они дали высокую оценку вкусовым качествам пищи. Количество ее было достаточным. Никаких затруднений в приеме пищи космонавты не испытывали.

Водообеспечение на кораблях-спутниках «Восток» не представляло существенных сложностей. Вода, обработанная специальным консервантом, помещалась в мягкие полиэтиленовые мешки, снабженные трубкой и специальным мундштуком с зажимом. В условиях невесомости воду без затруднений высасывали из мешка.

 
Индивидуальное снаряжение космонавта

Основным средством, защищающим космонавта от воздействия неблагоприятных факторов космического пространства, являлась герметическая кабина корабля. Однако безопасность полета требовала разработки и применения индивидуального снаряжения, необходимого как в случае аварии в полете, так и после приземления или приводнения.

Применительно к условиям полета на кораблях «Восток» и «Восток-2» такое снаряжение должно было удовлетворять следующим основным требованиям:

сохранить жизнь и работоспособность космонавта в случае нарушения целости (так называемой разгерметизации) кабины корабля и падения в ней давления;

позволить космонавту изолироваться от атмосферы кабины в случае появления в ней вредных примесей;

защитить от воздействия резкого снижения барометрического давления, возможного при аварии на участке выведения и необходимости катапультирования;

поддержать космонавта на плаву в случае его приводнения;

предохранить от переохлаждения, если приземление или приводнение на парашюте произошли в условиях пустынных районов Земли с низкой температурой воздуха и воды;

уменьшить возможность получения травмы в случае приземления с парашютом в лесистой и горной местности.

В наибольшей степени предъявляемым требованиям может отвечать специальный высотноспасательный скафандр.

Скафандр космонавта представляет собой как бы вторую миниатюрную герметическую кабину. Он имеет форму человеческого тела и выполнен из мягкого, но воздухонепроницаемого материала.

В случае внезапной разгерметизации кабины по каким-либо техническим неисправностям или при маловероятном, но возможном столкновении с метеоритом, скафандр становитсяединственной защитой человека от губительного действия «пустоты» космического пространства.

Однако не только в аварийной ситуации скафандр приносит пользу. Некоторые его качества и свойства могут найти применение и в нормальном полете. Это относится главным образом к его вентиляционной системе. В условиях невесомости перемешивание воздуха осуществляется хуже, чем на Земле, так как нет существенной разницы в удельном весе жидкостей и газов. В обычных, земных условиях нагретый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз и, таким образом, осуществляется перемешивание его с выравниванием температуры, в кабине же космического корабля подобного естественного процесса нет. Без искусственной вентиляции воздух в кабине был бы неподвижен, а так как теплопроводность его очень мала, то образовались бы зоны с высокими и низкими температурами. Такая «температурная мозаика» неприятна для человека, может повлиять на работоспособность и вызвать простудные заболевания.

Поэтому воздух герметических кабин необходимо непрерывно искусственно перемешивать. Наиболее равномерное перемешивание воздуха вблизи человеческого тела может быть достигнуто при помощи скафандра, снабженного вентиляционной системой, нагнетающей воздух извне и равномерно распределяющей его по всему телу. Кроме того, скафандр помогает регулировать температурные условия по желанию космонавта. Если космонавт испытывает чувство холода, вентиляция может быть уменьшена или выключена, когда становиться жарко – вентиляцию можно усилить.

Как уже говорилось, одной из задач, решаемых с помощью скафандра, являлась защита космонавта от переохлаждения в случае его аварийного приземления или приводнения в условиях низкой окружающей температуры. Для выбора необходимых материалов и оценки их эффективности были проведены исследования с участием испытателей-добровольцев в бассейне, имеющем температуру воды около 0°.

В результате исследования установлена возможность длительного пребывания в холодной воде человека, одетого в скафандр, без развития выраженных явлений общего переохлаждения. Во всех экспериментах (при свободном плавании и относительно неподвижном состоянии) температура тела человека не опускалась ниже 35,9°.

После установления основных теплоизоляционных свойств скафандра было проведено определение необходимых режимов его вентиляции применительно к возможному режиму температуры и влажности кабины космического корабля как в условиях нормального полета, так и в случае аварийных ситуаций. Исследования проводились в специальных термокамерах.

В результате были определены оптимальные режимы вентиляции скафандра для условий нормального полета и даны рекомендации об изменении режима в случае возросшей двигательной активности космонавта, при повышении температуры и влажности воздуха герметической кабины.