Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
Вредные, газы и неприятные запахи поглощаются с помощью фильтров из древесного угля. Для этой же цели служат электростатические воздушные фильтры-ионизаторы. Очень важную роль выполняют вентиляторы, осуществляющие принудительную циркуляцию воздуха в кабине с целью рассасывания возможных в условиях невесомости застойных зон вредных газов. В аварийной обстановке космонавты могут надеть скафандры с наддувом воздухом. Изготовленный из пластиков скафандр вместе со шлемом и ботинками весит около 9 кг. К числу аварийных средств относятся и индивидуальные дыхательные приборы, используемые также при переходе из одного отсека в другой через шлюзовые люки.
Полный вес экологической системы «Сателлаб» без учета запаса пищи и питьевой воды составляет около 700 кг.
В настоящее время наиболее разработаны экологические системы открытого типа. Такие системы можно успешно использовать на первом этапе освоения околоземного космического пространства, учитывая возможность снабжения орбитальных станций с Земли. В дальнейшем, по мере увеличения числа и размеров обитаемых станций, будет выгоднее, видимо, перейти к созданию более сложных полузамкнутых и замкнутых систем жизнеобеспечения.
На крупных ОКС можно будет испытывать и отрабатывать замкнутые экологические системы будущих межпланетных кораблей, предназначенных для многолетних путешествий к отдаленным мирам.
ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ
Регулирование температуры входит в комплекс создания микроклимата внутри помещений ОКС.
Температурные условия на станции должны способствовать успешной работе экипажа и оборудования. Температуру внутри жилых помещений и приборных отсеков станции, а также тепловой режим конструкции станции необходимо поддерживать в заданных пределах в течение длительного времени.
Радиотехническая, фотографическая, энергетическая другая научная аппаратура, устанавливаемая внутри снаружи станции, потребует поддержания вполне определенной температуры. Большинство элементов современного авиационного и космического оборудования рассчитано на температуры от -60 до +50 °C, но некоторые космические приборы нуждаются в еще более узком диапазоне температур.
Организм человека весьма чувствителен к колебаниям температуры окружающей среды; привычный диапазон температуры для него невелик — от +15° до +25 °C. Что является источниками тепла для ОКС? Это не только приборы, аппаратура, а также жизнедеятельность членов экипажа станции, но и внешние источники — Солнце и Земля, отражающая солнечные лучи и имеющая собственное тепловое излучение.
Тепловой поток от внутренних источников может изменяться в широком диапазоне величин в зависимости от числа членов экипажа и мощности тепловыделяющего оборудования. Тепло, выделяемое одним человеком, равно примерно тепловыделению 100-ваттной электролампы и составляет около 0,033 ккал/сек. По некоторым данным, тепловой поток от оборудования средней по размерам пятиместной ОКС может колебаться от 0,7 до 1,75 ккал/сек [16].
Особенностью теплового режима внутренних помещений ОКС является отсутствие вследствие невесомости естественной конвекции воздуха. Поэтому потребуется принудительная вентиляция, а это еще один источник тепла и потребитель энергии.
Количество тепловой энергии, поступающей от Солнца на площадку, перпендикулярную к солнечным лучам, в верхних слоях атмосферы равно 1140 ккал/м2•час. Как известно, альбедо Земли, т. е. доля отраженного от поверхности Земли солнечного теплового потока, равно 37 %. Собственное излучение Земли дает тепловой поток величиной 180 ккал/м2•час.
Основные проблемы терморегулирования ОКС — это теплоизоляция и отвод избыточного тепла в окружающее пространство. Отвод тепла в космосе возможен только излучением, так как конвективный теплообмен со средой у космических тел практически отсутствует.
Следует отметить, что создание системы терморегулирования осложняется неравномерностью тепловых потоков во времени. О нерегулярной работе оборудования говорить не приходится. Солнечный тепловой поток равен нулю при прохождении тени Земли. И излучение Земли, и отраженный поток также зависят от взаимного положения станции, Земли и Солнца, а также от облачного покрова Земли.
Воспринимающая внешние тепловые потоки наружная поверхность ОКС является одновременно излучающей поверхностью.
Как известно, количество излученного с поверхности тепла пропорционально четвертой степени температуры этой поверхности. Это значит, что, чем выше температура поверхности обшивки ОКС, тем больше она отдает тепла в космос. Но при этом для поддержания требуемой температуры внутри станции потребуется усиленная теплоизоляция, а может быть, и дополнительная система охлаждения.
На рис. 28 показана схема тепловых потоков в случае, когда температура наружной обшивки станции выше, чем температура внутренней стенки.
Пусть на поверхность наружной обшивки падает теплопоток Q1 от внешних источников, а к внутренней стенке кабины подходит поток Q2 от внутренних источников тепла. В зависимости от поглощательно-отражательной способности и теплопроводности наружной обшивки большая или меньшая часть внешнего тепла уходит обратно в окружающее пространство (поток Q3). Остальная часть теплового потока (Q1 — Q3) проникает в межстеночный промежуток. Чем выше теплоизоляционные свойства этого промежутка, тем меньшая часть потока (Q1 — Q3) достигает внутренней стенки и тем больше температура наружной обшивки. Чтобы температура внутренней стенки не превышала верхнего установленного предела, внутренний теплопоток Q2 и часть внешнего потока (Q1 — Q3) должны быть отведены от стенки.
Рис. 28. Схема теплового баланса на наружной обшивке орбитальной станции: 1 — внешняя оболочка; 2 — теплоизоляция; 3 — внутренняя стенка; 4 — поток охладителя; 5 — радиационный излучатель
Отвод тепла от внутренних стенок может производиться с помощью какого-либо жидкого теплоносителя, например воды. В этом случае вода циркулирует по вделанным в стенки трубам, забирает тепло, а затем поступает в специальный, расположенный на теневой стороне станции радиатор. Для отвода тепла, кроме того, могут быть использованы химические реакции или процессы изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение) с целью поглощения тепловых потоков. Если обозначить отводимое через радиатор тепло через Q4, то можно написать уравнение теплового баланса для рассматриваемой стенки:
Q1+Q2 = Q3+Q4
Было бы сравнительно нетрудно обеспечить заданный температурный режим внутри ОКС с помощью радиатора расчетных размеров, если бы внешний и внутренний теплопотоки были постоянны во времени. Создать же гибкую систему с переменным теплоотводящим потоком — очень сложная задача. Необходимо, чтобы хотя бы один из потоков, входящих в тепловой баланс, например Q3 или Q4, можно было изменять. Одним из решений этой задачи является использование межстеночного промежутка с переменной теплоизолирующей способностью, позволяющей изменять поток Q1 — Q3. Несколько проще обстоит дело в случае охлаждения жидким теплоносителем — можно будет просто менять его расход. Но можно регулировать и теплопоток Q3, т. е. изменять излучающую способность наружной поверхности. Этого можно будет достигнуть надлежащим подбором материала наружной обшивки ОКС, «скроив» ее из отдельных кусков так, чтобы участок с высокой отражательной способностью чередовался с участком, материал которого хорошо поглощает тепло. Ученые работают также над специальными тонкими керамическими покрытиями с переменной, зависящей от температуры, излучающей способностью. Представляет интерес также способ механического регулирования, теплопотока Q3 с помощью выдвижных ставней или поворотных лопастей, меняющих поглощательно-отражательные свойства поверхности.
Здесь возникает также проблема подбора материалов для наружной обшивки конструкции ОКС с учетом их свойств как отражателей или поглотителей внешних излучений.
Количественно эти качества материала оцениваются отношением коэффициента поглощения a к коэффициенту его излучения e. В зависимости от величины a/e материал считается либо поглотителем тепла, либо его отражателем.
Некоторые полированные металлы (нержавеющая сталь, алюминий, сплавы магния) имеют высокое значение a/e — от 3 до 4,5. Это поглотители тепла.
Другие материалы являются отражателями тепловой радиации, например белые оксидные пленки алюминия (a/e ~ 0,3) или цинковые белила (a/e ~ 0,19). Очевидно, что поглотители будут нагреваться гораздо сильнее под действием тепловой радиации, чем отражатели.
