Ноя 30

Кислородное питание экипажа космического корабля

В герметической кабине космического корабля поддерживаются заранее заданное барометрическое давление воздуха и скорость его изменения, температура, влажность, а также состав воздуха и его чистота. Для сохранения работоспособности экипажа корабля желательно поддерживать в кабине давление, близкое к атмосферному на уровне моря, которое обеспечивает длительный полет. Однако поддержание такого давления связано с увеличением веса кабины, поэтому давление воздуха в кабине может уменьшаться за счет увеличения процентного содержания кислорода. Так, например, атмосфера кабины американского спутника «Джемини» состояла из чистого кислорода при давлении 330 мм рт. ст., что соответствовало «высоте» в кабине 6500 м.

Температура воздуха в кабине поддерживается на уровне примерно 21°С. Пределы колебания температуры воздуха в кабине космического корабля ограничиваются 18–22°С. Требования к количеству влаги в воздухе кабины не слишком строгие, допускается изменение относительной влажности в пределах 40–70%.

Воздух кабины должен быть чистым, не содержать дурно пахнущих веществ. Скорость движения воздуха в кабине должна быть в диапазоне 0,3–0,6 м/с.

Космонавт потребляет в сутки примерно 800 л кислорода. Запас кислорода может храниться:

- в газообразном состоянии под большим давлением;

- в жидком виде в специальных газификаторах;

- в химически связанном виде как составная часть различных соединений.

Хранение кислорода в баллонах при большом давлении является наиболее простым способом, но вместе с тем он требует самого большого веса оборудования. Исследования показали, что оптимальная величина давления, обеспечивающая получение баллонов с минимальным весом на единицу объема, приблизительно 500 кгс/см2. Вес баллона 3–4 кгс/кгс О2.

Газификатор жидкого кислорода является, не только емкостью, в которой хранится кислород, но и прибором, обеспечивающим заранее заданную дозированную подачу кислорода. Один килограмм жидкого кислорода при испарении выделяет около 800 л газообразного. Вес газификатора 1,5–2 кгс/кгс О2.

Использование жидкого кислорода связано с известными эксплуатационными трудностями и поэтому не всегда целесообразно. В условиях космического полета контейнеры с криогенной жидкостью имеют два основных недостатка. Во-первых, они восприимчивы к притоку тепла извне, во-вторых, усложняется подача кислорода в невесомости. При применении приборов, в которых жидкий кислород содержится под сверхкритическим давлением (в виде однофазной жидкости), возможна подача его к потребителю в условиях невесомости.

Кислород присутствует во многих химических соединениях, однако в качестве источников кислорода пригодны только некоторые из них, содержащие значительный процент О2. В первую очередь к ним можно отнести такие соединения, как КО2, NaО2, Li2О2
и др. [4].

Перекись натрия (NaО2) действует как поглотитель углекислого газа и как источник кислорода. При пропускании потока газовой смеси через емкость с перекисью натрия выделяется кислород, поглощаются водяной пар и углекислый газ,

2КО2+СО22O → К2СO32O+1,5O2;

2NaО2+СО22O → Na2СО32O+1,5O2;

4КО2+СО22O → 2КОН+К2СО3+3О2;

4NaО2+СО22O → 2NaОН+Na2СО3+3О2.

Если принять, что 1 кгс вещества выделяет 180 л кислорода, то для суточного полета одного человека необходимо 4 кгс вещества.

Содержание кислорода в некоторых перекисных соединениях щелочных металлов и способность их к поглощению углекислого газа.

Основные характеристики некоторых веществ, поглощающих СО2 и выделяющих кислород, приведены в табл. 5. Организм человека беспрерывно потребляет кислород и вырабатывает углекислый газ, водяной пар, окись углерода и много других веществ.

Таблица 5

Содержание кислорода в некоторых перекисных соединениях щелочных металлов и способность их к поглощению углекислого газа

Вещество Количество активного кислорода Способность к поглощениюуглекислого газа, л/кгс
% л/кгс
Перекись лития Li2О2 34,7 242 487
Надперекись лития LiО2 61,5 430 287
Перекись натрия Na2О2 20,5 143 287
Надперекись натрия NaО2 43,6 305 203
Озонид натрия NaО3 56,3 394 158
Перекись калия К2О2 14,5 101,5 203
Надперекись калия КО2 33,8 236 158
Озонид калия КО3 46,0 322 128,5

В нормальных условиях человек выделяет столько углекислоты, сколько потребляет кислорода. Эксперименты показывают, что концентрация СО2 в атмосфере кабины не должна превышать 4–6 мм рт. ст. Углекислый газ может поглощаться при адсорбции его различными соединениями.

Гидроокись лития весьма надежна в работе и быстро поглощает С02 при наличии потока газа:

2LiОН+СО2→ Li2СO32O+485 ккал/кгс СО2.

На один человеко-день полета необходимо расходовать примерно 1,2 кгс LiOH.

За сутки человек выделяет около 300 мгс окиси углерода (СО). Для удаления из воздуха окиси углерода применяют гопкалит, окисляющий ее до двуокиси углерода (СО2). Кроме того, гопкалитом задерживаются имеющиеся в воздухе примеси.

Гопкалит представляет собой катализатор, состоящий из 50% MnO2, 30% CrО, 15% Сu2O3 и 5% Ag2O. Применяется также гопкалит, в состав которого входят 60% MnO2 и 40% СuО.

Активированный уголь – эффективный адсорбент (поглотитель) многих выделяемых человеком органических соединений, включая углеводороды, спирты, органические кислоты, поэтому он применяется также и для очистки воздуха в герметических кабинах.

Описанные выше патроны для поглощения СO2, для которых в качестве набивки использовалась гидроокись лития, обладают тем недостатком, что после полного насыщения они подлежат замене и непригодны для повторного употребления. Патроны, у которых в качестве поглотителя применяются природные цеолиты (молекулярные сита), могут восстанавливаться и многократно использоваться.

Молекулярные сита могут восстанавливаться путем нагревания или под действием вакуума. Температура десорбции зависит от вида поглощенных веществ и времени десорбции. Например, для десорбции воды патрон с молекулярными ситами нагревают до 150–300°С, а десорбция углекислого газа может протекать в вакууме при комнатной температуре.

Цеолиты – это полигидраты алюмосиликатов кальция, натрия и других металлов. Особенностью цеолитов является наличие в них сообщающихся между собой полостей (окон), размеры которых можно сравнить с размерами молекул (11–4А). Цеолиты обладают огромной поверхностью – 750–800 м2/гс, что сообщает им высокие адсорбционные свойства.

По мере увеличения длительности космических полетов становится необходимым регенерировать (восстанавливать) кислород из углекислого газа. Практически для такого процесса требуется большое количество тепла, и его осуществление, очевидно, будет возможным при использовании солнечной или ядерной энергии.

Среди способов регенерации кислорода следует назвать способ, предложенный Сабатье. Реакция получения кислорода записывается в следующем виде:

СO2+4H2 → CH4+2H2O          (реакция Сабатье);

СН4→ С+2H2                         (пиролиз);

2O → 2Н2+O2                     (электролиз).

Реакция Сабатье происходит при температуре 204–338°С, спонтанный пиролиз метана – при 870–1100°С.

Исследования по использованию реакции Сабатье ведутся уже давно, но многое еще остается неясным. При реакции Сабатье необходима среднесуточная электрическая мощность около 0,9 кВт из расчета на одного человека.

Электролиз воды в качестве способа получения кислорода представляет интерес для космических полетов в том случае, если установка источника электроэнергии не вызовет большого увеличения веса.

Похожие статьи:

  1. Удаление углекислого газа Организм человека функционирует как двигатель внутреннего сгорания, непрерывно поглощая кислород...
  2. Системы регенерации кислорода По мере увеличения длительности космических полетов и понижения весовых нагрузок,...
  3. Выделение кислорода из углекислого газа После того, как научились удалять углекислый газ из воздуха кабины...

автор admin \\ теги: , ,



Написать ответ

Вы должны войти чтобы комментировать.