РЕГЕНЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
SPACECRAFT REGENERATIVE LIFE SUPPORT SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области создания регенерационных физико-химических максимально замкнутых систем жизнеобеспечения экипажа космического аппарата длительного функционирования.
Изобретение может быть также использовано в воздушных, наземных, подземных, надводных и подводных специальных гермообъектах.
Известно, что существующая система жизнеобеспечения, например, Международной космической станции является частично замкнутой и основана как на запасах основных веществ (кислорода и воды), так и на их регенерации. Пополнение запаса основных веществ осуществляется периодически грузовыми кораблями типа «Прогресс».
В настоящее время в такой системе из-за отсутствия узла (системы, блока) переработки диоксида углерода и водорода, диоксид углерода из поглотителя, содержащий значительное количество кислорода, и водород, выделяемый из электролизера при разложении воды, удаляют за борт и исключают из круговорота основных веществ, что следует считать нерациональным.
При осуществлении космических полетов вне земной орбиты целесообразно максимально использовать вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа, т.е. система должна быть максимально замкнута и основана на регенерационном принципе.
Известен общий подход к созданию частично замкнутой физико-химической системы жизнеобеспечения с подсистемой регенерации воздуха (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.70; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко, А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.253). Блок-схема такой системы состоит из гермокабины с экипажем, блока очистки и концентрирования диоксида углерода, физико-химической системы получения кислорода из диоксида углерода и воды, блока переработки и очистки твердых и жидких отходов, сборника питьевой воды, сборника воды, сборника кислорода и сборника отходов.
Известен вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксидом углерода, каталитическом гидрировании диоксида углерода до метана и воды с последующим крекингом метана, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114-118; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко, А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.282-283).
Реакцию с образованием метана и воды проводят при температуре 250-300°С в присутствии катализатора и с выделением тепла (при исходном соотношении диоксида углерода к водороду 1:4). Одним из главных преимуществ метановой реакции является возможность осуществления ее со степенью, близкой к 1 при рекомендуемом соотношении масс диоксида углерода и водорода 1:9 (по стехиометрии 1:5,45). Вторую стадию этого процесса - пиролиз метана - осуществляют при температуре 1030°С на катализаторе с выпадением на нем кристаллического углерода. Для баланса кислорода в системе дополнительно используют разложение 0,5 кг воды/чел.сут.
К недостаткам такой системы регенерации газовой среды относятся значительная инерционность системы вследствие использования традиционного теплового нагрева для регенерации диоксида углерода, необходимость охлаждения реактора при проведении первой стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода; удаление за борт космического аппарата метана, содержащего значительное количество водорода; высокая температура реактора при проведении второй стадии процесса - крекинга метана, сложность удаления кристаллического углерода из газовой коммуникации, необходимость очистки образующейся воды от примесей, более высокое содержание водорода в исходной смеси газов, необходимость иметь на борту космического аппарата запас водорода, возможность прохождения побочных реакций.
Известен также вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксида углерода, прямом разложении диоксида углерода до кислорода и оксида углерода в электролизере с твердым электролитом с последующей каталитической переработкой оксида углерода до углерода и диоксида углерода, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114-118; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.283-284).
Высокотемпературный электролиз диоксида углерода осуществляют на твердых керамических электролитах с образованием оксида углерода и кислорода. Процесс электролиза проводят при температуре 800-900°С. Вторую стадию этого процесса с образованием из оксида углерода диоксида углерода и углерода осуществляют на катализаторе при температуре 500°С. После второй стадии диоксид углерода возвращают в цикл на электролиз. Таким образом, производят полное извлечение кислорода из диоксида углерода, минуя стадию получения воды. Недостающий для баланса кислород получают при подаче 0,17 кг воды/чел.сут совместно с диоксидом углерода на вход электролизера с твердым керамическим электролитом.
Недостатками данной системы являются высокая температура процесса, которая является запредельной для металла реактора, и его тепловая инерционность, образование во второй стадии процесса переработки углерода и сложность его удаления из газовой магистрали, необходимость отделения водорода и его складирование или удаление за борт космического аппарата и исключение из круговорота как реагента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксидом углерода, каталитическом гидрировании диоксида углерода до оксида углерода и воды с последующей каталитической переработкой оксида углерода до углерода и диоксида углерода, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114).
Предложенное расположение узлов и блоков в известной схеме и направления потоков газов и воды обеспечивает очистку атмосферы от диоксида углерода и вредных примесей; подачу кислорода и воды в жилой отсек; переработку диоксида углерода и водорода с образованием воды, которая по мере необходимости поступает в электролизер, углерода и водорода, поступающих на рецикл и в сборник отходов.
В известной блок-схеме системы (прототип) первую стадию процесса переработки диоксида углерода и водорода (при стехиометрическом соотношении 1:2) до оксида углерода и воды осуществляют в присутствии катализатора и температуре до 600°С с преобразованием до 30% диоксида углерода за один проход газовой смеси. Вторую стадию процесса проводят также на катализаторе при температуре 500°С с образованием углерода и диоксида углерода. При этом образующийся и непрореагировавший диоксид углерода и водород возвращают в цикл на рециркуляцию для полного извлечения кислорода из диоксида углерода, обеспечивая стехиометрическое соотношение диоксида углерода и водорода 1:2. Для замыкания процесса регенерации кислорода используют дополнительное разложение 0,17 кг воды/чел.сут.
Недостатками такой системы регенерации газовой среды являются низкая степень преобразования диоксида углерода за один проход газовой смеси, значительная инерционность системы вследствие использования традиционного теплового нагрева при регенерации диоксида углерода, для переработки диоксида углерода и водорода; необходимость частой очистки катализатора от углерода, сложность удаления углерода из системы без разгерметизации газовой коммуникации, возможность прохождения побочных реакций, значительные затраты энергии на нагрев реактора.
Общим существенным недостатком таких систем является высокая температура стенок реакторов при проведении технологических процессов и, как следствие, значительная тепловая инерционность, препятствующая созданию безынерционных адаптивных систем жизнеобеспечения нового поколения; образование в результате реакций трудноудаляемого углерода.
В известной системе (прототип) для нагрева сорбента в режиме десорбции диоксида углерода и переработки диоксида углерода и водорода применяют традиционный тепловой нагрев.
Недостатками данной системы являются:
- образование углерода во второй стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода и сложность его эвакуации из газовой коммуникации без ее разгерметизации;
- частая замена катализатора во второй стадии процесса;
- использование традиционного теплового нагрева.
Задача и технический результат заключаются в создании максимально замкнутой регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля; исключение второй стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода - образование углерода.
Поставленная задача решается тем, что в известной регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического аппарата, содержащей жилой отсек, систему очистки от вредных примесей, систему очистки от диоксида углерода, содержащую адсорбент и нагревательные элементы, концентратор диоксида углерода, так же содержащий адсорбент, систему переработки диоксида углерода и водорода, содержащую нагревательные элементы, блок электролитического разложения воды, систему регенерации твердых и жидких отходов, сборник воды, сборник воды метаболической, сборник отходов, после системы переработки диоксида углерода и водорода установлен дожигатель оксида углерода с палладиевым катализатором; после дожигателя оксида углерода установлен адсорбер водорода с интерметаллидом; между блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода установлен аккумулятор водорода с интерметаллидом, а блок электролитического разложения воды и дожигатель оксида углерода соединены между собой через адсорбер кислорода.
В системе очистки от диоксида углерода, концентраторе диоксида углерода и адсорбере кислорода в качестве адсорбента могут быть использованы, например, цеолиты, поглощающие высокочастотную электромагнитную энергию.
В системе очистки от диоксида углерода и системе переработки диоксида углерода и водорода в качестве нагревательных элементов могут быть установлены приспособления, создающие тлеющий высокочастотный разряд переменного тока, и/или приспособления, создающие энергию высокочастотного электромагнитного поля.
Установка дожигателя оксида углерода с палладиевым катализатором после блока переработки диоксида углерода и водорода является неизвестным техническим решением, которое обеспечивает окисление оксида углерода до диоксида углерода без образования углерода. Размещение аккумулятора водорода с интерметаллидом между непрерывно работающим блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода также является неизвестным техническим решением, которое обеспечивает цикличную подачу водорода совместно с цикличной подачей диоксида углерода из блока его концентрирования.
Использование адсорбера кислорода в системе известно (Смирнов И.А., Фомкин А.А., Солдатов П.Э., Смоленская Т.С., Ильин В.К. Система получения и резервирования кислорода для перспективных долговременных обитаемых космических объектов. Материалы международной конференции: СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КАК СРЕДСТВО ОСВОЕНИЯ ЧЕЛОВЕКОМ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА. Москва. 24-27 сентября 2008 г., с.89-90). Однако подача кислорода в дожигатель оксида углерода для окисления его до диоксида углерода является новым техническим решением, существенно улучшающим работу системы в целом. При этом адсорбер кислорода может быть использован совместно с собственным электролизером как система получения и резервирования кислорода, так и отдельно со штатным электролизером. Количество адсорбента кислорода выбирают из условия обеспечения полного окисления оксида углерода до диоксида углерода, а также для дыхания экипажа.
Окисление оксида углерода до диоксида углерода позволяет исключить образование трудноудаляемого из системы углерода.
Размещение адсорбера водорода после дожигателя оксида углерода является новым техническим решением, позволяющим поглотить водород из газовой смеси после переработки диоксида углерода и водорода. Установка циклично работающего аккумулятора водорода между блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода обеспечивает согласование непрерывно работающего блока электролитического разложения воды с циклично работающим концентратором диоксида углерода. Выбор состава и количества интерметаллида в аккумуляторе и адсорбере водорода осуществляют экспериментальным путем при условии полного поглощения водорода из газовой смеси.
Для быстрого, объемного и безынерционного нагрева адсорбентов диоксида углерода и кислорода применяют высокочастотную электромагнитную энергию.
Для безынерционной плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в системе используют энергию электрического разряда (например, тлеющего), работающего на повышенной частоте переменного тока, или энергию высокочастотного электромагнитного поля, либо их комбинацию. Тип разряда и его мощность выбирают экспериментальным путем на минимальном уровне, обеспечивающем переработку диоксида углерода и водорода с максимально возможной степенью превращения.
Для эффективного поглощения высокочастотной электромагнитной энергии в системе очистки от диоксида углерода, концентраторе диоксида углерода и адсорбере кислорода применяют адсорбенты, хорошо поглощающие высокочастотную энергию, например, цеолиты.
5
В качестве аккумулятора и адсорбента водорода в одноименных блоках применяют интерметаллид на основе сплава LaNi.
Предлагаемое техническое решение иллюстрирует фиг.1, на которой приведена блок-схема системы.
Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата состоит из: жилого отсека 1; системы 2 очистки атмосферы от вредных примесей; блока 3 переработки диоксида углерода и водорода; блока 4 электролитического разложения воды; аккумулятора водорода 5 с интерметаллидом; системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа; сборника питьевой воды 7; сборника метаболической воды 8; сборника отходов 9; системы очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды 10; концентратора диоксида углерода 11; адсорбера кислорода 12; дожигателя оксида углерода 13; адсорбера водорода 14 с интерметаллидом.
Перечисленные узлы и блоки регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического аппарата взаимосвязаны между собой следующим образом: жилой отсек 1 одним из выходов соединен со входом системы 2 очистки от вредных примесей, а другой выход из жилого отсека 1 соединен со входом системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа, при этом выход системы 2 очистки от вредных примесей соединен со входом системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды, которая одним из выходов соединена со входом концентратора диоксида углерода 11; другой выход системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды соединен с одним из входов в жилой отсек 1; третий выход системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды соединен со вторым входом системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа так же как и третий выход концентратора диоксида углерода 11; при этом первый выход концентратора диоксида углерода 11 соединен со входом в жилой отсек 1, а второй выход - с одним из входов блока переработки диоксида углерода и водорода 3; блок электролитического разложения воды 4 первым выходом соединен со вторым входом жилого отсека 1, вторым выходом - со входом адсорбера кислорода 12, а третьим - со входом аккумулятора водорода 5; со своей стороны выход аккумулятора водорода 5 соединен со вторым входом блока переработки диоксида углерода и водорода 3; первый выход блока переработки диоксида углерода и водорода 3 соединен с первым входом дожигателя оксида углерода 13, а второй выход блока 3 со вторым входом в блок электролитического разложения воды 4; первый выход адсорбера кислорода 12 соединен со вторым входом в жилой отсек 1, а второй выход из адсорбера кислорода 12 соединен со вторым входом дожигателя оксида углерода 13, выход которого соединен со входом в адсорбер водорода 14, один из выходов которого в, свою очередь, соединен со вторым входом в аккумулятор водорода 5, другим выходом соединен со вторым входом системы очистки атмосферы от вредных примесей 2, а третьим - с оранжереей или забортным вакуумом; первый выход системы регенерации твердых и жидких отходов 6 соединен со сборником воды 7, второй выход системы 6 соединен со сборником воды метаболической 8, третий выход системы 6 соединен со сборником отходов 9; выход сборника воды 7 соединен с третьим входом в жилой отсек 1; выход сборника воды метаболической 8 соединен со вторым входом в блок электролитического разложения воды 4.
Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата работает следующим образом: воздух с вредными примесями, диоксидом углерода и парами воды из жилого отсека 1 подают в систему 2 очистки от вредных примесей, после которой воздух с диоксидом углерода и парами воды направляют в систему 10 очистки от диоксида углерода и очищенным возвращают в жилой отсек 1; одновременно с этим непрерывно работающий блок 4 электролитического разложения воды выделяет кислород в жилой отсек и адсорбер кислорода 12, а водород - в аккумулятор 5 с интерметаллидом, где он накапливается при нормальных условиях в связанном состоянии; по мере поступления, в системе 6 регенерации твердых и жидких отходов происходит выделение воды, которая поступает как для питья через сборник воды 7 в жилой отсек 1, так и через сборник воды метаболической 8 в блок 4 электролитического разложения воды; время сорбции диоксида углерода, водорода и кислорода, а также количество адсорбентов выбирают экспериментальным путем с учетом их цикличной работы и количества членов экипажа.
Процесс концентрирования диоксида углерода происходит по следующей схеме: под действием нагрева высокочастотным электромагнитным полем из системы очистки от диоксида углерода 10 вначале удаляют воздух, который возвращают в жилой отсек 1, а затем создают повышенное давление диоксида углерода; после этого диоксид углерода из системы 10 стравливают в концентратор диоксида углерода 11; при этом выделившуюся при нагреве воду из системы очистки от диоксида углерода 10 направляют в систему регенерации твердых и жидких отходов 6; после десорбции диоксида углерода в системе очистки от диоксида углерода 10 получают пониженное давление, обеспечивающее в последующем сокращение времени сорбции диоксида углерода, а значит и цикла в целом.
По окончании процесса концентрирования диоксида углерода, сорбции водорода и кислорода осуществляют процесс переработки диоксида углерода и водорода в следующей последовательности: в аккумуляторе водорода 5 электрическим нагревателем производят нагрев интерметаллида; затем в адсорбере кислорода 12 высокочастотной электромагнитной энергией осуществляют нагрев адсорбента кислорода; после этого высокочастотную электромагнитную энергию подводят к концентратору диоксида углерода 11 для его нагрева, из которого вначале удаляют возможное наличие воздуха и возвращают в жилой отсек 1; в результате нагрева в этих блоках создают повышенное давление.
По окончании процессов нагрева диоксид углерода из концентратора 11 и водород из аккумулятора 5 в соотношении 1:2 соответственно стравливают с постоянным расходом в систему переработки диоксида углерода и водорода 3; величину давления в этих блоках выбирают экспериментальным путем для поддержания постоянной скорости смеси этих газов, обеспечивающей максимальную степень превращения диоксида углерода; переработку диоксида углерода и водорода осуществляют плазмохимическим методом с использованием безынерционного тлеющего или высокочастотного разряда, либо их комбинации; образовавшуюся в результате гидрирования диоксида углерода воду подают в электролизер 4 для разложения на кислород и водород; выделившуюся в результате нагрева концентратора диоксида углерода 11 воду направляют в систему регенерации твердых и жидких отходов 6.
После системы переработки диоксида углерода и водорода 3 смесь оксида углерода, непрореагировавший диоксид углерода и водород направляют в дожигатель оксида углерода 13, в который одновременно с этим из адсорбера кислорода 12 стравливают с определенной скоростью необходимый для окисления оксида углерода кислород; затем образовавшийся диоксид углерода и водород пропускают через адсорбер водорода 14 для поглощения из этой смеси газов водорода; далее непрореагировавший и образовавшийся в результате окисления оксида углерода диоксид углерода направляют в систему очистки атмосферы 2, в которой смешивают с поступающим из жилого отсека 1 воздухом; кроме этого диоксид углерода направляют, например, в оранжерею для питания растений или при необходимости - за борт космического аппарата, водород при этом из адсорбера 14 по окончании процесса переработки подают в аккумулятор водорода 5; после этого система не работает до начала следующего цикла переработки.
В перерывах между циклами высокочастотную электромагнитную энергию применяют, например, для обеззараживания и нагрева воды, а также нагрева рационов питания.
Таким образом, предложенное расположение систем, узлов и блоков в предлагаемом техническом решении позволяет в максимальной степени использовать вещества, выделяемые в процесс жизнедеятельности экипажа космического аппарата, обеспечить тепловую безынерционность функционирования основных узлов и блоков системы, исключить образование в качестве продукта реакции трудноудаляемого углерода.