Способ эксплуатации пилотируемой орбитальной станции
METHOD OF OPERATION OF A MANNED ORBITAL STATION

Изобретение предназначено для использования на борту пилотируемых космических аппаратов (КА), особенно орбитальных станций (ОС) с большим экипажем.
Аналогом данного предложения может служить концепция орбитальной заправочной станции, где ракетное топливо производится на орбите Земли (David Brandt-Erichsen «Orbital Propellant Depots: Building the Interplanetary Highway». Posted on August 17, 2011, NSS Website Updates, Space Transportation, Technology. Wikipedia). Компонентами топлива здесь служат водород и кислород, которые получаются электролизом воды, доставляемой с Земли. Импульсные реактивные двигатели такой ОС, обеспечивающие коррекцию ее орбиты, работают, естественно, на этих же компонентах топлива (Jonathan A. Goff, Bernard F. Kutter and Frank Zeglerlas, Dallas Bienhoff, Frank Chandler, Jeffrey Marchetta «Realistic near-term propellant depots: Implementation of a critical spasefaring capability)). AIAA SPACE 2009 Conference & Exposition 14-17 September 2009, Pasadena, California, AIAA 2009 - 7656). В ближайшей перспективе рассматриваются концепции спутников-танкеров для орбитальной дозаправки обычным ракетным топливом («NASA работает над созданием автоматической газовой космической станции», «Новости космонавтики», июль, 2014, AstroNews.ru). Маневрирование таких станций также предполагается осуществлять за счет их собственного ресурса, путем импульсного реактивного воздействия. Импульсное реактивное воздействие на КА является стандартным способом осуществления его маневров во время полета. При этом для различных операций сила такого воздействия может отличаться на порядок. Например, двигательная установка станции «Мир» включала два корректирующих двигателя с тягой по 300 кг и 32 ориентационных двигателя с тягой 13 кг (engine.aviaport.ru «Двигатели комплекса Мир»). Таким образом, орбитальные «заправки» обеспечивают свой полет за счет собственного «газового ресурса», т.е. газов, произведенных на ее борту.
Недостатком аналогов является технологическая сложность операций с ракетными топливами, а также их взрывоопасность. Кроме того, такие концепции обычно не предусматривает присутствия на борту станции космонавтов (в значительной степени из-за опасности производства).
Более близким к данному предложению (прототипом) является существующая в настоящее время методика обеспечения длительных полетов пилотируемой международной космической станции (МКС), когда снижение станции, обусловленное ее торможением в верхних слоях атмосферы, периодически компенсируется импульсами реактивной тяги. Последние генерируются за счет сжигания топлива, доставляемого с Земли (с помощью двигателей кораблей доставки, либо собственных корректирующих двигателей станции («Орбита международой космической станции МКС», www.astro-azbuka.ru). При этом на МКС, так же, как на орбитальной заправке, вырабатывается собственный газовый ресурс - это газообразные отходы жизнедеятельности экипажа, состоящие в основном из углекислого газа (УГ). Обычно этот «газовый ресурс» МКС достаточно велик. Один человек в среднем «производит» в сутки 0,96 кг УГ (Гузенберг А.С. и др. «Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций», Космическая техника и технологии, с. 72, №1(8), 2015 г.). В зависимости от численности экипажа, на борту ОС за короткое время можно собрать десятки килограммов углекислоты. Несмотря на это, в настоящее время УГ просто выбрасывают в окружающее пространство. Так УГ утилизировался на станции «Мир», так же происходит и на МКС (как на Российском сегменте, так и на американском). Выделение УГ из воздуха при очистке последнего производится за счет адсорбции УГ на регенерируемых сорбентах («Регенерация воды и атмосферы на космических станциях…» Л.С. Бобе и др. 2010 г., доклад НИИХиммаш, niichimmash.ru, или A.M. Генин и др. «Человек в космосе», Гос. издательство медицинской литературы, Москва, 1963 г., с. 32). В зависимости от типа используемого сорбента его регенерация (т.е. десорбция УГ) производится либо путем сброса адсорбированных газов в вакуум (на Российском сегменте), либо путем прокаливания сорбента (на американском сегменте). В любом случае при существующей методике полета МКС за борт бесполезно выбрасываются десятки килограмм УГ, при этом одновременно на станцию регулярно доставляют специальное топливо для ее двигателей коррекции.
Необходимость доставки этого топлива с Земли при одновременном «неиспользовании» ее собственного газового ресурса и является главным недостатком прототипа.
Задача настоящего предложения - снизить потребность пилотируемой ОС в поставках ракетного топлива за счет применения газообразных отходов жизнедеятельности (ГОЖ) в качестве рабочего тела ее корректирующих двигателей.
Техническим результатом изобретения является возможность увеличить массу других полезных грузов, доставляемых на станцию, а также повышение безопасности эксплуатации ОС.
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации пилотируемой орбитальной станции, включающем выделение углекислого газа из воздуха ее обитаемых отсеков путем адсорбции и последующую десорбцию этого газа со сбросом его в окружающее пространство, а также коррекцию орбиты станции с помощью импульсов реактивной тяги, десорбированный углекислый газ охлаждают и сжимают, полученный компримированный и частично сжиженный углекислый газ собирают и хранят в таком виде на борту станции, а перед коррекцией ее орбиты расчетную порцию углекислого газа, необходимую для получения заданного импульса реактивной тяги, нагревают до заданной температуры, контролируя при этом его давление, после чего сбрасывают в окружающее пространство через сопло двигателя коррекции.
Суть предложения состоит в следующем. Для создания реактивной тяги необходимо во-первых, рабочее тело (газ) для реактивного двигателя и, во-вторых, энергия для нагрева этого газа. И то, и другое всегда производится на пилотируемой станции: газы - системой жизнеобеспечения, энергия - ее солнечными батареями.
В настоящее время на МКС масса выбрасываемых в вакуум газообразных отходов в расчете на одного человека превышает 1 кг/сутки (0,96 кг УГ и 0,11 кг водорода) (Гузенберг А.С. и др. «Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций». Ж.: «Космическая техника и технологии», №1(8), с. 68, 2015 г.). Примером импульсной водородной реактивной двигательной установки КА может служить патент RU 2605163, опубл. 20.12.2016, бюл. №35, МПК: F02K 99/00 (2006.01), B64G 1/40 (2006.01). УГ традиционно применяется для создания реактивной тяги в моделировании (Калина И. «Двигатели для спортивного моделизма». М., ДОСААФ, 1983 г.). В последние годы УГ используют также для управления микроспутниками («Cold Gas Propulsion System - an Ideal Choice for Remote Sensing Small Satellites)), Remote Sensing - Advanced Techniques and Platform, 2012, p.447, www.intechopen.com).
УГ имеет большой молекулярный вес и, соответственно, низкую скорость звука и удельную энергию. Из-за этого реактивная тяга углекислотного двигателя существенно ниже (при прочих равных условиях), чем у двигателя, работающего на легких газовых смесях. Однако технологически УГ очень удобен - он легко сжижается, и хранить его на ОС гораздо проще. Температура в его тройной точке (около минус 60°C) примерно соответствует температуре конструкций на теневой стороне станции, а давление составляет всего 6 атм. Все это, а также возможность создать большой запас этого газа в процессе полета, делает целесообразным применение УГ в качестве рабочего тела корректирующих двигателей ОС.
Таким образом, благодаря уникальным свойствам УГ, почти идеально соответствующим температурным условиям на борту ОС, возможно использование простейших технологических схем (как например в «2015, JOSS, Vol. 4, No2, p.375, Stevenson T.et.al. «Design and Testing of a Cold Gas Thruster for an Interplanetary CubeSat Mission» или «Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 2014,63,2S, p.280, Urmas Kvell et. al. Nanosatellite orbit control using MEMS cold gas thrusters»).
Реализовать предложение можно следующим образом.
В процессе эксплуатации пилотируемой орбитальной станции, как обычно, из воздуха ее обитаемых отсеков выделяют УГ путем его адсорбции на твердом сорбенте и последующей десорбции в процессе периодической очистки сорбента, например, путем его нагрева электронагревателем, находящимся в адсорбере. Десорбированный горячий газ предварительно охлаждают до температуры ниже 32°C (критическая температура УГ). Охлаждение газа можно осуществить, например, за счет его контакта с конструктивными элементами станции, размещенными на ее теневой стороне. Охлажденный УГ сжимают (например, компрессором) до давления выше 6 атм. (минимальное критическое давление) и повторно охлаждают контактным способом до его сжижения. Полученную жидкую углекислоту собирают в емкости и хранят в таком виде под давлением на борту пилотируемой ОС. В дальнейшем жидкая углекислота может использоваться также в качестве противопожарного средства.
Перед включением двигателя коррекции ОС расчетную порцию углекислого газа, необходимую для получения заданного импульса реактивной тяги, из накопителя перепускают в газогенератор - пространство замкнутое, или частично замкнутое, где газ нагревается, а его жидкая фракция (если она присутствует) испаряется т.е. образуется рабочее тело двигателя коррекции. Таким газогенератором может служить, например, камера самого двигателя, в частности, электронагревного или электродугового типа. В ней под действием протекающего электрического тока УГ нагревают до заданной, ограниченной термостойкостью материалов двигателя, температуры. В нужный момент этот УГ сбрасывают в окружающее пространство через сопло двигателя коррекции. В результате создается импульс реактивной тяги. При необходимости вышеупомянутые операции, производимые перед коррекцией орбиты пилотируемой станции, повторяют.
Оценим максимальный импульс тяги, который может создать истекающий из двигателя УГ в течение года работы на орбите. Будем считать, что на ОС находятся 6 человек. Поскольку, как указывалось, один человек производит в сутки 0,96 кг УГ, в год весь экипаж произведет 2102 кг УГ. При использовании электронагревного двигателя температура в его камере может составлять 2200 К (С.Д. Лесков и др., Электрические ракетные двигатели, Машиностроение, 1975 г., с. 122). При этой температуре скорость истечения в вакуум УГ с молекулярной массой 44 составляет 1900 м/с. (М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М., Машиностроение, 1968 г., с. 17). Полный импульс, равный произведению массы рабочего тела на скорость истечения, составляет 4 млн. Н⋅с. Если масса ОС составляет, к примеру, 40 т, ее скорость при таком импульсе может увеличиться на 100 м/с.
Для того, чтобы придать ОС заданный импульс тяги I, следует направить в двигатель порцию УГ массой m, равной m=I/W, где W - скорость истечения газа из сопла двигателя. К примеру, для создания импульса тяги 1000 Н⋅с при скорости истечения 1900 м/с, необходимо направить в двигатель 0,53 кг УГ.
Обычно на ОС применяют двигатели на топливе гептил-амил с удельной тягой 3100 м/с. Предлагаемый способ позволяет сэкономить
(2102 кг⋅1900 м/с)/3100 м/с = 1288 кг традиционного топлива в год.