Выжить в космической бездне: как работают системы жизнеобеспечения космических аппаратов

Отправка людей в космос — невероятно тяжелый процесс. И дело вовсе не в дороговизне ракет-носителей, расходах топлива или производстве сверхсложного навигационного оборудования и систем связи. Разумеется, самое важное — наладить поддержку органической жизни там, где она не может существовать от природы: в губительном вакууме космического пространства.

Для решения этой задачи орбитальные станции и космические корабли оснащаются современными системами жизнеобеспечения замкнутого цикла, которые создают максимально приближенную к земной среду, минимизируя потребность в поставках ресурсов с Земли. Эти системы обеспечивают астронавтов свежим воздухом, чистой питьевой водой, поддерживают благоприятную для жизни температуру внутри орбитальной станции и утилизируют отходы жизнедеятельности. Сегодня подробно рассмотрим, как функционируют системы жизнеобеспечения пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций, благодаря которым астронавты могут месяцами находиться на околоземной орбите.

Воспроизведение земной среды: шесть условий для выживания в космосе

Перед тем как углубиться в замкнутые отсеки орбитальных станций, определим несколько базисных вещей, делающих нашу жизнь на Земле возможной. Чистый воздух, питьевая вода, еда и комфортный климат — кажется, все эти вещи довольно очевидны. Поэтому именно они легли в основу критериев для разработки систем поддержки комфортной жизнедеятельности в космосе. Сегодня эти системы призваны решать шесть основных типов задач:

1. Обеспечение воздухом, близким по химическому составу к земному. Для надлежащего функционирования нужно не только наладить подачу кислорода внутрь космического корабля, но и организовать процесс выведения углекислого газа, который выдыхают астронавты. Кислороду к тому же нельзя быть стопроцентно чистым, поскольку это сразу создаст внутри корабля опасную среду, благоприятную для возгорания. Следовательно, воздух для дыхания должен подаваться в правильном соотношении кислорода, углекислого газа и других примесей, имеющихся в земной атмосфере.
2. Обеспечение питьевой и технической водой. Вода в космосе нужна не только для питья, но и для приготовления пищи, персональной гигиены астронавтов и тому подобного. Почти вся отработанная вода и конденсат, выдыхаемый астронавтами, остается в пределах космического корабля и проходит этапы очистки, что делает возможным ее повторное использование.
3. Контроль температуры и влажности внутри жилых помещений. Колебания температуры в космосе иногда достигают сотен градусов Цельсия в сутки. На освещенной Солнцем стороне температура за бортом может подниматься до +100°C, а когда корабль или орбитальная станция прячутся в тени Земли — опускаться до -100°C. Это избыточное тепло отводится через систему радиаторов, делая температуру внутри приемлемой для существования. Контроль влажности воздуха также играет важную роль, предотвращая создание засушливого или слишком сырого воздуха.
4. Отвод отходов. При ненадлежащем обхождении обычные отходы жизнедеятельности человека в космосе могут представлять настоящую биологическую угрозу. Именно поэтому твердые и жидкие отходы жизнедеятельности астронавтов аккумулируются в специальных хранилищах, замораживаются и ожидают отправки на Землю. Некоторые из них (такие как моча) можно очистить до состояния воды для повторного использования. Другие — ждут, пока их заберут грузовые космические корабли, прибывающие на орбитальную станцию в ходе логистических миссий по доставке пищи и разнообразного оборудования.
5. Запасы еды. Хотя основной аспект обеспеченности провиантом приходится на организацию беспилотных миссий по снабжению, именно системы жизнедеятельности орбитальной станции отвечают за работу холодильных камер для длительного хранения пищевых продуктов и задействуют оборудование для их подогрева.
6. Радиационная защита. Космическое излучение обогащено губительной для человека радиацией. И хотя системы жизнеобеспечения не решают проблемы радиационной защиты непосредственно, они работают в тандеме с другими системами защиты космического корабля, создавая для экипажа безопасную среду.

С самого начала космической эры было понятно, что только решение этой шестерки задач может гарантировать людям относительно безопасное и длительное пребывание на орбите. Однако, перед тем как в распоряжение нынешних астронавтов попали технически сложные и продвинутые автономные системы жизнеобеспечения замкнутого цикла, миновал долгий путь их развития.

Одноразовый Apollo и первые системы открытого цикла

Сейчас в это сложно поверить, но даже американское аэрокосмическое агентство не всегда заботили системы жизнеобеспечения. Когда в 1955 году в Центр исследования полетов NASA (сейчас NASA Armstrong Flight Research Center) пришел тот, кто вскоре станет первым астронавтом на Луне, Нил Армстронг, он был весьма удивлен, что правила для кадетов не предусматривали хотя бы какого-то стандарта для испытательного оборудования. О наличии шлемов, высотных костюмов и даже экстренных наборов для выживания пилотам-испытателям следовало подумать самостоятельно.

Осознавая всю критичность ситуации, перед началом тестирования испытательного самолета Х-15 Армстронг настоял на создании в составе тестовой отдельной группы — жизнеобеспечения. Так в NASA Armstrong Flight Research Center появился первый исследовательский отдел по программе Life Support. Небольшая горстка его сотрудников занимались подготовкой к безопасному полету, проверяли высотные костюмы, осуществляли заправку кислорода в баллоны и тому подобное. В последующие десятилетия, когда астронавты уже возвращались из космоса на первых космических шаттлах, именно сотрудники этой группы сопровождали их до базы, контролируя состояние здоровья. Однако одних людей было мало — космические аппараты нуждались в полноценных системах жизнеобеспечения.

Изначально проектировались системы жизнеобеспечения космического корабля открытого цикла, то есть они были одноразовыми. Запас основных ресурсов для поддержания жизнедеятельности человека (воздух, вода, пища) был исчерпаем и ограничивался сроком продолжительности космической миссии. Прежде всего это обусловила краткосрочность первых полетов людей на орбите: путешествие в течение нескольких часов или дней попросту не требовало переработки воздуха либо воды в системах замкнутого цикла.

На первых пилотируемых космических кораблях, американском Mercury и советском «Востоке», кислород для дыхания хранился под давлением в специальных металлических баллонах, а углекислый газ, выдыхаемый человеком, абсорбировался химическими веществами в картриджах или фильтрах на основе гидроксида лития (LiOH). Вещество в картриджах вступало в химическую реакцию с углекислым газом и поглощало его, очищая воздух до безопасного состояния. Подобные поглощающие картриджи были сменными — по достижении лимита срока годности экипажу космического корабля надлежало их заменять в ручном режиме.

Крайне примитивно была реализована система формирования комфортной температуры. Часть тепла, выделяемого электрическим оборудованием космического корабля, отводилась для поддержания постоянной температуры внутри. Поскольку первые космические корабли были довольно небольшими, запас пищи там был жестко лимитирован. Преимущественно еда хранилась в виде готовых, упакованных в тюбики порций. Об отводе отходов жизнедеятельности нечего было и мечтать — первые астронавты складировали их в специальных герметичных контейнерах в течение всего полета.

Первая полноценная комплексная система жизнеобеспечения открытого цикла появилась на космическом корабле Mercury. Система контроля окружающей среды (ECS) отвечала за подачу кислорода в обитаемое помещение, удаление CO2 с помощью гидроксида лития и контролировала давление с температурой. Среди дополнительных функций системы — выявление задымления внутри космического корабля, полуавтоматическое пожаротушение и охлаждение авионики.

В дальнейшем уже доработанная ECS была установлена на космическом корабле Gemini, где смогла поддерживать жизнедеятельность экипажа из двух человек две недели подряд. На Gemini 4 впервые оделись в скафандры для внекорабельной активности (EVA). За год до того похожие индивидуальные костюмы для жизнеобеспечения испытали при запуске советского космического корабля «Восход-2».

Однако настоящим испытанием для систем жизнеобеспечения стало лунное путешествие Apollo 11. Впервые в истории космический корабль улетел значительно дальше за пределы низкой околоземной орбиты (LEO), где подобное оборудование использовалось ранее. Это означало, что астронавтам внутри космического корабля следовало полностью вверить системам жизнеобеспечения свои судьбы — на отправку экстренной помощи с Земли не стоило рассчитывать.

Системы жизнеобеспечения командного модуля (CM) и лунного модуля (LM) были представлены несколькими похожими друг на друга блоками. Криогенные баки предназначались для хранения жидких кислорода и водорода для дыхания, генерации воды и электроэнергии (ее в Apollo вырабатывал специальный электрогенератор, работавший на химическом топливе космического корабля). Система удаления CO2 не претерпела существенных изменений с момента своего внедрения на Mercury и Gemini — как и раньше, это были сменные картриджи из гидроксида лития в качестве сорбента. Правда, системы контроля температуры и влажности стали технологически более сложными в сравнении с предыдущими версиями и теперь использовали разветвленные конструкции из радиаторов и сублиматоров. Почти неизменной осталась утилизация отходов: все отходы жизнедеятельности астронавты хранили в герметично закрытых пакетах вплоть до возвращения на Землю. 

Впрочем, путешествия на Луну в рамках программы Apollo не длились больше двух недель, поэтому конструкторы этих космических кораблей смело могли отказаться от замкнутых систем жизнеобеспечения, которые воспроизводили бы воздух и воду внутри космического корабля. Их время пришло только в 1970-1980-е годы, когда на орбиту вывели первые обитаемые орбитальные станции.

Шаги к появлению систем замкнутого цикла: «Салют», Skylab и «Мир»

В 1971 году СССР удалось запустить на орбиту первую пилотируемую орбитальную станцию — «Салют». Всего за 15 лет функционирования космической программы на орбиту успешно добрались шесть платформ подобного типа. И если первые из них по системам жизнеобеспечения мало чем отличались от советских космических кораблей той эпохи, заключительные «Салюты» уже содержали ряд инновационных подходов в организации безопасного пребывания людей на борту.

На первых этапах развертывания орбитальной станции кислород в жилые отсеки все еще поставлялся из баллонов, однако более поздние модули («Салют-6» и «Салют-7») начали оснащаться системой «Электрон», вырабатывающей кислород посредством реакции электролиза воды. Стоит отметить, что «Электрон» не был полноценно замкнутой системой, ведь вода в нее поступала извне, из персональных запасов космонавтов (реже использовалась регенерированная конденсированная влага, полученная из атмосферы станции). В начале эксплуатации регенерированная вода годилась только для технических нужд, впрочем, с внедрением новых типов очистных фильтров салютовские экипажи уже могли ее пить.

Качественный шаг состоялся и в устранении углекислого газа: хотя некоторые отсеки станции все еще поглощали его картриджами из гидрохлорида лития, именно на «Салютах» появились первые комбинированные системы картриджей на основе аминных сорбентов. Их преимуществом стала возможность многократного использования — после надлежащей очистки в ручном режиме картриджи избавлялись от накопленного внутри углекислого газа и применялись повторно.

Необходимые параметры микроклимата внутри станции поддерживала система контроля температуры и влажности, функционирующая с помощью конденсаторов и теплообменников. Отходы жизнедеятельности экипажа отправлялись в космос на грузовых кораблях «Прогресс», которые летали с логистическими миссиями к шестому и седьмому «Салютам», оснащенным полноценными стыковочными шлюзами.

Американцы также не медлили с выводом на орбиту своей обитаемой станции. В 1973 году туда добралась Skylab — пока единственная орбитальная станция американского производства (без учета модулей МКС). Внутри станции была создана двухкомпонентная атмосфера, состоящая из 72% кислорода и 28% азота, который подавался под пониженным давлением в 34,5 кПа (5 psi). Таким образом проектировщики предотвратили угрозу возникновения пожара, ведь стопроцентно чистый кислород в замкнутом пространстве был пожароопасным.

Во многом Skylab походила на космические корабли серии Apollo. Орбитальная станция все еще не обзавелась системой восстановления воздуха и воды (их запасы поставлялись с Земли), а углекислый газ по-прежнему абсорбировался из помещения через гидроксид-литиевые картриджи. Впрочем, несколько инноваций все же было. Прежде всего станция имела значительно улучшенную туалетную систему, поэтому отходы своей жизнедеятельности астронавтам больше не приходилось убирать собственноручно. К тому же на Skylab оборудовали почти полноценный душ. В душевой кабине вода подавалась под давлением, а по окончании мытья всасывалась вакуумной системой. Конечно, это не было прямым улучшением систем жизнеобеспечения, но именно на Skylab астронавты наконец почувствовали необходимый уровень комфорта в быту.

Последней орбитальной станцией до появления МКС стала советская «Мир», которая провела на орбите 15 лет и 32 дня. Модульная конструкция платформы позволяла постепенно дополнять ее функционал, присоединяя новые технологические модули к тем, что уже на орбите. На станции имелось сразу две системы для генерации кислорода: электролизер воды «Электрон», ранее протестированный на «Салютах» 6 и 7, и твердотопливные генераторы кислорода, вырабатывающие его путем химической реакции.

На станции «Мир» впервые появились автоматизированные системы локализации и удаления вредных микропримесей в воздухе, которые могло выделять оборудование. Система фильтров с активированным углем и другими сорбентами отвечала за дополнительную очистку атмосферы внутри аппарата. Бонусом к этому была новая система вентиляции и кондиционирования, которая собирала образовавшийся в жилых помещениях конденсат и поставляла его в технологически наиболее продвинутый модуль станции — систему восстановления воды. Полученный конденсат и моча членов экипажа проходили несколько этапов очистки и превращались в техническую воду, которую, в частности, использовали для получения кислорода в ходе реакции электролиза на устройстве «Электрон». Впрочем, питьевую воду дальше привозили на станцию грузовыми космическими кораблями «Прогресс». 

Орбитальный «Мир» максимально приблизил людей к изобретению систем жизнеобеспечения замкнутого цикла. Впервые в истории космических исследований экипаж почти не зависел от поставок с Земли, однако не все основные потребности закрывались исключительно системами внутри их орбитального дома. Тем не менее, именно на опыт эксплуатации станции «Мир» опирались при проектировании современной автономной космической станции — МКС.

Чудо МКС: устойчивое выживание в течение четверти века

Когда в начале 2000-х годов МКС наконец ввели в эксплуатацию и туда начали прибывать постоянные экипажи, настоящим чудом демонстрации технологий жизнеобеспечения в космосе стала Система контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS), появившаяся на американском сегменте станции во время миссии STS-126. ECLSS — полноценная система замкнутого цикла, которая сейчас контролирует три ключевых аспекта: восстановление водных ресурсов, очистку воздуха от углекислого газа и вредных примесей и генерацию кислорода.

ECLSS обеспечивает переработку и повторное использование почти всей воды (98%), что есть на МКС. Система водных фильтров собирает и очищает не только сточную воду, но и производит питьевую из конденсата воздуха, и даже из пота и мочи астронавтов. Этот процесс реализован в виде сложной системы очистных фильтров и каталитического реактора, который расщепляет любые следы загрязнений. Контролируют степень очистки на каждом этапе датчики: если вода не соответствует нормам безопасности и в ней обнаруживаются лишние соединения, ее очищают повторно. Финальный этап подготовки к употреблению уже очищенной воды предусматривает добавление небольшого количества йода во избежание появления и размножения микробов. В таком виде вода сохраняется до момента своего использования и вывода, тем самым замыкая цикл очистки.

Другая весомая составляющая ECLSS — система генерации воздуха (OGS), вырабатывающая кислород, которым дышат астронавты. Технически OGS — это электролизер воды, подобный «Электрону», установленному на российском сегменте станции. Вода поступает в его отсеки, и во время химической реакции электролиза происходит ее расщепление на кислород и водород. Полученный таким образом кислород подается в жилые помещения станции, какое-то количество водорода отводится в космос, а остальная его часть попадает в узел удаления углекислого газа (CDRA) — одну из трех составляющих системы ревитализации воздуха Air Revitalization System (ARS), установленной на орбитальном модуле Tranquility (Node 3). Помимо удаления углекислого газа, ARS способна устранять и другие опасные для здоровья примеси в воздухе. За контроль их насыщенности в атмосфере МКС отвечает узел Major Constituent Analyser (MCA), измеряющий содержание азота, водорода, кислорода, углекислого газа, водяного пара и метана.

В период с 2010 до 2017 года на МКС использовалась технология Сабатье для восстановления кислорода и производства воды. Система NASA Sabatier проводила химическую реакцию водорода, полученного из OGS, с углекислым газом, поступающим из CDRA, результатом чего было образование воды (будущего источника кислорода в OGS) и метана (который отводился в космическое пространство через специальную систему вентиляции). Таким образом две ключевые системы ECLSS, задействованные в регенерации воздуха, взаимодополняли друг друга, обеспечивая поставки химических элементов, необходимых для их работы.

В 2018 году функционал ECLSS усилился новой системой Advanced Closed Loop System (ACLS), разработанной Европейским космическим агентством. ACLS была значительно более комплексной и инновационной в сравнении с регенераторами кислорода от NASA. К тому же система способна восстанавливать куда больший процент воздуха из углекислого газа, выдыхаемого астронавтами. Специальные адсорбенты удаляют СО2 из жилых помещений станции, после чего он поступает в реактор Сабатье, где взаимодействует с водородом (полученным в процессе электролиза воды). В результате реакции в реакторе Сабатье на выходе — вода и метан. Образовавшаяся из углекислого газа вода поступает в электролизер воды (подобный OGS), где в ходе химической реакции из нее получают кислород, которым и дышат астронавты, замыкая цикл.

Хотя основной задачей ECLSS и ACLS является поставка очищенной воды и поддержка свежего воздуха, один из дополнительных компонентов системы жизнеобеспечения — внедрение биорегенеративных систем. Именно они позволяют астронавтам выращивать растения в космосе, таким образом обеспечивая определенный уровень пищевой автономии на орбите.

Земледелие на орбите

Культивируя растительность в космосе, экипаж орбитальной станции получает двойное вознаграждение, ведь растения не только можно употреблять в пищу, но и использовать в качестве естественных очистителей воздуха. Также в процессе транспирации (испарение воды с поверхности растений) у экипажей появляется и источник питьевой воды.

Впрочем, следует понимать, что пространство орбитальной станции слишком ограничено, чтобы содержать достаточное количество растений для поглощения углекислого газа ото всех членов экипажа и производства вдоволь воздуха для них. Именно поэтому пока выращивание растений осуществляется, скорее, в экспериментальном формате. Одним из самых масштабных экспериментов по культивации растений на орбитальной станции стала Vegetable Production System (Veggie), которая начала работать в 2014 году.

Небольшой бокс размером с обычный чемодан разделен на шесть отсеков для растений, которые астронавты еще называют «подушками». Каждая такая «подушка» заполнена специальной вязкой глиной с добавлением органических удобрений, необходимых для здорового роста растений. Поскольку обычный полив растений в условиях микрогравитации невозможен, водоснабжение в Veggie реализовано в виде пассивного капиллярного переноса влаги из внутреннего резервуара культиваторной станции. Необходимое количество света растения получают от LED-светодиодных ламп (красные, синие и зеленые светодиоды), имитирующих солнечный свет.

За более чем 10 лет с момента появления Veggie на МКС в этом растительном инкубаторе выращен целый ряд земных растений, в том числе красный римский салат, пекинская капуста сорта Tokyo Bekana, листовая горчица Mizuna, зеленый салат и даже настоящие цветы циннии, из которых астронавт Скотт Келли собрал целый букет.

Преемницей Veggie стала усовершенствованная полуавтоматическая закрытая система Advanced Plant Habitat (APH), которая начала работать на МКС в апреле 2017 года. В отличие от Veggie, APH — это полноценная научно-исследовательская лаборатория со значительно большим спектром светодиодов, высоким контролем интенсивности режимов освещения, а также системой подачи воды и питательных веществ через пористые трубки, обеспечивающей лучший контроль над увлажнением корневой системы. Полностью закрытая герметичная камера APH позволяет регулировать температуру внутри, содержание СО2, кислорода и других газов, а также относительную влажность почвы. Тогда как Veggie оперирует весьма небольшим количеством сенсоров для наблюдения за состоянием растений, APH оснащена 180 датчиками автоматизированного контроля за любыми параметрами системы.

Advanced Plant Habitat полностью минимизировала участие экипажа МКС в выращивании растений и овощей — весь необходимый надзор за состоянием камеры осуществляется усилиями наземной команды в Космическом центре Кеннеди. Астронавты лишь проводили некоторые экспериментальные вмешательства при необходимости и отвечали за контроль состояния водных ресурсов.  Об этих и других экспериментах по выращиванию растений в космосе читайте подробнее в обзоре.

Внедряют биорегенеративные системы и экипажи китайской орбитальной станции Tiangong, где уже несколько лет подряд длится исследование, какие растения можно отправить в долговременные космические миссии. Сейчас на борту Tiangong выращивается зеленый лук, помидоры черри, листья салата латук и другие виды растительных культур.

Кроме растительной пищи и источника чистого воздуха, осуществление контролируемой реакции искусственного фотосинтеза на станции может обеспечить космические корабли, прибывающие к ней, ракетным топливом на основе кислорода и углеводородов (прежде всего этилена). Это станет потенциально интересной технологией по дозаправке (хотя бы частичной) топливом на орбите.

Контролируемые эксперименты с широким спектром растений на МКС и Tiangong помогают получить необходимое понимание биологии растений в космосе. В дальнейшем эти знания лягут в основу разработки системы для будущих долгосрочных космических миссий и, вероятно, будут применяться во время первых колонизаторских экспедиций на Луну и Марс, обеспечивая персонал тамошних баз доступом к свежей растительной клетчатке, полностью подобной земной.

Системы жизнеобеспечения нового поколения

С эволюцией космических кораблей и планами дальнейших колонизаторских миссий на Луну и Марс возникла и потребность в совершенствовании их систем жизнеобеспечения. В прошлом десятилетии в NASA стартовала программа Next Generation Life Support (NGLS), целью которой было изобретение новых технологий для систем контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLS), а также скафандров для внекорабельной деятельности. Аэрокосмическое агентство называет главной целью NGLS изменение существующих правил игры путем разработки новых стандартов систем жизнедеятельности, которые в будущем станут залогом присутствия людей в Солнечной системе.

Сегодня NGLS работает по четырем ключевым направлениям:

• High Performance EVA Glove (HPEG). Это высокопроизводительные перчатки для внекорабельной деятельности, которые предоставляют астронавту ранее недоступную степень свободы в движениях, что особенно важно в ходе точных работ по ремонту или замене оборудования орбитальных станций и космических кораблей. Современные скафандры, используемые на МКС, разработаны еще во времена космической программы Space Shuttle, когда основной профиль их назначения заключался в применении в вакууме и микрогравитации на низкой околоземной орбите. Эти большие костюмы имеют довольно ограниченную гибкость подвижных элементов. Особенно это касается перчаток, поэтому крайне необходимо сделать их приемлемыми для использования на планетарных поверхностях.
• SpaceCraft Oxygen Recovery (SCOR). Системы регенерации кислорода для космических аппаратов. Еще один краеугольный камень NGLS, сосредоточенный на разработке новых систем снабжения воздуха и очистки замкнутого цикла.
• Биорегенеративные замкнутые системы жизнеобеспечения (BRLSS). Искусственно созданные экосистемы, воспроизводящие природные циклы, подобные земным. Их целью является поддержка жизнедеятельности человека в изолированной среде космического корабля или на других планетах. В отличие от традиционных физико-химических систем, преимущественно перерабатывающих воздух и воду, BRLSS могут еще и интегрировать органику (растения, микробы, а иногда и аквапонические системы для разведения рыбы) для производства пищи, регенерации воздуха и воды, а также утилизации органических отходов, которые превращают в удобрения для питания новых растений, таким образом замыкая цикл. 
• In Situ Resource Utilization (ISRU). Использование ресурсов на месте сыграет ключевую роль для колонизаторских миссий. И речь идет не только о поиске материалов для строительства, но и о добыче питьевой и технической воды, производстве кислорода и даже топлива для космических кораблей (на основе кислорода и водорода, добытых на месте расположения планетной базы). То есть основной целью ISRU становится создание парадигмы «жизни за счет местных ресурсов», позволяющей значительно уменьшить стоимость и логистическую сложность космических миссий.

Проекты, подобные Эксперименту с использованием ресурсов кислорода на месте (MOXIE) от NASA или инициативе MELiSSA от ESA, предлагают новые подходы для будущих исследований дальнего космоса. Они делают основную ставку на улучшение технологий вторичной переработки, интеграцию принципа ISRU и повышение собственной энергоэффективности и замкнутости циклов. Эти системы жизнеобеспечения нового поколения будут способствовать путешествиям человека в космосе, прокладывая путь к возможной колонизации других планет Солнечной системы.