Text
                    Академия наук СССР
Национальное управление по аэронавтике
и исследованию космического пространства США
Academy of Sciences of the USSR
National Aeronautics and Space Administration USA


FOUNDATIONS OF SPACE BIOLOGY AND MEDICINE Joint USA/USSR Publication in Three Volumes Co-chairmen MELVIN CALVIN (USA) and OLEG G. GAZENKO (USSR) Volume III SPACE MEDICINE AND BIOTECHNOLOGY Scientific and Technical Information Office NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION Washington, D. C, 1975
основы КОСМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЫ Совместное советско-американское издание в трех томах Под общей редакцией О. Г. ГАЗЕНКО (СССР) и М. КАЛЬВИНА (США) Том III КОСМИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИЯ ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА» МОСКВА, 1975
УДК 613.693 + 629.7.048 Редколлегия Бурназян А. И., Васильев П. В., Газенко О. Г., Гении А. М., Имшенецкий А. А., Петров Г. И., Черниговский В. Н. (СССР) Кальвин М., Краусс Р. В., Марбаргер Дж. П., Рейнольде О. Ё., Тальбот Дж. М. (США) Ответственные секретари Панченкова Э. Ф. (СССР), Джонс У, Л. (США) Редакторы III тома ГенинА. М. (СССР), Тальбот Дж. М. (США) Editorial Board Burnazyan A. I., Vasilyev P. V., Gazenko 0. G., Genin A. M., Imshenetskiy A. A., Petrov G. I., Chernigovskiy V. N. (USSR) Calvin M., Krauss R. W., Marbarger J. -P., Reynolds 0. E., Talbot J. M. (USA) Executive Secretaries Panchenkova E. F. (USSR), Jones W. L. (USA) Volume III Editors GeninA. M. (USSR), Talbot J. M. (USA) 75i8SI 0 055(02)-75 п°Дписное 52300-165 „ Э/V
Том III КОСМИЧЕСКАЯ МЕДИЦИНА И БИОТЕХНОЛОГИЯ икл\
ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 9 Часть I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Глава 1. Исходные данные для проектирования систем жизнеобеспечения 13 келловей д. х. Глава 2. Питание и водообеспечение 35 попов и. г. Глава 3. Регенерация и кондиционирование воздуха 70 ГРИШАЕНКОВБ.Г. Глава 4. Одежда космонавтов и личная гигиена 122 ФИНОГЕНОВ А. М., АЖАЕВ А. Н., КАЛИБЕРДИН Г. В. Глава 5. Изоляция и удаление отбросов 141 борщенко в. в. Глава 6. Физиолого-гигиенические и психологические аспекты организации жизни в кабине космического корабля .... 165 ПЕТРОВ Ю.А. Глава 7. Индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности человека вне кабины космического корабля. Скафандры и капсулы 199 джонс у. л. Часть II. КОМПЛЕКСНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ Глава 8. Системы обеспечения жизнедеятельности экипажей при кратковременных полетах и полетах средней продолжительности 231 АДАМОВИЧ Б. А. Глава 9. Системы жизнеобеспечения для межпланетных космических кораблей и космических станций с длительным временем существования 250 джонс у. л. Глава 10. Биологические системы жизнеобеспечения . . 277 ШЕПЕЛЕВ Е. Я.
8 ОГЛАВЛЕНИЕ Часть III. ЗАЩИТА ЧЕЛОВЕКА ОТ; НЕБЛАГОПРИЯТНОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ ПОЛЕТА Глава 11. Противорадиационная защита (биологическая, фарма- ко-химическая, физическая) 317 саксонов п. п. Глава 12. Медицинское обеспечение экипажей космических кораблей (оказание медицинской помощи, оборудование, профилактика) 348 берри ч. а. Глава 13. Обеспечение жизни экипажей при приземлении (приводнении) в безлюдной местности 376 БЕРРИ Ч. А. Глава 14. Обеспечение жизни и здоровья экипажей космических кораблей и станций в аварийных ситуациях 395 черняков и. н. Часть IV. ОТБОР И ПОДГОТОВКА КОСМОНАВТОВ Глава 15. Отбор космонавтов 419 ЛИНКМ.М., ГУРОВСКИЙН.Н., БРЯНОВИ. И. Глава 16. Подготовка космонавтов 439 линк м. м., гуровский н. н. Часть V. ПЕРСПЕКТИВЫ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Глава 17. Медицинские проблемы космических полетов ближайшего будущего 455 виноград ш. п. УКАЗАТЕЛЬ К I, II, III ТОМАМ 487 ОГЛАВЛЕНИЕ К I, И, III ТОМАМ 548
ПРЕДИСЛОВИЕ Третий том — «Космическая медицина и биотехнология» — является логическим завершением трехтомного издания «Основ космической биологии и медицины». Он посвящен наиболее практическим аспектам обеспечения жизни и здоровья экипажей пилотируемых космических кораблей и опирается на сведения, содержащиеся в I и II томах о космическом пространстве, динамике космического полета и о влиянии факторов космического полета на организм человека. Несмотря на то что в настоящее время еще высказываются сомнения в целесообразности и практической осуществимости полетов человека к далеким планетам и создания обитаемых планетных станций, мы сочли необходимым рассмотреть прикладные аспекты осуществления миссий такого рода. Мы надеемся, что наш оптимистический подход к перспективам развития пилотируемой космической техники заразит энтузиазмом читателей этого труда, что поможет ускорить практическое использование содержащихся в нем сведений. Третий том состоит из 5 частей и 17 глав. Первая часть самая большая. Она включает семь глав и посвящена частным проблемам обеспечения жизни космонавтов на борту космического корабля. Первая глава раскрывает потребности человека в пищевых веществах, кислороде и воде, взаимосвязь этих потребностей с уровнем энерготрат и конечными продуктами метаболизма. На основании этих данных читатель должен получить сведения о том, чем и в каком количестве необходимо обеспечить космонавтов, какие конечные продукты метаболизма и в каком количестве следует изолировать и, наконец, какие материалы можно использовать для последующего восстановления воды, кислорода и пищи. Затем следуют главы, содержащие информацию о возможных способах удовлетворения потребностей человека в пище, воде и кислороде, о методах изоляции и консервации шлаковых продуктов, об одежде космонавтов и личной гигиене, о проблемах обитаемости кабин космических кораблей и, наконец, о скафандрах, предназначенных для защиты человека от вакуума и других факторов космического пространства. В каждой из перечисленных глав анализируется опыт советских и американских космических проектов, а также описываются возможные пути жизнеобеспечения космонавтов, которые могут быть использованы в будущем при планировании более сложных и длительных операций в космосе. Повседневное решение частных вопросов жизнеобеспечения еще не является процессом создания системы, особенйо такой, в которой отдельные узлы связаны между собой, а конечные продукты одних узлов могут служить исходным материалом для работы других. Поэтому необходимо комплексное рассмотрение систем жизнеобеспечения для полетов различной продолжительности, чему и посвящена вторая часть тома. В ней описываются системы жизнеобеспечения, эффективные для кратковременных полетов, полетов средней продолжительности и полетов, длительность которых может быть неограниченно велика. В соответствии с этим вторая часть состоит из трех глав. В первой главе рассматриваются системы жизнеобеспечения, построенные на запасах расходуемых материалов. Эти системы эффективны лишь для полетов продолжительностью до 20—30 дней. Дальнейшее увеличение продолжительности полета требует введения циклов круговорота расходуемых материалов. Наиболее эффективным является введение регенерации питьевой воды из конденсата атмосферной влаги и мочи. Регенерация воды дает большой выигрыш в весе расходуемого материала и в то же время не требует больших затрат энергии, технология регенерации воды сравнительно проста и может быть обеспечена легкими и портативными установками. Существенный выигрыш для полетов средней продолжительности дает применение регенерируемых сорбентов углекислого газа, а при многомесячных экспедициях становится целесообразной регенерация кислорода из углекислого газа и метаболической воды. Системы жизнеобеспечения,
10 ПРЕДИСЛОВИЕ основанные на регенерации расходуемых материалов, описаны во второй главе. Третья глава посвящена вопросу использования биосинтеза для регенерации кислорода и пищи в кабинах космических кораблей. Естественно, что целесообразность (с точки зрения экономии энергии и веса) практического использования биосинтеза возникнет лишь тогда, когда продолжительность космических путешествий превысит 1,5—3 года. Однако время, необходимое для полетов к планетам солнечной системы, вполне соизмеримо с этим сроком. Кроме того, следует ожидать весьма благотворного влияния на психическое состояние космонавтов наличия на борту корабля привычных сельскохозяйственных растений, свежих и натуральных продуктов питания. Поэтому не исключена возможность частичного использования биосинтеза и для менее продолжительных путешествий. При этом многое будет зависеть от технологических и технических успехов в разработке данной проблемы. Эти соображения убедили нас в полезности рассмотрения современного состояния и перспектив разработки биологических систем жизнеобеспечения. Таким образом, вторая часть содержит детальный анализ всестороннего взаимодействия человека с окружающей средой. Такой анализ свидетельствует об осуществимости полного кругооборота веществ в ограниченных объемах кабины космического корабля. Третья часть тома посвящена некоторым практическим вопросам обеспечения безопасности космических полетов. В первой главе описываются методы и средства защиты экипажа от повреждающего действия проникающей радиации. Вторая посвящена средствам и методам оказания медицинской помощи космонавтам в полете, а также профилактическим предполетным и послеполетным мероприятиям. В третьей и четвертой главах излагается материал о методах защиты экипажей космических кораблей в аварийной ситуации — приземлении (приводнении) в нерасчетном районе, при разгерметизации кабины, пожаре и др. Четвертая часть посвящена медицинским и психофизиологическим проблемам отбора и подготовки космонавтов. В двух главах этой части последовательно излагаются принципы и конкретные методы, которые были положены в основу отбора и подготовки космонавтов применительно к советской и американской программам пилотируемых космических полетов. Авторы анализируют эффективность проведенных мероприятий, что дает возможность правильно строить их в будущем. В последней, пятой части раскрываются перспективы пилотируемых космических полетов на ближайшие годы. На основании анализа некоторых характеристик предстоя- ших полетов автор формулирует задачи, стоящие перед космической медициной. Таким образом, эта часть является фактически заключительной к третьему тому и изданию в целом. В создании третьего тома приняли участие высококвалифицированные специалисты из СССР и США. Большинство авторов имели личный опыт обеспечения космических полетов и, естественно, свои точки зрения на рассматриваемые вопросы. Мы пытались, насколько это возможно, сохранить тексты глав в том виде, в каком они были переданы нам, даже в тех случаях, когда наши взгляды не совпадали с взглядами авторов или когда авторы глав высказывали противоположные взгляды на один и тот же вопрос. Исправления, которые мы по согласованию с авторами себе позволили, касались главным образом уточнения терминологии (особенно при переводе с одного языка на другой) и сокращения материала, выходящего за рамки названия и плана главы. Сложнее всего было увязать главы между собой, исключить повторения и избежать упущений. Мы отдаем себе отчет в том, что эту задачу мы выполнили лишь частично. Трудности согласования подобных изменений с авторами и стремление издать труд раньше, чем его материал может устареть, являются нашим слабым оправданием. ^<ftz%t А. М. ГЕНИИ Институт медико-биологических проблем МЗ СССР Москва, СССР Джон М. ТАЛЬБОТ Бригадный генерал (в отставке) медицинского корпуса ВВС США Вашингтон О. К., США
Часть I МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ
Глава 1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОРИС X. КЕЛЛОВЕЙ Факультет питания Калифорнийского университета, Беркли, Калифорния, США Пригодная для дыхания атмосфера, подходящая температура и обеспечение достаточным количеством пищевых веществ и воды — вот минимальные условия, без которых немыслимы жизнь и работа человека в космическом полете. Системы жизнеобеспечения кораблей, отвечающие этим требованиям, должны снабжать кислородом, водой и питательными веществами, удалять углекислоту и другие шлаковые продукты и выделения человека в жидком, твердом и газообразном виде, а также поддерживать температуру в среде обитания с регулированием нагрева и охлаждения. Параметры систем изменяются в соответствии с уровнем активности, антропометрическими данными и полом космонавтов. Они тесно связаны друг с другом, поскольку уровень потребления кислорода и воды зависит от энергетических запросов организма и формы, в которой эти потребности удовлетворяются. Объем и характер конечных продуктов обмена веществ у человека также меняются в зависимости от вида пищевых продуктов. Выбор технических решений, отвечающих требованиям обеспечения жизнедеятельности космонавтов, находится в связи с уровнем потребления ими различных веществ. Так, например, количество воды, используемой для охлаждения тела при испарении с поверхности тела и при дыхании, изменяется в зависимости от температуры окружающего воздуха и скорости его движения. Само собой разумеется, что идеальная система должна обеспечивать параметры жизнедеятельности с большим запасом надежности, включающим, конечно, и дублирующие системы. При этом система жизнеобеспечения не должна быть громоздкой и сложной в управлений, чтобы не мешать решению основных научных и технических задач космического полета. В связи с этим имеется постоянная тенденция «подогнать» биологические возможности человека, повысить пределы его выносливости, с тем чтобы выбрать оптимальный (экономически и технически) вариант доставки или регенерации необходимых для жизни веществ [15]. Системы обеспечения жизнедеятельности для первых космических полетов по необходимости проектировались, исходя из баланса пищевых веществ и энергопотребления здорового человека, живущего в земных условиях. Космические полеты дали ряд необходимых данных по динамике обменных процессов у человека и его адаптации к условиям космического полета в корабле, при работе в открытом космическом пространстве и на поверхности Луны. В настоящее время расчет системы обеспечения жизнедеятельности может быть выполнен на основе накопленных данных и экспериментальных наблюдений с гораздо большей точностью и надежностью. Однако исследования в полетах отстают от действительной потребности в информации такого рода, и многие важные проблемы остаются нерешенными. Каждый новый полет выдвигает новые проблемы. Ясно, что технические расчеты еще далеки от совершенства. В этой главе дается краткий обзор нормальных и предельных значений параметров метаболизма человека в условиях земной экосферы и реальных космических полетов. Более подробные данные исследований пищевого статуса космонавтов приводятся в главе 2. Это сделано с намерением дать справочный материал для лиц, которые участвуют в разработке космических систем, но не имеют подготовки по основным дисциплинам — физиологии и гигиены питания. Глава написана на основании обзоров, составленных первоначально И. Г. Поповым (СССР) и сотрудниками факультета питания при Калифорнийском университете М. Клей- бером, Н. Пейсом, С. Мардженом и Д. Кел- ловей. Все представленные материалы при составлении главы были использованы полностью [22].
14 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ Хотя человек нуждается приблизительно в 40 специфических веществах органической и минеральной природы, совокупный вес этих веществ незначителен — от 50 до 100 г на человека в сутки. Основной вес и объем пищевых продуктов определяется главным образом неспецифическими источниками энергии. Энергия высвобождается в процессе обмена благодаря химическому окислению веществ, получаемых с пищей, или при окислении собственных органических веществ организма в случае, если суточный рацион не покрывает потребностей энергопотребления. Молекулярный кислород является конечным акцептором электронов для окислительных процессов в организме и расходуется наряду с органическими веществами при образовании тепловой и других видов энергии с выделением углекислоты и воды в качестве конечных продуктов обмена веществ. Таким образом, энергопотребление определяет расход кислорода, так же как необходимость в охлаждении тела является важным фактором в уровне потребления воды. Расход энергии не является постоянным и зависит от индивидуальных особенностей организма. Для данного индивидуума этот показатель может изменяться в зависимости от того, чем человек занят, в каких условиях он находится. Целесообразно отдельно рассмотреть факторы, влияющие на величину энерготрат в покое (основной обмен), для поддержания температуры тела и при физической работе. ОСНОВНОЙ ОБМЕН Уровень основного обмена (УОО) определяется как количество теплопродукции человека натощак после сна, в состоянии покоя, лежа, в условиях теплового комфорта и обычно выражается в килокалориях на 1 квадратный метр поверхности тела в час (1 ккал равна 4,184 килоджоулей). Поверхность тела вычисляется по формуле Дюбуа и Дюбуа: Площадь поверхности тела, м2 = 0,007184 X X (вес тела, кг)°«425Х (рост, см)0'725. Основные факторы, определяющие различие людей в уровне обменных энерготрат в покое,—это анатомические параметры тела, конституция, а также пол. Энергообмен в состоянии покоя является преимущественно функцией непрерывной работы внутренних органов (печени, почек и др.) и нервной системы. К этой величине прибавляются энерготраты и других тканей в расчете на единицу веса. Таким образом, уровень основного обмена возрастает с увеличением массы тела, но в различной степени зависит от типа тканей тела. При одинаковом весе тело женщины по сравнению с телом мужчины имеет меньший вес свободных от жира тканей (тощей массы). Люди пожилого возраста имеют меньше тощей массы ткани, чем люди молодого возраста. Основной обмен соответственно ниже у женщин по сравнению с мужчинами, а также у лиц пожилого возраста обоего пола по сравнению с молодыми [20]. Уровень основного обмена здорового мужчины обычно снижается с 40 ккал/м2*час в возрасте 20 лет до 36 ккал/м2«час в возрасте 50 лет. Для мужчин весом около 70 кг с поверхностью тела 1,8 м2 основной обмен составляет 1728 (для 20-летнего возраста) и 1555 ккал/сутки (для 50-летнего возраста). Прием пищи приводит к повышению теплопродукции, которая обусловлена процессом пищеварения и ассимиляции питательных веществ. При обычной диете этот «специфический динамический эффект» может привести к повышению общего энергообмена на 8— 10%. Энерготраты в покое, измеренные после приема пищи в обычных условиях, примерно на 10% выше уровня основного обмена. В фазе глубокого сна уровень энергообменных процессов обычно понижается примерно на 10% по сравнению с уровнем основного обмена. Лишь очень небольшая часть связана с действием фактора гравитации; поэтому можно предположить, что прямое влияние изменений гравитационного поля на основной обмен окажется незначительным. Однако вторичные эффекты от продолжительного воздействия невесомости могут вызвать снижение уровня основного обмена. Эти эффекты невесомости из-за гиподинамии могут привести к мышечной атрофии, обезвоживанию тканей и нарушению эндокринного равновесия. Продолжительная гиподинамия вследствие пребывания на постельном режиме до некоторой степени может воспроизвести влияние невесомости. Результаты таких исследований [26, 35] указывают на снижение уровня основного обмена на 10% после 3-недельного непрерывного постельного режима. Это может быть обусловлено потерей мышечной массы, что
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 15 подтверждается наблюдаемым при этом отрицательным балансом азота и снижением мышечной силы. ПОДДЕРЖАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА Человек способен поддерживать температуру тела на уровне 38° С, несмотря на значительные колебания теплопродукции и изменения тепловых параметров окружающей среды. Тепловой баланс организма человека определяется по формуле M=E±R±C±K±W±S, где М — уровень теплопродукции, Е — тепловые потери с испарением, R — тепловое излучение (+ теплоотдача), С — теплоотдача за счет проведения тепла, К — теплоотдача за счет конвекции, W — выполненная полезная работа с преодолением внешнего физического сопротивления, S — тепло, аккумулированное организмом (тепло, накапливающееся в организме), причем все показатели выражаются в ваттах на 1 м2 поверхности тела. Если S равно нулю, то тепловой баланс находится в состоянии равновесия и температура тела сохраняется постоянной. Теплопродукция, необходимая для поддержания постоянной температуры тела, может быть обозначена как необходимое для термо- статирования тепло [29]. Согласно закону теплового потока Фурье, это необходимое для термостатирования тепло может быть выражено в виде 4s- А* ~ R где AQ/At — скорость теплового потока, Тв — температура «сердцевины» тела, ТЕ — эффективная температура внешней среды и R — сопротивление тепловому потоку. Если сопротивление тепловому потоку — величина R — принимается независимым от изменений окружающей температуры, то тепло, необходимое для термостатирования тела, пропорционально разности между эффективной температурой окружающей среды и температурой «сердцевины» тела. При повышении температуры окружающей среды (при низком исходном уровне) энерготраты животных и человека, недостаточно защищенного одеждой, понижаются, так как- в этом случае величина метаболизма определяется теплом, необходимым для термостатирования тела. Когда внешняя температура поднимается выше нижнего критического уровня, величина метаболизма стабилизируется, достигнув минимальной величины, и при дальнейшем повышении температуры окружающей среды остается неизменной. Для человека, находящегося в покое и натощак, эта величина метаболизма определяет уровень основного обмена. Когда температура среды достигает верхнего критического уровня, т. е. уровня, при котором компенсаторные механизмы увеличения теплоотдачи становятся недостаточными, температура тела начинает повышаться. Одновременно по закону Вант- Гофа [29] повышается уровень метаболизма. Если этот процесс продолжается достаточно долго, может наступить гибель от теплового удара. Диапазон между нижним и верхним критическими уровнями температуры окружающей среды называется метаболически индифферентной температурной зоной. Человек приспосабливается к окружающим условиям с помощью соответствующей одежды и, если возможно, путем регулирования температуры, влажности, скорости движения воздуха, благодаря чему температура кожи поддерживается около 33° С без участия теплорегулирующих механизмов. Если при этом микроклимат (пододежного пространства) находится в диапазоне метаболически индифферентной зоны, уровень метаболизма можно считать не зависящим от тепла, необходимого для термостатирования тела. Выход за пределы этой зоны либо в сторону охлаждения, либо нагревания будет приводить к возрастанию энерготрат. При повышении температуры окружающей среды или при увеличении теплопродукции организма за счет выполнения тяжелой физической работы требуется дополнительная энергия на потовыделение, стимуляцию деятельности сердечно-сосудистой системы; кроме того, выделяется дополнительное тепло за счет повышения температуры тела. Воздействие холода ведет к появлению дрожи и озноба, а продолжительное воздействие холода — к дополнительному теплообразованию за счет процессов химической терморегуляции. ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ Различные виды физической нагрузки требуют от человека дополнительных энерготрат. Сюда относятся энерготраты на поддержание вертикальной позы в гравитационном поле. В вертикальном положении работа специальной тонической мускулатуры и осуществление циркуляции крови против вектора гидростатического давления приводят к повы-
16 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ шенному потреблению кислорода и увеличению теплопродукции. Так, например, если в положении лежа энерготраты составляют 70 ккал/час, то в положении сидя они могут возрасти до 100 ккал/час, а в положении стоя —до 110 ккал/час. При перемещении тела наблюдается еще большее повышение энерготрат, пропорциональное выполняемой работе. Например, мужчина весом 70 кг при ходьбе в течение 1 часа со скоростью 4,8 км/час в условиях гравитационного поля Земли затрачивает 250 ккал; если же он пробегает это расстояние со скоростью 8 км/час, расход энергии возрастает до 570 ккал. Физическая нагрузка является наиболее важным фактором, определяющим общие энергетические потребности человека по сравнению с такими факторами, как пол, возраст и вес [14]. Когда человек выполняет физическую работу, для использования энергосодержащих веществ требуется дополнительное количество кислорода, поэтому величина легочной вентиляции возрастает по сравнению с тем же показателем в покое (табл. 1). Очень легкая работа, такая, как, например, движение туловища в положении сидя (50 кгм/мин), приводит к удвоению уровня легочной вентиляции, тогда как тяжелая работа (700 кгм/мин) приводит к 6-кратному повышению легочной вентиляции. Максимальная для данного индивидуума работа зависит от состояния мускулатуры, степени физической подготовки и сопровождается максимальным увеличением легочной вентиляции, а также потребления кислорода. Физическая нагрузка свыше 1250 кгм/мин, которая является предельной, не может быть компенсирована, так как даже при наибольшем объеме легочной вентиляции количество кислорода, поступающего в организм человека, будет недостаточно для удовлетворения энергетических запросов. При такой работе в организме накапливается кислородная задолженность, которая должна быть возмещена непрерывным поступлением кислорода после прекращения работы. Предельная нагрузка, выдерживаемая человеком в течение длительного времени — работа в устойчивом состоянии,— составляет приблизительно половину максимального усилия, которое он может развить одномоментно. Если нагрузка требует энергии на 50% больше, чем работа в устойчивом состоянии, то ее следует чередовать с отдыхом: например, 10-минутный цикл работы — 5-минутный отдых. Общая величина необходимых энерготрат Таблица 1. Энерготраты и связанное с ними потребление кислорода (мужчина весом 60—70 кг, ростом 110—180 см) [2] Категория физической активности Уровень интенсивности работы, кгм/мин Легочная вентиляция, л/мин Основной обмен В покое Очень легкая работа Легкая работа Работа средней тяжести Тяжелая работа Очень тяжелая работа Чрезмерно тяжелая работа Работа до полного физического истощения — Менее чем 50 50-300 300—550 550-900 900-1150 1150-1250 Свыше 1250 5 5-10 10-15 15-20 20-35 35-50 50-65 65—85 Свыше 85 Категория физической активности Потребление кислорода, л/мин Энерготраты, ккал/мин Основной обмен В покое Очень легкая работа Легкая работа Работа средней тяжести, Тяжелая работа Очень тяжелая работа Чрезмерно тяжелая работа Работа до полного физического истощения 0,2-0,25 0,25-0,3 0,3—0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 Свыше 3,0 1,0-1,25 1,25-1,5 1,5-2,5 2,5-5,0 5,0-7,5 7,5-10,0 10,0—12,5 12,5-15,0 Свыше 15,0 может быть вычислена на основе измерения энергетической «стоимости» различных видов физической нагрузки и количества времени, затраченного на данную работу. Данные исследований при 120-суточном пребывании нескольких человек в макете космического корабля иллюстрируют это положение (табл. 2). Запланированные исследовательские задачи выполнялись испытуемыми в течение 7,5—8 час. ежедневно, энергетическая «стоимость» составляла 1,6 ккал/мин, или 753 ккал/сутки. Энерготраты в период 10-часового сна и отдыха составили 767 ккал; таким образом, общий уровень энерготрат человека весом в 70 кг составил 3144 ккал/сутки. За исключением случаев работы в открытом космическом пространстве, деятельность космонавта по уровню энерготрат может быть отнесена к сидячей работе, требующей нейро- мышечной координации, но с очень незначи-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 17 Таблица 2. Энерготраты при различных видах деятельности космонавта в 120-суточном эксперименте в макете космического корабля [2] Вид деятельности Длительность работы, часы Энерготраты, ккал в минуту диапазон колебаний среднее значение за весь период диапазон колебаний среднее значение Все виды научно-исследовательской работы, ре- 7.30—8.00 1,21—2,14 монт и установка аппаратуры, анализ информации, кино-, фотосъемки, чтение научной литературы в условиях ограниченной подвижности Приготовление пищи, сервировка и уборка стола, 4.30 2,2—5,21 мытье и высушивание посуды Легкая уборка помещения, подметание пола 0.15 2,5—7,49 щеткой Основательная уборка помещения (мытье полов, 0.30 3,5—7,9 влажная уборка отсека) Комплекс гимнастических упражнений в течение 0.15—0.45 5,0—11,7 суток Интенсивная работа на велоэргометре с измере- 0.30 5,4—10,24 нием энерготрат при уровне нагрузки в 500 кгм/мин Сон в ночное время суток. Отдых в положении 10.00* — лежа в дневное время суток Итого ♦ Энерготраты в период сна рассчитывались из 7о ккал/час для человека весом 70 кг. 1,62 3,43 4,5 5,5 8,2 7,34 — 545—1027 594—1407 38-112 105—237 81—527 162—307 660—896 753 926 67 165 246 220 767 3144 тельным физическим напряжением. Энерготраты космонавтов-мужчин в полете на космических кораблях серии «Восток» составили 2040—2340 ккал/сутки, а энерготраты космонавта-женщины — 2010 ккал/сутки [3]. Средний уровень энерготрат для космонавтов двухместного космического корабля «Джеми- ни» в 4-м, 5-м и 7-м полетах составил 2410, 2010 и 2200 ккал/сутки соответственно [20]. Энергетическую «стоимость» работы, выполняемой космонавтом за пределами космического корабля в открытом космосе, рассчитать гораздо труднее в связи с неясной ролью изменений гравитационного поля (см. главы 4, 8, кн. 1, том II). Невесомость, снимая весовую нагрузку, снижает энерготраты и значительно уменьшает трение. Следовательно, для выполнения ряда задач должна быть использована реактивная сила за счет напряжения мышц. Это может привести к отчетливому повышению энерготрат при выполнении некоторых видов физических усилий, таких, как толкание или закручивание. При работе в открытом космосе у американских космонавтов пульс по данным телеметрии поддерживался на уровне около 140 ударов в 1 мин., что по экспериментальным расчетам эквивалентно уровню энерготрат 8 ккал/мин, или 480 ккал/час [27]. Дея- 2 Заказ № 1174, т. III тельность на поверхности Луны по уровню энерготрат несколько ниже, порядка 300 ккал/ /час [19]. По-видимому, лунная гравитация оказывает благоприятное влияние на локомоторный аппарат, что с избытком компенсирует дополнительные усилия, необходимые для преодоления силы тяготения, равной */« земного. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГООБМЕНА КОСМОНАВТОВ В ПОЛЕТЕ В настоящее время по расчетным данным величина энерготрат в космических полетах внутри кабины космического корабля в положении сидя составляет для мужчины весом 70 кг менее 2500 ккал/сутки (около 36 ккал на 1 кг веса в сутки, или 105 ккал/ /час) [4]. В обычных условиях космического полета количество требующихся космонавту пищевых веществ повышается в соответствии со специальными задачами полета. В этом случае пищевые вещества должны покрывать энерготраты, соответствующие физической нагрузке космонавтов1. По-видимому, лишь 1 Усваиваемая организмом энергия определяется разностью между общей калорийностью пищи и энергосодержанием мочи и кала.
18 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ в очень редких случаях уровень энерготрат может оказаться выше 5000 ккал/сутки [12]. При планировании реальных космических полетов стало традицией превышать расчетный уровень пищевого рациона на 10—15%. Для полетов, в которых предусмотрен ряд специальных задач или умеренная работа в открытом космическом пространстве, общий уровень энергетической стоимости суточного рациона для космонавта-мужчины должен составлять примерно 2700 ккал/сутки усвояемой энергии. Этот уровень энергетической стоимости суточного рациона рекомендован в США для людей распространенных профессий [37]. Но он ниже рекомендованной величины в 3000 ккал/сутки для лиц мужского пола профессиональных групп с самым низким уровнем физической нагрузки в СССР [13]. Из-за меньших антропометрических показателей и более низкого уровня основного обмена у женщин энергетическая стоимость суточного рациона для них должна быть ниже. Рекомендуемые в США и СССР нормы для женщин составляют 2000 ккал/сутки п 2700 ккал/сутки соответственно. При необходимости работать в среде с повышенной температурой, в условиях, когда температура воздуха, окружающего тело, выше 30° С, энергетическую стоимость пищевого рациона следует повысить на 0,5% на каждый градус подъема температуры в диапазоне от 30° С до 40° С [37]. Точно так же, если экипаж недостаточно защищен от холода, энергетическая стоимость суточного рациона должна повышаться на 0,5% на каждый градус снижения температуры микроклимата ниже 20° С. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ГАЗООБМЕН На основе реакции преобразования глюкозы СбШгОб + 6О2 -* 6СО2 + 6Н2О можно рассчитывать, что окисление 1,0 г углеводов сопровождается выделением 4,1 ккал тепла при потреблении 0,75 л кислорода и образовании 0,75 л углекислоты (при STPD*) и 0,60 мл воды (табл. 3). Соответственно для типичного жира, трио- леина, на основе реакции окисления С57И104О6 + 80О2 -* 57СО2 + 52Н2О можно определить, что окисление 1,0 г жира Таблица 3. Энергетические характеристики обычных жиров у белков и углеводов (по данным [22]) Показатель Энергетическая ценность в обмене веществ, ккал/г Плотность, г/мл Энергетическая плотность, ккал/мл Вес на 1000 ккал, г участвующих в метаболизме содержащихся в суточном рационе (примерно) Образование воды, г на 1 г на 1000 ккал Газообмен на 1 г потребленного кислорода, г выделенной углекислоты, г Газообмен на 1000 ккал потребленного кислорода, г выделенной углекислоты, г Жиры 9,3 0,9 8,4 107 112 1,07 115 2,88 2,80 - 310 - 301 Дыхательный коэффициент (СО2/О2) объемный весовой 0,71 0,97 Энергия, высвобождаю- 4,6 щаяся на 1 л потребленного кислорода, ккал Белки 4,1* 1,3 5,3 244 256 0,41 100 1,38 1,53 336 373 0,81 1,11 4,5 Углеводы 4,1 1,5 6,2 244 245 0,60 146 1,18 1,63 289 398 1,00 1,38 5,2 1 STPD — стандартные температура, давление и влажность. 1 Часть потенциальной энергии теряется с мочой, главным образом в виде мочевины; таким образом, приведенное значение ниже энергии, образующейся при полном окислении,—5,6 ккал. приводит к высвобождению 9,3 ккал тепла при потреблении 2,02 л кислорода, образовании 1,44 л углекислоты при STPD и 1,06 мл воды. Рассматривая аналогичным путем реакцию окисления типичного элемента дипептида аланил-аланила 2C3H5ON + 6О2-> 5СО2 + 3H2O + (NH2)2CO, можно вычислить, что частичное окисление 1,0 г белка в организме ведет к высвобождению 4,1 ккал тепла при потреблении 0,95 л кислорода и образовании 0,79 л углекислоты, а также в нормальных условиях к выделению 0,38 мл воды и 0,42 г мочевины.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 19 Дыхательный коэффициент (RQ) определяется как соотношение объема полученной при окислении в единицу времени углекислоты к объему потребленного за тот же промежуток времени кислорода. В норме величина RQ равна 0,83. В этих условиях реакция высвобождения 1 ккал тепла требует потребления 0,206 л кислорода и приводит к образованию 0,171 л углекислоты. Дыхательным коэффициентом до некоторой степени можно управлять, меняя пропорцию жиров и углеводов в суточном рационе и оставляя постоянным его белковый компонент. Дыхательный коэффициент при полном окислении жира равен приблизительно 0,7 (эта величина выше того же показателя для жирных кислот с укороченной углеродной цепочкой). Величина дыхательного коэффициента, близкая к этому значению, определена натощак при содержании человека на суточном рационе, чрезмерно насыщенном жй- рами. Дыхательный коэффициент равен 1,0, если полностью окисляются сахара; значения его превышают 1,0 в случае, если энергосо- держащие вещества откладываются в виде запасов жира, например, когда пальмитиновая кислота образуется из глюкозы: 4CeHi2O6 + О2 -> С1вНз2О2 + 8СО2 + 8ШО. Суточные рационы, богатые углеводами или веществами с высоким энергетическим потенциалом, могут дать дыхательный коэффициент, приближающийся к 1,0. Однако точные расчеты не могут быть произведены из-за того, что белок всегда в той или иной степени участвует в обменных процессах, а дыхательный коэффициент при окислении белка составляет величину около 0.8, ПОТРЕБНОСТИ КОСМОНАВТОВ В ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВАХ Диапазон, в котором может меняться дыхательный коэффициент в космических полетах, будет определяться физиологическими пределами переносимости каждого из трех главных пищевых веществ: жиров, углеводов и белков. Существует предельный минимальный уровень потребности в этих веществах, ниже которого их содержание в суточном рационе недопустимо, так как это может привести к нарушению состояния здоровья. Существует также и предельный максимальный уровень переносимости каждого из этих веществ. Переносимость не является одинаковой у всех. Поэтому целесообразно исследовать способность каждого члена экипажа «подстраиваться» под измененные суточные рационы. Период предполетной подготовки и привыкания к суточному рациону может непременно понадобиться, если будут использоваться рационы со значительно измененным распределением пищевых компонентов. ЖИРЫ Жиры являются наиболее концентрированной формой энергообменного потенциала как по весу, так и по объему (см. табл. 3), хотя для переработки жиров требуется больше кислорода, чем для углеводов или белков. Общий вес, необходимый для получения 1000 ккал, для жира составляет 422 г, для углеводов — 534 г, для белков — 592 г. Пищевые жиры почти целиком представлены в виде триглицеридов с четным числом атомов углерода в составе жирных кислот. Минимальная потребность. В суточном рационе питания должно быть предусмотрено наличие zjwc-формы ряда полиненасыщенных жирных кислот, что является, насколько известно, единственным требованием к суточному рациону в отношении жиров. Линоле- новая кислота (9,12-октадекадиэноевая кислота) может покрыть все основные потребности в этом веществе; арахидоновая кислота может быть также использована в качестве продукта питания, однако в большинстве суточных рационов она содержится в незначительном количестве. Минимальная потребность, вероятно, может быть удовлетворена с помощью суточного рациона, в котором 1% общей энергетической стоимости обеспечивается линоленовой кислотой (3—6 г в сутки) [2], для большей надежности дозу линоле- но^ой кислоты следует увеличить еще на 2% (по,калорийности) [37]. Даже если суточный рацион оказался бы совершенно без жиров, клинические признаки недостаточности незаменимых жирных кислот, вероятно, проявились бы не раньше нескольких месяцев или недель, поскольку ткани людей с хорошей упитанностьр содержат большие запасы жирных кислот. Максимальная переносимость. Люди, которые привыкли к суточному рациону с большим содержанием углеводов, обычно отмечают преходящие явления дискомфорта (тош-
20 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ ноту, головные боли, понос), когда без предварительной подготовки переходят на диету, содержащую свыше 150 г жира в суточном рационе [22]. Начальный период перестройки характеризуется наличием в моче не полностью окисленных конечных продуктов, главным образом жирового обмена. Эти нормальные промежуточные соединения образуются в избыточном количестве по сравнению с тем, в каком они могут быть переработаны без соответствующей добавки углеводов. Продукты эти являются кислыми, и их появление ведет к потере воды и щелочных резервов организма. Частично окисленные продукты — ацетоуксусная кислота, р-гидроксибутировая кислота и ацетон — все вместе называются кетоновыми телами, а вызываемое их избытком состояние — кетозом или кетоацидозом. Обменный ацидоз может быть предупрежден или купирован за счет одномоментного введения дополнительных оснований (как NaHCOs), хотя основания не влияют на продукцию кетоновых тел. Кетоны продолжают выводиться с мочой даже через несколько недель после приема продуктов, богатых жирами. Однако при длительном употреблении жирной пищи количество кетонов в моче уменьшается. Кетонурия очень незначительна у лиц, страдающих ожирением, и отсутствует у эскимосов, полностью адаптированных к жировым продуктам. Экскреция кетонов с мочой и частично из легких сопровождается известными потерями потенциальной энергии, примерно 40 ккал/сутки, при высоком уровне их образования. Пищевую композицию суточного рациона, позволяющего полностью предупредить образование кетоновых тел в моче здоровых лиц, можно приблизительно рассчитать, исходя из предположения, что все жирные кислоты (90% веса триглицеридов) и около половины белков преобразуются в кетоны (К), а глицерин (10% веса триглицеридов), крахмал, сахар и половина белков являются антикетоновыми (АК) веществами. Для большинства людей порог образования кетоновых тел совпадает с величиной весового коэффициента К/АК в диапазоне от 1,0 до 1,5. Содержание жира в экскрементах повышается сверх нормального (до 5 г/сутки) в случае, если в суточном рационе преобладают жиры, но процент абсорбируемых жиров остается без изменений. В ряде исследований уровень абсорбции жиров при диете с нормальным содержанием жировых компонентов колебался в диапазоне от 91 до 98%. Наличие большого количества насыщенных жирных кислот с длинными углеродными цепочками, например стеариновой, пальмитиновой, привело бы к снижению усвояемости жиров, а наличие жирных кислот с более короткими углеродными цепочками (ниже С12) привело бы к повышению всасываемости до полного усвоения поступивших в организм жировых веществ суточного рациона. Как показывают последние исследования, у людей, употреблявших пищу с чрезмерно высоким содержанием жиров, усиливался распад красных кровяных клеток, но при этом не наблюдалось повышения уровня конечных продуктов обмена гемоглобина. Скорость всасывания и длина углеродной цепочки жирных кислот, несомненно, являются важными переменными, определяющими уровень и форму транспортировки липидов в системе кровообращения, но эти факторы пока остаются неизученными. Чтобы определить оптимальную пропорцию ненасыщенных жиров, которые рекомендуется включать в состав суточного рациона с высоким содержанием жировых компонентов, необходимо учитывать то обстоятельство, что диета, богатая жирами, способствует заболеваниям сердечно-сосудистой системы [13, 36]. Хотя причинная связь между степенью насыщенности жирных кислот и здоровьем человека достоверно не доказана, было бы разумно в рационе повысить долю полиненасыщенных жирных кислот. Представляется приемлемым следующее весовое соотношение: 1,5 для полиненасыщенных на 1,0 для насыщенных жирных кислот. Доказательств, что отступление от указанного соотношения может привести к нарушению обменных процессов, пока нет; однако при этом отмечается повышенная потребность организма в тканевых антиоксидантах (см. ниже). Допустимая норма жиров в пищевом рационе космонавтов. Для того чтобы 75—80% энерготрат человека покрывалось за счет жира, потребление этого пищевого вещества должно составлять до 250 г в сутки. Анализ фактора полноценности жировых компонентов свидетельствует о том, что в этих условиях средняя длина углеродной цепочки жирных кислот должна состоять из 16 атомов, при этом на каждый 1,0 г насыщенной жирной кислоты должно приходиться 1,2 г полиненасыщенной кислоты. В этом случае может возникнуть проблема вкусовых качеств пищи (съедобности); кроме того, опорожнение желудка будет проходить более медленно, чем при обычном суточном рационе. Нижний предел потребления жиров — 7 г линоленовой
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 21 кислоты, которые обычно содержатся в 15 г кУкУРУзного масла. Рекомендуемое количество потребляемых жиров составляет 70—90 г в сутки [1, 15]. Рекомендации, разработанные в СССР, подчеркивают, что 60% поступающих жировых веществ должны обеспечиваться за счет продуктов животного происхождения [1]. Это совпадает с преобладающим в США мнением лишь в том случае, если источником жира являются нежирные продукты (рыба или домашняя птица), а не говядина или баранина, где концентрация жира может быть очень большой. УГЛЕВОДЫ В большинстве распространенных пищевых рационов основным источником энергии являются углеводы. Усвояемые углеводы состоят главным образом из гексоз или их производных — молекул с большей длиной углеродной цепочки. Сахарные спирты, глицерины и частично окисленные вещества (например, молочная, пировиноградная и лимонная кислоты) могут также использоваться в качестве углеводных продуктов. Эти спирты и кислоты в большинстве рационов не содержатся в достаточном для возмещения энерготрат организма количестве, но могут производиться синтетическим путем на борту космических кораблей в замкнутых системах жизнеобеспечения (см. гл. 2, том III). Минимальная потребность в углеводах. Глюкоза является основным питательным субстратом для нервных клеток (дыхательный коэффициент мозговой ткани RQ=1,O) и эритроцитов. Однако принято считать, что углеводы в суточном рационе не являются незаменимым пищевым продуктом, поскольку они могут быть получены из жиров и путем глюконеогенеза из протеинов. Потребление углеводов на тканевом уровне оценивается величиной в 140 г за сутки, из которых 100 г идет на питание клеток центральной нервной системы и 40 г на питание эритроцитов. Однако, если углеводы полностью исключаются из суточного рациона или животные голодают, через некоторое время мозг может адаптироваться к кетоновым телам и потребность тканей в углеводах становится ниже указанной величины. Суточный рацион, который обеспечивает энерготраты организма, но из которого.исклю- чены углеводы, мог бы иметь такой состав — 250 г жиров (80% калорийности) и 140 г белков. Этот рацион содержал бы 25 г глицерина и около 70 г глюкогенных аминокислот или около 95 г веществ, которые могут участвовать в цикле углеводного обмена. В этом случае величина кетоно-антикетонного коэффициента К/АК была бы примерно равной 3 и испытуемый начал бы выделять с мочой кетоновые тела. Суточные рационы такого состава еще никогда не исследовались для человека. Наибольшим приближением к такому рациону является исключительно мясная диета, которая отличается более повышенным содержанием протеина по сравнению с приведенным примером и содержит небольшое количество глюкозы и гликогена. Такая диета была испытана Стеффансоном и Андерсеном без проявления каких-либо побочных эффектов [33]. Динамика обменных процессов в условиях голодания является достоверной моделью безуглеводного рациона, поскольку вся энергия при этом образуется из жировой ткани и скелетной мускулатуры. При голодании наблюдается потеря внеклеточной жидкости и натрия с уменьшением .объема крови и разт меров сердца, а также повышением уровня мочевой кислоты в крови. Эти сдвиги удаетс^ предотвратить при приеме углеводов в дозе 50—100 г в сутки. Поэтому представляется желательным включать в суточный рацион небольшое количество углеводов. Необходимость использования неусвояемых углеводов (клетчатка или грубая пища) в рационе питания не доказана. Кишечные бактерии утилизируют большую часть углеводов пищи, не усваиваемых человеком, образуя газ и некоторое количество органических веществ, которые улучшают двигательную деятельность кишечника, тем не менее эксперименты показали, что при рационе питания, не содержащем клетчатки, нормальная функция кишечника сохраняется [24]. Существует гипотеза, устанавливающая связь между некоторыми хроническими заболеваниями (нет инфекционные заболевания толстого кишечника, некоторые сосудистые заболевания и др.) и пониженным потреблением клетчатки [21], однако причинно-следственная связь между ними не доказана. Некоторые советские специалисты [2] рекомендуют включать небольшое количество неусвояемых углеводов в рацион космонавтов. Добавки 2—3 г клетчатки в виде грубых растительных веществ не повредят и могут оказаться полезными. Максимальная переносимость углеводов. Максимально допустимое количество углеводов в составе пищевого рациона не установт лено. Теоретически способность глюкозы вса-:
22 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ сываться гораздо выше суточной потребности в ней для возмещения общих энерготрат (около 200—300 г в 1 час, или 15 000 ккал за 16 час). Однако, если в желудочно-кишечный тракт вводятся гипертонические концентрации этого вещества в больших количествах, опорожнение желудка замедляется и из тканей организма в желудочно-кишечный тракт поступает вода для растворения глюкозы. Это может привести к таким неприятным явлениям, как тошнота, понос и даже обморок. У лиц с повышенной чувствительностью указанный синдром может возникнуть после приема даже 100 г глюкозы. При одинаковой энергетической стоимости растворы глицерина, глюкозы и сахарозы вызвали бы неодинаковое снижение осмотического индекса из-за различий в молекулярном весе. Если используются сахара, то необходимо предусмотреть и достаточное количество воды для их растворения. Было бы предпочтительным в состав суточного рациона включать значительное количество крахмала. Глюкоза выводится с мочой, если ее уровень в крови превышает максимальную реаб- сорбирующую способность почек. Поэтому в суточном рационе питания, построенном на максимальном включении углеводов, должны быть предусмотрены частые приемы пищи. Почечный порог для глицерина ниже, чем для глюкозы, и выведение его с мочой, вероятно, ограничивает его применение как пищевого продукта. Некоторые люди на замещение жиров в пищевом рационе углеводами реагируют отчетливым повышением уровня триглицеридов в сыворотке крови. У здоровых лиц обнаруживается подъем уровня липидов крови только в том случае, если углеводы обеспечивают возмещение около 85% общих энерготрат организма [31]. Эта побочная реакция протекает тяжелее при питании сахарозой, нежели крахмалом. Допустимый уровень углеводов в пищевом рационе для космических полетов. Суточные рационы космонавтов могли бы быть составлены с расчетом на включение в них 85— 90% (по калорийности) обычных углеводов при условии, что при этом не будет допущено гипертонических концентраций углеводов, а также будет изучена переносимость такого рациона в отношении гиперлипидемии, вызванной питанием углеводами. Углеводы оказались бы выгодными в случае, если бы имелась опасность гипоксии, поскольку они требуют наименьшее количество кислорода для своего усвоения [28]. Бесспорно установленного минимального уровня потребности в углеводах не существует, но из осторожности минимальным количеством их следует считать 100 г в сутки. Рекомендованный уровень потребления углеводов в суточном рационе составляет 400—500 г в сутки [1, 15] с преобладающей долей углеводов в виде крахмала. БЕЛКИ Белки состоят примерно из 20 различных аминокислот, девять из них являются незаменимыми в суточном рационе человека. Большая часть белков содержит около 16% азота, главным образом в виде альфа-аминогрупп. Так как организм человека не способен окислять азот, потенциальная энергетическая ценность белков полностью никогда не реализуется. Основной конечный продукт белкового обмена — мочевина — обладает потенциальной энергией в 2,5 ккал на 1 г веса. Минимальная потребность в белках. Белки суточного рациона должны обеспечивать поступление минимальных количеств девяти незаменимых аминокислот и достаточное количество аминного азота для синтеза тех аминокислот, которые содержатся в тканях, но не являются незаменимыми. Эта вторая неспецифическая потребность может быть удовлетворена за счет поступления большего количества незаменимых аминокислот, других аминокислот, мочевины или лимоннокислого аммония. Установлена минимальная потребность в аминокислотах, необходимых для поддержания азотистого баланса у здоровых молодых мужчин. Безопасная величина этого показателя представляет собой удвоенное; количество наибольшего потребления указанных веществ, зафиксированное в проведенных исследованиях [2, 13, 34, 37]. Данные, характеризующие этот показатель для женщин, существенно не отличаются от тех, что установлены для мужчин. Эти показатели суточной потребности (в г/сутки) таковы: триптофан — 0,5, лейцин — 2,2, изолейцин — 1,4, валин — 1,6, треонин — 1,0, лизин — 1,6, ме- тионин (+цистин) — 2,2, фенилаланин (+ти- розин) — 2,2. При применении новых методик в исследованиях девятая аминокислота — ги- стидин — не была признана незаменимой. Однако в ней нуждаются дети и почечные больные при продолжительном соблюдении лечебных диет. Механизмы синтеза этой аминокислоты в организме человека неизвестны, и для длительных сроков диеты гистидин мо-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 23 жет быть отнесен к незаменимым аминокислотам. Потребность в нем оценивается величиной 2,0 г/сутки [2]. Десятая аминокислота — аргинин — может быть синтезирована в организме, но скорость синтеза в ряде случаев могла бы оказаться ограниченной, что, однако, для взрослого мужчины не доказано. Потребность в этой аминокислоте оценивается величиной 6,0 г/сутки [2]. Минимальная потребность в белках больше, чем сумма минимальных потребностей в каждой из девяти незаменимых аминокислот. Общепризнано, что максимальная величина потребления белка в среднем — 0,5 г на 1 кг веса в сутки [34] или около 6 г аминного азота для взрослого мужчины среднего веса. Этот показатель считается обоснованным при условии, что потребность в возмещении энерготрат, а также потребность в других необходимых питательных веществах также удовлетворены и белок не потребляется для синтеза углеводов. Пока нет единого мнения о том, полезно или вредно включение в суточный рацион белковых веществ выше уровня абсолютно минимальной потребности в них, сохраняющего азотистое равновесие. У животных введение более полноценных белков оказывает защитное действие в отношении таких потенциально опасных факторов, как инфекция и действие ряда токсических веществ. Увеличение содержания белков в суточном рационе человека не предупреждает потери белков мышц вследствие гиподинамии и условий пониженной гравитации. Вероятно, разумно предусмотреть в космическом пищевом рационе по крайней мере 50 г белков как минимально безопасный уровень удовлетворения в них суточной потребности организма человека. Максимальная переносимость белковых веществ. До последнего времени не исследовался вопрос о переносимости человеком питания белковыми веществами. Обычно пищевые рационы с высоким содержанием белка не превышали 200—250 г в сутки. Эта величина только вдвое выше уровня нормального потребления белковых продуктов, принятого в СССР и США, и удовлетворяет на одну треть потребности в возмещении энерготрат суточным пищевым рационом. Лица, содержавшиеся на рационе с высокой концентрацией белка, не обнаруживали каких-либо явных патологических отклонений. Однако уровень мочевины в крови у них повышался, а объем мочи и осмотический молекулярный индекс были выше обычных значений из-за повышенного выведения мочевины. Моча содержала больше серы и фосфора. Наблюдалось снижение рН и повышение экскреции мочевой кислоты. Все эти сдвиги были особенно выражены у лиц, находившихся в течение месяца на суточном рационе, покрывавшем 85% расхода энергии организма за счет белков [25, 32]. Процент усвояемости белков не выходил за пределы нормы, и содержание азота в экскрементах пропорционально возрастало до величины около 9 г в сутки. Объем мочи составлял 4—5 л в сутки, и содержание в ней мочевой кислоты и кальция было в 3 раза выше по сравнению с контрольными показателями. В течение всего периода наблюдения в моче определялось наличие кетоновых тел. Таким образом, суточный рацион с высоким содержанием белка вызывал увеличение потерь кальция, повышение энергетических потерь с калом и мочой, увеличенное потребление воды и создавал угрозу образования почечных камней из уратов. Допустимое содержание белков в суточном рационе для космических полетов. Если обеспечение питьевой водой достаточное и в диете содержится значительное количество катионов, то в суточный рацион можно включить до 300 г белка. Объем мочи должен был бы быть большим (2,5—3 л), чтобы обеспечить клиренс мочевины и растворимость мочевой кислоты. Вследствие повышения фильтрационной функции почек и выведения мочи возросла бы и экскреция множества других водорастворимых веществ (витаминов, минеральных веществ). Минимально допустимым количеством суточного потребления белковых продуктов считается 50 г высококачественного белка. Однако при суточном рационе, богатом жирами, концентрация белковых компонентов может быть повышена для предотвращения кетоза и сохранения баланса азота. Оптимальные суточные рационы обеспечивают покрытие 11—-15% общих энерготрат организма за счет белков. Рекомендуемый уровень приемлемого содержания белков в пищевом рационе в США составляет 0,8 г [37] на килограмм веса, что меньше того же показателя, принятого в СССР,— 12—14% от общих энерготрат [2, 13]. Приемлемый уровень содержания белков в суточном рационе в СССР определен как удвоенное значение минимально допустимого потребления белковых веществ, позволяющего компенсировать влияние неблагоприятных факторов внешней сре- Ды [13].
24 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Американские нормы потребления белка определяют более низкую, но достаточно безопасную норму потребления белков здоровым человеком [37]. В нормах СССР подчеркивается, что, по крайней мере, половина белковых продуктов суточного рациона должна быть животного происхождения. Эта величина повышается до 60% для работников умственного труда [13]. Нормы потребления в диапазоне от 55 до 120 г в сутки являются достаточными и для мужчин, и для женщин. Для членов экипажей современных космических кораблей более высокие уровни содержания белка в суточном рационе будут, вероятно, более приемлемыми для обеспечения вкусовых качеств и традиционного режима питания. ПОТРЕБНОСТИ В ВИТАМИНАХ И МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВАХ Минеральные вещества пищи принимают участие в регуляции всех жизненных процессов в организме, а некоторые из них являются также структурными компонентами тканей. Костный скелет состоит из большого количества кальция и фосфора, а хорошо упитанный человек имеет некоторые запасы микроэлементов и жирорастворимых витаминов, хотя большинство этих веществ не запасается в тканях. Симптомы недостаточности микроэлементов появляются через несколько дней, недель или месяцев питания неполноценной пищей в зависимости от характера недостающего компонента. Первые явные признаки недостаточности пищевого рациона — это чаще всего биохимические сдвиги в обменных процессах. Клинические же симптомы появляются значительно позже. Наименьшее количество пищевых элементов, которое предотвращает явные нарушения метаболизма, обычно определяется как минимальная потребность организма в этих веществах. Для некоторых веществ, например таких, как кальций, минимальная потребность не может быть определена указанным способом, так как кальций может вымываться из костных структур скелета для поддержания наиболее важных функций мягких тканей. Биохимических сдвигов при этом не обнаруживается, но скелет может измениться так, что его структуры станут чрезмерно мягкими и хрупкими для нагрузки, создаваемой тяжестью тела. Для пищевых веществ этого класса минимально необходимым количеством является то, при котором сохраняется баланс между количествами веществ, поступающих с пищей и выводящихся из организма. Этот критерий надежен только в том случае, если исходное содержание данного компонента в организме человека было нормальным и при этом не наблюдалось неблагоприятного перераспределения компонента между различными тканями. Всасывание и использование многих пищевых веществ изменяются в зависимости от количества их поступления в организм и наличия в нем соответствующих запасов. Например, железо лучше усваивается теми лицами, у которых его запасы очень малы, а всасывание кальция изменяется в зависимости от содержания его в пище. Некоторые витамины продуцируются кишечными бактериями, одни из которых полезны, а другие нет, так что количество витаминов, определяемое при анализе экскрементов, может оказаться выше количества поступающего в организм в составе пищи, независимо от ее полноценности или тканевых запасов данного питательного вещества (таких, как пантотеновая кислота). По этим и другим соображениям, обычные суточные рационы для здоровых людей считаются наиболее оптимальными для удовлетворения потребностей организма человека в витаминах. Индивидуальные потребности в пищевых веществах внутри однородной группы населения неодинаковы, и изменения условий окружающей среды вносят дополнительные вариации в уровень этих потребностей. Таким образом, рекомендуемое количество пищевых веществ в суточном рационе всегда должно быть выше минимально допустимого, теоретически рассчитанного уровня. В зависимости от точности, с которой определяются минимально допустимые количества изменчивости этого показателя внутри группы населения, а также физиологической значимости данного вещества рекомендуемые нормы его потребления должны иметь надежный запас безопасности [12, 13, 37]. ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ Весовые показатели потребления витаминов чрезвычайно малы, поэтому системы обеспечения жизнедеятельности могут иметь в ре-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 25 зерве достаточные количества нетоксических водорастворимых витаминов. Нормы, рекомендуемые для здоровых взрослых людей в США и СССР, приведены в табл. 4. Они должны в достаточной мере обеспечить и потребности космонавтов, питающихся нормальной пищей. Таблица 4. Рекомендуемые нормы потребления витаминов и минеральных веществ в суточном рационе мужчины весом 70 кг Пищевые вещества Водорастворимые витамины аскорбиновая кислота, мг биотин, мкг холин, г фолацин, мг ниацин, мг пантотеновая кислота, мг рибофлавин, мг тиамин, мг Be, мг Bl2, МКГ Жирорастворимые витамины А, М.Е. Д, М.Е. Е, М.Е. Ki, мг Макроэлементы кальций, г фосфор, г магний, мг натрий, г хлориды, г калий, г Микроэлементы медь, мг хром, мг фтор, мг йод, мкг железо, мг марганец, мг молибден, мг селен, мкг цинк, мг СССР [13] * 75—105 150-300 1,0-1,5*2 1—2*а 20—25 10—12*2 2,4-3,4 1,8-2,5 2,1-2,9 1*2 5000 0 3—9*з до 2*2 0,8 1,2 400—600 4—б*3 5—7*3 2,5—3*3 2*з 2—2,5*з 0,5-1,0 100—200 15 5-10*з 0,5*з 500*8 10—15*з США [37] 45 150—300 0,5-1,0 0;-4 18 10-15 1,6 1,4 2,0 3 5000 0 15 2 0,8 0,8 350 3** 4*4 3-5 *4 2 0,5** 1,0-1,5* 130 10 5 0,25 10 15 • Низкие значения соответствуют профессиям с легким физическим трудом в обычных условиях, высокие — профессиям с наибольшей физической нагрузкой. •* По данным [2]. •» В расчете на суточный рацион в 3000 ккал, по данным А. А. Покровского (1964), см. [2]. *• См. текст. •» Минимальная потребность, по данным Марджина, см. [22]. Потребность в некоторых витаминах изменяется в зависимости от энерготрат, поэтому большие количества будут требоваться для космических полетов с повышенными энергетическими затратами. Потребности в водорастворимых витаминах в мг на 1000 ккал таковы: тиамина 0,5, рибофлавина 0,55 и ниаци- на 6,6. Потребность в витамине В6 возрастает с увеличением поступления в организм человека белка и составляет 2 мг на 100 г последнего. Норму потребления холина можно было бы снизить, но только в том случае, если бы увеличилось потребление незаменимой аминокислоты — метионина, являющегося источником метильных групп. Все эти водорастворимые витамины могут даваться здоровым индивидуумам в дозах, во много раз превышающих потребности, без каких-либо последствий; излишки будут просто выводиться с мочой. Что касается незаменимости ряда водорастворимых витаминов в обычном суточном рационе человека, то мнения ученых неодинаковы. В СССР рекомендуются определенные количества пангамовой кислоты (2,5 мг в сутки), рутина и родственных биофлавоноидов (50 мг в сутки), инозитола (1,0 г в сутки) [2]. В США эти же вещества не считаются незаменимыми компонентами в суточных рационах для взрослых лиц. Однако некоторые флавоноиды (особенно Р-нафтофлавон и кверцетин-пентаметил эфир) являются потенциальными возбудителями микросомальных энзимов, которые устраняют токсичность химических канцерогенов [39], и эти флавоноиды можно рассматривать как фармакологические агенты, применяемые в зараженной атмосфере. Ни один из указанных компонентов не является вредным при рекомендуемых уровнях потребления или поступления их с обычными пищевыми продуктами. ЖИРОРАСТВОРИМЫЕ ВИТАМИНЫ Так как жирорастворимые витамины откладываются в тканях, можно думать, что суточная потребность в них при повседневных рационах питания имеет меньшее значение, чем потребность в других витаминах. Тканевых резервов витамина А хватило бы на несколько недель при недостаточном поступлении этого вещества в организм хорошо упитанного человека. Точно так же нет острой нужды включать в суточный рацион взрослых людей витамин D только потому, что они недостаточно облучаются солнечным светом.
26 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Витамин К синтезируется в организме кишечными бактериями, поэтому симптомы недостаточности его будут отсутствовать до момента, пока не нарушатся процессы всасывания в тонком кишечнике или в организм не будут введены антибиотики. Запасы витамина Е, вероятно, могут расходоваться быстрее других, особенно если в искусственной атмосфере кабины будет повышенное парциальное давление кислорода или суточный пищевой рацион будет чрезмерно богат полиненасыщенными жирными кислотами. Такие ситуации предъявляют к пищевым веществам дополнительное требование — служить неспецифическими антиоксидантами. Поэтому потребность в витамине Е зависит от количества других биологически активных жиров-ан- тиоксидантов, содержащихся в пищевых продуктах (например, БОТ — бутилоксйтолуол, пропилгаллат). Несмотря на перечисленные обстоятельства, для большей безопасности следует включить жирорастворимые витамины в суточные рационы космонавтов по нормам. В противоположность водорастворимым витаминам, чрезмерные дозы некоторых жирорастворимых витаминов из-за потенциальной токсичности недопустимы [37]. Нормальное потребление витамина А не должно превышать 10 000 М.Е. в сутки, хотя кароти- ноидные препараты практически безвредны. При чрезмерном поступлении р-каротина развивается пигментация кожных покровов. Описан даже один случай повреждения печени. Только в самой невероятной обстановке, когда космонавты будут полностью лишены ультрафиолетового облучения в течение долгого времени, понадобятся пищевые добавки витамина D; но в таком случае не следует давать более 400 М.Е. в сутки. Получаемая растительная форма витамина К — фил- локвинон — токсических свойств не имеет, но синтетическая форма этого вещества — менадион — токсична для недоношенных детей. Хотя данных о токсичности менадиона для взрослых лиц не имеется, было бы разумнее использовать лишь естественную форму витамина К. Витамин Е не обнаруживает токсического действия в дозах, в 1000 раз превышающих рекомендуемый уровень потребления; однако от приема повышенных доз витамина Е нет никакой пользы. Вследствие того, что парциальное давление кислорода в атмосфере кабины космического корабля может быть выше, чем в земной атмосфере, и поскольку витамин Е безвреден, все же было бы желательно удвоить рекомендуемый уровень его потребления в питании космонавтов. МИНЕРАЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА Рекомендуемые уровни суточного потребления минеральных веществ представлены в табл. 4, но в вопросе о применимости этих норм в питании космонавтов существует много неясного. Значительная масса кальция в костях непрерывно обновляется, подвергаясь выведению и вновь поступая в костные структуры. У здоровых лиц скорости процессов кальциевого обмена сбалансированы. Любое воздействие, ускоряющее распад костной ткани или замедляющее ее образование, в конечном итоге приведет к деминерализации костного скелета. Материалы исследований гиподинамии с применением постельного режима свидетельствуют о том, что для сохранения прочности длинных костей кальциевый обмен должен быть точно сбалансирован [35]. Стрессовые воздействия также приводят к повышенным потерям этого минерала. У американских космонавтов наблюдалось понижение плотности костной ткани, однако уровень кальция в крови не изменялся. Если этот процесс не купировать, то возникнет опасность образования камней в почках из-за повышенного выведения кальция с мочой и повышается хрупкость костной ткани. Нет оснований думать, что повышенное введение кальция в суточный рацион позволило бы предотвратить деминерализацию, так как этот процесс обусловлен физиологическими механизмами и дополнительное введение кальция может привести лишь к ухудшению состояния человека. Важно, чтобы удовлетворялись рекомендованные нормы потребления этого минерала и чтобы космонавты принимали его во время полета в количестве, которое заведомо будет всасываться и использоваться организмом при обычном режиме питания. Поступление в организм кальция, фосфора и магния должно быть сбалансированным, с коэффициентом Са/Р, равным 1, и с коэффициентом Ca/Mg, равным приблизительно 2. Нормирование электролитов также является сложной проблемой, поскольку влияние факторов космического полета на электролитный баланс и водно-солевой обмен полностью не изучено. Повышение диуреза систематически наблюдается у космонавтов и при исследованиях с применением постельного ре-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 27 жима [35]. В случае гиподинамии развивается сопутствующее осложнение — отрицательный баланс натрия, который не может быть купирован за счет повышенного его поступления в организм. При уменьшении запасов натрия в организме выброс гормонов коры надпочечников (особенно альдостерона) приводит к выраженной задержке натрия в организме и увеличению потерь кальция. Результатом этого является обезвоживание организма и уменьшение объема циркулирующей крови, снижение запасов натрия и калия при нормальном или повышенном значении осмотического индекса в тканевых жидкостях. Хлориды, по-видимому, претерпевают сдвиги, аналогичные нарушению натриевого обмена. Эти сдвиги могут оказаться потенциально опасными для сердечно-сосудистой системы. Чтобы не нарушить регуляторные механизмы, потребление натрия должно составлять не менее 3 г в сутки; по крайней мере, такое же потребление должно быть и для калия. При недостаточном охлаждении тела во время выполнения тяжелой физической работы или работы в условиях повышенной температуры окружающего воздуха возникают дополнительные потери натрия и хлоридов с потовыделением. Для того чтобы компенсировать эти потери, на каждый литр потребляемой свыше номинальных 2,5 л воды вводится дополнительно 1 г натрия. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ Известные микроэлементы, которые должны поступать в организм человека, представлены в табл. 4 в виде ориентировочных норм потребления их в суточном рационе. Суточное потребление с достаточной точностью определено для немногих микроэлементов; к ним относятся железо, йод и цинк. Рекомендованные нормы других микроэлементов рассчитаны в соответствии с вероятным содержанием их в обычном полноценном суточном рационе и экспериментальными данными, полученными на животных. Другими микроэлементами, необходимыми для жизнедеятельности разных видов животных (потребность в них человека еще не доказана), являются алюминий, ваннадий, олово, никель и кремний. Чем дольше человек будет пользоваться в космическом полете полноценным суточным рационом, тем меньше вероятность непредвиденных осложнений вследствие действия еще не изученных факторов питания. Однако создание полноценного суточного рациона питания является сложной задачей для регенеративных систем обеспечения жизнедеятельности. Существует опасность как недостатка, так и избытка указанных элементов в этих условиях. ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА И ВЫДЕЛЕНИЕ УГЛЕКИСЛОТЫ Общее количество потребляемого в сутки кислорода и выделяемой за это время углекислоты зависит в основном от уровня энерготрат и в меньшей мере от состава суточного рациона. Основное потребление кислорода увеличивается по нелинейному закону с увеличением веса тела [4], но главной переменной, определяющей уровень энерготрат, является мышечная деятельность, которая оказывает наибольшее влияние на потребление кислорода [7]. По приблизительным подсчетам известно, что на каждый литр (STPD) потребленного кислорода высвобождается 5 ккал энергии. Суточное потребление кислорода человеком небольшого роста варьирует от 300 л (1500 ккал) в покое до 1000 л (5000 ккал) при тяжелой физической работе [18]. Вследствие различного уровня физической активности в пределах умеренной работы.весовое потребление кислорода для человека весом в 70 кг может изменяться в пределах от 0,5 до 1,0 кг в сутки [2]. В стандартных условиях газовой среды в кабине космического корабля потребление кислорода космонавтами составляет 7,3—7,5 л на 1 кг веса [4]. Однако, учитывая серьезные последствия даже кратковременного воздействия гипоксии, основные расчеты систем обеспечения жизнедеятельности целесообразно проводить исходя из стандартного потребления кислорода 1 кг на человека в сутки [4]. Исходя из нормального значения дыхательного коэффициента RQ можно вычислить количество углекислоты, выделяемой при поглощении кислорода. Так, если величина потребленного кислорода составляет 1000 л в сутки при дыхательном коэффициенте i?(?=0,83, то выделится 830 л углекислоты. Более точные расчеты могут быть сделаны, если учесть состав пищевых веществ, переработанных организмом (см. табл. 3). Например, восполнение энерготрат в 3000 ккал с использованием суточного рациона, содержащего 110 г белка,
28 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 90 г жиров и 418 г углеводов, потребовало бы 633 л кислорода (882 г) и привело бы к образованию 566 л (1122 г) углекислоты; значение дыхательного коэффициента при этом было бы 0,89 [15]. Дополнительные расчеты для более строгих суточных рационов будут приведены ниже, в разделе о конечных продуктах метаболизма человека. ПОТРЕБЛЕНИЕ ВОДЫ РОЛЬ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА Если температура тела преимущественно постоянна, то тепло, продуцируемое в организме в процессе метаболизма, должно рассеиваться. Радиация обычно является наиболее важным каналом теплопотерь, и ее значение повышается весьма значительно при низких температурах внешней среды. Если же температура окружающей среды повышается, роль радиации уменьшается. При температуре около 30° С и умеренной влажности радиация, теплопроводность и конвекция, а также испарение становятся равноценными каналами теплопотерь. При более высоких температурах внешней среды, приближающихся к температуре тела, выведение из организма тепла с испарением становится наиболее важным средством теплопотерь. Если температура окружающего воздуха и температура стен равна или выше температуры тела, то испарение является единственным каналом теплопотерь. БАЛАНС ВОДЫ Количество воды, которое организм должен получить для поддержания константного уровня водонасыщения, изменяется в зависимости от параметров окружающей среды1, общей величины обменной теплопродукции и состава суточного рациона. В GGCP и США в полосе с умеренным клим&тсШ^ Для лиц^ занимающихся легким физичейййм трудом, обычные величины поступления и "выведения жидкостей составляю^1 бколгсг 2,5 л в сутки [6, 8, 9, 22]. При <Шыко^ Щтчлок рационе питания около 1 й-вб^ь? ггойупае'т в организм человека в составе ^йдевйх продуктов. Около 350 мл воды обра|уётйя;лвпроцессе окисления пищевых эне^Ши^ёсжй^ веществ. Эта величина зависи|й¥'койп;Ш^рации каждого из компонентов;! суiobstM районе (см. табл. 3). При обычных пищевых хЪстгавах на каждые 100 ккал энергии, выделяющейся в процессе обмена веществ, образуется около 12 мл воды [9]. Остальная часть ее поступает в организм с жидкими компонентами суточного рациона. В условиях комфортной температуры и при выполнении легкой физической работы количество воды, выводимой с мочой, составляет около 1200 мл в сутки, что почти равно количеству воды, испаряющейся через кожу (700 мл) и легкие (400 мл). При более тяжелой физической работе и повышении теплопродукции в результате обменных процессов количество воды, испаряющейся с потом, возрастает. Теплота парообразования при температуре тела составляет 0,58 ккал на 1 г воды. Таким образом, час тяжелой физической работы (10 ккал в 1 мин.) обычно приводит к дополнительной потере 1 л воды кожной поверхностью тела, что необходимо для рассеивания генерируемого в процессе жизнедеятельности тепла. В этих условиях моча становится более концентрированной, пока не увеличится потребление жидкости. Максимальная концентрационная способность почек у здоровых взрослых людей составляет 1400 миллиосмолей на 1 л, значит минимальный объем экскретируемой организмом мочи, т. е. предельное значение этого механизма сохранения воды, зависит от минеральной нагрузки, включенной в суточный рацион. Минеральная нагрузка связана в основном с потреблением соли и образованием мочевины в результате процессов белкового катаболизма. Суточный рацион, состоящий из 100 г белка, 10 г соли и нормальных количеств других минеральных веществ, вызывает минеральную нагрузку приблизительно в 800 миллиосмолей, что требует для процессов почечной экскреции 600 мл воды. Практически более целесообразно планировать повышенное поступление в организм питьевой воды да восполнение потерь ее с испарением пота, нежели допускать форсирование экскреторной функции почек до максимального значения. Тепло и, что более важно, комбинация работы и тепла могут вызвать значительное повышение потребления воды. Цифры, приведенные в ряде исследований, свидетельствуют, что величина потерь воды с поверхности тела составляет 50 г в час при комфортной температуре (табл. 5). Уровень потовыделе-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 29 Таблица 5. Влаеопотери у мужчин через легкие и кожные покровы в герметически замкнутом помещении [2] Число обследованных лиц в возрасте 19—43 лет Время наблюдения, сутки Средняя температура окружающего воздуха, °С Максимальная температура окружающего воздуха, °С Относительная влажность, % Скорость движения воздуха, м/сек Скорость испарения воды, г/час 3 11 6 6 6 15 30-120 30 15-30 60 6-15 20—23 20—28 25—30 26—28 — — — 32—40 32—32 56—70 45-75 55-80 29-65 35-65 0,05 0,05-1,0 0,05—1,0 0,05-1,0 0,06-1,0 56 45-64 89 104—180 85—108 ния начинает возрастать при повышении температуры выше 25° С. Установлено, что в покое у испытуемых величина потерь воды повышается до 180 г в час за счет потоотделения, когда средняя температура окружающей среды составляет 25—30° С и когда в некоторые периоды она может быть выше [2]. В Средней Азии при работе в летний период на открытом воздухе потребление воды составляет 6—6,5 л в сутки. При высокой температуре окружающего воздуха и интенсивной солнечной радиации, например в пустыне, в зависимости от тяжести рабочей нагрузки, потребление воды может достигнуть 6—11 л в сутки [16]. Испарение воды повышается также при пониженном барометрическом давлении. Зафиксированные потери воды у людей в покое при температуре 18—23° С при ношении скафандра с наддувом и использовании кислородной маски на уровне моря составляют 44 г в 1 час, а на высоте 20 000—35 000 м над уровнем моря —100 г в 1 час. Потери воды возрастают до 211 г в 1 час, если температура воздуха повышается до 37° С. Работа, выполняемая на высоте, приводит к потере 183 г воды в 1 час при более низкой температуре и 300 г в 1 час при более высокой температуре [17]. ДЕФИЦИТ ВОДЫ Тело физически развитого молодого мужчины весом 70 кг содержит 7 кг жировых отложений и 45 кг воды. При потере тканями воды в размере от 4 до 7 л наступает истощение от обезвоживания, которое может привести к невозможности передвигаться, а смерть от обезвоживания наступает, когда потеря воды достигает 10—15 л. Ясно, что возмещение суточных потерь воды играет чрезвычайно важную роль в поддержании жизнедеятельности организма. В случае полного «водного голодания» в условиях комфортной температуры и при оптимальном составе суточного рациона (малое содержание белка, малое количество соли, достаточная калорийность) объем мочи может понизиться до 300 мл в сутки, а выведение воды с экскрементами почти полностью прекращается. При этом испарение через кожные покровы тела постепенно уменьшается. Следовательно, минимальное количество потребляемой человеком воды должно быть не ниже примерно 1400 мл в сутки. Часть этой потребности удовлетворяется за счет непрерывного образования воды в ходе обменных процессов. Однако для поддержания водного баланса на уровне нормального функционирования необходимо поступление не менее 1 л воды извне. При полном «водном голодании» в условиях низкой температуры окружающего воздуха человек может выжить только 10 суток. В противоположность этому, возможность жить без пищи, но при достаточном количестве питьевой воды превышает 40 дней для молодого мужчины, имеющего около 7 кг жировых отложений. Без потребления воды в условиях высокой температуры окружающего воздуха смерть может наступить на первые или вторые сутки. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ НОРМЫ ВОДЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ В СССР для полетов в кабине космического корабля рекомендуемый уровень потребления воды составляет 2200—2500 мл в сутки [4, 15]. При полетах с выходом в открытое космическое пространство в скафандре с наддувом, при 7-часовом пребывании на лунной поверхности уровень энерготрат предположительно возрастет на 1400 ккал в сутки по сравнению с энерготратами космонавта, находящегося в кабине космического корабля. При этом возрастет и потребление воды на ве-
30 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ дичину, определяемую скрытой теплотой парообразования, уровнем влажности и температуры воздуха, скоростью вентиляции, а также барометрическим давлением. При давлении в 1 атм и при температуре воздуха, равной температуре тела, дополнительно потребуется 2500 мл воды, а общее водопо- требление составит в сутки 5 л, независимо от того, будет ли вода приниматься в чистом виде или в составе пищи и напитков. Важно то, что потери воды должны надежно восполняться, т. е. чтобы члены экипажа могли в достаточной мере потреблять жидкости в процессе деятельности и после работы, а также в периоды тепловых воздействий. Избыточное потребление воды большого значения не имеет, за исключением случаев, когда предстоит выполнение тяжелой физической работы в условиях жары, потому что гипофиз и почки регулируют осмотическое давление крови с большой точностью. Избыток воды, поступившей в организм, выводится с мочой в течение 2 или 3 час. с момента потребления. КОНЕЧНЫЕ ПРОДУКТЫ МЕТАБОЛИЗМА Продукты метаболизма выводятся с мочой, фекалиями, выдыхаемым воздухом и потом. Специфические вещества задерживаются или удаляются из организма в той степени, в какой это необходимо для поддержания гомеостаза, при этом вместе со шлаковыми продуктами распада выводятся потенциально полезные вещества. Небольшие количества этих веществ выводятся из организма в виде кишечных газов, волос, ногтей, десквамиро- ванного эпителия кожи, кожного сала, ушной серы, слизи из полости носа и влагалища, слюны, слез, семенной жидкости и менструальных выделений. Уровни потерь этих веществ опубликованы в работах [2, 5, 38]. МОЧА Моча образуется на стадии ультрафильтрации плазмы крови. Вода плазмы и молекулы растворенных в ней веществ величиной не более диаметра очень малых молекул протеина «проталкиваются» через поры клубочко- вых капилляров и поступают в каналец неф- рона. При прохождении гломерулярного фильтрата по канальцам нефрона ряд веществ всасывается обратно в кровь (глюкоза, аминокислоты, вода), тогда как другие (мочевая кислота и аммиак) активно выделяются ка- нальцевым аппаратом нефрона и поступают в первичную мочу. Основной смысл образования мочи заключается в постоянном удалении из крови мочевины и других азотистых продуктов метаболического распада. Другая, не менее важная функция включает регуляцию водно- солевого баланса для поддержания осмотического и кислотно-щелочного равновесия в тканевых жидкостях организма. В моче содержится также множество других компонентов, таких, как гормоны и конечные продукты гормонального обмена. Измерение суточного уровня их экскреции позволяет получить чрезвычайно ценную информацию о физиологических механизмах регуляции организма человека в космическом полете. Хотя моча является очень сложным по своему составу метаболитом, ее основные компоненты, в смысле веса, составляют вода (от 400 мл до нескольких литров), мочевина (30—50 г) и неорганические ионы (10—20 г). При полноценном суточном рационе энергетическая ценность мочи равна 8,6 ккал на 1 г азота. ЭКСКРЕМЕНТЫ Каловые массы состоят из переваренных и непереваренных компонентов суточного пищевого рациона, из веществ, выделяемых в желудочно-кишечном тракте, остатков пищеварительных соков, желчи и клеток слизистой, живых и мертвых микроорганизмов и продуктов их метаболизма. Вес сухого остатка каловых масс в известной степени определяется количеством потребленных пищевых продуктов. Однако в большей мере вес как твердых веществ, так и жидких компонентов фекалий определяется составом пищи. Вес жидких компонентов фекальных масс и содержание в них летучих жирных кислот бывают намного больше при обычном суточном рационе с богатым содержанием углеводов, чем при рационе, богатом жировыми или белковыми пищевыми продуктами [11]. Однако это различие связано скорее с наличием неусвояемых углеводов растительного происхождения, чем с наличием углеводов как таковых. Вес жидких компонентов кала, по данным одного исследования, при суточном рационе, не содержащем клетчатки, составлял 86 ± ± 25 г в сутки при величине сухого остатка
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 31 в 15 ± 2 г. При пищевом рационе с более высоким содержанием неперевариваемых веществ (большей частью высушенных и переработанных пищевых продуктов) аналогичные показатели составили 138 ± 17 г и 41 ± ± 5 г в сутки [24], т. е. соответствовали уровню, характерному для человека, находящегося на обычном суточном рационе [10]. Содержание азота и минеральных веществ в кале космонавтов космического корабля «Джеми- ни-7» при подобном суточном рационе соответствовало тем же значениям, что и при лабораторном исследовании в наземных условиях. Это свидетельствует о том, что процессы пищеварения и всасывания азотсодержащих и минеральных веществ не претерпели сдвигов под влиянием факторов космического полета. Если человек потребляет легкоусвояемые пищевые вещества, то основным компонентом фекальных масс становится вода (100 г) с содержанием 1—1,5 г азота, 4—5 г липидов, 2—3 г солей и очень небольшого количества витаминов и других органических веществ. В обычных условиях энергетическая ценность высушенных органических компонентов фекалий удивительно одинакова, она составляет в среднем 6,2 ккал на 1 г. КИШЕЧНЫЕ ГАЗЫ Другим продуктом метаболизма, который необходимо учитывать, являются кишечные газы. Они образуются из четырех источников: из воздуха, «проглоченного» при приеме пищи; газов, диффундирующих из крови в просвет желудочно-кишечного тракта; пищеварительных соков с большим содержанием бикарбонатов и из газов, которые продуцируются желудочно-кишечными микроорганизмами (углекислота, метан и водород). Эти газы проникают через слизистую оболочку тонкого кишечника. Значительная часть их уносится кровеносным руслом и выводится через легкие с выдыхаемым воздухом. Однако если кишечные бактерии чрезмерно активны,* то большая часть газов выводится через кишечник. В среднем от 7 до 10 л газа в сутки поступает в тонкий кишечник или образуется в нем, но обычно лишь около 0,5 л удаляется через задний проход. ВЫДЕЛЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА Рост клеток кожных покровов организма человека продолжается в течение всего периода его жизнедеятельности довольно равномерно, но у разных лиц с различной скоростью. Эти ткани почти целиком состоят из белка, но суммарная величина потерь белка этим путем невелика [23]. Ряд азотсодержащих и органических веществ, а также микроэлементов теряется в процессе неощутимой перспирации и еще больше при интенсивном потовыделении. Отмечается значительное потребление кислорода и образование углекислоты в потовыделительных участках кожных покровов. Некоторое количество углекислоты выделяется с потом (в противоположность диффузии из поверхностно находящихся кровяных клеток), а кислород может непосредственно поглощаться эпителиальным покровом кожи. Эти газовые компоненты не учитываются при измерении энерготрат косвенными способами в процессе работы. В замкнутой воздушной прослойке, прилегающей к телу человека, определяются и другие микропримеси, вероятно, выводимые из легких, кожи или желудочно-кишечного тракта. Некоторые из них являются веществами бактериального происхождения, другие — продуктами метаболизма организма человека. Уровни экскреции этих веществ (ацетон, бутанол, окись углорода, этиловый спирт, сероводород и другие) составляют величину менее 5 мг в сутки. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС Как свидетельствуют результаты прямой калориметрии с окислением в бомбе, моча и фекалии содержат обычно около 9% поглощенной энергии. Углерод и водород, за исключением указанных выше небольших количеств, участвуют в процессах метаболизма и выводятся из организма в виде углекислого газа и воды. Ориентировочный материальный баланс для рационов различного состава можно рассчитать на основе данных, приведенных в табл. 6. Эти данные весьма приблизительны, поскольку они основаны на питании особыми формами пищевых продуктов, набор продуктов и экскреции упрощены, а минеральные вещества не учитываются. Приведенные величины свидетельствуют, однако, о том, что в зависимости от состава пищи меняется экскретируемое вещество, в котором сохраняется потенциальная энергия. Это весьма важное соображение необходимо учитывать при использовании системы регенерации кислорода, в которой переработке подвергается углекислый газ, а не твердые вещества мочи и фекальных масс.
32 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Таблица 6. Упрощенный и приблизительный баланс вегцеств при метаболизме по белкам, жирам, углеводам Составляющие Казеин в рационе Белок в фекалиях (10%)* Вода* затраченная на гидролиз Усвоение Образовавшаяся моча Образовавшийся сульфат Образовавшийся фосфат Образовавшаяся вода Выход чистой воды Образовавшаяся углекислота Потребленный кислород Энергетическая ценность белков (100 г) Крахмал в рапионе Углеводы в фекалиях (2%) * Вода, затраченная на гидролиз Усвоение Образовавшаяся вода Выход чистой воды Образовавшаяся углекислота Потребленный кислород Энергетическая ценность углеводов (100 г) Триолеин в рационе Жиры в фекалиях (5%) * Вода, затраченная на гидролиз Усвоение Образовавшаяся вода Выделение чистой воды Образовавшаяся углекислота Образовавшийся кислород Энергетическая ценность жиров (100 г) Количество, г Элементы, г С Н Белки 100,00 10,00 11,70 101,70 40,48 1,95 1,97 50,94 39,24 154,09 137,71 53,50 7,13 5,35 0,71 1,31 48,15 7,73 6,10 2,03 5,70 4,39 42,05 Углеводы 100,00 2,00 10,88 108,88 64,98 54,10 159,58 115,69 44,44 6,17 0,89 0,12 1,22 43,55 7,27 7,27 6,05 43,55 Жиры 100,00 5,00 1,93 96,93 102,50 100,57 269,15 274,72 * Коэффициенты перевариваемости плюс неучтенные данные в кишечнике. 77,32 11,84 3,87 0,59 0,22 73,45 11,47 11,47 11,25 73,45 О 22,14 2,21 10,39 30,32 8,13 1,30 1,33 45,23 34,85 112,04 137,71 49,38 0,99 9,66 58,05 57,71 48,05 116,03 115,69 10,84 0,54 1,71 12,01 91,03 89,32 195,70 274,72 15,80 1,58 14,22 14,22 потерь черзз кожу, при потоотделении s 0,72 0,07 0,65 0,65 и при р 0,71 0,07 0,64 0,64 Энергия, ккал 565 56 77 432 420 8 412 945 47 898 газоотделении При условии использования рационов с низким содержанием белка лишь небольшие количества кислорода будут изолироваться в отходах. Однако на каждые 100 г белка в рационе, как следует из данных табл. 6, в моче и фекалиях будет задерживаться 8% кислорода в отличие от менее чем 1% из соответствующего количества углеводов или жиров (рисунок). Во всех случаях примерно 70% кислорода будет находиться в углекислом газе, но при потреблении углеводов или жиров около 30% кислорода экскретируется в виде легко восстанавливаемой метаболической воды, а при потреблении белков — только 22%. Кроме того, углеводы пищи могут явиться полезным резервом кислорода, поскольку они обеспечивают почти 30% необходимого кислорода, тогда как белки дают 14%, а жиры менее 4%. Маловероятно, что любая бортовая система регенерации будет или сможет основываться на совершенном балансе отходов, однако вое-
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ 33 20 40 60 100% |С пищей Из воздуха 'I 1 | С пищей | Из воздуха *Ш С пищей 1ПИ Из воздуха Н,0 Приблизительный баланс кислорода, углерода и водорода при обмене веществ у человека (углерод и водород поступают только с пищей) I — белки, II — углеводы, III — жиры; 1 — поступление кислорода, 2, 3, 4 — выделение кислорода, углерода и водорода соответственно становление мочи будет иметь большее значение при замкнутом круговороте, чем просто при восстановлении атмосферы. При белковом питании около 11% углерода и 28% водорода выводится в виде мочевины с мочой и потом примерно по 10% углерода и водорода—с фекалиями, со слущенным эпителием кожи и волосами. Образование мочи является также основным путем экскреции некоторых минеральных веществ, например натрия и хлора; многие другие минеральные вещества, например кальций, фосфор, магний, калий, цинк, выводятся как с мочой, так и с фекалиями, а некоторые, например железо, — почти целиком с фекалиями. Следовательно, система питания должна подбираться в строгом соответствии с системой переработки отходов и регенерации. ЛИТЕРАТУРА 1. Ахлебинский К. С, Бычков В, П., Ильина А. #., Кондратьев Ю. И., Ушаков А. С, К вопросу обеспечения членов экипажа космического корабля продуктами животного происхождения. В кн.: Проблемы космической биологии, 1. М., Изд-во АН СССР, 1962, 145—151. 2. Бурназян А. И., Нефедов Ю. Г., Ларин В, В., Правецкий В. Н., Хазен И. И. (ред.). Краткий справочник по космической биологии и медицине. М., «Медицина», 1967. 3. Воронин Г. И., Тенин А. М., Фомин А, Г. Физио- лого-гигиеническая оценка систем жизненного обеспечения космических кораблей «Восток» и «Восход». Труды 2-го Междун. симпозиума «Человек в космосе». Париж, 1965. Нью-Йорк, Шпрингер-ферлаг, 1967, 439—445. 4. Воронин Г. И., Поливода А. И, Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей. М., «Машиностроение», 1967. 5. Гефтер Ю. Моча. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 19. М., 1961, 114-132. 6. Гюрджиан А. А. Некоторые вопросы обеспечения условий жизнедеятельности при космическом полете. Успехи соврем, биол., 1961, 51, № 1, 74— 83. 7. Жаров С. Г., Кустов В. В., Серяпин А. Д., Фомин А. Г. Искусственная атмосфера кабин космических кораблей. В кн.: Космическая биология и медицина. М., «Наука», 1966, 285—296. 8 Журавлев И. Водный баланс. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 5. М., 1958, 807—811. 9. Капланский С, Чаговец Р. Водный баланс. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 5. М., 1958, 804—807. 10. Козыревская Г. И., Колоскова Ю. С, Ситникова Н. X., Яздовский В. И. Влагосодержащие отходы человека как продукт для получения основных элементов питания автотрофов. В кн.: Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., «Наука», 1967, 166—170. 11. Михайлова Н. Фекалии. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 11. М., 1959, 1165—1190. 12. Молчанова О. П. Питание. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 24. М., 1962, 496—516. 13. Покровский А. А. К вопросу о потребностях различных групп населения в энергии и основных пищевых веществах. Вестник АМН СССР, 1966, № 10. 14. Сборник важнейших официальных материалов по санитарным и противоэпидемическим вопросам. М., «Медицина», 1953. 15. Сисакян Н. М., Газенко О. Г., Тенин А. М. Проблемы космической биологии. В кн.: Проблемы космической биологии, 1. М., Изд-во АН СССР, 1962, 17—26. 16. Черкинский С. Н., Трахтман Н. М. Вода. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 5. М., 1958, 757—774. 17. Черняков И. Н., Максимов И. В., Ажевский П. Я. Испарение в условиях низкого барометрического давления. Космическая биология и медицина, 1968, № 3, 81—86. 18. Шик Л. Л. Газообмен. Большая мед. энциклопедия, изд. 2-е, т. 6. М., 1958, 215—229. 19. Berry С. A. Summary of medical experience in the Apollo 7 through 11 manned spaceflights. Aerospace Med., 1970, 41: 500—519. 20. Berry C. A., Curtis £. B. Space Radiation and Other Medical Aspects of Space Travel. In: Progress in Atomic Medicine. N. Y., Grune and Strat- ton, 1968, p. 217—264. 21. Burkitt D. P. Some diseases characteristic of mo- 3 Заказ № 1174, т. Ill
34 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ dern western civilization. Brit. Med. J., 1973, 1: 274—278. 22. Calloway D. #., Pace N. (Eds). Life Support Requirements of Astronautics, pt I. Basic Data. Environ. Biol. and Med., 1971, 1, 165-202. 23. Calloway D. H.f Odell A. C. F., Margen S. Sweat and miscellaneous nitrogen losses in human balance studies. J. Nutr., 1971, 101: 775—786. 24. Calloway D. H., Margen S. Physiological Evaluation of the Suitability of Nutrient-Defined Diets for Space-Flight Metabolic Studies. Final Rept Contract NASA 9-3966, 1966. 25. Calloway D. H., Margen S. Human response to diets very high in protein. Federat. Proa, 1968, 27: 725 (Abstr.). 26. Cuthberston D. P. The influence of prolonged muscular rest on metabolism. Biochem. J., 1929, 23: 1328—1345. 27. Kelly G. F., Coons D. 0., Carpenter W. R. Medical aspects of Gemini extravehicular activities. Aerospace Med., 1968, 39: 611-615. 28. King C. G.t Bickerman H. A., Bouvet W., Ear- rer C. J., Oyler J. R., Seitz C. P. Aviation nutrition studies. I. Effects of pre-flight and in-flight meals of varying composition with respect to carbohydrate, protein and fat. Aviation Med., 1945, 16: 69—84. 29. Kleiber M. Fire of Life. Wiley, N. Y., 1961. -30. Lutwak L.f Whedon G. D., Lachance P. A., Reid J. M., Lipscomb H. S. Mineral, electrolyte and nitrogen balance studies of the Gemini-VII fourteen • day orbital space flight. J. Clin. Endocrinol. Me- tabol., 1969, 29: 1140—1156. 31. Macdonald J. Dietary carbohydrates in normoli- pemia. Amer. J. Clin. Nutr., 1967, 20: 191—197. 32. Margen S., Calloway D. H. Effect of high protein intake on urinary calcium magnesium and phosphorus. Federat. Proa, 1968, 27: 726, August (Abstr.). 33. McClellan W. S., DuBois E. F. Clinical calorimetry. XLV. Prolonged meat diets with a study of kidney function and ketosis. J. Biol. Chem., 1930, 87: 651—668. 34. Munro H. N., Allison J. B. (Eds). Mammalian Protein Metabolism, vol. II. Academic Press, N. Y., 1964. 35. Murray R. H., McCally M. (Eds). Hypogravic and Hypodynamic Environments. Rept NASA-SP-269. Washington, D. C, 1971. 36. National Academy of Sciences Food and Nutrition Board. Dietary Fat and Human Health. Publ. 1147. Washington, D. C, 1966. 37. National Academy of Sciences Food and Nutrition Board. Recommended Dietary Allowances. 8th rev. ed. Washington, D. C, 1974. 38. Roth E. M. (Ed.). Compendium for Development of Human Standards in Space Systems Design, vol. III. Rept. NASA CR-1205. Washington, D. C, 1968. 39. Wattenberg L. S. The role of the portal of entry in inhibition of tumorigenesis. Progr. Exp. Tumor Res., 1971, 14: 89—104.
Глава 2 ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ и. г. попов Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова, Ленинград, СССР При подготовке к первым полетам человека в космос проблема обеспечения экипажей космических кораблей пищей и водой была отнесена к числу основных. Трудности разрешения этой проблемы были связаны прежде всего с отсутствием опыта обеспечения такого рода полетов. Моделирование полета в наземных условиях могло дать лишь ориентировочное представление о необходимых человеку количествах пищи и воды во время пребывания в космосе, о специфике формы приема пищи, а также технологии ее приготовления. Существовали различные точки зрения по этим вопросам, в частности по вопросу об особенностях питания и водоснабжения в космосе, связанных с уровнем энергетических затрат в условиях продолжительной невесомости. Одни исследователи предполагали при этом снижение энерготрат и приближение их показателей к уровню основного обмена. Другие, наоборот, предсказывали значительное увеличение энергетических затрат, связанное с увеличением расхода энергии при выполнении движений и рабочих операций. Наконец, третьи считали, что потребности в пище и вода могут быть, в сущности, такими же, как и при умеренной, активности человека на Земле. Правда, что касается питания, то практическое решение задачи обеспечения пищей при первых полетах несколько упрощалось . относительной кратковременностью пребывания космонавтов в условиях невесомости. Предполагалось, что первые непродолжительные орбитальные полеты позволят накопить определенный опыт в области питания космонавтов, приготовления и приема пищи, а также уточнить потребность человека в питательных веществах в своеобразных условиях космического полета. Задачи обеспечения космонавтов достаточным количеством питьевой воды также постоянно находились в центре внимания исследователей СССР и США. Все были согласны в том, что даже при кратковременных полетах недопустимо водное голодание. Более того, запасы воды должны иметь определенные резервы для возмещения непредвиденных водопотерь. В деле обеспечения космонавтов пищей и водой к настоящему времени, несомненно, достигнуты определенные успехи. Исследователи накопили уже большой практический опыт, а также уточнили некоторые теоретические обоснования для построения систем обеспечения экипажей космических кораблей пищей и водой. При этом потребовалось решить многочисленные разнообразные задачи медицинского, биологического и технологического характера, которые не возникали ранее в наземной практике. Были созданы специальные бортовые системы питания и водообеспечения. И все же применительно к задачам длительных и сверхдлительных космических полетов наукой и практикой в обеспечении космонавтов пищей и водой сделаны еще только первые шаги. В частности, обмен веществ человека в условиях длительной невесомости и гипокинезии все еще в достаточной мере не изучен как из-за методических трудностей исследования в полетах, так и вследствие отсутствия практики таких длительных полетов. Существующие и перспективные системы питания и водообеспечения космических кораблей можно условно отнести к трем основным типам: 1. Системы питания и водообеспечения экипажей космических кораблей, основанные на запасах пищи и воды, взятых с Земли. В свою очередь эти системы могут быть подразделены в зависимости от продолжительности полетов на системы, предназначенные для непродолжительных полетов — от 3*
36 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ нескольких часов до нескольких дней; для полетов средней продолжительности — от нескольких дней до нескольких месяцев; для длительных полетов, когда полет корабля может длиться около года и более. 2. Системы питания и водообеспечения смешанного типа, когда космонавты используют как взятые с Земли запасы пищи и воды, так и полученные в результате регенерации и переработки отходов жизнедеятельности человека и отходов технологических процессов других систем корабля. 3. Системы питания и водообеспечения с преимущественным использованием пищи и воды, полученных в результате переработки различных отходов при помощи химических, физических и биологических методов непосредственно в полете. При этом из земных запасов будут использоваться только незначительные добавки (например, витамины, макро- и микроэлементы), которые слишком сложно вырабатывать на борту корабля, в то же время они хорошо хранятся, имеют малый вес и объем. В настоящее время наиболее полно исследованы и испытаны на практике системы питания и водообеспечения первого типа. В зависимости от типа космического корабля и решаемых экипажем задач системы питания и водообеспечения в СССР и в США имели свои конкретные особенности. Поэтому представляется целесообразным прежде всего рассмотреть проблему обеспечения космонавтов пищей и водой в соответствии с историей освоения человеком космоса и практикой все более продолжительных по времени полетов. Создание систем регенерации пищи и воды из отходов в космических кораблях для обеспечения космонавтов в полетах большой продолжительности оказалось весьма сложной проблемой. В обеих странах в этом направлении проводится определенная работа. Уже получены интересные результаты по отдельным звеньям систем восстановления воды и пищи из различных отходов жизнедеятельности человека и технологических процессов разнообразных систем космического корабля. Но в деле создания единой замкнутой системы воспроизводства пищи и воды в полете сделаны лишь первые шаги. Поэтому питание и водоснабжение космонавтов на принципах регенерации — это дело будущего. Данная глава написана на основе материалов, подготовленных учеными США и СССР: Д. Келловей, Н. Пейсом, П. А. Лагансом, М. Смитом, П. Рембо, К. И. Васлайном, Ж. Шапиро, И. У. Клика, М. Клейбером, В. П. Бычковым, И. Г. Поповым, С. В. Чижовым, Ю. Е. Синяком. Всем участвовавшим в подготовке материалов для данной главы автор приносит искреннюю благодарность. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОСМОНАВТОВ ПИЩЕЙ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ ПОЛЕТАХ (корабли «Восток», «Меркурий», «Восход») Система обеспечения космонавтов пищей и водой для кораблей «Восток» и «Восход» (СССР) и «Меркурий» (США) создавалась с учетом выполнения относительно непродолжительных орбитальных полетов: от 1,5 часа до нескольких дней. Однако для обеспечения пищей космонавтов даже в таких кратковременных полетах необходимо было создать системы питания, отвечающие ряду специфических требований. Вся программа питания в полете была максимально упрощена. Основные требования к системе питания для непродолжительных полетов кратко могут быть сформулированы следующим образом. . Рационы питания (суточные или на полет) должны быть адекватны энерготратам космонавтов и полноценны по составу пищевых веществ, необходимых для обеспечения обменных процессов в организме на оптимальном уровне. Продукты, из которых состоит рацион, должны обладать соответствующими вкусовыми качествами. Неусвояемые вещества должны содержаться в продуктах в незначительных количествах. Объем и вес продуктов должны быть минимальными. Пища должна оставаться доброкачественной и безопасной на протяжении всего полета. Должны быть предусмотрены возможность и удобство приема пищи в условиях невесомости. Необходимо использование только продуктов, готовых к употреблению без дополнительной кулинарной обработки, нарезки и, по возможности, без подогрева в полете [30].
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 37 Для непродолжительных полетов, естественно, планировалось обеспечивать корабли бортовыми системами с использованием продуктов, готовых к употреблению. Это позволило, в частности, иметь систему питания из минимального числа элементов: а) набор продуктов на полет или набор суточных рационов питания, б) контейнер для их хранения, в) приспособления, облегчающие приготовление и прием пищи (ключ для отвинчивания бушонов у туб, консервовскрыватель, столовый набор и др.)? г) контейнер для сбора и хранения пищевых остатков и освободившейся от продуктов упаковки. В период подготовки к полетам первых космических кораблей в СССР и США проводились исследования по питанию в условиях, моделирующих режим труда и отдыха космонавтов в кабине летательного аппарата во время полета. Это позводило ориентировочно установить пищевую ценность рационов питания для каждого вида полетов как в отношении необходимой калорийности, так и химического состава рационов. Одновременно оценивались различные виды пищевых продуктов, средства упаковки, хранения и приема пищи в полете. Требования к пищевой ценности суточных рационов питания космонавтов обосновывались с учетом национальных физиологических норм питания. Наиболее близкими применительно к условиям жизнедеятельности космонавтов в кратковременных полетах оказались физиологические нормы питания, рекомендованные для групп населения на Земле, профессия которых не связана с физическим трудом. В Советском Союзе за основу были взяты рекомендации Института питания АМН СССР (1951), согласно которым суточные энергетические затраты этой группы населения находятся в пределах 3000— 3200 ккал/сутки [24]. Нормы питания, принятые для групп населения, уточнялись в процессе экспериментов, проводимых в помещениях малого объема, в баро- и сурдокамерах с участием испытателей-добровольцев и будущих космонавтов [ 30 ]. В результате подобных исследований советскими учеными был сделан вывод, что калорийность суточных рационов космонавтов при первых полетах кораблей «Восток» может быть ограничена 2500—2700 ккал/сутки [30]. Вследствие того, что в алюминиевых тубах при их опоражнивании остается какое- то количество пищи, а также вследствие вариабельности индивидуальных особенностей обмена веществ космонавтов, калорийность суточных рационов было признано целесообразным довести до уровня 2800 ккал/сутки (усвояемых ккал), несколько превышающего уровень средней потребности организма космонавтов. Наиболее рациональным для лучшего усвоения питательных веществ был признан режим питания с приемом пищи 4 раза в сутки и с промежутками между приемами в 4— 5 час. [30]. Соотношение в рационе основных пищевых веществ — белков, жиров и углеводов — было признано целесообразным сохранить в пределах, рекомендованных Институтом питания АМН СССР для лиц, не занятых физическим трудом, т. е. таким, как 1:1:3. В соответствии с этим, суточный рацион космонавтов в первых полетах на кораблях «Восток» содержал около 100 г белка, 118 г жиров и 308 г углеводов. Хотя прямых доказательств опасности гиповитаминозных состояний при кратковременных полетах не имелось, все-таки решено было включить в рацион таблетки с поливитаминным комплексом для профилактики дефицита витаминов в условиях использования консервированных продуктов и предполагаемого повышенного расхода витаминов при воздействии стресс-факторов полета. Поливитаминное драже включало витамины (в мг): С — 100, Р — 50, Bi— 2, В2— 2, В6— 2, РР — 15, пантотеновую кислоту —10, Е (а-то- коферол)—5 [30]. Космонавтам рекомендовалось принимать этот комплекс два раза в сутки. Окончательная предполетная физиолого- гигиеническая оценка рационов питания и приемлемости отдельных видов продуктов после предварительных дегустаций проводилась в процессе тренировочных испытаний будущих космонавтов в баро- и сурдокамерах. При моделировании режима труда и отдыха в полете энергетическая ценность фактически принимаемой пищи в этих экспериментах находилась в пределах 2500—2750 ккал/сутки. Усвояемость пищи оказалась весьма высокой—около 95%. Вкусовые качества пищи, ее приедаемость, а также удобство упаковки были оценены как вполне приемлемые. Биохимические показатели белкового, жирового и углеводного обменов в дни питания при исследованиях мало отличались от фоновых данных. Водно-солевой обмен существенно не изменялся в течение всего периода наблюдений. В наземных экспериментах при нагрузках на вестибулярный аппарат наблюдался повышенный расход витамина Вб (сни-
38 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ жение содержания продуктов обмена пири- доксина в моче). Кроме того, у испытуемых наблюдалась повышенная вестибулярная устойчивость при приеме препаратов В6. Необходимость приема пищи во время полета в условиях невесомости требовала выяснения многих вопросов: не вызовет ли невесомость затруднения акта пережевывания и глотания пищи, останутся ли неизменными вкусовые ощущения, как будут проходить пищеварение и дефекация. На часть этих вопросов ответы в США и СССР были получены во время исследований при полетах самолетов по параболической кривой, когда создавались условия кратковременной невесомости. Было установлено, что глотание хорошо разжеванной пищи и жидкостей в невесомости может, по-видимому, происходить без затруднений [46, 158]. Условия хранения-и использования пищи в кабине космического корабля, не имеющего специального холодильного и кухонного оборудования, предъявляют строгие требования к продуктам питания и их упаковке, а также условиям приема пищи. Пищевые продукты должны сохранять доброкачественность при хранении в кабине корабля, имеющей температуру воздушной среды 20—25° С, что резко ограничивает их ассортимент. Скоропортящиеся свежеприготовленные продукты и готовые блюда, обычно обладающие наиболее высокими вкусовыми качествами, в этих условиях являются малопригодными. Приходится ориентироваться только на устойчивые в хранении продукты, в первую очередь подвергнутые консервированию. Другие ограничения в выборе продуктов и упаковки были связаны с необходимостью использования пищи прямо из упаковки без дополнительной кулинарной обработки или подготовки. Кроме того, было признано недопустимым загрязнение воздушной среды кабины частицами пищи или кусочками упаковки. В условиях невесомости свободно плавающие по кабине частицы пищи могут попадать в дыхательные пути и глаза со всеми нежелательными последствиями. С учетом этих требований в набор продуктов рациона питания для полетов в кораблях «Восток-1» и «Восток-2» были включены только пюреобразные и жидкие продукты, упакованные в алюминиевые тубы и подвергнутые тепловой стерилизации в автоклавах. В каждой тубе содержится около 160 г продукта. Пища из таких туб может приниматься космонавтами непосредственно и без предварительного подогрева. Таким образом, рацион питания космонавтов был составлен из консервированных продуктов в алюминиевых тубах. Набор продуктов включал: а) различные виды пюреобразных консервов — пюре щавелевое с мясом, мясо-овощное, мясное, мясо-крупяное, черносливовое; б) паштеты — мясной и печеночный; в) соки — смородиновый, крыжовенный, сливовый, яблочный; г) сыр шоколадный плавленый; д) шоколадный соус для десерта; е) кофе с молоком. Помимо продуктов в тубах, па борт корабля были заложены также образцы твердых продуктов: кусочки хлеба и копченой колбасы, кондитерские изделия, поливитаминное драже, которые были упакованы под вакуумом в пакеты из синтетической пленки. Это было сделано в интересах проверки возможности приема твердой пищи при полете в условиях невесомости. Продукты питания вместе с ключом для отвинчивая бушонов у туб и пленочным пакетом для сбора освободившейся упаковки и остатков пищи укладывались за сутки до старта корабля в специальный металлический пищевой контейнер. Отверстие контейнера закрывалось клапаном из мягкого, легко отодвигаемого в сторону текстильного материала. Перед полетом в течение двух дней космонавты питались консервированными продуктами в тубах, аналогичными продуктам полетного рациона, с целью некоторой адаптации к новому, своеобразному меню и необычным формам питания. Завтрак в день старта также состоял из пюреобразных и жидких продуктов в тубах [30]. Режим питания в полете предусматривал четырехразовый прием пищи: первый завтрак, второй завтрак, обед и ужин. Полет Ю. А. Гагарина на корабле «Восток-1» продолжался 108 минут (один оборот вокруг Земли). На 30-й минуте полета в соответствии с программой он принял пищу. Его отзыв: «Во время невесомости я ел, пил, и все происходило так же, как и у нас на Земле» [30] —явился не только крайне интересным результатом первого опыта приема человеком пищи в орбитальном полете при невесомости, но и определил перспективу использования разнообразных форм продуктов в условиях последующих космических полетов.
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 39 Во время полета на корабле «Восток-2» космонавтом Г. С. Титовым были получены еще более полные сведения о процессе приема пищи в космосе. За 25 час. полета им была полностью выполнена программа по изучению возможности употребления в невесомости продуктов различной консистенции и формы. Никаких трудностей в приеме испы- тывавшихся образцов пищи космонавт не отмечал [30]. Не было отмечено также изменений во вкусовой чувствительности. Оба космонавта в целом положительно оценили применявшуюся систему питания. Однако в достаточной мере оценить адекватность р»ационов питания потребностям организма космонавтов в этих полетах не представлялось возможным ввиду относительной кратковременности полетов, а также трудностей методического характера. Вес Ю. А. Гагарина перед полетом составлял 69,5 кг (за 4 часа до старта). После полета он незначительно снизился, но полностью восстановился только через 6 суток после полета. Вес Г. С. Титова перед полетом составлял 62,6 кг (за 2,5 часа до старта), а спустя 9 час. 27 мин. после приземления — 60,8 кг. Исходного уровня вес достиг только через 9 суток [30]. Таким образом, у обоих космонавтов отмечалась потеря в весе, но ее причины—дегидратация или недостаточная калорийность пищи — выяснить не представлялось возможным. Подход американских специалистов к обеспечению пищей экипажей кораблей «Меркурий» был во многом аналогичным. Ввиду очень короткого периода первых полетов программа питания космонавтов была по возможности упрощена. За 15 мин. суборбитального полета корабля «Меркурий» космонавты Шепард (15 мая 1961 г.) и Гриссом (21 мая 1962 г.) не принимали пищи совсем. В других полетах пища принималась как для удовлетворения аппетита, так и в испытательных целях. Для кратковременного полета в США первоначально рекомендовалась преимущественно жидкая и пюреобразная пища с общей калорийностью рациона около 2500 ккал/сут- ки [78]. Космонавт Гленн испытал способ приема пюреобразной пищи из эластичных туб. При полете Карпентера попробовали применять твердую пищу (печенье в форме кубиков). Печенье крошилось и крошки летали по кабине. Было сделано заключение о необходимости съедобной пленки для упаковки подобных продуктов [79, 127]. Кроме того, были проведены наблюдения многократных приемов пищи и функционирования желудочно-кишечного тракта во время полетов Гленна (20 февраля 1962 г.), Карпентера (24 мая 1962 г.) и Ширры (3 октября 1962 г.). Эти наблюдения, в дополнение к опытам с 40-секундными периодами невесомости, создаваемой при полетах самолетов по параболической траектории, позволили окончательно снять опасения относительно влияния условий невесомости на процессы глотания и жевания [80]. В 34-часовом полете Купера (15 и 16 мая 1967 г.) прием пищи был, конечно, более необходим. В этом полете предполагалось испытание также регидратируемой пищи, такой, которая позже была принята при разработке программы «Джемини». Калорийность пайка у Купера составляла 2494 ккал/сутки. Паек включал: белков 16%, жиров 41%, углеводов 43% от общей калорийности суточного рациона [103]. Однако вследствие сниженного аппетита из всего пайка он съел только жареное мясо. Калорийность фактически принятой им пищи составила всего 690 ккал [59]. Энерготраты его были определены в 2420 ккал. В результате полета он потерял около 3,4 кг веса [59]. В рацион питания на кораблях «Меркурий» были включены продукты пюреобрайной консистенции, упакованные в алюминиевые тубы, и образцы твердых продуктов. В значительной своей части это были измененные до приемлемых размеров пищевые образцы, разрабатывавшиеся первоначально ВВС для программы исследований космоса. Стерильная пища в алюминиевых тубах с весом порции по 156 г, которой пользовались Гленн, Карпентер и Ширра, была разработана в основном раньше и успешно использовалась в Военно-воздушных силах США летчиками, совершавшими полеты на больших высотах. В набор продуктов, упакованных в алюминиевые тубы типа «зубная паста», входили: полужидкое мясо (говядина и овощи, говядина с соусом) и фрукты (протертые яблоки и персики) [104]. Пища выдавливалась из тубы через поли- стиролевую трубку длиной 8,75 см. Когда лицевая пластина шлема («забрало») в условиях нормального давления в кабине была откинута, пища через трубку попадала непосредственно в рот космонавта. Если же лицевая пластина шлема была опущена, то трубка пропускалась через отверстие для приема пищи и воды в шлеме.
40 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Образцы твердой пищи включали сформованные под давлением кубики или таблетки сухих пищевых смесей. Испытывались 5-граммовые, диаметром 2,5 см, таблетки молока, обработанные солодом, а также кубики таких пищевых продуктов, как смесь хлебных злаков и высушенных вымораживанием (сублимация) фруктов, покрытых желатиной или содержащих незначительное количество влаги; печеные продукты — хлебный и фруктовый кексы, покрытые приятной на вкус и усвояемой оболочкой. При полетах на «Меркурии» специального отделения для хранения продуктов питания не было, и они помещались в верхней части «мешка для мелочей». Для прикрепления отдельных упаковок с продуктами к стенкам и другим свободным поверхностям использовались кусочки VELCRO (самоприклеивающийся пластический материал, изготовленный Velcro Corp. США). Пищевые продукты при полете космонавта Купера были упакованы в контейнер МА-9, предусматривающий возможность регидрата- ции пищи. Контейнер представлял собой двухслойную оболочку из полиэтилен-полиэстер-полиэтилена (внутренний слой) и дублированной пленки из фторгалоуглерода с полиэтиленом (наружный слой). Для введения воды и извлечения пищи в контейнер была завальцована трубка из спрессованного полиэтилена. При практическом использовании этого контейнера в полете имели место случаи утечки содержимого во время приема ре- гидратированной пищи [129]. Фторгалоуглеродно-полиэтиленовые материалы были использованы также при изготовлении эластичных деталей для упаковки твердых продуктов. Например, кубики пищи извлекались из контейнера при помощи вытягивающейся петли, изготовленной из полиэтилена. Вода для восстановления пищи хранилась в специальном баке и подавалась по мере надобности под напором, создаваемым нагнетанием воздуха баллоном от сфигмоманомет- ра, используемого для измерения кровяного давления в полете. Успешные испытания различных продуктовых форм и системы питания в первых полетах позволили в дальнейшем улучшить питание космонавтов путем расширения ассортимента продуктов суточного меню за счет включения в рацион разнообразных пищевых продуктов и готовых блюд обычной плотной консистенции. В рацион космонавтов А. Г. Николаева и П. Р. Поповича, совершавших полеты на кораблях «Восток-3» и «Восток-4», были включены, помимо пюреобразных и жидких продуктов в алюминиевых тубах, разнообразные мясные блюда — котлеты, мясо жареное, телятина жареная, куриное филе, язык говяжий и др., а также пирожки с килькой, сандвичи с паюсной и кетовой икрой, кусочки спинки воблы, кондитерские и хлебные изделия, свежие фрукты — апельсины, лимоны, яблоки. С целью облегчения приема и предотвращения загрязнения воздушной среды кабины частицами пищи все продукты приготовлялись в виде порций «на один укус» [31]. В поливитаминный комплекс были дополнительно включены витамины В12, фолиевая кислота и увеличенная доза витамина В6 [31]. Включение в пищевой рацион скоропортящихся продуктов потребовало принятия целого ряда мер с целью удлинения сроков сохранения доброкачественности пищевых продуктов. Изготовление и упаковка продуктов проводились при строгом выполнении правил асептики и под бактериологическим контролем. После кулинарной обработки и подготовки продукты упаковывались в пакеты из целлофан-полиэтиленовой пленки, которые при вакуумировании герметически запечатывались. Наборы продуктов на один прием пищи упаковывались в общий сборный пакет из такой же пленки. Суточный рацион питания был разделен на четыре приема: завтрак первый, завтрак второй, обед и ужин. По программе полета промежутки между приемами пищи не должны были превышать 4—5 час. [31]. Неоднократные наземные испытания такого рациона в условиях с моделированием жизнедеятельности космонавтов в кабине корабля показали, что разработанный набор продуктов по своим вкусовым качествам, разнообразию блюд, ощущению сытости, удобству приема пищи вполне приемлем для непродолжительных полетов. Он менее отличался от привычной пищи по сравнению с рационом, состоявшим из одних пюреобразных и жидких продуктов в тубах и был положительно оценен космонавтами сначала на Земле, а затем в реальных полетах. При полетах кораблей «Восток-3» и «Восток-4» космонавты А. Г. Николаев и П. Р. Попович обеспечивались рационом питания на трое суток. Калорийность и химический состав этих рационов приведены в табл. 1. Хотя по-прежнему считалось, что калорийность
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 41 Таблица 1. Калорийность (в ккал) и химический состав (в г) рационов питания космонавтов А. Г. Николаева и П. Р. Поповича при полетах на кораблях «Восток-3» и «Восток-4» Режим питания Первый день полета Завтрак первый Завтрак второй Обед Ужин Всего за день Второй день полета Завтрак первый Завтрак второй Обед Ужин Всего за день Третий день полета Завтрак первый Завтрак второй Обед Ужин Всего за день Калорийность 706 560 707 507 2480 732 592 1011 511 2846 526 617 701 411 2255 Белки 44,6 13,1 39,7 8,8 106,2 48,5 39,7 48,0 10,7 146,9 19,3 13,5 49,9 21,9 104,6 Жиры 25,1 16,8 26,1 10,0 78,0 24,6 20,1 49,0 18,1 111,8 18,4 14,8 14,0 17,1 64,3 Углеводы 75,8 85,2 73,8 90,7 325,5 73,7 59,5 87,0 72,9 293,1 67,9 102,3 89,2 39,6 299,0 рациона должна быть около 2800 ккал на сутки полета, калорийность пищи первого и второго дня полетов была снижена с учетом возможности дополнительного завтрака перед вылетом и очередного приема пищи на Земле после завершения полета [31]. За время полета (А. Г. Николаев был в полете 94 час. 22 мин., П. Р. Попович — 70 час. 57 мин.) аппетит у космонавтов был нормальным. Процесс разжевывания и глотания проходил без затруднений. Система питания в целом была оценена космонавтами положительно. Вес А. Г. Николаева спустя 8 час. после завершения полета был меньше предполетного на 1,8 кг. Спустя 12 дней он все еще полностью не восстановился. Вес П. Р. Поповича через 8 час. 30 мин. после приземления уменьшился по сравнению с предполетным на 2,1 кг. Однако спустя 24 часа (утром очередного дня) дефицит веса составил всего около 0,8 кг. Таким образом, у обоих космонавтов вес за полет снижался, причем у П. Р. Поповича была отмечена более высокая потеря веса, хотя летал он на целые сутки меньше. На основании имевшихся данных нельзя было дать точное заключение о том, чем вызвана потеря веса — процессом дегидратации или дефицитом калорийности пищи. Быстрый процесс восстановления веса у П. Р. Поповича свидетельствует скорее о преобладании влияния процессов дегидратации. Анализ регенеративного вещества и осушителя из системы кондиционирования после полета позволяет сделать вывод, что с, поверхности кожи и через дыхательные пути A. Г. Николаев выделял в среднем 40,0 г/час воды, а П. Р. Попович — 47 г/час [31]. Приведенные данные свидетельствуют о том, что экстраренальные потери воды были на обычном для комфортных условий уровне. Следовательно, дегидратационные потери, если они имели место, происходили, по- видимому, преимущественно за счет повышенного диуреза. Рацион питания космонавтов на кораблях «Восток-5» и «Восток-6» был составлен в основном из таких же твердых продуктов в пленочных пакетах и продуктов в тубах, что и при полетах на кораблях «Восток-3» и «Восток-4». В пищевые рацпоны первых дней включали больше скоропортящихся продуктов, чем в рационы последних дней полета. От момента изготовления до укладки продуктов в бортовой пищевой контейнер (за несколько часов до старта) пища хранилась в холодильнике. Продуктовый набор рационов первого дня полета и режим питания приведены в табл. 2. Космонавты заблаговременно были ознакомлены с продуктами рациона, что позволило учесть их индивидуальные вкусы. Суточный рацион питания космонавта B. Ф. Быковского («Восток-5») содержал в среднем около 2526 ккал; белков —105 г, жиров — 78 г, углеводов — 330 г. Однако на протяжении полета пищевая ценность его рациона изменялась. В первый день полета калорийность пищи составляла 1670 ккал, а в последний — около 2500 ккал. Снижение калорийности рациона в первый и последний дни полета было признано допустимым с учетом возможности приема пищи перед вылетом и сразу после его завершения [13]. Суточный рацион космонавта В. В. Терешковой (В. В. Николаевой-Терешковой) на корабле «Восток-6» в среднем за полет имел калорийность около 2529 ккал и содержал белков — 120 г, жиров — 85 г, углеводов — 305 г [13]. Режим питания в полете предусматривал два раза в день прием таблетки (драже), содержащей витамины в (мг): С — 100, Р — 50, Bi— 2, В2— 2, РР — 15, Be— 2, Е (а-токофе- рол) — 50, пантотеновую кислоту — 10.
42 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Таблица 2. Продуктовый набор рационов и режим питания первого дня полетов на кораблях «Восток-5% и «Восток-6» Режим питания Продукты, входящие в рацион Завтрак первый «Восток-5» * Завтрак Сандвичи с кетовой икрой первый Кофе с молоком (в тубе) Лимон свежий, ломтиками Поливитаминное драже Завтрак Ростбиф кусочками (в пакете) второй Хлеб пшеничный Яблоко свежее, нарезанное дольками Карамель мятная Обед Язык жареный, кусочками (в пакете) Хлеб пшеничный Апельсин свежий, очищенный Поливитаминное драже Ужин Филе куриное, кусочками (в пакете) Хлеб пшеничный Пирожки с фруктовой начинкой Пюре из чернослива (в тубе) «Восток-6» ** Котлеты мясные, порциями «на один укус» (в пакете) Сандвичп с паюсной икрой Хлеб пшеничный Лимон свежий, ломтиками Кофе с молоком (в тубе) Поливитаминное драже Завтрак Пирожки с килькой и яйцом второй Карбонат кусочками (в пакете) Хлеб пшеничный Сок черносмородиновый (в тубе) Яблоко свежее, нарезанное дольками Обед Творожная масса (в тубе) Язык жареный, кусочками (в пакете) Хлеб пшеничный Сок вишневый (в тубе) Апельсин свежий, очищенный Поливитаминное драже Ужин Карбонат кусочками (в пакете) Хлеб пшеничный Пирожки с рисом и яйцом Пирожки с фруктовой начинкой Пюре из чернослива (в тубе) * Космонавт В. Ф. Быковский. ** Космонавт В. В. Терешкова. Утром в день старта космонавты получали на Земле завтрак, аналогичный по набору продуктов завтраку второго дня. Во время полета космонавты принимали пищу в основном в соответствии с программой полета. Аппетит у В. Ф. Быковского оставался хорошим, а у В. В. Терешковой был снижен, поэтому продукты были ею использованы не полностью. Сама она отмечала отсутствие аппетита, особенно на сладкие блюда, так как они вызывали подташнивание. Оба космонавта дали положительную оценку рациону питания и упаковке продуктов [13]. Вес В. Ф. Быковского через сутки после завершения полета, который продолжался 119 час, оставался все еще на 2,4 кг меньше исходного. Через сутки после полета, продолжавшегося 71 час, дефицит веса у В. В. Терешковой составлял 1,9 кг. Таким образом, более длительный полет сопровождался более высокой потерей веса, несмотря на полное использование пищевого рациона. Анализ регенеративного вещества и осушителя показал, что выведение влаги в полете экстраренальным путем у космонавтов сохранялось на невысоком уровне: у В. Ф. Быковского 33,2 г/час, у В. В. Терешковой 23 г/час. С учетом данных о сохранении в полете температурных условий в зоне комфорта можно заключить, что дегидратационные процессы осуществлялись, по-видимому, через усиленный диурез. Такому заключению не противоречит факт снижения выведения хлоридов с мочой у В. Ф. Быковского с 15,0 г/сутки (до полета) до 5,0 г/сутки в первый день и 4,2 г/сутки во второй день после полета, так как' предполетный рацион был значительно богаче хлоридами [13]. Продолжительность полета многоместного корабля «Восход-1» планировалась на срок около 24 час. Наличие в кабине сравнительно большого пищевого контейнера позволило обеспечить космонавтов пищевыми рационами, более чем достаточными для покрытия энерготрат. Общая калорийность пищи, принятой за 24 часа 17 мин. полета каждым из космонавтов (В. М. Комаровым, К. П. Феоктистовым, Б. Б. Егоровым), составила около 3600 ккал. Рацион за полет содержал около 150 г белков, 130 г жиров и 430 г углеводов. Всего с витаминными таблетками космонавты получили следующее количество витаминов: С 300 мг, Р 150 мг, Bi, B2, В6 и фолиевой кислоты по 6 мг, РР 45 мг, пантотеновой кислоты 30 мг, Е 75 мг, Bi2150 мкг (за три приема). В рацион входили продукты тех же видов, что и при
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 43 полетах «Восток-3—6», но их ассортимент был расширен. По оценке космонавтов, количество пищи на каждый прием и на весь полет было достаточным. Аппетит сохранялся на удовлетворительном уровне. Космонавты в полете почти не испытывали жажды, но сразу после приземления двое из них, пившие меньше, К. П. Феоктистов и Б. Б. Егоров, почувствовали сильную жажду и вынуждены были прибегнуть к использованию водных запасов корабля. По приблизительным подсчетам, космонавты выпили за полет всего по 0,2—0,6 л воды. С пищей они получили 1,2 л воды [2]. За период между предполетным и послеполетным обследованиями (за 33 ч. 50 мин.) вес у всех космонавтов снизился: у В. М. Комарова на 1,9 кг, К. П. Феоктистова на 2,9 кг, Б. Б. Егорова на 3,0 кг. Анализ водного баланса космонавтов позволяет сделать заключение о недостаточном восполнении потерь воды во время полета. Потери веса у космонавтов в данном полете происходили, по-видимому, почти исключительно за счет дегидратации, так как высокая энергетическая ценность пищевого рациона делает маловероятной потерю веса вследствие дефицита калорийности пищи. Наличие определенной дегидратации организма после полета было подтверждено также результатами пробы с водной нагрузкой, при которой выведение воды было явно замедленным. Отличительной чертой дегидратации организма, развивающейся в условиях полета, являлось отсутствие у космонавтов выраженной жажды. После полета у советских космонавтов отмечалось несколько повышенное выведение с мо^ой продуктов азотистого обмена [33]. Некоторые авторы склонны объяснять это явление состоянием стресса под воздействием факторов полета [14, 42]. Кроме того, нельзя исключить также роль изменения диеты, так как в некоторых случаях космонавты во время полета получали больше белков с пищей, чем до полета. Уровень выведения азота у членов экипажа «Восход-1» сразу после приземления соответствовал высокой норме белка в полетном рационе [2]. Зарегистрированные во время отдельных этапов полета изменения ряда физиологических функций (частота пульса и дыхания и др.) свидетельствуют о явлениях стресса. Но в какой мере этот стресс отразился на обмене веществ, остается неясным. После полета «Восхода-1» у космонавтов было отмечено небольшое повышение холестерина крови. Но в то же время в течение трех суток после полета в моче не отмечалось увеличения 17-ок- сикортикостероидов, 17-кетостероидов, адреналина, калия, креатинина, мочевой кислоты, хлора и натрия [2]. После полета у космонавтов было обнаружено некоторое снижение в моче показателей обмена витаминов В4, В2, Вв и PP. Предположение о повышенном расходе В6 связывалось с воздействием невесомости на вестибулярный аппарат. Однако оценка обеспеченности организма космонавтов в полете витаминами была осложнена тем, что в период обследования после полета космонавты не получали! витаминных препаратов. При полете корабля «Восход-2» применялась та же система питания, что и на корабле «Восход-1» [2, 33]. Космонавты положительно отзывались о системе питания. Однако ввиду посадки в отдаленном районе оценка их пищевого статуса, т. е. состояния человека, определяемого характером питания, не была проведена сразу после полета. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОСМОНАВТОВ ПИЩЕЙ ПРИ ПОЛЕТАХ СРЕДНЕЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ (корабли «Джемини», «Аполлон», «Союз») Основной вариант полетов кораблей типа «Джемини» планировался на срок 14 дней. Относительно продолжительный срок полетов требовал рационального питания. Необходимо было совместить питательную адекватность пищи и ее приемлемость с жесткими требованиями в отношении веса и объема. Нужна была также надежная и удобная упаковка. Ставилась задача стандартизации продуктов и процессов их изготовления, а также материалов и конструкций контейнеров для пищи. Были введены обязательные показатели: качество пищи, критерии органолептиче- ских свойств и срок годности продуктов, склонность жиров к прогорканию, содержание в продуктах влаги, физические характеристики и микробиологические требования. Разрабатывались оптимальные сочетания образцов пищи. Эта работа началась по заданию НАСА с осени 1963 г. Анализ содержания коммерческих и экспериментальных формул диет показал, что наи-
44 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ более стабильным и перспективным элементом для использования в космическом полете являются натуральные продукты специального приготовления, особенно если они высушены для последующего восстановления. Испытания во время полетов по проекту для корабля «Меркурий» позволили определить приемлемые рецепты приготовления в космосе такой пищи и оценить ее качество. Поэтому дальнейшая работа продолжалась в направлении варьирования пищевого рациона, но в пределах «определенной диеты питания» [72]. Было принято решение обратить особое внимание на калорийность пищи, содержание воды, белков и кальция в пищевом рационе. Рекомендации Совета по пище и питанию NAC/NRC [82] были приняты как основополагающие, а результаты исследований Серджента и Джонсона [139] и Келло- вей [58] физиологического обоснования рационов в лечебном питании были использованы для установления критерия «минимума» и соотношения белков, жиров и углеводов. С целью уточнения биологической ценности и безопасности космических рационов для здоровья в двух различных лабораториях были предприняты соответствующие исследования с участием людей. Опытное питание прототипами космической пищи завершилось хорошими результатами [60, 147, 148]. В дальнейшем ВВС США были проведены исследования в высотных полетах с использованием различных меню из образцов космической пищи, а также с использованием диет, составленных по экспериментальным формулам [155, 166]. В связи с перспективой использования обезвоженной пищи, требующей восстановления водой, в США была проведена большая работа по созданию системы регидратации пищи. Разрабатывалось несколько образцов устройств для регидратации пищевых продуктов, после чего было решено создать единое устройство для регидратации пищи и приема питьевой воды. Большое внимание было уделено разработке в контейнерах с обезвоженной пищей «системы открывающегося клапана», обеспечивающей безопасность ее регидратации. Для повышения надежности в отношении прочности пришлось клапан, вставленный в муфту, вводить в специальный карман из пленки. Этот проект имел показатель надежности около 95%. Недостатком его являлась необходимость скрепления нагреванием многих слоев Таблица 3. Типовое меню экипажей «Джемини» и «Аполлон» Первый день Четвертый день Пищевой набор А Яблочное пюре* Сахарные хлопья * Квадратики бекона ** (8)*** Тосты с корицей ** (6) Какао * Апельсиновый наппток* Пищевой набор Б Говядина с овощами* Спагетти с мясом * Сандвич с сыром** (6) Абрикосовый пудинг* Хлебцы с имбирем ** (6) Пищевой набор В Гороховый суп * Салат из тунца* Тосты с корицей** (6) Фруктовый кекс** (4) Ананасно-грейпфрутовый напиток * Общая калорийность- 2514 ккал Чистый вес пищи — 580,60 г Пищевой набор А Персики * Кубики печенья с земляникой** (6) Пирожки с сосисками* Тосты с корицей** (6) Апельсиновый напиток* Грейпфрутовый напиток* Пищевой набор Б Картофельный суп* Куриный салат* Сандвичи с говяди- пой** (6) Пудинг из муки грубого помола * Чай* Пищевой набор В Смесь из креветок* Говядина с подливкой * Кукуруза (типа сливок) * Кубики хлебных тостов** (6) Ананасный кекс ** (4) Апельсино-грейпфруто- вый напиток * Общая калорийность — 2533 ккал Чистый вес пищи — 558,50 г * Регидратируемые пищевые продукты. ** Продукты, готовые к употреблению. *** В скобках указано число кусочков твердой пищи в пакете на один прием. пластика в каждой точке. Образующийся при этом канал по ходу введения клапана уменьшал сопротивление материала контейнера на разрыв. Включение клапана в конструкцию контейнера с сохранением основных размеров и конфигурации последнего позволяло увеличить прочность контейнера. Однако и в этом случае при повторных пробах на разрыв примерно 50% контейнеров выбраковывалось вследствие разрушения материала. Система обеспечения пищей космонавтов на «Джемини» и первых кораблях типа «Аполлон» предназначалась для обслуживания двух или трех человек на период до 14 дней и более в случае необходимости.
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 45 Меню включало лиофилизированные и другого вида обезвоженные или содержащие мало воды продукты. Некоторые из них были сформованы под давлением. В табл. 3 приведены компоненты меню для экипажей «Дже- мини» и «Аполлона». Типичное меню суточного рациона состояло примерно на 50% из регидратируемых продуктов. Остальные 50% представляли собой твердые продукты, регидратируемые в полости рта. Такие твердые продукты могли употребляться во время планового приема пищи (завтрак, обед, ужин), в период, когда регидратируемые продукты еще находятся в стадии приготовления, или в качестве закуски между основными приемами пищи. При проведении исследований по программе обитаемой Орбитальной лаборатории USAF была изучена возможность изменения соотношения количества регидратируемой и твердой пищи с 50:50 на 33:67 с целью уменьшения веса упаковки, времени на питание и повышения лабильности режима питания [154]. На кораблях «Джемини» и в лунном отсеке «Аполлона» регпдратируемые продукты восстанавливались водой с температурой 21,1—26,7° С, т. е. при температуре воздуха кабины и без специального подогрева. Восстановление продуктов занимало 10 мин. и менее. В командном отсеке корабля «Аполлон» имелась холодная (7,2—12,8° С) и горячая (45,0—50,6° С) вода. Приемлемость регидратируемой пищи значительно повышалась по сравнению с обезвоженными продуктами независимо даже от того, применялась ли холодная или горячая вода. Применение шкалы оценки приемлемости пищи из девяти пунктов [135] показало, что использование воды, температура которой может устанавливаться по желанию, повышает показатели оценки на целый пункт. Ассортимент имеющихся продуктов позволял планировать четырехдневный цикл меню из 3—4 приемов пищи в день или некоторых комбинаций основных приемов пищи и закусок. Для обеспечения полетов «Джемини» калорийность меню была установлена в 2500 ккал в день. Для программы с высадкой на поверхность Луны калорийность меню членов экипажа «Аполлона» была повышена до 2800—3000 ккал на человека в день. В типичном меню 17% калорий поступало за счет белков, 33 % — жиров и 50 % — углеводов. О содержании неорганических веществ в пище космонавтов можно сделать лишь самые общие выводы, но их дефицита пока не наблюдалось. Раньше в США существовала рекомендация по введению в ежедневный паек космонавтов таблетки поливитаминов для обеспечения рекомендаций NAS/NRC по дневному рациону. Однако в силу того, что в рационах экипажа «Джемини» и «Аполлона» использовались натуральные продукты и длительность полета ограничивалась 14 днями, в пищевые рационы эти препараты не были включены. В то же время, по мнению Лаганса [107], обеспечение поливитаминными препаратами космонавтов необходимо, так как пищевой статус и индивидуальные потребности членов экипажа, а также влияние космического полета на пищевые потребности не изучались. Кроме того, существует вероятность анорексии, малого и нерегулярного потребления пищи. Использование плотной, твердой пищи, обычно высококалорийной и содержащей мало белка, позволяло регулировать калорийность рациона и уменьшать или не изменять во время приема пищи количество продуктов, требующих длительных манипуляций, связанных с регидратацией. Формулы и процессы приготовления всех видов пищи для космических полетов описаны в «Руководстве по производству прототипов пищи для космоса» [107], которое используется промышленностью. Кроме того, во многих работах описаны различные вопросы технологии космической пищи, которые здесь приводить нет необходимости [95, 104, 105, 108, 129]. В табл. 4, 5 приведены типичные пищевые композиции и пищевая ценность ежедневного меню экипажей «Джемини» и «Аполлона». Основные усилия были сосредоточены на получении нескольких пищевых рационов, которые могут служить основой обеспечения пищей нескольких полетов. Изменения рационов, однако, неизбежны вследствие непрерывного создания продуктов с улучшенными свойствами. В настоящее время становится все более очевидным, что пищевой состав рациона космонавтов не может стать действительно адекватным без систематического изучения не только пищи, но и пищевого статуса космонавтов в моделируемых и реальных условиях космического полета. Так, исследования, проведенные при полетах «Джемини-5» и «Джемини-7» с эритроцитами, меченными 14СТ
46 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Таблица 4. Типовые наборы продуктов для отдельных приемов пищи Набор А Фруктовый коктейль* Квадратики бекона (8) ** Земляничные кубики (8) Какао ** Апельсиновый напиток* Набор Б Куриный салат* Говядина с овощами * Пудинг из муки грубого помола** Фруктовый кекс (6) Ананасно-грейпфрутовый напиток * Набор В Говядина тушеная * Картофельный салат* Кубики из сладких печеных продуктов (8) Грейпфрутовый напиток * * Регидратируемые пищевые продукты. ** В скобках указано число кусочков твердой пищи в пакете на один прием. установили, что у трех космонавтов из четверых время жизни красных кровяных телец было укороченным [81]. Это предполагает существование гемолитического состояния. Во время полета последних трех кораблей «Джемини» у нескольких космонавтов было обнаружено значительное снижение содержания витамина Е в плазме. Это обусловило повышенный интерес к изучению содержания и роли витаминов и минеральных веществ в пище космонавтов. Создаваемые для полетов в космосе пищевые продукты пока отстают по своим свойствам и качествам от уровня продуктов «домашнего приготовления». В связи с тем, что пища должна полностью использоваться космонавтами в полете, большое внимание было уделено качеству прототипов пищи космонавтов [140]. Продукты для космонавтов подвергались тщательной органолептической оценке при лабораторном хранении и в условиях имитации обстановки полета в космосе [128]. В трех 12-дневных исследованиях с участием 12 испытуемых в контролируемых условиях среды диета, составленная из дегидратированных и твердых продуктов, показала себя практически равной по органолеп- тическим качествам диете, состоящей из свежих, консервированных и печеных пищевых продуктов [147]. Для всех пищевых продуктов были установлены общие требования НАСА по гарантии надежности и качества [98]. Эти требования были строже, чем для коммерческих пищевых продуктов. При этом учитывалось, что общие технические требования, предъявляемые обычно к инженерным конструкциям, не могут быть безоговорочно применимы к таким биологическим объектам, как пищевые продукты. В оценку пищи космонавтов были включены общие микробиологические показатели санитарной практики с ориентировкой на обнаружение обычных наиболее патогенных пищевых микроорганизмов [63, 74]. Исследований на грибки и вирусы не проводили, учитывая, что малое содержание воды и контроль за ее содержанием в готовых продуктах и их ингредиентах сводили к минимуму грибковые заражения. Для предотвращения развития микроорганизмов в остатках регидратированной пищи, складируемых как пищевые отходы, были предложены однограммовые таблетки из 8-гидрохинолинсульфата, которые вводились непосредственно в пленочные контейнеры с пищевыми остатками. Бактериальные посевы из наугад выбранных контейнеров (пленочных пакетов) с корабля «Джемини» после окончания полета показали высокую эффективность этого бак- териостатического препарата. Большое внимание было уделено упаковочным средствам. Для выполнения требования Таблица 5. Пищевая ценность ежедневного меню экипажей «Джемини» и «Аполлона» * Набор продуктов Энергия, Белки, Жиры, г Углеводы, г Зола, Са, мг Р, мг Fe, мг Na, мг К, мг Mg, мг NaCl, г А Б В Всего за * Режим день питания 759 1123 911 2793 28,5 45,2 28,7 102,4 предусматривал 25,4 42,0 32,4 99,8 трехразовый 106,4 140,0 125,7 372,1 прием 7, 6, 7, 21, ПИЩИ 0 8 3 1 в 176 505 486 1168 сутки 342 712 592 1646 (см. табл. 3,3 4,8 4,9 13,0 4). 1659 1526 1916 5101 818 863 1047 2728 64,3 89,5 95,3 249,1 4, з, з, 11, 30 05. 94 29
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 47 о недопустимости увеличения объема пищевых пленочных контейнеров при экспозиции в вакууме с давлением в 25 мм рт. ст. все пищевые продукты упаковывались в вакууме под давлением 10±2 мм рт. ст. После предварительных исследований было решено использовать четырехслойный пластический материал. Он состоит пз 2,2 мм внутреннего и 1,0 мм внешнего слоев полиэтилена и средних слоев из 2 мм фторгалоуг- лерода и 0,75 мм полистирола. На «Джеми- ни» пища упаковывалась в многослойную пленку, состоящую из слоев 1 мм полиэтилена, 0,34 мм алюминиевой фольги, 1 мм нейлона и 2 мм полиэтилена. Для «Аполлона» вместо фольги была предложена прозрачная пленка с высокой температурой воспламенения. Дневной паек упакованной пищи космонавта по программе «Джемини» весил 725,7 г и занимал объем 2131 см3. Дневной паек с калорийностью 2800 ккал весил примерно 850,5 г и имел объем 2393 см3. Загрузку контейнеров пищей проводили в ночь перед предполагаемым полетом. В целях выдерживания последовательности меню и облегчения доста- вания пищи продукты располагались в определенном порядке, связывались шнурком и метились ярлыками с указанием вида пищи и меню. В большинстве космических полетов пища упаковывалась в порядке, соответствующем меню, согласованному с обоими членами экипажа. Индивидуальные пищевые контейнеры помечались на «Джемини» черными и белыми квадратиками VELCRO, а на «Аполлоне» — красными, белыми и голубыми. Режим приема пищи и время, необходимое для этого, документировались экипажем в бортовом журнале и сообщались на Землю по радио. Пищевые продукты, оставшиеся неиспользованными во время полета, подсчитыва- лись для определения общего количества съеденной пищи. Потребление экипажем пищи на «Джеми- ни-4, 5 и 7» приведено в табл. 6. Оно рассчитывалось на основе данных расхода пищи и ряда аналитических показателей пищевой ценности [109]. Остатки пищи в регидратационных контейнерах могут достигать 20% (в увлажненном состоянии). Это необходимо учитывать при оценке фактического питания космонавтов на основании расчетов по количеству съеденных продуктов. Потребление пищи на «Джемини-4 и 7» было наибольшим, но явно недостаточным. В по- Таблица 6, Потребление пищи на «Джемини-4, 5 и 7» (1965 г.) Распределение пищи за сутки , * Энергетич екая ценность щи, ккал и Белки а- к Кальц и 3 Хлори «Джемини-4». 5—7 июня. 4 дня 0 час. 56 мин. Содержалось в рационе 2549 108,9 847 10,35 Потреблено: Уайтом Мак Дивиттом 2230 89,2 739 7,96 2066 90,7 676 8,17 «Джемини-5». 21—29 августа. 7 дней 22 часа 55 мин. Содержалось в рационе 2755 96,4 849 10,29 Потреблено: Купером Ю75 41,9 373 4,70 Конрадом 915 35,8 333 4,06 «Джемини-7». 4—18 декабря. 13 дней 18 час. 35 мин. Содержалось в рационе 2333 90,2 1194 8,70 Потреблено: Борманом 1774 67,6 945 6,66 Ловеллом 1804 68,3 922 6,88 лете «Джемини-4» потеря веса командира корабля составляла 2,0 кг, а пилота — 3,9 кг. Соответственно на «Джемини-7» потери веса составляли 4,5 и 2,9 кг. Во время полета «Джемини-5» было потреблено очень мало пищи, что было отнесено за счет анорексии у космонавтов. Заметное подавление аппетита наблюдалось у обоих членов экипажа в последние дни полета. За период 8 дней командир корабля потерял в весе 3,3 кг и пилот — 3,9 кг. Потеря веса тела у космонавтов наблюдалась во всех космических полетах американских и советских кораблей. По мнению некоторых авторов, уменьшение веса не связано с длительностью полета и количеством потребляемой пищи, а является следствием дегидратации и увеличения перспирации [164]. Истинная причина потери веса, возможно, кроется в увеличении диуреза как специфическом результате невесомости. Однако есть основания предполагать, что при решении этой проблемы необходимо учитывать и величины потребления воды и пищи. Космонавты, которые выполняли операции, связанные с физической нагрузкой, теряли в весе больше, чем командир корабля. Работа в гермокостюме также сопровождалась большими потерями веса.
48 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Недостаточность питания в количественном отношении за время полета может быть рассчитана по показателям потребления пищи и величины СО2, адсорбируемой гидроокисью лития в специальных канистрах. На «Джемини-5» на калорический дефицит приходилось около половины потери веса космонавтов. Для внесения ясности в указанные вопросы необходимо осуществлять измерения массы тела во время полета. Для профилактики деминерализации костей и поддержания кальциевого равновесия в фруктовые соки пищевых рационов некоторых экипажей добавлялся лактат кальция, что позволило повысить величину приема кальция до требуемого уровня — около 950 мг/день у космонавтов «Джемини-7» [118, 167]. Основные положения системы обеспечения пищей по программе «Аполлон» были приняты как основа для системы питания для Орбитальной лаборатории человека USAF [154]. На кораблях «Союз» не предусматривалось устройств для регенерации воды. Поэтому было признано целесообразным комплектовать пищевые рационы преимущественно из консервированных натуральных необезвожен- ных продуктов. Количество обезвоженных брикетированных продуктов было сведено до минимума. На основании опыта питания космонавтов на кораблях «Восток» и «Восход» в суточные рационы питания были включены продукты, оправдавшие себя в полетах: пюреобразные супы в алюминиевых тубах — борщ, щи зеленые, суп харчо, а также крем из творога с фруктами и напитки — кофе, какао. В специальной емкости хранился черносмородиновый сок. Члены экипажа корабля «Союз-9» и последующих кораблей могли употреблять супы и напитки в горячем виде, после подогрева туб в специальном подогревателе [10]. Для более надежного сохранения доброкачественности мясные продукты приготавливались в виде традиционных консервов в жестяных банках в довольно большом ассортименте: антрекот, карбонат, мясо куриное, язык говяжий, телятина, ветчина, свинина рубленая с яйцом, фарш колбасный, паштеты печеночный и мясной (вес нетто 100 г). В такой же упаковке в рацион был включен про- стерилизованный плавленый сыр «Российский» [10]. В качестве хлебных изделий в рацион были включены различные виды принятого в СССР хлеба: «Столовый», «Бородинский», «Рижский». Хлебные изделия выпекались в форме небольших буханочек «на один укус» и упаковывались в пакеты из полиэтиленовой пленки. Кондитерские изделия в рационе были представлены коврижкой медовой, шоколадом тугоплавким, помадкой фруктовой, черносливом с орехами. Как и в первых полетах, в качестве «закусочного» блюда в рацион была включена вобла в виде кусочков спинки, очищенной от костей. Часть продуктов упаковывалась в пакеты под вакуумом. Ежедневно, два раза в день, космонавты должны были принимать поливитаминное драже, содержащее витамины: А — 3300 ИЕ, Bt— 2,58 мг, В2— 2 мг, В6— 3 мг, Bt2— 12 мкг, С — 75 мг, Е — 10 мг, никотинамид — 20 мг, фолиевую кислоту — 0,5 мг, пантотенат кальция — 3 мг, рутин — 10 мг [10]. Рацион был составлен по трехдневному меню с четырехразовым приемом пищи в сутки. Ниже приводится перечень продуктов одного из дневных рационов. Завтрак первый: карбонат 100 г (консервы), хлеб «Бородинский» 50 г, шоколадные конфеты с ореховым пралине 50 г, кофе с молоком 150 г, сок черносмородиновый 128 г (из емкости). Завтрак второй: язык говяжий 100 г (консервы), хлеб «Рижский» 50 г, чернослив с орехами 60 г. Обед: вобла 15 г, борщ 165 г (в тубе), телятина 100 г (консервы), хлеб «Столовый» 50 г, печенье сдобное 40 г, сок черносмородиновый 128 г (из емкости). Ужин: крем из творога с черносмородиновым пюре 165 г (в тубе), цукаты 50 г, сок черносмородиновый 128 г (из емкости). Вес суточного рациона без упаковки составлял около 1460 г. Суточный рацион имел калорийность около 2803 ккал и содержал белков 139 г, жиров 88 г, углеводов 345 г, воды 853—950 мл. Соотношение основных пищевых веществ в процентах от общей калорийности рациона сохранялось в пределах: белков 20, жиров 30 и углеводов 50. Рацион был сбалансирован по незаменимым аминокислотам и содержал минеральные вещества в соответствии с общефизиологическими нормами, принятыми в СССР. Дневной рацион распределялся по приемам пищи следующим образом: завтрак первый 26%, завтрак второй 21%, обед 30%, ужин 23% общей калорийности [10]. В процессе проведения наземных исследований усвояемость пищевых веществ была довольно высокой: по белкам 90%, жирам 97%, углеводам 96%, калорийности 95%.
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 49 Во время полета продукты, входящие в состав рациона, получили хорошую оценку по органолептическим показателям. По энергетической ценности и содержанию питательных веществ рацион в основном соответствовал потребностям организма [10]. ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОДУКТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ В РЕЗУЛЬТАТЕ ВОСПРОИЗВОДСТВА ПИЩИ В ПОЛЕТЕ Одно из основных отличий длительных космических полетов от кратковременных и полетов средней продолжительности будет состоять в том, что все или почти все компоненты жизнеобеспечения экипажей, в том числе и пища, должны, воспроизводиться на борту корабля [9, 38, 40, 41, 134]. С этой целью на космическом корабле должен быть создан круговорот, в котором отходы жизнедеятельности человека и биокомплекса либо разлагаются до воды, углекислого газа и минеральных элементов, с последующим их синтезированием в пищевые вещества, либо перерабатываются в биологических системах, которые могут использовать непосредственно мочу и другие отходы сложного состава. Воспроизводство пищи в полете в настоящее время предполагается осуществлять путем создания на самом корабле круговорота веществ: 1) на основе физико-химических процессов или 2) при помощи биологических методов. Несомненно, что возможно и соответствующее сочетание физико-химических и биологических методов воспроизводства пищи. ВОСПРОИЗВОДСТВО ПИЩИ НА ОСНОВЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ Один из возможных способов регенерации пищи из конечных продуктов обмена веществ человека включает использование только физико-химических методов, без привлечения каких бы то ни было биологических процессов. В идеальных условиях продукты обмена и выделения человека (углекислота, водяные пары, моча, фекалии, волосы и др.) должны превращаться в пищевые продукты и вещества, из которых могут строиться достаточно питательные, сбалансированные по составу и приемлемые по вкусу рационы питания. Следовательно, процесс регенерации должен носить характер полностью закрытого и сбалансированного цикла «пища — отходы — пища». Однако многие питательные вещества и пищевые продукты имеют чрезвычайно сложный химический состав, что делает их синтез весьма трудной задачей. Поэтому в на- 4 Заказ № 1174, т. III стоящее время основное внимание ученых сосредоточено на синтезе как можно большего числа отдельных более простых питательных веществ. Проблема может быть решена, например, путем обеспечения регенерации возможно большего числа питательных веществ из минимального числа химических материалов, получаемых из отходов, при одновременном обеспечении экипажа корабля запасом важных для организма, но невоспроизводимых из-за их сложности химических соединений, таких, как белки, витамины. Исходными материалами для синтеза значительного числа питательных веществ должны служить конечные продукты обмена веществ членов экипажа, содержащие углекислоту и воду. Конечными продуктами обмена веществ, составляющими более чем 90% веса потребляемой пищи и жидкости, являются именно эти два вещества. Следовательно, превращение только углекислоты и воды в пищевые продукты должно охватывать около 90% массы закрытого цикла кругооборота пищевых веществ. Основными преимуществами физико-химических методов воспроизводства пищи являются: высокая калорийность образуемых веществ при малом их весе и объеме; хорошая усвояемость веществ и легкость приготовления из них пищи; возможность автоматического управления и контроля протекания технологических процессов; относительная независимость физико-химических процессов от таких существенных факторов космических полетов, как невесомость, ионизирующая радиация и др. Однако этот путь воспроизводства пищи на современном уровне знаний и техники пока трудно претворить в жизнь в полном объеме. Лишь в будущем, когда будет создана соответствующая автоматическая аппаратура для осуществления всех технологических процессов и вес ее будет меньшим, чем вес требуемых для полета запасов пищи, такой путь воспроизводства пищи может оказаться вполне оправданным и приемлемым по многим показателям [11, 38]. В качестве варианта питания продуктами физико-химического синтеза А. Тейлором
50 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Таблица 7. Один из вариантов рациона питания на основе продуктов физико-химического синтеза (по данным А. Тейлора) Компоненты синтетической пищи Аминокислоты Углеводы Жиры Итого 131,2 455,0 138,3 724,5 528 1820 1155 3503 4 4 9 — 15 52 33 100 предложен следующий рацион на срок до 6 месяцев (табл. 7). Синтетическим продуктам питания могут быть приданы желаемые вкус и запах при помощи специальных пищевых добавок или дополнительной обработки. Порошкообразные вещества при помощи крахмала, агар-агара и синтетических полимерных соединений могут быть превращены в студни, желе, кисели, более удобные для использования. Клинические исследования при экспериментальном питании жидкой пищей из смеси сбалансированных аминокислот, глюкозы, солей ненасыщенных жирных кислот, полного набора витаминов и минеральных солей при калорийности рациона 2700 ккал/сутки не выявили неблагоприятных физиологических сдвигов в организме или токсического действия. В процессе синтеза прежде всего должны воссоздаваться углеводы, жиры и белки. Так как углеводы являются основным компонентом нормальной диеты, обеспечивая более 50% общей калорийности рациона, то основной упор в исследованиях по физико-химическому синтезу пищи для космических полетов в. настоящее, время делается именно на эту категорию веществ [34, 142]. Но изучаются, конечно, также возможности разработки методов химического синтеза жиров и белков. В настоящее время наиболее реальным признается осуществление синтеза моносоединений — углеводов (глюкозы), жирных кислот, аминокислот. Углеводы Разработка методов синтеза углеводов имеет уже относительно большую историю. Внимание к поиску путей синтеза углеводов еще более возросло в связи с перспективой длительных полетов, так как в рационе космонавтов углеводы обеспечивают не менее 50% общей калорийности. Создание надежных малоэнергоемких методов синтеза углеводов в полете, очевидно, позволит значительно снизить стартовый вес кораблей и объем систем жизнеобеспечения. Пути синтеза сахаропо- добных веществ были намечены А. М. Бутлеровым, который еще в 1861 г. получил впервые смесь моносахаридов из открытого им же формальдегида [57]. Эта смесь содержала в основном оптически неактивные гексозы, которым Леов [112] дал название «формоза». G тех пор очищенную сложную смесь продуктов самоконденсации формальдегида стали называть «формозные сахара». В смеси формозных Сахаров имеется большое количество Сахаров, состав которых изменяется в зависимости от условий реакции. Так, например, длительное добавление в 2%-ный водный раствор формальдегида углекислого кальция приводит к образованию заметных количеств пентозы и арабинозы [77, 113]. В смеси определяли присутствие также dZ-фруктозы, dZ-глюкозы, дендрокетозы, а при менее энергичном протекании реакции обнаруживали, кроме того, гликольальдегиды, гли- цероальдегиды и дигидрооксиацетон [25, 77, ИЗ, 116]. Более полно смесь формозных Сахаров была проанализирована Акерлофом и Митче- лом [49], которые определили количественные характеристики отдельных компонентов на хроматограмме (табл. 8). Гексозы составляли большую часть определенных ими веществ. Разделение смеси формозных Сахаров при помощи газожидкостной хроматографии показало, что она еще более сложна, чем пред- Таблица 8. Состав формозной смеси [49] Процент к весу смеси Вероятное вещество 0,4 1,1 1,8 3,2 2,5 6,5 17,2 16,5 17,5 16,8 8,5 4,4 <2 Гликольальдегид Глицероальдегид Дегидрооксиацетон Эритроза, треоза, эритулоза Ксилулоза Рибоза, дендрокетоза Ксилоза Фруктоза, манноза Сорбоза, арабиноза Глюкоза Галактоза Неидентифицированный сахар А-Гептулоза
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 51 полагали раньше. Только около одной трети из 30—40 компонентов смеси было идентифицировано. При введении неочищенных формозных Сахаров в диету крыс в количестве 30—50% от общего количества еды животные потребляли меньшие количества пищи, теряли вес, у них развивалась диаррея, и в конечном счете они погибали [49]. В качестве токсичных компонентов смеси были выделены при помощи хроматографии на целлюлозе три основные фракции смеси формозных Сахаров. Был сделан вывод, что токсические свойства смеси обязаны присутствию формальдегида. Однако в специальных опытах, когда крысам давали формозу, полностью очищенную от формальдегида, у них обнаруживались те же самые симптомы, хотя они и; погибали несколько позже [142]. Складывается впечатление, что токсичность формозы объясняется скорее присутствием специфических углеводных компонентов или компонентов смеси. Формозная смесь содержит эквимолярные количества всех стереоизомеров, включая нефизиологические Z-изомеры обычных Сахаров пищи. Вполне возможно, что они являются причиной наблюдаемой токсичности формозных Сахаров. Поскольку искусственные углеводы представляют собой сиропообразную смесь, состоящую наряду с пентозами и гексозами также из низших Сахаров, муравьиной кислоты и некоторых других неидентифицированных соединений, то большой проблемой является очистка и выделение необходимых для организма человека моносахаридов. Биологическая оценка синтетических моносахаридов, очищенных при помощи методов осаждения, фильтрации и сорбционной очистки на ионообменных смолах и активированных углях, показала отсутствие токсического эффекта у искусственных углеводов, полученных из формальдегида в присутствии Са(ОН)2 [39]. Искусственные углеводы могут быть также использованы в средах для выращивания клеток и культур тканей высших растений [8]. В этом случае отпадает необходимость в разделении смеси на отдельные моносахариды. Клетки и ткани высших растений, выращенных на синтетических углеводах, могли бы быть использованы в пищу непосредственно человеком или животными. Формозные сахара образуются из формальдегида в результате начальной реакции,-приводящей к образованию гликоальдегида, и последующей серии альдольных конденсаций. Катализирует эту реакцию широкий круг веществ: гидроокись кальция; почти все окиси щелочно-земельных элементов и их гидроокиси; окислы свинца, меди, цинка и железа [141]. Имеются сообщения, посвященные кинетике этой реакции. Оказалось, что почти 80% продуктов превращений формальдегида в гомогенной системе представлены гликоальде- гидом, триозами и тетрозами. Каждое из этих веществ является катализатором и реагентом [165]. Соотношение скоростей их образования может быть выражено формулой rf[A + A + A1 = да ^ + m + Aa + m^ X [Л2 + Лз + Л4].[Са (ОВД, где At—Л4— концентрация веществ, содержащих различное число атомов углерода — 1, 2, 3, 4; концентрация выражается в молях, а время (t) в минутах. Исходными продуктами для воспроизводства углеводов в условиях космического полета являются углекислый газ, выдыхаемый человеком или образующийся в результате минерализации (сжигания) отходов, а также водород, получаемый в результате электролиза воды, регенерируемой из конденсата атмосферной влаги или мочи. Физико-химический синтез Сахаров непосредственно из неорганических соединений СО2 и Н2 (или Н2О) до настоящего времени еще не осуществлен, несмотря на значительный объем работ, выполненных в этом направлении. Наиболее перспективным способом воспроизводства углеводов из продуктов жизнедеятельности человека, по-видимому, является синтез, осуществляемый через ряд промежуточных реакций в виде непрерывного процесса. В качестве одного из вариантов была разработана система, в которой смесь реагентов —1,5 М раствора формальдегида и 0,15 М раствора гидроокиси кальция — пропускалась со скоростью 4 мл/мин через пятиметровую спираль при температуре 60°. Вытекающая из спирали смесь обрабатывалась углекислотой, фильтровалась, деионизи- ровалась и сгущалась выпариванием под низким давлением. Этот аппарат способен вырабатывать около 7,5 г/час формозных Сахаров [49]. Позже усовершенствование аппарата и условий протекания реакций позволило повысить синтез формозы до 110 г/час. Разработаны также принципиальные схемы постадийного физико-химического получения моносахаридов [34]. Основные стадии этих 4*
52 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ схем: окисление продуктов жизнедеятельности человека до углекислого газа, получение формальдегида и конденсация последнего в сахаре. Наиболее перспективными схемами получения моносахаридов представляются следующие [35]: О2, MnO2, CuO Н2, Ni, Ru 1. Отходы - ! атм> 350° С * С°2 180-300° С, 1 атм NO,O3 ->СШ >СН2О ЮО ~н 700° С, 1 атм С(ОН)2 37° С, 1 атм •>■ моносахариды. Ш, эл. разряд Н2, эл. разряд 2. Отходы -> СО2 мо > СО >- или С при 700° С --> СН2О —> моносахариды. 3. Отходы -> СО2 —> С12, Си2С12 Са (ОН)2 ■>• СНзОН -> 1 атм, 350° С Ag, Си ~* 1а«,700*<Г ^^моносахариды. Н2, ZnO, Сг2Оз 4. Отходы-СО, 1атМ|зоооС' СНз0Н- —> СН2О —> моносахариды. Первая из представленных выше схем физико-химического получения углеводов может быть осуществлена при атмосферном давлении и должна быть построена на основе следующих химических процессов: а) окисление (минерализация) продуктов жизнедеятельности человека с целью получения СО2; б) гидрирование СО2, образующегося в результате минерализации отходов жизнедеятельности или выдыхаемого человеком, до стадии метана; в) окисление метана до формальдегида; г) конденсация формальдегида в углеводы. Первая стадия — минерализация — осуществляется при помощи окислительно-каталитического метода [27, 36], метода мокрого сжигания либо высокотемпературного окисления. Наиболее приемлемым, по-видимому, является окислительно-каталитический метод, поскольку процесс окисления происходит при сравнительно мягких условиях: давлении 1 атм, температуре окисления 350—400° С. Предложены два перспективных варианта каталитического метода [36, 27]. Первый заключается в окислении продуктов жизнедеятельности, подаваемых непосредственно на поверхность гетерогенного катализатора. Второй метод основан на предварительном пиролизе с последующим окислением газообразных летучих соединений. Углекислота, образующаяся в результате минерализации отходов, легко гидрируется до СН4 при атмосферном давлении и температуре 180—200° С при помощи никелевого или рутениевого катализатора. Метан может быть окислен в СН2О различными путями. Одним из уже разработанных методов является окисление СН4 в присутствии окислов азота при атмосферном давлении п температуре 700° С. Окислы азота могут быть получены из мочевины мочи человека. Мочевина при этом разлагается на NH3 и СО2 под влиянием уреазы или термическим путем при t= 105°С и давлении в 1 атм. Образующийся аммиак при £=600° С окисляется в присутствии катализаторов до окислов азота [5, 39]. Оптимальной концентрацией NO в смеси является 0,01% при давлении в 1 атм и £=680-700°С [40]. Окисление NH3 и СН4 являются экзотермическими процессами и выделяемая при этом теплота реакции может быть использована. Наибольшую трудность представляет реакция конденсации формальдегида в сахаре. Было показано, что наиболее оптимальным катализатором конденсации формальдегида в углеводы является Са(ОН)2 [3, 26, 35]. Скорость реакции конденсации формальдегида в углеводы зависит от концентрации катализатора, формальдегида и органического соката- лизатора, причем оптимальным соотношением Са(ОН)2 и СН2О является 1:2. При этом реакция носит автокаталитический характер. Получаемая по приведенной схеме смесь сахароподобных веществ состоит из различных моносахаридов-рацематов. Хроматогра- фический анализ синтетических углеводов показал, что в смеси присутствует до 10 и более моносахаридов, преимущественно пентоз и гексоз [39]. Некоторыми американскими авторами также был сделан вывод, что метод превращения углекислоты в метан в реакции с водородом с последующим частичным окислением до формальдегида является наиболее перспективным [143]. Выбор этих методов основывается на: 1) соответствующих термодинамических показателях, 2) протекании процессов при низких давлениях, 3) возможности проведения реакций в газовой среде и 4) потенциальной возможности извлечения конечного
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 53 продукта в виде осадка. Первая ступень процесса: восстановление углекислоты с водородом — хорошо известная и разработанная реакция. Частичное окисление метана является трудноконтролируемой реакцией [53, 54]. Однако изучение катализаторов показало, что использование газообразной окиси азота в присутствии тетрабората натрия на фарфоровой подложке обеспечивает хорошее протекание реакции и контроль над ней [53, 54]. В настоящее время уже создана циклическая система регенерации, включающая два реактора. Первый обеспечивает реакции по синтезу метана, а во втором происходит реакция частичного окисления. В этой системе достигается почти 100%-ное превращение углекислоты в формальдегид при очень небольших затратах энергии. Система может работать в условиях отсутствия гравитации. Конечный продукт выдается в виде раствора в воде или в виде осадка параформальдегида. Глицерин, пропиленгликоль и этиловый спирт Глицерин обычно присутствует в пище как компонент жиров; пропиленгликоль является компонентом фосфолипидов пищи, а этиловый спирт (этанол) в небольших количествах содержится в некоторых видах пищевых продуктов и в значительных — в спиртных напитках. Организм человека способен утилизировать их в обмене веществ аналогично углеводам, но очень чувствителен к приему их в значительных количествах. В известных исследованиях Джонсона и сотр. [102] было показано: а) крысы нормально росли, получая диету, содержащую глицерин в количестве 41 % общего веса пищи в течение 40 недель; б) вредные физиологические явления у крыс и собак при приеме глицерина отсутствовали; в) 15 испытуемых лиц потребляли глицерин по 110 г в день в течение 50 дней без видимых отрицательных явлений. Результаты более поздних исследований пищевой пригодности глицерина для человека позволяют считать его желательным источником углеводов для больных сахарным диабетом [73, 86]. Здоровые и больные люди хорошо переносят прием глицерина в количествах до 300 г в день. В связи с изучением проблемы применения регенерируемых продуктов в качестве основной части диеты проводились исследования по определению максимальных количеств глицерина и триацетина, которые могут быть введены в диету крыс без отрицательного влияния на их рост. Максимальное содержание глицерина и триацетина в диете, при которой наблюдался хороший рост животных, составляло 40 и 30% соответственно. При диете, содержащей 60% любого из двух веществ, крысы погибали в течение нескольких недель. Когда диета содержала 40% глицерина и 30% триацетина, т. е. суммарно они составляли 70% диеты, крысы чувствовали себя хорошо [142]. Это позволило сделать интересное заключение, что обмен обоих веществ идет различными путями. Пропиленгликоль хорошо переносится животными в значительных количествах. Однако при длительном содержании крыс на диете с 30% пропиленгликоля у них были найдены дегенеративные изменения в почках. Эти, а также другие неблагоприятные явления заметно ослаблялись или полностью отсутствовали при содержании в диете пропиленгликоля в количестве 20% или менее [89]. Собаки, которые в-течение 9 месяцев пили 5%-ный раствор пропиленгликоля, чувствовали себя хорошо и прибавляли в весе. В печени и почках у них не отмечалось патологических изменений [157]. Средний суточный прием пропиленгликоля составлял 5,1 см3/кг веса тела. В пересчете на 70 кг веса тела человека это должно соответствовать объему пищевых веществ с калорийностью более 2000 ккал/день. Пропиленгликоль входит в норме в состав тканей животных. Доказано наличие его в ткани мозга, печени и почек в виде фосфатных соединений [114]. Влиянию на организм потребления этилового спирта и его метаболитов посвящено много исследований. При этом многие изменения, отмечаемые у человека под его влиянием, зарегистрированы в исследованиях, проведенных у людей, принимавших значительные количества этилового спирта, которые вызывают тяжелую или среднюю степень интоксикации. В то же время этиловый спирт в определенных условиях, по-видимому, может служить поставщиком значительного количества энергии, не вызывая при этом функциональных или физиологических нарушений. Скорость метаболизма этилового спирта составляет 10—25 мг на 100 мл крови в час [99]. Для человека весом в 70 кг можно ожидать увеличения содержания этилового спирта в крови до 15 мг на 100 мл крови после приема 7 г спирта. Этот уровень спирта в крови не является интоксицирующим. Человек способен использовать в процессе обмена
54 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 100—200 мг/кг-час [99]. Следовательно, для человека весом в 70 кг нижняя граница приема алкоголя, который может полностью утилизироваться в обмене веществ, составляет 7 г/час. Таким образом, при ограничении скорости и количества приема спирта приведенными выше параметрами он может обеспечивать получение около 50 ккал/час без нарушения метаболизма или нежелательных фармакологических эффектов. Жиры Разработка синтеза жиров для питания проводилась интенсивно в 30—40-е годы в Германии. В 1938 г. в г. Виттене было начато производство пищевых жиров. Методом Фишера — Тропша получали восковидный высокомолекулярный углеводород [96, 97]. Это вещество затем окисляли кислородом воздуха до жирных кислот, тщательно очищали, соединяя с глицерином, и получали жир. Добавляя воду, соли, ароматические вещества и витамины, получали маргарин [168]. В 1943 и 1944 гг. такого маргарина было произведено 3-10е-кг [168]. Большая часть синтетического жира использовалась в армии из-за его повышенной устойчивости вследствие отсутствия ненасыщенных жирных кислот в структуре. Значительные количества шли также на нужды населения и использовались в госпитальных диетах. Никаких нарушений пищеварения или других болезненных симптомов в результате употребления синтетического жира отмечено не было [168]. В последние годы было проведено изучение всех достижений нефтехимии и технологии в целях определения путей резработки надежных процессов синтеза и сохранения пищевых жиров на борту космического корабля [76, 85]. Был сделан вывод, что использование метода Зиглера более перспективно, чем использование метода Фишера —Тропша. Наиболее целесообразной представляется такая последовательность реакции: 1) синтез этилена из окиси углерода, 2) полимеризация этилена в а-олефины методом Зиглера, 3) окислительный озонолиз до монокарбоно- вой кислоты, 4) конденсация с глицерином, дающая жиры, которые не содержат ветвящихся цепей, дикарбоновых кислот или полициклических веществ. Расход энергии на такой синтез оказался низким. Однако сложность автоматических систем для осуществления указанных процессов так велика, что была поставлена под сомнение целесообразность дальнейшей разработки применения этого метода в условиях космического корабля [76,85]. Трудности синтеза жирных кислот с длинными цепочками в структуре пробудили интерес к оценке перспективы использования в качестве пищевых продуктов простейших соединений с четным числом атомов углерода в цепи. Имеются в виду вещества типа три- глицерида и триацетина. Представляется заманчивым использовать простые химические методы синтеза уксусной кислоты из окиси углерода или метана. Триацетин при пероральном приеме быстрее всасывается в тонком кишечнике, чем некоторые другие триглицериды [71]. О токсичности триацетина при использовании в диете пока имеется очень мало сведений. Крысы, получавшие диету с 55%-ным содержанием триацетина, росли все же наполовину медленнее, чем крысы, получавшие лярд [67]. Однако, когда крысят содержали на диете с меньшим количеством триацетина, то отставания в росте не наблюдалось [142]. Таким образом, в области создания пищевых жиров на основе их синтеза из отходов жизнедеятельности человека д других источников, по-видимому, предстоит провести еще очень большое количество изысканий, прежде чем будет создана диета, содержащая полноценные пищевые жиры, и создано достаточно экономичное и приемлемое для условий космического корабля технологическое оборудование. Аминокислоты Направленный синтез отдельных аминокислот в условиях космического корабля связан с чрезвычайными трудностями. Более перспективным является метод синтеза, позволяющий получать из смеси аминокислот пригодные для использования комплексы. Для этой цели перспективным представляется, например, метод получения глицина, аланина и аспарагиновой кислоты при помощи пропускания электрического разряда через смесь метана, аммиака, водорода и воды [121]. Широкий спектр аминокислот обнаруживается при взаимодействии насыщенного метаном водного раствора аммиака с кварцем или алюминием, нагретым до 900—1000° С [91]. Углекислый газ при определенных условиях может заменять метан [48]. Из аминокислот, которые обычно входят в состав белков, при синтезе указанным методом не были обнаружены лишь серосодержащие
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 55 аминокислоты — гистидин и триптофан. Интересные результаты были получены также при нагревании формозных Сахаров с мочевиной [83]. В результате синтеза в этих условиях возникало не менее 10 различных аминокислот. Были проведены также исследования по полимеризации смеси аминокислот с целью получения белковоподобных продуктов [137]. Пищевые свойства некоторых из них уже исследованы [84]. В опытах на бактериях Lactobacillus plantarum, которые требуют для своего роста набора аминокислот, близкого к потребностям человека, было показано, что их рост на среде, содержащей белковоподоб- ный продукт, полученный тепловой конденсацией смеси аминокислот, составлял 60% роста на пептонной среде. Замещение половины белков и в диете крыс белковоподобными продуктами, которые были получены путем тепловой конденсации, в комбинации с треонином не изменяли такого важного показателя, как прибавка веса тела [64, 84]. Следует иметь в виду, что белки состоят из аминокислот, структура которых очень сложна и разнообразна. Поэтому химический синтез пищевых белков связан с неизмеримо большими трудностями, чем синтез углеводов и жиров. Кроме того, для обеспечения сбалансированного питания необходимо, чтобы в состав продуктов входили аминокислоты в полном наборе и в определенном сочетании. В то же время удовлетворение потребности в углеводах может быть обеспечено за счет одной глюкозы. Обзор современного состояния проблемы воспроизводства пищи физико-химическими методами позволяет заключить, что, несмотря на очевидную важность этой проблемы не только для космоса, но и для обеспечения пищей населения Земли, результаты многочисленных теоретических исследований пока в основном больше указывают на возможные рациональные пути решения проблемы, чем конкретные рецепты для повседневной практики. ВОСПРОИЗВОДСТВО ПИЩИ НА ОСНОВЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ Продукты питания могут быть получены в космическом полете в результате биологического воспроизводства пищи на основе частичного или полностью замкнутого круговорота веществ. С подобным круговоротом веществ мы имеем дело на Земле. Такое воспроизводство пищевых продуктов и отходов жизнедеятельности членов экипажа и биокомплекса корабля, по-видимому, рационально только при продолжительности полетов в течение года и более, а также на долго- живущих планетных станциях. Звеньями круговорота веществ в космическом корабле могут служить низшие (одноклеточные водоросли) и высшие автотрофные растительные организмы, низшие гетеротрофные организмы (дрожжи, бактерии, зоопланктон) , животные гетеротрофные организмы (мелкие животные и птицы), человек и система трансформации отходов [38, 134]. Возможны также разнообразные сочетания биологических и физико-химических способов воспроизводства пищи с использованием запасов продуктов или отдельных пищевых веществ. Водоросли Микроскопические водоросли используют свет и углекислоту более эффективно, чем высшие растения [15, 56], и они более устой- чины к крайним степеням концентрации компонентов питательной среды, колебаниям температуры и давления [44, 117]. Большинство культур, исследуемых для использования в качестве источников питания, представляет собой смесь различных видов водорослей и обеспечивает высокое содержание белка [124, 125] и нуклеиновых кислот в биомассе [100]. По мере того как клетки стареют, они продолжают накапливать крахмал и могут в избытке запасать жиры [121, 122, 123, 124]. Соотношение в клетках жира, белка и углеводов зависит от качества среды и условий культивирования. Клетки хлореллы, культивировавшейся в течение 83 дней на свету в среде с дефицитом азота, содержат 86% жира, 10% белка и 6% углеводов. Эта же водоросль при выращивании в среде с нормальным количеством азота содержала 4% жира, 53% белка и 38% углеводов [122]. Водоросли не способны к синтезу таких витаминов, как В12. Они содержат мало витаминов D и К. Хотя содержание аминокислот у некоторых водорослей сравнимо с таковым в животном белке, но их белки менее ценны, так как в них мало серосодержащих аминокислот. В опытах на животных было установлено, что коэффициент эффективности белка и биологическая ценность его у водорослей ниже, чем у белков животного происхождения, но выше, чем у других растительных белков [11,16,65,100,132,151,156]. В сравнительных опытах на крысах биологическая ценность белков смеси водорослей
56 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ достигала 71%, а казеина —79% [75]. Усвояемость белков водорослей оценивается уровнем в 69 %, а казеина — 97 %. С разрушением клеточных оболочек (механическим, кипячением и экстракцией жирорастворимых фракций) усвояемость белков водорослей увеличивается, так как некоторые аминокислоты оболочек становятся усвояемыми. Попытки ввести в диету человека большие количества водорослей имели переменный успех [20, 21, 22, 61, 68, 93, 138]. Некоторые исследователи пришли к выводу, что для нормального функционирования желудочно-кишечного тракта диета не должна содержать более чем 20 г водорослей. В одном из исследований было показано, что усвояемость белков, жиров и углеводов при добавлении к смешанной диете 50 г лиофилизированных, прокипяченных водорослей не изменялась [19]. Однако добавление 100 г вызывало уменьшение ассимиляции почти всех пищевых веществ [19, 20]. У лиц, принимавших зеленые и обесцвеченные водоросли, повышалось содержание фосфолипидов в плазме [19, 20] и кортикостероидов в моче [20]. Для более полного усвоения питательных веществ из биомассы водорослей необходимо проводить разрушение клеточных оболочек, удаление нуклеиновых кислот, хлорофилла и других веществ, в том числе еще не идентифицированных. Эти вещества — отходы переработки водорослей для питания — должны быть возвращены в биорегенеративную систему для предотвращения потери углерода и других элементов [61]. Бактерии Бактерии могут расти аутотрофно, используя углекислый газ, азот мочи и кала. Перспективные для космических систем регенерации бактерии связывают эти вещества с водородом, полученным путем гидролиза воды. Бактерии, утилизирующие метан, должны быть связаны с химической системой восстановления кислорода. Системы регенерации пищи с использованием бактерий привлекают исследователей относительно малым расходом энергии. Бактериальные клетки в период быстрого роста содержат большое количество азота. Большинство бактерий в фазе роста культуры содержат больше азота, чем водоросли или грибы: от 11 до 14% высушенного плотного остатка. Однако при дефиците пищевых компонентов бактерии могут перейти в состояние покоя и накапливать запасные пищевые вещества липидного характера. Подобно водорослям и грибам, бактерии могут запасать триглицериды и другие липиды [69, 145]. Клеточные оболочки бактерий содержат много веществ, не встречающихся у других организмов. Первичными структурными компонентами являются обычно сложные полимеры из редко встречающихся углеводородов, муравьиной кислоты, гексозаминов d- и Z-аминокислот [126, 152, 169]. Содержание витаминов и неорганических веществ в бактериальных клетках изучено еще недостаточно. Известно, что бактерии могут вырабатывать большинство витаминов В-комплекса. Витамины A, D и Е у бактерий обычно отсутствуют, но некоторые виды образуют витамин К. Данные большого числа исследований по питанию животных диетами, в которых значительную часть пищи составляли бактерии, трудно истолковать однозначным образом, так как исследуемый материал зачастую был смесью бактерий с другими микроорганизмами, такими, как простейшие и грибы. Качество белков такой биомассы и их усвояемость очень варьируют и зачастую бывают низкими. Кроме того, сообщалось, что белки Esche- richia coli обеспечивали такой же хороший рост крыс и цыплят, как и рыбные продукты [103]. Белки промытой культуры Е. coli усваивались на 81—87% и имели примерно такую же биологическую ценность, как и белки бобовых растений (61—70%) [103]. В опытах на крысах как прокипяченные, так и разрушенные ультразвуком клетки Hydro- genomus eutrophae имели белки одинаковой биологической ценности с белком казеином и почти равную с ним усвояемость [59], но жир этих бактерий усваивался очень плохо Введение в диеты крыс экстрагированных ацетоном клеток Е. coli или Н. eutrophae в количестве 11 и 17% обеспечивало рост животных так же хорошо, как и казеин в равном количестве. Однако если содержание бактерий в диете увеличивали до 72%, рост крыс был хуже, чем при питании казеином. Кроме того, высокое содержание белков и минеральных солей в диете приводило к увеличению потребности в воде и усилению диуреза [144]. Высшие растения Ряд высших растений, таких, как сладкий картофель, китайская капуста, редис и ряска, имеющих большую листовую поверхность, способны абсорбировать питательные веще-
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 57 ства и использовать солнечные лучи относительно более эффективно и расти сравнительно быстрее, чем многие другие. Другим преимуществом этих растений является их привычность для человека. Все это заставляет исследователей рекомендовать именно эти растения для использования в космических системах [62]. Листья указанных растений являются богатым источником усвояемых пищевых веществ: микроэлементов, каротина, аскорбиновой кислоты, кальция и железа. Правда у некоторых растений неорганические вещества представлены в виде нерастворимых и плохо усваиваемых соединений. В листьях содержатся также и другие витамины, неорганические вещества, жирные кислоты и белки (30—40% от массы). Однако большое содержание воды (90%) и клетчатки (20—30% от сухого веса) ограничивает их потребление в свежем виде нежвачными животными, находящимися на борту космического корабля. При определении биологической ценности белков листьев был выявлен дефицит аминокислот по метионину. Поэтому для увеличения биологической ценности белковой части растительных рационов [94] приходится добавлять метионин [130]. Усвояемость концентрата белков листьев оказалась выше, чем белков сырых листьев, но она может быть неодинаковой у различных видов растений [51, 130], а также зависеть от технологии обработки концентрата. Зеленые листовые растения являются обычной частью диеты человека, но редко потребляются в количествах больших, чем 10—30 г сухого веса в день. Было найдено, что концентрированный белок растений способен заменить 50—74% молочного белка в диете детей. При этом белковая недостаточность выражалась лишь в незначительном уменьшении усвояемости и удержания азота. Если листья будут служить основным источником пищи космонавтов, то потребуется значительно увеличить вес, объем и энергоемкость оборудования биорегенеративной системы для обеспечения приготовления белковых концентратов из листьев, а также для размещения больших масс фекалий. При этом могут быть значительные потери углерода с остатками и отбросами. В то же время гидропонная культура растений в больших космических станциях, по мнению некоторых исследователей, весьма желательный источник снабжения пищей [163]. Грибы Грибы не могут выращиваться на выделениях человека, так как они требуют для своего 'роста и развития восстановленных форм углерода. Однако они могут быть частью системы, основу которой составляют высшие растения, водоросли или бактерии. Грибы могут быть полезны в биорегенеративной системе для превращения луба высших растений, клеточных оболочек водорослей и бактерий в более утилизируемые формы пищевых компонентов. Грибы могут содержать различное количество жира, от 1 до 50% и более от веса сухой массы, но его состав может изменяться в зависимости от содержания азота и минеральных веществ в среде [69, 119, 146]. Молодые культуры грибов содержат мало неусвояемых веществ и много свободных аминокислот и нуклеиновых кислот (от 8 до 14%) [149]. Грибы могут быть хорошим источником витаминов В-комплекса, но содержат мало аскорбиновой кислоты и витаминов А, Е и К. Усвояемость грибов колеблется от 44 до 90% [87,88,92,106]. Биологическая ценность белков дрожжей Saccharomyces в опытах на крысах составляла 60—90% [87, 88, 106]. Однако в белках многих грибов ограничено содержание серосодержащих аминокислот (метионин), что значительно снижает их пищевую ценность. При небольшом содержании дрожжей в диете человеком усваивается около 80—90% их белков, 94% жира и 99% углеводов [110]. Биологическая ценность белков дрожжей Torula составляет 52%, a Saccharomyces — 71% [149]. Для обеспечения положительного азотистого равновесия человеку .требуется получать 8—9 г азота ежедневно (55 г белка) при питании дрожжами Torula utilis [111]. Такое большое количество дрожжей (около 100 г сухого веса) вызывает значительное увеличение содержания мочевой кислоты в плазме крови и моче [111]. Человек был способен переваривать от 72 до 82% белков при диете, где грибы Agaricus compestris, Boletus edulus или Cantharellus cibarus служили единственным источником белка. Ежедневно требовалось 43—62 г белков для поддержания азотистого равновесия. Никаких отклонений от нормы у испытуемых не отмечалось [115]. Главной проблемой, которую придется решать при создании дрожжевой системы биорегенерации, является удаление нуклеиновых кислот.
58 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Подводя итоги рассмотрению различных путей воспроизводства пищи при помощи биологических методов, можно заключить следующее. Организмы, которые могут превращать человеческие выделения в пищевую биомассу, теоретически могут решить одновременно проблему регенерации атмосферы в кабине и удаления отбросов. Аутотрофные водоросли и бактерии, по мнению некоторых исследователей, являются наиболее подходящими организмами для системы полной биорегенерации, учитывая вес и объем необходимого для этого оборудования [131]. Многие грибы, гетеротрофные водоросли и1 бактерии могут быть использованы в многокомпонентной системе, включающей аутотрофные организмы [62, 66], а также химические способы синтеза углеводов [90, 101, 120]. Высшие растения могут выращиваться при помощи гидропонного способа на больших орбитальных и планетарных станциях [17, 150], а животные могут служить добавочным промежуточным звеном биорегенерации, потребляющим растительную пищу [1, 61]. Когда биомасса, полученная в результате регенерации атмосферы и отходов, позволит обеспечить большую часть диеты, потребуется провести точную подгонку в рациональном сочетании пищевых нужд членов экипажа и элементов биорегенеративной системы. Ежесуточно человек нуждается по крайней мере в 7 или 8 г азота за счет пищи. Он может выносить азотную нагрузку до 48 г/сутки. Человеку требуется около 250—300 г углерода ежедневно для обеспечения энергетических процессов. Приемлемое соотношение С : N находится между 6 :1 и 35 :1, а в повседневной диете это соотношение должно составлять 15—20 :1. Поэтому водоросли более пригодны для составления диеты, чем бактерии, у которых величины соотношения С: N слишком велики. Листовые растения обеспечивают соотношение С: N во многом близкое к необходимому для человека [55]. Сложность создания эффективного полного круговорота при помощи микроорганизмов связана также с тем, что некоторые конечные продукты обмена веществ человека не могут ими усваиваться в достаточной степени, а некоторыми микроорганизмами совсем не утилизируются. Так, ни один из изучавшихся девяти видов одноклеточных водорослей не использовал креатинин, а пять не были способны к расщеплению мочевой кислоты, т. е. азотсодержащих соединений, всегда присутствующих в моче [52]. В других опытах было установлено, что за 17 дней пребывания в космосе система с водорослями улавливает только 50% азота [117]. Имеются и другие трудности в создании полного круговорота биологическими методами. Например, оказалось, что вещества, вытекающие из реактора, в котором активируются процессы разложения отходов, разведенные в пропорции 1:2, летальны для различных высших растений [150]. Кроме того, многие микроорганизмы вырабатывают вещества, не используемые человеком. Полисахариды, входящие в состав капсулярных покровов клеток, не перевариваются ферментами животного происхождения, что приводит к потерям углерода при воспроизводстве пищи [133]. Некоторые бактерии накапливают внутриклеточные полимеризованные липиды, которые не усваиваются животными [160]. Высшие растения могут иметь несъедобные корни и стебли, а съедобные листья, клубни и семена содержат углеводы различной усвояемости, такие, как целлюлозу, гемицеллюлозу, пектин и лигнин. Животные организмы могут удалять из системы регенерации компоненты пищи, включая их в состав скорлупы яиц, чешуи, перьев и костей. В результате ряда исследований выявлено, что происходят, кроме того, потери пищевых компонентов из системы кругооборота веществ за счет неусвояемых частей биомассы. Потребление с пищей неусвояемых веществ может способствовать выделению из организма других пищевых веществ. Так, у человека, получавшего ежедневно 120 г водорослей, обнаружены уменьшение ассимиляции кальция и магния и небольшой отрицательный баланс этих элементов в ходе 30 дней исследований [32], хотя содержание этих макроэлементов в крови оставалось нормальным. Биомасса организмов, культивируемых в биорегенеративных системах, может содержать также фармакоактивные или токсические вещества, вид и количество которых могут меняться в зависимости от условий ее выращивания. Так, все микроорганизмы, используемые для биорегенеративной системы, содержат большие количества дезоксирибо- нуклеиновой кислоты (ДНК) и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Конечным продуктом обмена пуриновых оснований этих кислот в организме человека является мочевая кислота. Последняя плохо растворяется при физиологических значениях рН и может кристаллизоваться в суставах и мочевых путях. При-
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 59 ем 2—4 г РНК в день ведет к превышению нормального содержания мочевой кислоты в плазме крови и мочи [70, 162]. Космонавт должен осторожно относиться к продуктам из свежей биомассы и употреблять их в небольших количествах, так как микроорганизмы содержат обычно от 4 до 12% нуклеиновых кислот и 1—-2% их остается в высушенном плотном осадке. Другую опасность представляют собой нитраты, их концентрация в биомассе зависит от источников азота в субстрате и активности бактерий кишечника человека, восстанавливающих нитраты и нитриты [75, 136]. При использовании человеком в питании биомассы из микроорганизмов были зарегистрированы патофизиологические реакции. Дозы даже менее, чем 12 г сухой бактериальной массы Hydrogenomonas eutropha и Aerobacter aerogenes вызывали рвоту и диаррею у здоровых мужчин [160, 161]. У двух человек, получавших по 150 г сухих зеленых водорослей в день, развивались отеки лица и рук, петехиальная геморрагия, цианоз ногтевого ложа, а позднее шелушение кожи рук и зуд, боль и отек больших пальцев ног [21]. Употребление в пищу дрожжей вызывало безболезненное шелушение кожи ладоней и подошв у 12 из 50 молодых мужчин, получавших от 45 до 135 г дрожжей в день в течение 3—4 недель [153]. Пищевая ценность съедобных продуктов, полученных в биорегенеративной системе, подробно приводится в обзоре литературы за 1917—1968 гг., подготовленном К. Васлайном для НАС А [159]. Биорегенеративные системы, вырабатывающие продукты для питания, должны быть дополнены в космическом корабле системой пищевой обработки растений. В табл. 9 приведены данные о съедобности биомассы и процессах, необходимых для ее обработки. Любая из предполагаемых систем биорегенерации должна быть способна прежде всего Таблица 9. Возможности использования биомассы регенеративной системы (по данным Келловей и Васлайна) Показатель Исходное сырье для переработки листья водоросли бактерии Максимальная величина сырого продукта, который может быть использован в короткие периоды времени, г на челоре- ка в день выход белка, г энергетическая ценность, ккал Факторы, ограничивающие использование Способы для повышения пищевой приемлемости Максимальное использование после всех процессов улучшения белок, г калорийность продукта, ккал 100 -25—30 260 Клетчатка, а также окса- латы, нитраты, тиоцио- наты и другие вещества Гидролиз «клетчатки», экстрагирование растворением, удаление нуклеиновых кислот, другие экстракции (отделение белков *) 100 -40—60 280 0 0 Плохая растворимость в Токсины, нуклеиновые спирте; нуклеиновые кис- кислоты, другие веще- лоты; неусвояемые угле- ства воды Гидролиз углеводов, Удаление токсинов, нук- экстрагирование раство- леиновых кислот и дру- рением, удаление ну к- гих веществ леиновых кислот (отделение белков*) 185 2800 300 2200 Экономия пищи на 6 человек на 500 дней, кг Сохранение при использовании сырых продуктов биомассы 135 150 всех обработанных продук- 1500 1170 тов биомассы * Отделение чистого белка должно принести около 1200 ккал во всех системах регенерации. 300 1360 720.
60 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ обеспечить потребности человека в белках. Белки необходимо очищать от ненужных клеточных элементов. Биомасса, по-видимому, будет все же содержать несколько ненужных компонентов. Непереваренные компоненты и удаляемые при очистке биомассы должны вновь возвращаться в систему для сохранения ее равновесия. Высшие растения более целесообразно применять как добавку к диете, а не как доминирующую ее часть. В деле решения проблемы биорегенерации пищи, несомненно, имеются определенные положительные результаты, которые уже сейчас, при соответствующем техническом оснащении космических кораблей, могли бы позволить, хотя бы частично, обеспечивать экипажи пищевыми продуктами. Что касается полного круговорота веществ в полете на ос- таве биорегенерации, то это пока вопрос будущего. ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ КОСМОНАВТОВ В ПОЛЕТЕ В зависимости от продолжительности полета и технической оснащенности систем корабля питьевое водообеспечение космонавтов может осуществляться: 1) на основе запасов питьевой воды, взятой с Земли или доставленной специальным транспортным кораблем; 2) путем использования воды из запасов в отдельные периоды полета и регенерированной воды на протяжении большей части полета, 3) путем регенерации воды из отходов жизнедеятельности космонавтов, а также отходов, получаемых в звеньях замкнутой экологической системы или в результате технических процессов, происходящих в различных системах корабля. При сравнительно непродолжительных полетах, имевших место до настоящего времени, предпочтение отдавалось системам водо- обеспечения, базирующимся на запасах питьевой воды, взятых с Земли. Однако в процессе проработки вопросов водообеспечения космонавтов в длительных полетах многие исследователи пришли к заключению, что уже при полетах продолжительностью более 20 дней целесообразно создавать системы на основе регенерации воды из различных отходов [7, 12, 14,37]. СИСТЕМА ВОДООБЕСПЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЗАПАСОВ К каждому типу водообеспечения предъявляются свои особые требования, которые могут еще более усложняться теми или иными особенностями конструкции корабля и характера полета. Однако существуют некоторые требования, общие по крайней мере для большинства систем водообеспечения в полете. К ним прежде всего относится физиолого- гигиеническое требование обеспечить регулярное получение космонавтами воды в количествах, адекватных потребностям организма, чтобы исключить развитие водного голодания в полете. Вода по весу занимает ведущее место в материальном балансе организма, и ее суточный весовой расход превышает суммарный расход кислорода и пищевых веществ. Это значит, что ежедневно космонавтам должно быть предоставлено довольно значительное количество воды. О физиологическом значении воды и о нормах водопотребления в различных условиях жизнедеятельности человека было достаточно подробно сказано в главе 1 (том III). В условиях космического полета значение правильного нормирования водопотребления, т. е. определения необходимых для космонавтов количеств воды, еще более возрастает, так как невесомость, ускорения, пониженное барометрическое давление, гиподинамия, своеобразные условия для теплообмена и специфическое питание могут вызывать определенные изменения в водном обмене организма [2, 6, 33]. Поэтому, например, на кораблях «Восток» и «Восход», когда еще не было достаточного опыта обеспечения длительных космических полетов, создавались такие запасы питьевой воды, которые могли обеспечить самую высокую, возможную для условий полета, норму водопотребления. В дальнейшем в результате изучения водного баланса у испытателей при наземной имитации условий полетов и на основании опыта водообеспечения экипажей космических кораблей «Восток», «Восход» и «Союз» было сделано заключение, что норма водопотребления, равная 2,2 л питьевой воды на человека в сутки, обеспечивает потребности организма в воде при нормальных микроклиматических условиях в кабине и энергозатратах около 2700 ккал/сутки [6, 47]. Однако на основании всесторонних исследований в этой области была рекомендована более высо-
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 61 кая норма водопотребления в 2,5 л на человека в сутки [29, 37, 47]. Наряду с другими факторами на количество питьевой воды, которое должна ежедневно давать система водообеспечения, определенное влияние оказывают также содержание воды в пищевых продуктах и форма продуктов рациона питания. Так, при полетах на кораблях «Союз» космонавты обеспечивались питьевой водой в количестве 1,6 л/сутки на человека. Кроме того, до 0,95 л/сутки космонавты должны были получать с пищей и около 0,35 л/сутки за счет метаболической воды. Таким образом, общее водопотребление планировалось в размере около 2,9 л/сутки на человека. Фактическое водопотребление было несколько меньшим, так как чувство жажды было понижено [10]. Переход к использованию широкого ассортимента обезвоженных продуктов, требующих восстановления перед приемом, должен сопровождаться увеличением потребности в холодной и горячей воде питьевого качества. Если пища будет состоять из одних обезвоженных продуктов, то количество расходуемой за день питьевой воды будет почти соответствовать суточной норме водопотребления. Другим важным требованием к системам водообеспечения всех типов является необходимость снабжения космонавтов доброкачественной питьевой водой с высокими орга- нолептическими качествами, свободной от токсических примесей, а при необходимости обогащенной минеральными веществами до оптимального уровня. После ряда исследований в СССР было принято решение о том, что питьевая вода в системах, построенных на запасах и на принципе регенерации, должна отвечать определенным санитарно-гигиеническим требованиям, установленным для питьевой водопроводной воды ГОСТами 2761-57 и 2874-54. Для обеспечения космонавтов водой в условиях кратковременных полетов первоочередного решения потребовали следующие вопросы: разработка системы водоснабжения для эксплуатации в условиях невесомости (хранение, подача и прием воды); выбор материалов, допустимых для контакта с питьевой водой и безопасных для использования в кабине космического корабля; определение суточной нормы водопотребления; выбор надежного консерванта для сохранения доброкачественности воды; выбор исходных источников воды с хорошими органолептическими качествами и безупречных в санитарном отношении [30]. Конструкция и материалы системы водообеспечения, несомненно, должны выдерживать все технические параметры космического полета. Система водообеспечения на кораблях «Восток», а затем и «Восход» включала: жесткий металлический контейнер, эластичную емкость для хранения воды, водопровод и водоприемное устройство, оборудованное мундштуком для приема воды, патроном для обеззараживания и дезодорации воды и устройством, «запирающим воду» [30, 13]. Вода поступала в рот при ее всасывании через мундштук. Разряжение, создающееся при этом во рту, было достаточным для обильного поступления воды из системы водоснабжения [30]. В первых же полетах космонавты установили, что пользование такой системой в полете в условиях невесомости не вызывает затруднений [13, 30]. При полетах на кораблях «Меркурий» вода хранилась в специальном баке и подавалась по мере надобности под напором, создаваемым нагнетанием воздуха баллоном от сфиг- моманометра. Корабли «Джемини» и «Аполлон» были оборудованы устройством, обеспечивавшим космонавтов питьевой водой и водой для ре- гидратации пищи. Устройство было оборудовано мундштуком, пригодным для приема воды при открытой и закрытой лицевой пластине шлема. Большое внимание было уделено разработке распределителя воды. Первоначальные конструкции распределителя воды, применяемые на кораблях «Джемини-3-4», не обеспечивали измерения объема воды. Небольшой тренировки было достаточно для довольно точного отмеривания до 150 мл воды. Первые полеты были так непродолжительны, что измерение выпиваемой воды и общие ее траты имели лишь относительный интерес. При осуществлении 14-дневного полета «Джемини-7», когда было поставлено задание провести медицинские исследования обмена веществ, возникла необходимость более точного измерения объема выпиваемой воды. Особый интерес представляло выяснение взаимоотношений между водным балансом, объемом крови и ортостатической устойчивостью. Устройство для замеров порций воды количеством 15 мл было введено в конструкцию оригинального распределителя воды. Космонавт Ф. Борман сконструировал приспособление, позволяющее регистрировать показания счетчика. Механизм измерения воды был соединен с линией, подающей воду для питья
62 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ к зоне кресел отсека управления «Аполлона». Отсек управления имел также измеритель холодной и горячей воды для восстановления пищи, установленный около места ее хранения. Это устройство замеряло объемы воды, кратные 30 мл, и не имело регистрирующего устройства. Распределитель воды в лунной кабине не имел устройства для замеров воды и по своей конструкции напоминал прибор, использовавшийся на первых «Джемини». Контейнер для хранения воды на кораблях «Джемини» емкостью 7272 мл был расположен внутри кабины, между сиденьями. Когда вода в контейнере кончалась, он вновь заполнялся водой из запасов, хранившихся в соединительной секции двигателей корабля. Но эта секция отделялась перед выводом корабля на внеземную орбиту. Поэтому «в после- земной» период полета можно было пользоваться водой только из контейнера, установленного в кабине. Побочным продуктом химической реакции в топливных элементах (водородное топливо и кислородный окислитель) является вода, которую можно было использовать для водо- обеспечения космонавтов. В полетах «Джемини» вода из топливных элементов, получаемая после сжигания топлива, для питья была непригодна. Поэтому на борту корабля создавались запасы воды. Ежедневная норма расхода воды составляла 3000 мл на человека. На кораблях «Аполлон» использовалась вода, образующаяся в топливных элементах, которая считалась пригодной для питья. Необходимость в использовании запасов воды, хранящейся в кабине, возникала лишь после выхода корабля на внеземную орбиту или в непредвиденных случаях. Снабжение водой космонавтов при нахождении в лунном отсеке производилось из имевшихся в нем запасов. Эта же вода использовалась для заполнения емкостей портативной системы жизнеобеспечения, используемой космонавтами при высадке на поверхность Луны. Детали и узлы системы водообеспечения изготовлялись и собирались в чистых помещениях, но не в стерильных условиях. В программе «Джемини» стандартные процедуры промывания и обеззараживания системы водообеспечения проводились при помощи растворов аммиачных смесей и продолжались до получения показателей, величины которых были не ниже величин стандартов питьевой воды в США, и до полного отсутствия патогенных или потенциально патогенных форм (фекальные коли-формы). В некоторых случаях приходилось дополнительно обрабатывать систему другими веществами, в частности хлором, чтобы снизить бактериальные загрязнения в образцах воды и распределителя до допустимого уровня. Загрязнение воды, хранящейся на борту кораблей, постоянно и существенно возрастало в конце полета. В 1968 г. НАС А издала инструкцию по определению пригодности воды. Определение «приемлемая вода» для систем водообеспечения космических кораблей, по-видимому, нуждается в дальнейшем уточнении. Даже если вода была доставлена на космический корабль полностью стерильной, нет гарантии, что в системе водоснабжения она сохранит свою стерильность. При создании систем водообеспечения, основанных на запасах воды, большое значение придается разработке надежных методов ее хранения. Этот вопрос решается, с одной стороны, соответствующим выбором материалов для изготовления как емкостей, так и других соприкасающихся с водой частей системы водоснабжения, а с другой стороны, мерами по предварительной обработке воды и ее надежной консервацией. Надежно простерили- зовать водопроводную воду в наземных условиях в настоящее время не представляет больших трудностей. Значительно сложнее обстоит дело с консервацией такой просте- рилизованной воды. В результате изучения физических, биологических и химических средств консервирования питьевой воды советские исследователи остановились на комплексных препаратах серебра [18, 30]. Этот метод был использован в системе водообеспечения на космических кораблях «Восток» и «Восход». Перед консервацией вода обеззараживалась кипячением [13]. Органолептиче- ские свойства воды прп полетах на кораблях «Восток-3» и «Восток-4» были оценены космонавтами как отличные [31]. Сохранность консервированной воды определялась по данным физико-химических и санитарно-бакте- риологических исследований. С этой целью определялись органолептические свойства воды, активная реакция, прозрачность, цветность, щелочность, жесткость, окисляемость, содержание азота, аммиака, азота нитритов, кальция, магния, железа, сульфатов, фтора, йода. Помимо растворов солей серебра, для целей консервации запасов воды для космических кораблей перспективным является электроли-
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 63 тический метод введения в воду ионов серебра [28, 29]. Исследования показали, что чистая природная вода с невысоким содержанием органических веществ и солей в таре из стекла и полиэтилена может быть сохранена в доброкачественном состоянии сроком до 6 месяцев при использовании серебра, введенного электролитическим методом в концентрациях 0,1, 0,2 и 0,4 мг/л; азотнокислого серебра в концентрациях 1,5 и 2,0 мг/л, а также препарата серебра «Кумазин» в концентрациях 50,0 и 100 мг/л. Динамика физических свойств и химических показателей воды при этих условиях обработки и хранения не зависела от того, какой именно из методов обработки ее серебром был применен. Рекомендованные дозы серебра обладали хорошим бактерицидным эффектом и в то же время оказались нетоксичными [23]. Опыт космических полетов в СССР и США, при которых в системах водообеспечения использовались запасы воды, подтверждает, что в настоящее время задача надежного храпения питьевой воды успешно решена, по крайней мере применительно к условиям полетов малой и средней продолжительности. ПРОБЛЕМА РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ В ПОЛЕТЕ Задача создания эффективных средств водообеспечения на основе регенеративных систем поставила перед учеными большой комплекс совершенно новых проблем, в которых теснейшим образом переплетаются технологические и медицинские вопросы. Это обусловлено как особенностями технологии при различных способах регенерации воды, так и особенностями самих источников воды: водяных паров атмосферы обитаемых кабин, мочи, санитарно-бытовых вод и других влаго- содержащих отходов. Различные способы регенерации воды в космических кораблях могут быть условно разделены на две группы. К первой группе целесообразно отнести методы, при помощи которых можно регенерировать воду из отходов' с минимальными затратами энергии. С этой целью могут быть использованы такие методы, как сорбция, фильтрация, коагуляция, очистка воды полупроницаемыми мембранами и др. Сам процесс очистки воды при этих методах практически не требует затрат энергии, хотя расход энергии неизбежен, конечно, для обеспечения таких вспомогательных устройств, как насосы, воздуходувки и др. При помощи указанных методов возможно очищать только те жидкости, в составе которых содержится относительно небольшое количество примесей. В первую очередь эти методы могут быть использованы для регенерации таких отходов, как конденсат атмосферной влаги (КАВ) и жидкость, продуцируемая электрохимическими генераторами (ЭХГ). В состав конденсата атмосферной влаги кабины космического корабля, помимо компонентов, источником которых являются выделения человеческого организма, могут также входить разнообразные вещества, являющиеся продуктами функционирования сложных технических систем корабля и результатом деструкции разнообразных материалов, используемых в кораблях. Из состава конденсата атмосферной влаги космических кораблей был выделен, помимо азотсодержащих продуктов жизнедеятельности человека, широкий спектр химических соединений, в том числе альдегиды, кетоны, спирты, эфиры, органические кислоты и др. Многие из подобных органических веществ относятся к числу токсических соединений. Поэтому одним из основных требований к методам очистки КАВ является достаточная надежность в получении безопасной для человека питьевой во- Ды [4]. Основываясь на известной способности катионов и анионов сорбировать азотсодержащие вещества и органические кислоты, была исследована возможность поглощения ионообменными смолами органических соединений, входящих в состав КАВ. В результате большого числа исследований было установлено, что обработка КАВ путем пропускания его через ионообменные смолы и активированные угли обеспечивает поглощение практически всех входящих в его состав примесей. При соответствующем подборе сорбентов возможно создать комплексную шихту, которая обеспечит очистку КАВ до кондиции питьевой воды. Такие системы, требующие к тому же минимальных затрат энергии, представляются наиболее перспективными для первоочередного использования при переходе от практики водообеспечения, основанной на запасах воды, взятых с Земли, к водообеспече- нию, основанному на регенерации воды. С увеличением продолжительности полетов возникает необходимость осуществления возможно более полного круговорота воды в космических кораблях. С этой целью, помимо регенерации воды из низкоконцентрированных растворов, таких, как КАВ или образующих-
64 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ ся в результате функционирования бортовых технических систем, придется создать устройства для повторного использования воды из таких высококонцентрированных растворов, как моча человека и жидкие санитарно- бытовые отходы. Оба эти вида влагосодержа- щих отходов жизнедеятельности и быта космонавтов будут накапливаться в длительных полетах в значительных количествах. Известно, что вода является одним из основных веществ, необходимых человеку, и одновременно одним из основных продуктов жизнедеятельности организма. Повторное использование воды из мочи позволило бы обеспечить около 50% всей потребности космонавтов в питьевой воде. Создание системы регенерации воды из высококонцентрированных растворов потребует использования второй группы методов. Ко второй группе способов регенерации воды в космических кораблях можно отнести прежде всего метод лиофилизации. Этот метод молекулярной сушки привлек внимание в связи с тем, что представлялось заманчивым обеспечить очистку воды с использованием космического вакуума и холода, без существенных затрат тепловой энергии из ресурсов системы корабля. Была проведена большая серия исследований по регенерации воды лиофильным методом из целого ряда влагосодержащих продуктов жизнедеятельности человека и биокомплекса: мочи, санитарно-бытовых вод, фекалий, центрифугата из реакторов, в которых культивируется хлорелла, и др. Проведенные исследования показали возможность эффективного извлечения воды из этих продуктов указанным методом [29]. Поэтому метод лиофилизации представляется перспективным как для использования в системе водообеспечения, построенной на переработке отходов жизнедеятельности человека, так и для включения в сложный комплекс, предусматривающий в длительных полетах функционирование на борту корабля биорегенеративной системы воспроизводства пищи с помощью растений. Этот способ может быть полезным и для обеспечения водой растений, и для минерализации отходов с целью получения питательной для них среды. Для целей регенерации воды из мочи предлагалось использовать также методы вакуумной дистилляции. Однако этот метод, как и методы лиофилизации, обеспечивая очистку воды от подавляющего большинства примесей, не доводит ее все-таки до кондиций, соответствующих требованиям современных ГОСТов на питьевую воду. Возникает необходимость в разработке дополнительной системы очистки воды от остающихся в ней органических примесей. Для этой цели могут быть использованы сорбци- онные свойства ионообменных смол и активированных углей. В настоящее время подобраны оптимальные сорбенты, которые обеспечивают максимальную очистку воды от органических примесей, аммиака нитратов и нитритов, а также других компонентов, остающихся в воде после вакуумной дистилляции мочи. Изучалась также возможность использования окислительно-каталитического метода регенерации воды из влагосодержащих отходов. В основе этого метода лежит окисление всех летучих органических и неорганических соединений, обладающих токсичными или биологически активными свойствами, а также дурнопахнущих, до простейших окислов или элементов. Этот процесс требует определенных катализаторов и повышенных температур. В качестве катализатора некоторые исследователи применяли гопкалит, в состав которого входят МпО2 и SiO2 [7, 43]. Была разработана и испытана в эксперименте принципиальная схема установки по регенерации воды из влагосодержащих отходов на основе термокаталитического окисления [43]. Наиболее эффективная очистка воды достигалась применением в качестве катализаторов гопкалита, палладия, окислов хрома и никеля. Предпочтение, однако, должно быть отдано гопкалиту, так как при использовании никеля и хрома последние могут в повышенных количествах попадать в воду, что может оказаться не безвредным для человека. В результате исследований температурного режима в каталитической печи была рекомендована температура катализатора, равная 150° С, которая с относительно минимальными затратами энергии обеспечивает минерализацию органических примесей. При температуре ниже 100° С степень окисления органических веществ ниже, при температурах выше 300° С процесс минерализации органических соединений также менее эффективен из-за неравномерности самого процесса. Примеси неорганического происхождения, остающиеся в регенерированном продукте, могут быть полностью удалены при последующем пропускании через соответствующие сорбенты [7, 43]. Положительной стороной этого метода является то, что при его помощи можно стойкие органические примеси, входящие в состав
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 65 отходов, окислять до простейших соединений и веществ, таких, как СО2, N2, H2O и др., которые затем легко могут быть сорбированы. Используя каталитические способы регенерации, по-видимому, можно интегрально решить вопрос удаления из воды практически любых органических примесей путем их окисления. Это дает основание считать указанный метод одним из наиболее надежных для восстановления воды из мочи. Проведенный в СССР эксперимент с годичной продолжительностью, во время которого повторное использование воды из мочи тремя испытуемыми обеспечивалось установкой, созданной на основе каталитического метода, подтвердил надежность этого способа регенерации воды из такого сложного по составу продукта жизнедеятельности человека, как моча. Несомненно, что перспектива использования этого метода регенерации воды тесным образом связана с ресурсами энергии космического корабля, так как каталитические методы, как лиофильный, так и дистилляцион- ный, требуют определенных затрат энергии. Рассматривая перспективы использования в длительных полетах методов обеих групп, следует предполагать целесообразность такого их комбинирования, когда для регенерации воды из малоконцентрированных жидкостей будут применяться методы первой группы, не требующие больших затрат энергии, а для очистки жидкостей с большим содержанием примесей — методы второй группы. Проблема регенерации воды в полете охватывает также вопросы кондиционирования вкусовых и химических, а также бактериологических показателей регенерированной воды перед ее использованием для питья или восстановления обезвоженной пищи. Однако до сих пор нет окончательных стандартов воды, реально применимых к оценке конечных продуктов систем регенерации воды, и исследователи заняты в настоящее время их обоснованием и испытанием. ЛИТЕРАТУРА 1. Абакумова Я. А., Ахлебнинский К. С, Бычков В. Я., Демочкина Я. Г., Кондратьев Ю. Я., Ушаков А. С. Некоторые данные по звену животных в замкнутой экологической системе. В кн.: Проблемы космической биологии, 4. М., «Наука», 1965, 107—118. 2. Валахов с кий Я. С, Васильев Я. В,, Касьян И. Я., Попов Я. Г. Результаты физиолого-биохимиче- ского обследования членов экипажа космического корабля «Восход». Известия АН СССР, серия биол., 1966, № 2, 212—220. 3. Балезин С. А. Исследование процесса образования сахара из формальдегида. Изд. Моск. гос. пед. ин-та, 1946. 4. Баллов А. А., Егорова Л. Е., Миронов В, А., Петров Л. П., Савина А. В., Успенская В. А., Чижов С. В. Исследование методов регенерации воды из конденсата атмосферной влаги сорб- ционным методом. В кн.: Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., «Наука», 1967, 133. 5. Белякова М. Я., Синяк Ю. Е, Физико-химические методы получения аммиачной воды и азотной кислоты из отходов жизнедеятельности человека. В кн.: Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., «Наука», 1967, 157. 6. Бирюков Е. Я., Какурин Л. С., Козыревская Г. Я., Колоскова Ю. С, Пак 3. Я., Чижов С. В. Изменение водно-солевого обмена в условиях 62-суточной гипокинезии. Космическая биология и медицина, 1967, № 2, 74—75. 7. Бобе Л. С, Гусаров Б. Г., Новиков В. М., Колосков а Ю. С, Синяк Ю. Е., Форафонов Я. С, Чижов С. В. Регенерация воды из влагосодержащих продуктов жизнедеятельности человека и биокомплекса окислительно-каталитическим методом. В кн.: Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., «Наука», 1967, 124. 8. Бутенко Р. Г., Александров А. А., Арбузова К. С, Синяк Ю. Е., Ушаков А. С. Культура тканей высших растений — продуценты белков, углеводов, жиров и других веществ растительного происхождения. В кн.: Управляемый биосинтез и биофизика популяций. 2-е Всес. совещание. Красноярск. 1969, 91. 9. Бычков В. Я. Питание при космических полетах. Космическая биология и медицина, 1967, № 3, 8-14. 10. Бычков В. Я., Гуда В. А., Ефимов В. П., Калан- даров С, Радченко Я. Д. Рацион питания экипажа космического корабля «Союз-9». Космическая биология и медицина, 1970, № 6, 59—60. 11. Верзилин Я. Я., Пиневич В. В., Козлова Е. В., Камшалова И. Е., Квитко К, В., Абакумова И. Л., Кондратьев Ю. И. Получение биомассы хлореллы с повышенным содержанием серусодержа- щих аминокислот и их пищевая ценность. Космическая биология и медицина, 1969, N° 3,63— 67. 12. Воронин Г. Я., Поливода А. И. Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей. М., «Машиностроение», 1967. 13. Второй групповой космический полет. М., «Наука», 1965, 22—27, 162—200. 14. Генин А. М., Шепелев Е. Я. Некоторые проблемы и принципы формирования обитаемой среды на основе круговорота веществ. Доклад на XV Междун. астронавт, конгрессе. М., 1964. 15. Киренский Л. В., Терское И, А., Гительзон И. И., Лисовский Г. М., Ковров Б, Г., Сидько Ф. Я., Окладников Ю. Я., Антонюк М. П., Белянин В. Я., Pep б ер г М. С. Газообмен между человеком и культурой водорослей в течение 30-дневного эксперимента. Космическая биология и медицина, 1967, № 4, 22—28. 16. Клюшкина Я. С, Фофанов В. И. Биологическая ценность белков одноклеточных водорослей. Космическая биология и медицина, 1967, № 1, 26—52. 5 Заказ № 1174, т. III
ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 17. Клюшкина Е. С, Фофанов В. И., Троицкая И. Т. Биологическая ценность растительных белков в отношении их усвояемости в замкнутой системе жизнеобеспечения. Космическая биология и медицина, 1967, № 1, 38—43. 18. Козыре в екая Г. И., Колоскова Ю. С, Ситникова Я. Я., Чижов С. В., Пак 3. Я. К вопросу о консервации питьевой воды ионным серебром. В кн.: Проблемы космической медицины (материалы конф. 24—27 мая 1966 г.). М., изд. ИМБП, 1966, 213—214. 19. Кондратьев Ю. И. Использование 50 и 100 граммов сухой биомассы одноклеточных водорослей в пищевых рационах человека. Вопросы питания, 1966, № 6, 9—14. 20. Кондратьев Ю. И. Использование 150 граммов сухой биомассы из одноклеточных водорослей в пищевых рационах человека. Вопросы питания, 1966, № 6, 14-19. 21. Кондратьев Ю. И., Бычков В. П., Ушаков Л. С, Шепелев Е. Я. Опыт использования биомассы одноклеточных водорослей для питания человека. В кн.: Проблемы космической биологии, 7. М., «Наука», 1967, 364—370. 22. Коротаев М. М., Кустов В. В., Мелешко Г. #., Поддубная Л. Т., Шепелев Е. Я. Токсические газообразные вещества, выделяемые хлореллой. В кн.: Проблемы космической биологии, 3. М., «Наука», 1964, 204-208. 23. Космическая биология и медицина. Яздовский 8. И. (ред.). М., «Наука», 1966, гл. 13. 24. Краткий справочник по космической биологии и медицине. Бурназян А. И., Нефедов Ю. Г., Парин В. В., Правецкий В. Н., Хазен И. М. (ред.). М., «Медицина», 1967, 314—315. 25. Кузин А. М. Новый синтез гликольальдегида и глицеральдегида. Журн. общей химии, 1938, № 8, 592. 26. Кузин Л. М. Органические катализаторы при синтезе Сахаров. Труды 3-го Московск. мед. ин-та, вып. 5. М., 1940. 27. Кузнецов С. О., Синяк Ю. Е., Шульгина И. Л. К вопросу о каталитическом методе минерализации продуктов жизнедеятельности человека. В кн.: Проблемы космической медицины (материалы конф. 24—27 мая 1966 г.). М., изд. ИМБП, 1966, 245. 28. Кулъский Л. Л., Бершова О. И., Сотникова Е. В., Слипченко В. А. О бактерицидных свойствах электролитических растворов серебра. Гигиена и санитария, 1965, № 2, 82—85. 29. Моисеев Л. А., Колоскова Ю. С, Синяк Ю. Е., Чижов С. В. Водообеспечение членов экипажа в космическом полете. В кн.: Проблемы космической биологии, 7. М., «Наука», 1967, 3—9. 30. Первые космические полеты человека. Сисакян Н. М., Яздовский В. И. (ред.). М., Изд-во АН СССР, 1962, 37—39. 31. Первый групповой космический полет. Сисакян Н. М., Яздовский В. И. (ред.). М., «Наука», 1964. 32. Покровская Ю. И., Терещенко А. П., Волинет В. М. Эффект растительных диет, включающих биомассу одноклеточных водорослей, на баланс и экскрецию минеральных веществ. Космическая биология и медицина, 1968, № 3, 78. 33. Попов И. Г. Некоторые итоги изучения питания космонавтов в полете. Материалы XVI научн. сессии Ин-та питания АМН СССР. Покровский А. А. (ред.). М., «Медицина», 1966, 138—140. 34. Синяк Ю. Е. О возможности физико-химического синтеза углеводов в кабине космического корабля. В кн.: Проблемы космической биологии, 3. М., «Наука», 1964, 401. 35. Синяк Ю. Е. Физико-химический синтез моносахаридов из продуктов жизнедеятельности человека. Космическая биология и медицина, 1968, № 6, 9. 36. Синяк Ю. Е., Успенская В. Л. Физико-химический метод синтеза углеводов из продуктов жизнедеятельности человека в ограниченных замкнутых пространствах. В кн.: Проблемы создания замкнутых экологических систем. М., «Наука», 1967, 197. 37. Синяк Ю. Е., Чижов С. В. Регенерация воды в кабине космического корабля. В кн.: Проблемы космической биологии, 3. М., «Наука», 1964, 104. 38. Сисакян Н. М., Газенко О. Т., Тенин Л. М. Проблемы космической биологии. В кн.: Проблемы космической биологии, 1. М., Изд-во АН СССР, 1962, 17—26. 39. Уеолев Л. М., Адамович Б, Л., Крылов О. В., Синяк Ю. Е., Успенская В. Л., Ушаков А. С, Шульгина И. Л. Синтетические моносахариды для питания человека в космосе. В кн.: Тезисы докладов КОСПАР. Прага, май 1969, 11—24. 40. Ушаков А. С, Проблема питания в космических полетах. В кн.: Проблемы космической медицины (материалы конф. 24—27 мая 1966 г.). М., изд. ИМБП, 1966, 369—370. 41. Ушаков В. С, Бычков В. П. Вопросы питания в условиях космических полетов. В кн.: Проблемы космической биологии, 2. М., Изд-во АН СССР, 1962, 48-53. 42. Хазен И. М. Проблемы гастроэнтерологии в космической медицине и физиологические основы питания космонавтов. Космическая биология и медицина, 1967, № 1, 13—19. 43. Чижов С. В., Синяк Ю. Е., Краснощекое 2?. В., Гусаров Б. Г., Кузнецов CO., Александрова Н. В., Илгач Г. В. Исследование окислительно- каталитического метода минерализации отходов в системе круговорота веществ. Космическая биология и медицина, 1968, № 3, 23. 44. Шевченко В. Л., Сокович И. С., Мещерякова Л. К., Петрович М. Г. Изучение развития хлореллы в космическом полете. Космическая биология и медицина, 1967, № 13, 37—41. 45. Шилов В. М., Лишко Н. Н., Фофанов В. И., Клю- шина Я. С. Влияние диеты, содержащей одноклеточные водоросли, на состав кишечной микрофлоры животных. Космическая биология и медицина, 1967, № 5, 40—45. 46. Юганов Е. М., Касьян И. П., Туровский Я. Я., Якутов Б. Л., Коновалов Л. И., Яздовский В. И. Сенсорные реакции и состояние произвольных движений человека в условиях невесомости. Известия АН СССР, серия биол., 1961, № 6, 897—904. 47. Яздовский В. И., Агре В. Л., Гусаров Б. Г., Синяк Ю. Е., Цитович С. И., Чижов С. В. К вопросу о трансформации продуктов жизнедеятельности человека и биокомплекса при осуществлении круговорота веществ в малых замкнутых пространствах. Тезисы 17-го Конгресса Междун. астроном, фед. (на русск. и англ. яз.). Мадрид, 1966, 176—177. 48. Abelson P. Я. Amino Acids Formed in Primitive Atmosphere. Science, 1956, 124, p. 935. 49. Akerlof G. C, Mitchell P. W. Study of the Feasibility of the Regeneration of Carbohydrates in a Closed Circuit Respiratory System. NaSr-88. J. Spacecraft, 1964, N 1, p. 303.
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 67 50. Anderson А. Д. Blood analyses. Penn. Agric. Ex- per. Stat. Bull., 1938, p. 367. 51. Barber R. S., Braude R., Mitchell K. G. Leaf protein in rations of growing pigs. Proc. Nutrit. Soc., 1959, N 18. 52. Birdsey E. C, Lynch 7. H. Utilization of nitrogen compounds by unicellular algae. Science, 1962, 137, p. 763—764. 53. Budininkas P., Remus G. A. Research and Development Study Related to the Synthesis of Formaldehyde from CO2 and H2. NASA, CR-73269, 1968. 54. Budininkas P., Remus G. A., Shapira 7. Synthesis of formaldehyde from C02 and H2. Meeting Soc. Automative Engrs, Los Angeles, Calif., 1968, Oct. N 7—11, p. 68. 55. Burger M., Nocker 7. Studies of the metabolism of rehabilitation. 1. Value and significance of yeast protein as a dietary supplement. Dtsch. Z. Verdaungs- und Stoffwechselkrankh., 1949, N 9, 2—17. 56. Burlew 7. S. Introduction. Algal Culture: From Laboratory to Pilot Plant. Carnegie Inst. Washington, Publ. N 600, 1953. 57. Butlerow A. M. Bildung einer zuckerartigen Sub- stanz durch Synthese. Ann., 1861, N 120, p. 295. 58. С allow ay JD. #. Nutritional aspects of the all-purpose survival ration — a critical appraisal. U. S. Armed Forces Med. J., 1960, N 11, p. 403—417. 59. С allow ay D. H. Nutritional aspects of astronautics. J. Amer. Diet. Assoc, 1964, 44, N 5, p. 347—352. 60. Callow ay D. #., Mar gen S. Clinical study of minimum protein and caloric requirements for man. Annual Report Grant NYR-05-003-068 and Final Report Contract NASA-3966. NASA, Washington, Sept., 1966. 61. Casey A. P., Lubitz 7. A. Algae as food for space travel. Food. Techn., 1963, N 17, p. 48—56. 62. Chuchkin V. G., Ushakov A, S., Rozhdestvensky V. /., Golovin V. N., Arbuzoua &. S., Tsuetkoua I. V., Kostetsky A. V. Some aspects of utilization of higher plants as a nutrition source in space missions. Proc. Xllth Plenary Meeting. COSPAR, Prague, 1969. 63. Clean Room and Work Stations Requirements Controlled Environment: Federal Standard No-209, General Services Administration, Dec. 1963. 64. Conference on Nutrition in Space and Related Waste Problems. NASA, SP-70, 1964. 65. Cook В. В. The nutritive value of waste-grown algae. Amer. J. Public Health., 1962, 52, 243—251. 66. Cooke G. D., Bayers R. J., Odum E. P. The case for the multispecies ecological system, with particular reference to succession and stability. Bio- regenerative Systems. Washington, NASA, 1968, SP-165, p. 129—139. 67. Cox W. M. The Nutritive value of pure fatty acid esters. J. Biol. Chem., 103, p. 777, 1933. 68. Dam R., Lee S., Try P. C, Fox H. Utilization of algae as a protein source of humans. J. Nutrit., 1965, 86, p. 376—382. 69. Dawes E. A. Nutritional and environmental factors affecting the endogenous metabolism of bacteria. Proc. Nutrit. Soc, 1964, N 23, 163—170. 70. Denis W. The effect of ingested purines on the uric acid content of the blood. J. Biol. Chem., 1915, N 23, p. 147. 71. Deuel H. /., Hallman L. The Rate of Absorption of Synthetic Triglycerides in the Rat. J. Nutrit., 1940, 20, 227. 72. Dymza H. A., Stoewsand G. S., Donovan P., Barrett F. F., Lachance P. A. Development of nutrient-defined formula diets for space feeding. Food Technol., 1966, N 20, p. 109—112. 73. El-Mofty A., Khattab M., Abau Issa H. M. Glyce- rol Metabolism in Man in Health and Diabetes. J. Chem. U.A.R., 1961, N 1, p. 41. 74. El-Risi И. М. Microbiological requirements of space food prototypes. Activities Rept, 1965, N 17, p. 54—61. 75. Erschul B. A. F., Isenberg D. L. Protein quality of various algal biomasses produced by a water reclamation pilot plant. J. Nutrit., 1968, 95, p. 374-380. 76. Esso Research and Engineering Co. Frankenfeld, J. W. Ed. Study of Methods for Chemical Synthesis of Fatty Acids and Lipids, NASA CR-1105, 1968. 77. Euler H. V., Fuler A. Uber die Bildung von Ara- binoketose aus Formaldehyd. Ber., 1906, N 39, p. 45. 78. Feeding man in space. Canad. Food Inds, 1961, 32, N 2, p. 22—27. 79. Finkelstein I. B, Nutrition research for the space. J. Amer. Diet. Assoc, 1960, 36, N 4, p. 313—317. 80. Finkelstein J. B. Progress in space feeding research. J. Amer. Diet. Assoc, 1962, 40, N 6, p. 529—531. 81. Fischer C. L., Johnson P. C, Berry C. A. Red Blood Mass and Plasma Volume Changes in Manned Space Flight. J. Amer. Med. Assoc, 1967, 200, p. 579—583. 82. Food and Nutrition Board. Recommended Dietary Allowances. Publ. 1146 and previous edition, NAS —NRG, Washington, 1964 (since revised). 83. Fox S. W. The Outlook for Synthetic Foodfc Techn., 1963, 22, 388. T 84. Fox S. W. Prospectus for Chemical Synthesis of Proteinaceous Foodstuffs, v. 4, 1964, p. 189J 85. Frankenfeld 7. W.9 Kaback S. M., Skopp A., Shapira 7. Synthetic Fats as Part of ClosedTLoo$ Life Support System. J. Spacecraft and Rockets, 1967, N 4, p. 1671—1673. 86. Freund G. The Metabolic Effects of Glycerol Administered to Diabetic Subjects. Arch. Internal Med., 1968, 121, p. 123—129. 87. Geyco 7. A., Asenjo С F. The net protein value of food yeast. J. Nutrit., 1947, 33, p. 593—600. 88. Geyco 7. A., Asenjo C. F. Studies of edible food yeasts. Puerto Rico J. Public Health, 1947, 23t p. 471—532. 89. Guerrant N. В., Wolff G. P., Dutcher R. A. Response of Rats of Diets Containing Varying Amounts of Glycerol and of Propylene Glycol. Bull. Nutrit. Form. Comm., 1947, N 15, 205. 90. Earner G., Heden C. G., Carenberg С. О. Methane as a carbon substrate for the production of mic- robial cells. Biotechn. Bioengng, 1967, N 9, p. 499—514. 91. Harada R., Fox S. W. Thermal Synthesis of Natural Amido Acids From a Postulated Primitive Terrestrial Atmosphere. Nature, 1964, 201, p. 33,5. 92. Harris E. E., Hajny G. J., Johnson M. С Protein evaluations of yeast grown on wood hydrolysate. Industr. and Engng Chem., 1951, N 43, p. 1593— 1596. 93. Hayami #., Matsuno Y., Shino K. Studies on the utilization of Chlorella as a source of food (Part 8). Annual Rept. Nat. Inst. Nutrit. (Japan), 1960, p. 58. 5*
68 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 94. Henry К. M.f Ford 7. Е. The nutritive value of leaf protein concentrates determined in biological tests with rats and by microbiological methods. J. Sci. Food Agric, 1965, N 16, p. 425—432. 95. Hollender #. A., Klicka M. V., Lachance P. A. Space feeding meeting the challenge. Science Today, 1968, 13, N 2. 96. Imhausen A. Untersuchungen und Seifen aus synthetischen Fettsauren. (Soaps from synthetic Fatty Acids). Kolloid-Z., 1938, N 85, 234. 97. Imhausen К. Н. Die Speisefett-Synthese (Synthesis of Edible Fats) VDI-Zeitschrift, 1949, N 91, p. 463. 98. Inspection System Provisions for Suppliers of Space Materials, Parts, Components, and Services. NASA Quality Publs, NPC-200-3, U. S. Govt Printing Office, April 1962. 99. Isselbacher K. J,, Greenberger M. 7. Metabolic Effects of Alcohol on the Liver. New England J. Med., 1964, N 270, p. 351—356, 402—409. 100. Iwamura T. Change of nucleic acid content in chlorella cells during the course of their life cycle. J. Biochem. (Tokyo), 1955, N 42, 575—589. 101. Jagow Д. В., Thomas R. S. Study of life support systems for space missions exceeding one year in duration. The closed ecological life-support systems. Amer. Res. Center. Moffet Field, California, NASA, NASA-SP-134, 1966, p. 75—143. 102. Johnson V., Carlson A. /., Johnson A. Studies of the physiological Action of Glycerol on the Animal Organism. Amer. J. Physiol., 1933, 103, 517. 103. Kaufman В., Nelson W. O., Brown R. E., Forbes R. M. Digestibility and biological value of bacterial cells. J. Dairy Sci., 1957, N 40, 847—855. 104. Klicka M, У. Development of space foods. J. Amer. Diet. Assoc, 1964, 44, 358—361. 105. Klicka M. F., Hollender H. A., Lachance P. A. Food for astronauts. J. Amer. Diet. Assoc, 1967, Ж 238-245. i($yM$ppuswamy S., Srinivasan M., Subrahmanyan V. .Yefeits molds and bacteria. In: Proteins in Foods. NeW Delhi, Indian Council Med. Res., Spec. Rept Ser., 1958, N 33, p. 261—285. 107. Lachance P. A. Gemini Flight Food Specification Document CSD-G-079, NASA Manned Spacecraft CBnter, Houston, 1964. 168. Lachance P. A., Klicka M. V., Hollender Я. A. Cereal food products utilized in the United States Manned Space Program. Science Today, 1968, 13, N 2. 109. Lachance P. A., Nanz P. A., Klicka M. V. Food consumption Щ Gemiai IV, V and VII. Techn. Memo X-58010, NASA Manned Spacecraft Center, Houston, Oct. 1967. *110. Lavery J., Tiseher R. G. Food from Algae. A Review of the Literature. Chicago, Quartermaster Food and Container Inst., Quartermasters Res. , Engr. Commiss. US Army, 1958. 111. Lee S. K., Fox Я. M., Kies C, Dam R. The supplementary value of algal protein in human diets. J. Nutrit., 1967, 92, 281—284. 112. Leow O. Weiteres uber die Condensation des For- maldehyds. J. Prakt. Chem., 1886, N 34, 51. 113. Leow O. Zur Condensation des Formaldehyde. Ber., 1906, 39, p. 1592. 114. Lindberg O. Propanediol Phosphate and its Effect on the Carbohydrate Metabolism in Animal Tissues. Archiv Chem., Mineral., GeoL, 1946, A. 23. N2. 115. Lintzel W. Nutritive value of the proteins of edible mushrooms. Biochem. Z., 1941, 308, 413— 419. 116. Loeb W. Cleavage of Sugars. I. Action of Zinc Carbonate on Formaldehyde Solutions. Biochem. Z., 1909, N 12, 78. 117. Lynch V. H., Ammann E. С. В., Godding R. M. Urine as a nitrogen source for photosynthetic gas exchangers. Aerospace Med., 1964, 35, 1067— 1071. 118. Mack P. В., Lachance P. A., Vose G. P., Vogt F.B. Bone demineralization of foot and hand of Gemini — Titan IV, V and VIII astronauts during orbital flight. Amer. J. Roentgen and Radio Therapy and Nucl. Med., 1967, 100, 503—511. 119. McMurrough M., Rose А. Я. Effect of growth rate and substrate limitation on the composition and structure of the cell wall of Saccharomyces cere- visea. Biochem. J., 1967, 105, 189—203. 120. Mikhlin E. D., Erofeeua N. N., Solovieva N. V,, Simonova V. G. The composition and some peculiarities of the growth stimulating activity of the biomass of methane producing bacteria. Mikro- biologia, 1964, 33, 210—215. 121. Miller S. L. Production of some Organic Compounds under Possible Primitive Earth Conditions. J. Amer. Chem. Soc, 1955, 77, 2351. 122. Milner H. W. The fatty acids of chlorella. J. Biol. Chem., 1948, 176, 813—818. 123. Milner H. W. Algae as food. Scient. Amer., 1953, 189, 31—35. 124. Milner H. W. Chemical composition of algae. In: Algae Culture: From Laboratory to Pilot Plant. J. S. Burlew (Ed.). Washington, Carnegie Inst. Wash. Publ., 1953, N 600, p. 285—302. 125. Myers 7., Philips 7. iV., Graham J. R. On the mass culture of algae. Plant Physiol., 1951, N 26, 539— 548. 126. Nakamura I., Tamura G., Arima K. Structure of the cell walls of streptomyces. J. Ferment. Tech- nol., 1967, N 45, p. 869—878. 127. Nanz R. A. Food in flight. Space World, 1964, A-3, p. 12—14. 128. Nanz R. A., Lachance P. A. The acceptability of food items developed for space flight feeding. Food Technol., 1967, N 21, 1361—1367. 129. Nanz R. A., Michel E. L., Lachance P. A. Evolution of a space feeding concept during the Mercury and Gemini space programs. Food Technol., 1967, N 21, 1596—1602. 130. Narang V., Puri B. Biological value of proteins of some species of Amaranthus. Indian J. Med. Res., 1961, N 49, 330—334. 131. National Academy of Science. Report of the Panel on Atmosphere Regeneration, Life Sciences Committee, Space Science Board, April, 1969, p. 88. 132. Nintz H. F.f Heitman H., Weir W. C, Tarell D. /., Meyer 7. H. Nutritive value of algae grown on sewage. J. Animal Sci., 1966, N 25, 675—681. 133. Northcote D. H., Goulding K. 7., Home R. W. The composition and structure of the cell wall of Chlorella pyrenoidosa. Biochem. J., 1958, 70, 391—396. 134. Nutrition for man in space. Nutrit. Rev., 1960, 18, N 4, p. 100—101. 135. Peryam D. R., Pilgrim F. J. Hedonic scale method of measuring food preferences. Food Technol., Sympos. on Methodology of Sensory Testing. Sept 1957, p. 9—14. 136. Phillips W. E. 7. Nitrate content of foods public health implications. J. Inst. Canadien Technol. Aliment., 1968, N 1, 98—103.
ПИТАНИЕ И ВОДООБЕСПЕЧЕНИЕ 69 137. Роппатрегпта С, Gab el M. W. Current Status of Chemical Studies on the Origin of Life. Space Life Sci., 1968, 1, 64. 138. Powell R. C.f Navels E. M., McDowell M. E. Algae feeding in humans. J. Nutrit., 1961, 75, 7—12. 139. Sargent F. /., Johnson R. E. The physiological basis for various constituents in survival rations. IV. An integrative study of the all-purpose survival ration for temperate, cold and hot weather. WADC Techn. Kept, 53-484, part IV, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, Dec. 1957. 140. Senter R. J. Research on the acceptability of precooked dehydrated foods during confinement. AMRL-TDR-63-9. Aerospace Medical Research Laboratories, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 1963. 141. Shapira J. Design and Evolution of Chemically Synthesized Food for Long Space Mission. Ames Research Center. The Closed Life-Support System, NASA SP-134, 1967, p. 9—175. 142. Shapira J. Space Feeding. Approaches to the Chemical Synthesis of Food, Cereal. Sci. Today, 1968, N 13, 58. 143. Shapira J. Foods from Physicochemical Oxygen Regenerative Systems: Current Status 156th Nat. Meeting, Amer. Chem. Soc. Abstracts, AGFD 130, 1968. 144. Shapira J., Mandel A. D. Nutritional evaluation of bacterial diets in growing rats. Nature, 1968, 217, 1061—1062. 145. Shaw R. Polyunsaturated fatty acids in microorganisms. Amer. Lip. Res., 1966, N 4, 107—174. 146. Shaw R. Laboratory culture of fungi for fat yield. Lab. Pract., 1966, N 15, 288-298. 147. Smith K. /., Speckmann E. W.f Lachance P. A., Bunco D. P. Nutritional evaluation of a precooked dehydrated diet for possible use in aerospace systems. Food Technol., 1966, N 20, 101—105. 148. Stone S. E. Gemini flight food qualification testing: requirements and problems. Activities Rept, 1965, N 17, 34-43. 149. Sure В., House F. Protein utilization of various food yeasts. Arch. Biochem., 1949, N 20, 55—58. 150. The Boeing Co. Investigation of selected higher plants as gas exchange mechanisms for closed ecological systems. Biologistics for Space Systems Symposium. Wright — Patterson Air Force Base, Ohio. Techn. Doc. Rept, No AMRL-TDR-62-127, 1962. 151. Tamiya H. Role of algae as food. In: Proc. Symposium on Algology, New Delhi, Indian Council Agric Res., 1959. 152. Tannenbaum S. R., Miller S. A. Effect of cell fragmentation on nutritive value of Bacillus me- gaterium protein. Nature, 1967, 214, 1261^-1262. 153. Udo U., Young V., Edozien /., Scrimshow N. Evaluation of Torula yeast for human consumption. Federat. Proa, 1969, N 23, 807. 154. USAF —Manned Orbiting Laboratory Feeding System Assembly. Request for Proposal No F—04695-67-R-0076, March 1967. 155. Vanderveen J. E., Heidelbaugh N. #., O'Hara M. J. Study of man during a 56-day exposure to an oxygen helium atmosphere at 258 mm Hg. total pressure. IX. Nutritional evaluation of feeding bite-size foods. Aerospace Med., 1966, 37, 591— 594. 156. Vanderveen 7. E., Sander E. G.f Speechmann E. W., Prince A. E., Offner E. M. Nutritional value of some microbial foods. Aerospace Med.» 1963, N 34, 847—849. 157. Van Winkle W., Newman H. W. Further Result» of Continued Administration of Propylene Gly- col. Food Res., 1941, N 6, 509. 158. Ward I. E., Howkins W. R., Stallings H. Physiologic response to subgravity. 1. Mechanics of nourishment and deglutination of solids and liquids. J. Aviat. Med., 1959, 30, N 3, p. 151—154. 159. Waslien C. J. Impediments to the use of Hydro- genomonas eutropha as food for man. Doct. Diss. Univ. California, Berkeley, 1969, 173 p. 160. Waslien C. /., Calloway D. H. Nutritional value of lipids in Hydrogenomonas eutropha as measured in the rat. Appl. Microbiol., 1969, N 18t 152—155. 161. Waslien С. Л, Calloway D. #., Margen S. Human intolerance to bacteria as food. Nature, 1969, 221, 84—85. 162. Waslien C. /., Calloway D. H., Margen S., Costa F. Uric acid levels in man feet algae and yeast as protein sources. J. Food. Sci., 1969, N 3. 163. Waterlow^ J. С Absorption and retention of protein by infants recovering from malnutrition. Brit. J. Nutrit, 1962, N 16, p. 531—540. 164. Webb P. Weight loss in man in space. Science, 1967, N 155, 558—559. 165. Weiss A. #., Shapira J. The kinetics of the For- mose Reaction. Abstracts 155th Nat. Meeting Amer. Chem. Soc, C-65, 1968. 166. Welch В. Е. Dietary regiments in space cabin simulator studies. Conf. on Nutrition in Space and Related Waste Problems. NASA, SP-70, U.S. Govt Print. Office, 1964, p. 181—187. 167. Whedon G. D., Lutwak L., Neuman W. F., La- chance P. A. Experiment M-7, calcium and nitrogen balance. Gemini Midprogram Conference — Including Experiment Results. NASA, SP-121r Houston, Febr. 1966, p. 417—421. 168. William P. N. Synthetic Fats. Chem. and Ind.t 1947, N 19, 251. 169. Woch E. Biochemistry of the bacterial cell walL Nature, 1957, 179, 841—847.
Глава 3 РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА Б. Г. ГРИШАЕНКОВ Институт медико-биологических проблем МЗ СССР, Москва, СССР Выбор той или иной системы обеспечения жизнедеятельности экипажа космических кораблей определяется в основном длительностью существования объектов. При осуществлении кратковременных космических полетов как в СССР, так и в США системы обеспечения жизнедеятельности были построены на запасах основных веществ, обеспечивающих регенерацию и кондиционирование воздуха в полете. Такие системы характеризуются прямопропорциональ- ным длительности полета увеличением их веса и объема. При длительных полетах представляется целесообразным максимально использовать вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности человека. Действительно, углекислый газ и вода как основные кислородсодержащие вещества, выделяемые человеком, содержат кислорода примерно в 3,5 раза больше, чем это требуется для дыхания. Общее количество углекислого газа, выделяемое в течение суток человеком, содержит ~650 г кислорода, что составляет ~82°/о необходи- {Юаюгуддаявмкнык /?= Сборник о Экипаж гермообъекта raiBfaffwgggSSqfflS =N. Сборник питьевой Н2О Переработка и очистка твердых и жидких отходов Очистка и концентри- рование СОг ^з Физико-химическая система получения О2 из СО2 и Н2О СО2 Ш5£Ш*Ш6? Рис. 1. Блок-схема частично замкнутой физико- химической системы регенерации воздуха мого для дыхания количества кислорода. С учетом одновременного создания кругооборота по воде недостающий для дыхания кислород (—150 г) предполагается получать из метаболической воды, выделяемой в течение суток человеком в количестве 336 г. При создании систем, способных осуществить получение О2 из СО2 и Н2О, можно обеспечить практически полный кругооборот по кислороду (рис. 1). В настоящее время данную проблему можно решить при помощи физико-химических методов регенерации и кондиционирования воздуха (рис. 2). Новизна и сложность решения этой технической проблемы требуют всестороннего анализа возможностей реализации и технического воплощения технологических процессов в условиях, значительно отличных от земных. Данная глава посвящена описанию различных физико-химических средств и методов регенерации и кондиционирования воздуха для космических кораблей. В зависимости от продолжительности полета и других условий та или иная система может оказаться более или менее эффективной. Мы сочли необходимым дать наиболее полное описание различных методов регенерации воздуха с тем, чтобы иметь широкий ассортимент для конкретного выбора. Считаю своим приятным долгом выразить признательность доктору медицины Уолтону Л. Джонсу за любезно предоставленные материалы по данной проблеме, что позволило в достаточной степени представить уровень и объем исследований по этому направлению, проведенных в США [2, 4, 8, И, 15, 17, 19— 21, 32, 35, 52, 58, 66, 74, 77, 78, 80, 81, 88, 100, 101,107,110,111,131]. Рис. 2. Функциональная схема построения физико- химических систем регенерации и кондиционирования воздуха
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 71 КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА ГЕРМООБЪЕКТОВ ПО ТЕМПЕРАТУРЕ И ВЛАЖНОСТИ МЕТОДЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ Температура газовой среды герметических кабин космических летательных аппаратов определяется теплоемкостью газовой среды и разностью температур между тепловыми потоками, поступающими в кабину, и тепловыми потоками, уходящими из кабины. Каждый член экипажа выделяет в среднем 100-М50 ккал/час. Это тепло передается воздуху кабины посредством конвекции и через соприкасающееся с экипажем оборудование путем теплопроводности. При работе приборов электро- и радиотехнического оборудования также выделяется тепло. Можно считать, что практически вся электроэнергия, потребляемая оборудованием, на космических летательных аппаратах преобразуется в тепловую, так как мощность волнового излучения радиотехнических устройств обычно составляет небольшую долю потребляемой этими устройствами мощности. Обшивка космического летательного аппарата поглощает несколько тепловых потоков: от прямых и отраженных Землей солнечных лучей и от инфракрасного излучения Земли. Тепловые потоки от солнечных лучей падают на обшивку аппарата и нагревают ее при полете над поверхностью Земли, освещенной Солнцем. На высоте более 100 км удельный тепловой поток прямых солнечных лучей составляет 1200 ккал/час-м2, а отраженных Землей — 400 ккал/час -м2. Удельный тепловой поток от инфракрасного излучения Земли на высоте около 100 км примерно в шесть раз меньше теплового потока от прямых солнечных лучей. Следует отметить, что тепловой поток инфракрасного излучения Земли поступает в кабину при полете как над освещенной, так и над теневой поверхностью Земли. Происходит лишь некоторое изменение величины этого потока с изменением температуры поверхности Земли [18,58]. Тепловой баланс космического корабля в установившемся состоянии, т. е. тепло, отдаваемое аппаратом в окружающую среду поверхностью и при помощи радиационных теплообменников (qm), может быть представлен в следующем виде: ?кк = ?о + ?зо + ?зи + ?об> где qc — тепло, получаемое аппаратом от Солнца; дго — отраженное Землей тепло, воспринимаемое аппаратом; #зи — тепло собственного излучения Земли, воспринимаемое аппаратом; qo6 — тепло, выделяемое оборудованием и экипажем. Основные задачи фнзпко-химических СО/К Кондиционирование воздуха по температуре и влажности Регенерация основных составляющих газовой среды Очистка воздуха от СОо и его концентрирование Регенерация кислорода Очистка воздуха от вредных примесей На запасах чистого кислорода пли кислород - содержащих иещести На физико-химических способах получения О-> из С09 и НоО Рис. 2
72 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ В задачу систем регулирования температуры газовой среды гермокабин входит отвод тепловых потоков в окружающее пространство. Отвод тепла из кабины космического корабля можно осуществить двумя методами: 1) использованием скрытой теплоты испарения жидкости или сублимации твердых хладагентов при удалении их в космическое пространство; 2) путем отвода тепла в космическое пространство через специальные радиационные теплообменники [18]. Первый метод связан с потерей значительной массы хладагента и не может быть использован при относительно длительных полетах. Непосредственное охлаждение воздуха продувкой его через радиационные теплообменники, вынесенные в космическое пространство, имеет ряд недостатков: возможность утечки воздуха в космическое пространство через выносные воздухопроводы; возможность декомпрессии кабины при пробое поверхности теплообменника метеоритом; наличие большой поверхности у теплообменников вследствие малых значений коэффициентов теплоотдачи от воздуха к стенкам; возможность вымораживания влаги и забивания льдом проходных сечений трубопроводов и т. д. Более рациональна схема с промежуточным теплоносителем, который может претерпевать фазовые превращения (жидкость — газ) или оставаться жидким. Схема с жидким промежуточным теплоносителем представлена на рис. 3. 1К ^ iLl TJ Рис, 8. Схема охлаждения кабины с использованием радиационного теплообменника 1 — вентилятор, 2 — теплообменник, 3 — подача воздуха в кабину, 4 — насос, 5 — стенка кабины, 6 — радиационный теплообменник Кабинный воздух продувается вентилятором 1 через воздушно-жидкостный теплообменник 2, установленный в кабине. Нагретая при охлаждении воздуха жидкость насосом 4 подается для охлаждения во внешний радиационный теплообменник 6. По этому принципу построена система поддержания необходимой температуры атмосферы в герметической кабине советского космического корабля «Восток». Система автоматического поддержания заданного температурного режима корабля «Восток» состоит из двух контуров: внутреннего и внешнего. Регулирование температуры воздуха в кабине корабля «Восток» осуществляется изменением количества воздуха, поступающего на охлаждение в воздушно-жидкостный теплообменник, непрерывно омываемый хладагентом, путем увеличения или уменьшения площади контакта воздуха с охлаждающей поверхностью. Точность поддержания температуры регулятором составляет ±1,5° С [66]. Эффективность работы регулятора в основном определяется перепадом температур кабинного воздуха и хладагента. Чем больше этот перепад, тем выше эффект регулирования, т. е. меньше амплитуда колебаний между крайними значениями температур воздуха кабины [16t 24,27,28,35,45,49,66,130]. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА Поддержание заданной влажности и температуры воздуха в герметической кабине космического корабля необходимо для создания нормальных условий жизнедеятельности экипажа, а также для нормального функционирования отдельных аппаратов космического- комплекса. Влажность воздуха обусловлена присутствием в гермокабине живого организма (человека) , который в процессе жизнедеятельности непрерывно выделяет в окружающее его пространство различные газообразные и жидкие вещества, в том числе и водяные пары. Количество влаги, выделяемой человеком, определяется частотой и глубиной дыхания, тер- морегулирующей способностью организма, а также зависит от физической нагрузки и рациона питания. При принятом в настоящее время рационе питания человек в сутки через легкие и кожу выделяет примерно 1100 г (46 г/час) воды, с мочой — 1200 г, с фекальными массами — 200 г. При пользовании системой ассениза-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 73 дии часть влаги, содержащейся в моче и кале (до 5%), может перейти в атмосферу кабины. При неаккуратном использовании системы водоснабжения также может выделиться до 2 % влаги. Источниками увлажнения атмосферы могут быть отдельные аппараты системы регенерации газовой среды. Так, в случае использования гидроокиси лития (LiOH) при удалении углекислого газа в результате химической реакции выделяется вода: 21ЛОН + CO2=Li2CO3 + Н2О. При удалении 25 л/час углекислого газа будет выделяться около 20 г/час влаги. Часть этой влаги связывается поглотителем (LiOH), а часть ее с воздушным потоком поступает в атмосферу гермокабины. Источником влаги может быть и система обеспечения человека кислородом. При электролитическом разложении воды в системах, основанных на использовании электролизных установок водного раствора щелочей, солей, а также электродиализных устройств, образующиеся из воды кислород и водород несут с собой определенное количество влаги. Если принять, что электролизер производит 20 л/час О2, то поступление влаги в кабину при температуре кислорода 20° С будет составлять примерно 0,4 г/час. В аппаратах каталитического гидрирования углекислого газа водородом до воды и углерода возможно проникновение влаги в атмосферу гермокабины при использовании в системе регенерации газовой среды открытых буферных емкостей по воде. Принципиально эта задача может быть решена при построении системы регенерации газовой среды, обеспечивающей замыкание и связывание отдельных аппаратов и устройств по газовым и жидкостным коммуникациям с непрерывным массопереносом жидкой фазы от аппарата к аппарату путем синхронизации скоростей отдельных физико-химических и электрохимических процессов. Таким образом, общее поступление влаги в атмосферу гермокабины несколько превышает влаговыделение человека. Для условных расчетов его можно принять равным примерно 50—60 г/час для одного человека. Для поддержания гигиенически приемлемой величины влажности воздуха в воздушной среде, предотвращения конденсации влаги на поверхностях и в воздухе кабины, а также для оптимизации режимов работы некоторых систем жизнеобеспечения необходимо непрерывное удаление влаги из атмосферы кабины. Осуществление этого процесса в условиях реального космического полета (динамической невесомости) потребует принципиально новых конструктивных решений при создании аппаратов осушки. Представляется целесообразным подразделить аппараты удаления влаги на автономные, предназначенные для удаления влаги только из атмосферы жилых отсеков космического корабля, и на неавтономные, предназначенные для обеспечения и организации различных физико-химических и электрохимических процессов с необходимыми скоростями и массовыми характеристиками, стабильно и надежно в течение длительного времени. Неавтономные аппараты удаления влаги необходимы при использовании кислородсодержащих веществ для регенерации газовой среды, при применении гидрофильных адсорбционных способов очистки атмосферы от углекислого газа, электрохимических методов регенерации газовой среды, каталитических методов утилизации углекислого газа и т. д. Для регенерации атмосферы космических кораблей «Восток» и «Восход» [17—20, 66] используются кислородсодержащие вещества на основе надперекисных соединений щелочных металлов. В первой стадии процесса преимущественно протекает реакция, по которой для выделения 20—25 л кислорода необходимо 10— 12 г влаги. В то же время необходимый объем воздуха для поглощения 20 л СО2 приносит с собой значительно большее количество влаги, что приводит наряду с необходимым поглощением углекислого газа к большему выделению кислорода и, естественно, закисло- роживанию атмосферы гермообъекта. Обеспечение выделения кислорода в количестве, необходимом для экипажа космического корабля, требует в данном случае регулирования влажности воздуха на входе в патрон с перекисным веществом. Принципиальная схема такой системы предварительной осушки газовой среды представлена на рис. 4. При применении для очистки атмосферы от углекислого газа гидрофильных адсорбентов, например цеолитов, предварительная осушка воздуха становится особенно необходимой, так как цеолит в первую очередь поглощает пары воды, значительно снижая при этом свои сорбционные возможности по углекислому газу. Поэтому в системах удаления углекислого газа на основе цеолитов в качестве первой ступени устанавливаются осушители, обеспечивающие осушку воздуха до точки росы (40—60°С).
74 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Н Рис. 4. Принципиальная схема системы регенерации газовой среды с применением кислородсодержащих веществ КОг или NaCh J — вход воздушного потока, 2 — датчик кислорода (или влажности), 3 — патроны для удаления влаги, 4 — вентилятор, 5 — патрон с КО2 или NaO2, € — фильтр вредных примесей, 7 — выход воздушного потока Рис. 5. Принципиальная схема системы удаления СОг с восстановлением (регенерацией) поглотителей 1 — вход воздуха из кабины, 2 — пакеты с осушителем, 3 — нагреватель, 4 — влагоотделитель, 5 — компрессор, 6 — выход СО2 в вакуум, 7 — теплообменник, 8 — пакеты с поглотителем СО2 На второй ступени осуществляется поглощение углекислого газа. Вещество, поглощающее влагу, периодически регенерируется сухим нагретым воздухом. Принципиальная схема такой системы представлена на рис. 5. В системе обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажей космических кораблей возможно также использование карбонатных соединений щелочных металлов, например К2СО3. Такие вещества устойчивы в реакциях при молярном соотношении сорбированных паров воды и углекислого газа, равном единице. Это соответствует образованию бикарбонат- ных соединений, не содержащих кристалл о- гидратной воды. При молярном соотношении, большем единицы, на поверхности вещества может образовываться жидкая пленка водных растворов, замедляющая процесс сорбции углекислого газа. Для предотвращения образования такой пленки относительная влажность поступающего на регенерацию воздуха не должна превышать 30—40%. При использовании в физико-химических системах регенерации газовой среды электрохимических методов, основанных на электролизе водных растворов щелочей и солей (карбонатов, сульфатов), появляется необходимость применения специальных теплооб- менников-влагоотделителей. При хемосорбции углекислого газа, основанной на применении жидких абсорбентов, таких, как моноэтаноламин, щелочи, для стабилизации и сохранения абсорбционных способностей абсорбента необходимо поддерживать его концентрацию постоянной, поскольку она, как и в электролизерах, изменяется вследствие механического уноса контактирующего с абсорбентом воздуха. Для исключения этого явления на выходе абсорбционных аппаратов устанавливаются теплооб- менники-влагоотделители, выполняющие функции, аналогичные функциям влагоотде- лителей в электрохимических устройствах. К осушителям воздуха, теплообменникам- влагоотделителям необходимо предъявлять как общие, так и специфические требования. Осушители воздуха в системах обеспечения жизнедеятельности экипажей космических кораблей должны иметь небольшой вес и объем при минимальном энергопотреблении, обладать высокой надежностью в работе, механической прочностью, не разрушаться под действием вибраций и перегрузок, действующих на космический корабль, и обеспечивать поглощение влаги с достаточной скоростью в необходимом количестве до остаточной влажности, соответствующей нормальному протеканию последующих технологических процессов. Узел осушки не должен выделять в процессе работы вредных примесей. Осушитель, помимо этого, должен обеспечивать возможность применения многократной тепловой или термовакуумной регенерации без нарушения своих характеристик [13, 16]. МЕТОДЫ ОСУШКИ ВОЗДУХА В зависимости от длительности космического полета используются нерегенеративные или регенеративные осушители воздуха. Для кратковременных космических полетов используются как те, так и другие осушители воздуха. Для космических полетов длитель-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 75 ностью свыше 30—40 суток, по всей видимости, найдут практическое применение только регенеративные осушители воздуха. К нерегенеративным способам осушки воздуха следует отнести химические способы, подразделяемые на две группы: основанные на химическом взаимодействии и на образовании кристаллогидратов. Процесс взаимодействия осушающих веществ первой группы заключается в их разрушении при контакте с водой и образовании новых молекул. При взаимодействии осушающих веществ второй группы с водой молекулы воды не разрушаются, а входят в новое соединение как самостоятельные. К веществам первой группы относятся большинство окислов, перекисей и надпере- кисей щелочных и щелочноземельных металлов, а также ангидриды некоторых кислот. Ко второй группе осушающих веществ относятся гигроскопические соли некоторых органических веществ типа LiCl, СаСЬ, ZnCl2 и др. К регенеративным способам осушки воздуха следует отнести физико-химические и физические. Физико-химические способы осушки воздуха в свою очередь могут быть подразделены на сорбционные и сорбционные с образованием кристаллогидратов. Сорбенты, используемые для осушки воздуха, могут €ыть разделены на твердые и жидкие. К твердым сорбентам относятся си- ликагели, алюмогели, активированный уголь и др. К жидким сорбентам относятся серная кислота, растворы различных солей и другие гигроскопические жидкости. Физические способы осушки воздуха могут быть основаны либо на конденсации, либо на вымораживании водяных паров. Отличительной чертой физических способов осушки воздуха, а также способов, основанных на применении жидких сорбентов, является необходимость специальной организации этих процессов в условиях реального космического полета (динамической невесомости) . Это определяется самой системой, состоящей из трех фаз: газ — жидкость — твердое тело. Химические способы осушки воздуха При хемосорбции абсорбируемое вещество претерпевает химические изменения, определяемые характером химической связи и природой поверхностных радикалов. Скорость хемосорбции зависит от числа столкновений молекул с поглощающей поверхностью, коэффициента конденсации, энергии активации и вероятности столкновения молекул водяного пара с активными центрами. Хемосорбция протекает всегда при температуре, соответствующей определенной энергии активации. Интенсивность процесса хемосорбции водяного пара из паровоздушной смеси по аналогии со скоростями протекания химических реакций определяется как химической кинетикой, так и гидродинамикой потока, характеризующей механизм переноса массы вблизи поглощающей поверхности. Гетерогенная реакция хемосорбции водяного пара протекает в несколько стадий: подвод реагирующих молекул к поверхности, на которой осуществляется реакция; собственно гетерогенная реакция (абсорбция); отвод продуктов реакции из зоны взаимодействия. Для хлористого лития (LiCl) кинетические зависимости, показывающие связь скорости потока паровоздушной смеси и влажности воздуха с интенсивностью поглощения им водяного пара, представлены на рис. 6. Из приведенных на рис. 6 зависимостей следует, что скорость реакции взаимодействия водяного пара с LiCl весьма велика и не оказывает существенного влияния на суммарную скорость хемосорбции и что самой медленной стадией является диффузионный подвод водяного пара к поглощающей поверхности, т. е. интенсивность процесса хемосорбции в данном случае определяется диффузионной кинетикой [18]. В процессе поглощения влаги гигроскопическими солями типа LiCl, СаС12 наблюдается кристаллизационное присоединение ее, при- ил 100 80 60 40 20 0 2 4 6 8 т,час Рис. 6. Кинетические зависимости интенсивности поглощения (U) водяного пара при различных скоростях {в м/сек) потока паровоздушной смеси 1_0; 2 — 2; 3 — 3,5; 4 — 4 /^ У. — — > /у 2 ^^ У
76 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ чем относительная влажность над солью при незначительных колебаниях температуры остается практически постоянной и зависит от изменения кристаллизационной формулы вещества. При взаимодействии таких веществ с потоком влажного воздуха на их поверхности образуется слой раствора, замедляющий дальнейший процесс поглощения водяных паров. Отрицательным фактором является изменение первоначальной формы гигроскопических солей при поглощении ими большого количества влаги. Следует также иметь в виду, что LiGl токсичен и вызывает коррозию металлов. Высушивающая способность некоторых веществ, применяемых при осуществлении химической осушки воздуха, представлена в табл. 1. Таблица 1. Высушивающая способность некоторых веществ, применяемых при химической осушке воздуха Вещество Количество водяных паров, остающихся в 1 л воздуха при 25° С, мг CaS04 ZnBr2 ZnCb СаСЬ (плавленый) СаСЬ (гранулированный) NaOH (плавленый) MgO H2SO4 (100 о/о) АЬОз Mg(C104)2-3H20 КОН (плавленый) Mg(C104)2 (безводный) Р2О5 1,4 1,1 0,8 0,36 0,14-0,25 0,16 0,008 0,003 0,003 0,002 0,002 0,0005 0,000025 Однако следует отметить, что перечисленные химические поглотители влаги находят в основном широкое применение в лабораторной практике и весьма незначительное в космической технике, в частности в системах обеспечения жизнедеятельности экипажей космических кораблей [17—20, 40, 66]. Физико-химические способы осушки воздуха Как уже отмечалось, сорбенты физико-химических методов осушки воздуха могут быть твердыми и жидкими. Осушка воздуха твердыми поглотителями влаги осуществляется за счет физико-химического взаимодействия паров воды и сорбента, т. е. сорбции влаги, образования гидратов и растворения. Твердые сорбенты представляют собой гели (природные сорбенты) и импрег- нированные осушители. Осушка воздуха гелями осуществляется путем адсорбции с последующей капиллярной конденсацией воды в пористой структуре осушителя. К твердым сорбентам следует отнести силикагель, алюмогель, активированный уголь. Силикагель представляет собой твердое, стекловидное, химически инертное, однородное высокопористое вещество, состоящее на 99% из двуокиси кремния (SiO2). В зависимости от величины пор силикагель делится на мелкопористый с насыпной массой 700 кг/ /м3 и крупнопористый с насыпной массой 400—500кг/м3 [22]. Алюмогель или активированный алюминий в основном состоит из окиси алюминия (А12О3) с примесями соды и окислов других металлов. Средняя поверхность капилляров в нем составляет примерно 2,5 • 10б см2/г, объемная насыпная масса 800 кг/м3, плотность (истинная) 3,25 г/см3 [22]. Активированный уголь — древесный угольг специально обработанный с целью увеличения адсорбирующей поверхности и освобождения пор от смолистых веществ. Активированный уголь применяется в виде зерен различных размеров от 1 до 7 мм или в виде порошка. Адсорбционные свойства активированного угля зависят от величины его удельной активной поверхности, определяемой порами диаметром меньше 1-10~5 мм. Адсорбция в основном обусловлена физическими силами притяжения, т. е. неполярными силами Ван-дер-Ваальса, силами ди- польного взаимодействия и поляризационными силами [18]. Для капилляров с радиусом больше 10~5 см давление насыщенного пара над мениском практически равно давлению насыщенного пара над плоской поверхностью. Пар из свободного пространства диффундирует в капилляр, если упругость его выше упругости насыщенного пара над вогнутой поверхностью мениска. Стенки капилляра адсорбируют пар и покрываются пленкой влаги, которая образует мениск. С его появлением возникает капиллярная конденсация, или сорбция пара. Микрокапилляры (г> >10~5 см) заполняются водой только при непосредственном соприкосновении с нею. Они не сорбируют влаги и способны отдать ее в атмосферу, насыщенную водяными парами.
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 77 240 200 160 120 80 л 40 1 1 1 у // 11 / / / / f ^= .-—— — ■- — ■■■ -— ■II ■ твтштшттттт 3 4 6 7_ 4 8 12 16 20 d, г/кг Рис. 7. Зависимость равновесного массосодержания силикагеля от влагосодержания (d) при различных температурах Температура (в °С): 1 —-5; 5 — 25; 5 — 45; 7 — 65; 2 — 15; 4 — 35; 6 — 55; « — 75 Поглощающая способность силикагеля зависит от температуры влажного воздуха и парциального давления пара: с увеличением температуры и уменьшением парциального давления пара эта способность падает (рис.7). Как видно, применять силикагели при температуре свыше 35° С нецелесообразно. В процессе осушки воздуха сорбентами их сорбционная способность снижается, и при достижении определенного состояния они уже не обеспечивают требуемого понижения влажности воздуха и нуждаются в регенерации. Наиболее распространенным способом регенерации является пропускание через сорбент воздуха, имеющего температуру +16(Н- -7-+170° С и подсушенного до температуры точки росы — не выше +28н-+30о С. Осушители с твердыми адсорбентами являются двухсекционными аппаратами. В одной секции такого аппарата происходит адсорбция влаги, в другой — регенерация с использованием электрического, газового или парового нагрева. Адсорбционная способность алюмогеля ниже, а степень осушки воздуха выше, чем у силикагеля. Алюмогель целесообразно применять при температуре воздуха не выше 25° С. По данным некоторых авторов [29, 68, 71], адсорбенты, применяемые для осушки воздуха, должны иметь высокую адсорбционную способность при нормальных условиях, обладать химической стабильностью и стойкостью, быть механически прочными, регенерироваться при возможно низких температурах, быть теплостойкими при переменных температурах регенерации, обладать малым объемным весом и не набухать. Ко второй группе осушителей воздуха относятся импрегнированные осушители, изготовленные из пористых материалов, на поверхность которых нанесены гигроскопические вещества. В этих осушителях сорбция влаги осуществляется как слоем гигроскопического вещества, так и путем капиллярной конденсации влаги. По мере поглощения влаги гигроскопическая добавка превращается в кристаллогидрат или раствор, который принимает влагу, пока ее концентрация в нем не станет такой же, как в осушаемом воздухе. В качестве носителей гигроскопических добавок применяют силикагель, алюмогель, активированный уголь и др. Емкость импрегнированного осушителя определяется пористостью носителя и количеством гигроскопической добавки. Количество сорбированной влаги при 20° С у осушителей на основе крупнопористого силикагеля достигает 61% массы осушителя; на основе мелкопористого алюмогеля — 25 %; на основе активированного угля — 62 %. Например, СаС12, нанесенный на поверхность крупнопористого силикагеля, увеличивает его емкость по воде примерно в шесть раз [18]. При выборе гигроскопических добавок определяющим является минимальное давление водяного пара над ее растворами в интервале температур от 5 до 40° С. Носитель должен хорошо пропитываться раствором гигроскопической добавки, иметь небольшую плотность и прочно удерживать раствор при инерционных перегрузках [19, 23, 29]. Физические методы осушки воздуха и способы разделения газожидкостных фаз в условиях динамической невесомости Физические способы осушки воздуха заключаются в охлаждении его до температуры ниже точки росы или льда. В зависимости от конечной температуры охлаждения выделившаяся влага может быть в виде жидкой
78 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ "X Рис. 8. Принципиальная схема влагоотделителя 1 — вход жидкостно-газо- вой смеси, 2 — сетчатый фильтр-коагулятор, 3 — дренажные трубки, 4 — выход отделенной жидкости, 5 — выход газовой смеси 3^1 Рис. 9. Принципиальная схема влагоотделителя циклонного типа 1 — кожух, 2 — вход влажного воздуха, 3 — внутренняя труба, 4 — путь воздуха, 5 — выходной газовый штуцер, 6 —• сливное отверстие Рис. 10. Принципиальная схема влагоотделителя с осевым входом 4 — разделительная диафрагма, 5 — ОТВОД ВОДЫ, 6 — выход воздуха 1 — корпус, 2 — вход влажного воздуха, 3 — путь влажного воздуха, фазы — конденсата или в виде твердой фазы — льда. Изменение влагосодержания воздуха в процессе охлаждения в расчете на один градус понижения температуры воздуха в случае вымораживания влаги является весьма незначительным, т. е. осушка воздуха вымораживанием является более теплоемким процессом по сравнению со способом конденсации. Вымораживание применяется в тех случаях, когда необходима глубокая осушка воздуха. Осушка воздуха охлаждением обладает существенными преимуществами перед другими способами и поэтому находит широкое применение в4 системах кондиционирования кабин космических летательных аппаратов. Основными преимуществами таких систем следует считать относительную простоту и надежность работы осушительного устройства, независимость веса и объема от продолжительности использования, обеспечение теп- лосъема из конденсируемого объема в процессе сушки, удаление из осушаемого воздуха одновременно с водяными парами части растворимых или легко замерзающих вредных примесей [23, 40]. К недостаткам указанных систем относятся необходимость в определенных источниках холода для понижения температуры воздуха до требуемой величины и качественно новой организации разделения газожидкостной смеси в условиях реального космического полета. В наземных установках сконденсированная жидкая фаза за счет разности в удейьных весах газа и жидкости под действием собственного веса стекает в специальные емкости. В условиях реального космического полета (динамической невесомости) процесс отделения жидкой фазы от газообразной требует принципиально нового технологического и конструктивного решения. Технологические процессы осушки воздуха (понижение температуры, конденсация влаги, влагоотделе- ние) можно совместить в одном аппарате, осуществляя все процессы одновременно, или использовать ряд аппаратов, последовательно выполняющих функцию понижения температуры, конденсации влаги при необходимости коагуляции — укрупнения капель жидкости и влагоотделения. На рис. 8 представлена принципиальная схема влагоотделителя английской фирмы Нормалэр, применяющаяся в системе кондиционирования воздуха герметичной кабины самолета [18].
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 79 В сепараторе циклонного типа (рис. 9) влажный воздух поступает через тангенциально расположенный патрубок. Возникающие центробежные силы обеспечивают перемещение капелек жидкости к стенкам кожуха. Воздух по спиральной траектории в кольцевом зазоре между кожухами выходит из сепаратора через штуцер. Влага удаляется через сливное отверстие. В центробежном сепараторе (рис. 10) с осевым входом влажный воздух закручивается в винтовом аппарате, влага стекает по стенкам и выводится через штуцер. Осушенный воздух отводится через патрубок. Влагоотделители могут быть с отбойными конусами с центробежным эффектом, создаваемым лопатками специальной конструкции. Существенным недостатком рассмотренных схем разделения жидкой и газообразной фаз является наличие вращающихся узлов и деталей, требующих периодической замены их, проведения профилактических работ, а также дополнительного расходования энергии. Наиболее целесообразно отделять жидкую фазу от газообразной способом, основанным на применении гидрофильных и гидрофобных капиллярно-пористых элементов [2, 17, 25]. Следует иметь в виду, что конденсационные осушители одновременно с осушкой воздуха обеспечивают его охлаждение, т. е. осуществляют регулирование температуры и влажности воздуха в гермокабине. На советских космических кораблях «Восток» и «Восход» используется холодильно- сушильный аппарат (ХСА), выполняющий функции поддержания температуры и влажности воздуха в гермокабине (рис. 11) [17]. Принцип работы холодильно-сушильного аппарата заключается в непрерывном охлаждении и конденсации влаги из осушаемого воздуха и отводе капель жидкости путем применения капиллярно-пористых фитилей, вплотную примыкающих к холодной поверхности радиатора. Отвод конденсируемой влаги в такой системе труднорегулируем. Воздух из кабины с температурой 25° Сие абсолютным содержанием влаги до 17,5 г на 1 кг засасывается вентилятором 2 через всасывающий воздухопровод и нагнетается в межтрубное пространство теплообменника. По трубкам 4 циркулирует жидкий хладагент при температуре +5° С, нагнетаемый через трубопровод подачи 3 из контура радиационного теплообменника. Между трубками расположены гигроскопические фитили 5, которые соприкасаются с гигроскопическим пори- 10 Рис. 11. Принципиальная схема холодилъно-сушильного теплообменника 1 — вход воздушного потока, 2 — вентилятор, 3 — трубопровод подачи хладагента с радиационного теплообменника, 4 — трубки теплообменника, 5 — фитили, 6 — трубопровод выхода хладагента, 7 — фитильный сборник сконденсированной влаги, 8 — вентиль откачки конденсата, 9 — выходной воздухопровод, 10 — выход воздушного потока стым материалом, заполняющим емкость Т (сборник конденсата). Пары воды из воздуха, циркулирующего в межтрубном пространстве, конденсируются на трубках, а затем конденсат по фитилям поступает в сборник. Через выходной трубопровод жидкий хладагент при температуре +7—+10° С следует в контур радиационного теплообменника, где охлаждается и снова поступает по трубопроводу подачи 3. Через вентиль 8 конденсат откачивается в систему регенерации воды. Теплообменники-разделители также могут быть построены на гидрофильных и гидро-
80 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ фобных пористых элементах, в которых скорость удаления жидкой фазы определяется фильтрующей способностью этих элементов и перепадом давления между газожидкостной и жидкой фазами. Такого типа теплообменники-разделители находят все более широкое применение в отдельных аппаратах систем обеспечения жизнедеятельности и в системах кондиционирования газовой среды [5, 17, 33, 40, 68, 107]. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ ОСУШКИ ВОЗДУХА В системах кондиционирования воздуха по температуре и влажности удаление влаги и снижение температуры — явления, связанные весьма тесно. Основным принципом, лежащим в основе способов осушки воздуха, является выпадение конденсата атмосферной влаги на охлажденных по сравнению с воздухом поверхностях теплообменников. Характерной особенностью осушки воздуха является неминуемый фазовый переход от газообразного состояния в жидкое, что в условиях отсутствия силы тяжести значительно усложняет процесс массоотвода воды и последующей ее транспортировки к аппаратам системы. Интенсификация этого процесса использованием капиллярно-пористых элементов или каких-либо других гигроскопических материалов считается эффективным средством и находит практическое применение в реально действующих аппаратах. В систематизированном виде по времен- нйм и физико-химическим принципам организации технологических процессов способы осушки воздуха и отделения жидкой фазы от газообразной представлены на рис. 12 и 13. В настоящее время практическое применение находят в основном регенеративные способы осушки воздуха. Значительный интерес по своим возможностям и многоцелевому назначению представляют электрохимические способы. Электролиз на электролите Р2О5, H2SO4, а также с использованием серебряно- палладиевого катода при одновременном поглощении водяных паров обеспечивает получение соответствующего количества кислорода и водорода. Совмещение двух процессов (осушка воздуха, регенерация О2) в одном аппарате приводит к значительному упрощению общего технологического цикла, связанного с разложением воды на кислород и водород и т. д. [2, 16-18, 35, 40, 80, 82-84, 107]. ОЧИСТКА ГЕРМООБЪЕКТОВ ОТ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ЕГО КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ В системах обеспечения жизнедеятельности экипажа космического корабля не менее важное значение, чем снабжение кислородом, имеет очистка воздуха от углекислого газа, паров воды и вредных примесей. Методы удаления углекислого газа можно разделить на нерегенеративные и регенеративные. При осуществлении кратковременных полетов в основном используются нерегенеративные методы удаления углекислого газа. Регенеративные методы применяются главным образом при осуществлении длительных космических полетов [19, 20, 35, 40, 66]. НЕРЕГЕНЕРАТИВНЫЕ МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ СО2 В качестве нерегенеративных сорбентов удаления углекислого газа находят практическое применение следующие вещества: гидроокиси щелочных и щелочноземельных металлов (LiOH, КОН, NaOH); надперекис- ные соединения щелочных металлов, являющиеся одновременно источниками кислорода; карбонаты щелочных металлов (в виде растворов и твердых продуктов); органические амины (жидкие и твердые). Процесс поглощения углекислого газа, например, гидроокисью лития протекает следующим образом: 21ЛОН + СО2 -* ЫаСОз + Н2О + 485 ккал/кг СО2. По этой реакции в среднем на 1 кг СО2, что соответствует суточному выделению человеком углекислоты, требуется 1,3—1,5 кг LiOH. В реальных системах регенерации газовой среды на советских космических кораблях применяются высокоактивные кислородсодержащие вещества на основе надперекисей щелочных металлов. Этими веществами одновременно с выделением необходимого количества кислорода для дыхания осуществляется поглощение из воздуха углекислого газа,
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 81 Способы осушки воздуха Окиси,перекиси, надперекиси щелочных и щелочноземельных металлов; ангидриды кислот и др. Гигроскопические соли органических кислот; LiCl, СаС12, ZnCl2 и др. Твердые сорбенты X Жидкие сорбенты Электролиз Р2О5 Электролиз H2SO4 Электролиз с. катодом из Ag-Pd Конденсация паров н2о Вымораживание паров Н2О Силикагели, алюмогели, активированный уголь и др. Серная кислота, растворы солей и др. Рис. 12. Способы осушки воздуха в еермообъектах Способы разделения газожпдкостных фаз в условиях динамической невесомости Созданием искусственного силового поля Вращением аппаратов Циркуляцией газожидкостной смеси и разделением в центробежных разделителях Применением пористых гидрофильных и гидрофобных элементов Применением только капиллярно-пористых гидрофильных элементов Применением пористых гидрофильных и гидрофобных элементов Рис. 13. Способы разделения газожидкостных фаз в условиях динамической невесомости
82 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ частично вредных примесей кислого характера и водяных паров. Процесс взаимодействия вещества с влажным потоком воздуха, содержащего повышенное количество углекислого газа, можно представить следующими уравнениями в общем виде: МеО* + ШО -> МеОН + Оа + Q, МеОН + СОа-> МеаСОз + НгО + Q; для конечного периода (в случае полной отработки вещества): МеО2 + НаО -» МеОН + О2 + Q, МеОН + СОа -» МеаСОз + НаО + Q, МваСОз + СОа + НаО -» МеНСОз. Емкость веществ по выделению кислорода, поглощению углекислого газа и паров воды в среднем составляет: по кислороду 200—220 нл/кг, по углекислому газу 150—300 нл/кг, по парам воды 80—150 нл/кг. Системы такого типа характеризуются простотой, надежностью и малой энергоемкостью [17, 19, 66, 87, 107]. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ МЕТОДЫ УДАЛЕНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В качестве регенеративных сорбентов в настоящее время используется несколько способов очистки атмосферы от СО2, отличающихся друг от друга характером взаимодействующих фаз, температурой, необходимостью создания искусственного силового поля или градиента концентраций. В системах газ — твердое тело в качестве адсорбента применяются молекулярные сита, синтетические цеолиты, обладающие избирательной поглощающей способностью по отношению к углекислому газу. Процесс адсорбции протекает независимо от действия силы земного притяжения и может быть осуществлен в условиях реального космического полета. Практическое применение могут найти следующие способы очистки атмосферы от углекислого газа: адсорбция с использованием синтетических цеолитов, физические, абсорбция при осуществлении электрохимических процессов. При адсорбции СО2 синтетическими цеолитами регенерацию можно осуществить путем использования различных методов и средств: космического вакуума, вакуума и повышенной температуры, уменьшением парциального давления СО2 над слоем адсорбента в токе инертного газа, вакуума и повышенной температуры с последующим компремированием СО2 до нормального давления. В зависимости от способа регенерации кислорода, определяемого длительностью полетаг выбирается тот или иной способ десорбции СО2. При использовании запасов кислорода целесообразно применять вакуумную и термовакуумную десорбцию СО2 в космическое пространство. К физическим методам очистки атмосферы от СО2 относятся вымораживание, центрифугирование, диффузия. Разработка методов очистки, основанных на вымораживании и центрифугировании, находится в стадии расчетно-теоретических исследований. Диффузионный же способ очистки атмосферы от СО2 является малоэнергоемким, простым и перспективным. Абсорбция СО2 при осуществлении электрохимических процессов отличается непрерывностью процесса и одновременным получением кислорода из воды и углекислого газа» Очистка атмосферы от СО2 обеспечивается путем хемосорбции конечными продуктами электролиза, образующимися в катодном пространстве в электролизных установках при осуществлении электролиза водных растворов карбонатов, сульфатов и расплавов щелочных металлов [66, 107, 120, 129]. Удаление и концентрирование СО2 путем адсорбции с применением синтетических цеолитов Наиболее распространенными регенерируемыми сорбентами углекислого газа в настоящее время считаются цеолиты (молекулярные сита), представляющие собой синтетический гидратированный алюмосиликат с различными присадками окислов щелочных металлов. Цеолиты — пористые гранулированные вещества с гранулами размером 3— 5 мм и порами в них в несколько ангстрем. При физической адсорбции адсорбируемость различных веществ существенно зависит от пористой структуры адсорбентов. В наиболее мелких порах адсорбентов, так называемых микропорах, размеры которых сравнимы с размерами адсорбируемых молекул, происходит перекрывание входа в пору полями адсорбционных сил, которые создаются противоположными стенками пор. В результате в порах происходит повышение адсорбционных потенциалов и возрастание дифференциальных теплот адсорбции, что приводит к значительному увеличению адсорбции [26, 29]. Этим же объясняется и исключительная се-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДЕНСИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 83 лективность определенных форм цеолитов с определенными структурными характеристиками в поглощении из газовой смеси только определенной ее составляющей, размеры молекулы которой близки к размерам микропор. Например, цеолиты типа А и X имеют существенные, ярко выраженные особенности: строгое постоянство размеров пор для каждого типа; бидисперсный характер первичной пористой структуры кристаллов — две разновидности пор, соответствующие большим и малым полостям в структуре алюмосиликат- ных скелетов; взаимосвязь пор, осуществляемую через узкие окна, которыми определяется проникновение в поры адсорбируемых молекул; образованную ионами кислорода поверхность алюмосиликатного скелета (поверхности собственно пор). Положительно заряженные ионы алюминия и кремния расположены в глубине алюмосиликатного скелета [26,29,30]. Свободные полости между элементарными кристаллами и конгломератами кристаллов образуют вторичную пористость гранулированных цеолитов. Размеры этих полостей могут колебаться в широких пределах и зависят как от размеров самих кристаллов, так и от характера упаковки. По данным М. М. Дубинина [28, 29], эквивалентные радиусы вторичных пор лежат в интервале от нескольких десятков до сотен тысяч ангстрем. В таких порах, значительно отличающихся по размерам, естественно, различны коэффициенты диффузии и массоперенос составляющих газовой смеси, находящихся под блокирующим воздействием адсорбционных полей. Коэффициенты диффузии во вторичной пористости зависят от условий получения и гранулирования цеолитов, а также от условий адсорбции: в вакууме или из потока газа-носителя, находящегося при малом или высоком давлении. Природа адсорбционных сил и кинетика адсорбции на цеолитах зависит от многих факторов и имеет весьма сложный характер. Адсорбция углекислого газа на калиевом, натриевом и кальциевом цеолитах при 20° С представлена в табл. 2. Из данных табл. 2 видна четкая зависимость адсорбции от размера окон элементарных полостей кристаллической структуры. Размер окон элементарных полостей кристаллической структуры цеолитов доступен для молекул воды. Критический диаметр молекул воды соизмерим с размером окон адсорбционных полостей синтезированных кристаллических алюмосиликатов (табл. 3). Таблица 2. Адсорбция углекислого газа (3,2 X) на калиевом, натриевом и.кальциевом цеолитах при температуре 20° С Р, мм рт. ст. Адсорбция, вес.% КА (3,3 А) NaA (4,0 А) СаА (5,0 А) 3 6 15 1 1 2 ,32 ,76 ,20 5,70 7,05 8,80 7,50 9,70 12,70 . Изотермы адсорбции на цеолитах уже при очень низких концентрациях водяных паров круто поднимаются. Синтетические цеолиты — это адсорбенты с весьма тонкими порами. За счет наложения полей противоположных стенок в тонких порах резко выражен эффект адсорбционного потенциала, что приводит к высокой адсорбционной емкости при низких концентрациях адсорбата. В силу этого синтетические цеолиты — хорошие осушители; по своим осушающим свойствам они значительно превосходят силикагели. Регенерация цеолита осуществляется при его подогреве до определенной температуры и вакуумировании. При этом отдельные марки цеолитов могут выдержать значительное число циклов регенерации. Применение цеолитов для поглощения и концентрирования углекислоты следует считать перспективным. В настоящее время имеются лабораторные установки, в которых с успехом применяются цеолиты для поглощения углекислоты и вредных примесей. Принципиальная схема системы очистки атмосферы от углекислого газа, основанная Таблица 3. Адсорбция паров воды (2,6 А.) на калиевом г натриевом и кальциевом цеолитах при температуре 20° С Р,мм рт. ст. Р/Р* Адсорбция, вес. % КА ^3,3 А) NaA (4,0 А) СаА (5,0 А) 1 2 3 0, 0, о, 050 110 170 14 14 14 ,04 ,04 ,04 22 24 25 ,80 ,50 ,60 18, 20, 00 70 70 Р — равновесное давление; Ps — давление насыщенного пара при температуре Т. 6*
84 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 13 в кабину 10 Рис. 14. Принципиальная схема системы удаления углекислого газа на основе синтетических цеолитов 1 — воздух из кабины, 2 — воздух в кабину, 3.14 — адсорберы воды, 4.15 — нагреватели адсорберов воды, 5, 7 — адсорберы ССЬ, 6,8 — нагреватели адсорберов СО2, 9 — вакуумный насос, 10 — воздух в кабину, И — хранилище СО2, 12 — редуктор, 13 — выход концентрированного СО2 в блок утилизации на использовании синтетических цеолитов, представлена на рис. 14. По данной схеме воздух из кабины прохо- Дит :$ёрез адсорбер воды 5, освобождаясь от излишней влаги, далее в адсорбер СО2 5. Воздух, очищенный от углекислого газа, направляется на десорбцию в адсорбер воды, нагретый до определенной температуры, затем увлажненный воздух поступает в кабину (2). В этот же период времени в адсорбере 7 осуществляются термовакуумная десорбция углекислого газа и сбор его в хранилище 11. По данным ряда авторов [66], два патрона, наполненные цеолитом, весом 2,26 кг, работающие циклично в режиме сорбции и десорбции, обеспечивают удаление углекислого газа, выделяемого при дыхании человеком. Время сорбции одного патрона — примерно 100 мин. Вес всей системы удаления GO2 составляет 14 кг. Потребляемая мощность на регенерацию (подогрев и вакуумирование) — примерно 700 вт, а на охлаждение — примерно 400 вт. Система очистки атмосферы от СО2, основанная на применении синтетических цеолитов, с успехом использовалась на американской орбитальной станции «Скайлэб» и надежно функционировала в условия:х реального космического полета [17, 26, 29—31, 34, 66, 106, 107, 112, 119]. Удаление и концентрирование СО2 путем вымораживания При абсолютном давлении 760 мм рт. ст. двуокись углерода переходит в твердое состояние при температуре —78,9° С. Тройная точка двуокиси углерода соответствует температуре —56,6° С и абсолютному давлению 5,28 кг/см2. Ниже этого давления и температуры двуокись углерода переходит в твердое состояние, минуя жидкую фазу. Парциальное абсолютное давление двуокиси углерода при наиболее высоких давлениях в воздухоразде- лительных аппаратах может достигать величины 0,06 кгс/см2. Поэтому выделение двуокиси углерода из воздуха в аппарате возможно только в твердом виде. Вымораживание двуокиси углерода производится в регенераторах или в специальных теплообменниках-вымораживателях. Применяются различные конструкции выморажи- вателей: плоские (установки П. Л. Капицы), витые трубчатые высокого давления с прохождением очищаемого воздуха внутри трубок, низкого давления с прямыми трубками и прохождением очищаемого воздуха в межтрубном пространстве. Для достижения заданной степени очистки воздуха процесс вымораживания СО2 должен осуществляться при тепловом режиме, обеспечивающем кристаллизацию СО2 только на холодной стенке без выпадения снега в потоке воздуха. В этом случае количество СО2 в очищенном воздухе будет равно или меньше содержания СО2 в воздухе при насыщении для данной температуры и давления. Разность температур воздуха и холодной стенки не должна превышать 30° С, а скорость потока воздуха во избежание срыва инея со стенок и уноса кристаллов с СО2 должна быть не выше 3 м/сек. Вымораживание двуокиси углерода начинается в том сечении теплооб- менного аппарата, где температура воздуха равна температуре точки росы СО2 в воздушном потоке. Продолжительность работы вымораживате- ля до его заполнения пропорциональна его максимальной удельной нагрузке, т. е. количеству СО2 в кг/м-час, высаживающейся в наиболее напряженном сечении. Для приближения максимальной удельной нагрузки к средней нагрузке следует подбирать такое соотношение потоков, чтобы разность температур на теплом конце вымораживателя не превышала среднелогарифмической разности температур [22].
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 85 В системах обеспечения жизнедеятельности экипажей космических кораблей или планетных станций метод вымораживания углекислого газа может найти практическое применение благодаря простоте организации технологического процесса и аппаратурного оформления. В реальных системах, естественно, вымо- раживатель будет состоять из двух контуров. В одном будет осуществляться удаление СО2 из воздуха, а в другом — преобразование углекислоты в газообразное состояние. Принципиальная схема системы очистки атмосферы от углекислого газа вымораживанием представлена на рис. 15. Воздух из кабины поступает в холодильник-теплообменник 7, где он освобождается от паров влаги, далее в углекислотный холодильник-теплообменник 6, в котором осуществляется вымораживание углекислого газа. Воздух, очищенный от углекислого газа и паров воды, поступает на десорбцию в водяной холодильник-теплообменник 2 и далее в кабину (10). Одновременно с этим осуществляются десорбция СО2 в блоке 3 и его складирование в хранилище 8 [17, 22, 107]. Удаление и концентрирование СО2 путем диффузии через селективные мембраны Осуществление процесса очистки атмосферы от СО2 путем применения селективных мембран представляется в настоящее время разумным технологическим решением, отличающимся непрерывностью процесса и малым энергопотреблением. Определяющей движущей силой процесса в аппаратах с селективными мембранами является градиент концентраций по СО2, т. е. разница концентраций СО2 во входящем воздушном потоке и в потоке по другую сторону мембраны. Реализация эффективного удаления СО2 из воздуха кабины обеспечивается за счет выбора высокоселективных мембран, являющихся ответственными за массоперенос СО2, а также вариацией давления и инертными добавками (водород, парогазовая смесь) в концентрационной полости диффузионных аппаратов, обеспечивающих необходимую скорость переноса молекул СО2. Принципиальная схема очистки атмосферы от СО2 с применением селективных мембран представлена на рис. 16 [107]. Организация технологического процесса очистки атмосферы от СО2 построена по принципу последовательного концентрирования Рис. 15. Принципиальная схема удаления углекислого газа вымораживанием 1 — воздух из кабины, 2,7 — водяные холодильники-теплообменники, 3, 6 — углекислотные холодильники-теплообменники, 4 — циркуляция жидкостного хладоносителя, 5 — космический радиатор-теплообменник, 8— хранилище углекислого газа, 9 — выход углекислого газа в блок утилизации, 10 — воздух в кабину Хладоагент 3 1 U 2 / _RoaTTVY в кабину Воздух из кабины Рис. 16. Принципиальная схема очистки атмосферы от СО2, основанная на использовании диффузии СОг черев селективные мембраны 1 — воздух из кабины, 2 — теплообменник, 3, 12 — диффузионные аппараты, 4, ю, 13 — обратные клапаны, / 5, 7, 11 — компрессоры, 6, 9 — теплообменник-влагоотделитель, 8 — сборник СО2 путем применения двух диффузионных аппаратов 5, 12 и использования парогазовой смеси с последовательным удалением влаги в теплообменниках-влагоотделителях 6, 9. В последних удаление влаги из парогазовой смеси целесообразно осуществлять в условиях динамической невесомости путем ис-
86 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ пользования капиллярно-пористых элементов. Расположение обратных клапанов обеспечивает строго направленную циркуляцию парогазовой смеси и очищаемого от СО2 воздушного потока [5, 9, 11]. Данный способ очистки атмосферы от СОг в настоящее время все в большей степени привлекает исследователей, поскольку обладает существенными преимуществами — простотой и малой энергоемкостью [107, 136]. Удаление и концентрирование СО2 путем абсорбции при электролизе растворов солей Хемосорбция углекислого газа гидроокисью проходит без затраты какой-либо дополнительной энергии. Взаимодействие гидроокисей с СО2 с образованием карбоната можно представить уравнением СОз + 2ОН- -» СО*" + НаО. По мнению некоторых авторов [62], данная реакция протекает не мгновенно, а с определенной скоростью, и поэтому поглощение СО2 следует рассматривать как процесс, идущий в две стадии: 1. СО2+ОН--»НСОз, 2. НСО; + ОН- -* COf + НаО, в котором вторая реакция протекает мгновенно, а первая идет с конечной скоростью. При электролизе раствора карбоната калия в прианодном пространстве образуется бикарбонат калия, который при нагревании распадается: 2КНСОз -> К2СО3 + СОа* + Н2О. При электролизе раствора сульфата натрия в прианодном пространстве образуется серная кислота, которая при контакте с продуктом реакции абсорбции — карбонатом натрия — химически взаимодействует с ним: NaaCO3 + H2SO4 -> Na2SO4 + НаО + СО2*. Углекислый газ выделяется в концентрированном виде, а остальные продукты реакции направляются обратно в электролизер. Следует отметить, что данная реакция протекает без подогрева, поэтому при проведении электролиза сульфата натрия энергия затрачивается только на сам процесс электролиза. При абсорбции католитом углекислого газа последний вступает в химическую реакцию с активной частью католита. Общая скорость процесса в рассматриваемом случае определяется скоростью диффузии углекислого газа, скоростью диффузии активной части католита из основной массы жидкости и скоростью химической реакции. При очень большой скорости реакции можно считать, что она протекает в узкой реакционной зоне, расположенной в пределах диффузионной пленки, причем скорость процесса в этом случае определяется скоростью диффузии углекислого газа и активной части католита в данной зоне. При большой скорости необратимой реакции, когда ее можно считать мгновенной, газ, реагируя с жидкостью, образует в жидкостной пленке слой, состоящий из продуктов реакции. Этот слой изолирует газовую фазу от активной части католита, и дальнейший процесс абсорбции происходит, с одной стороны, по мере диффузии углекислого газа через этот изолирующий слой и, с другой стороны, по мере диффузии активной части католита из активной массы жидкости. По мнению некоторых исследователей [57, 59, 60, 62], реакция взаимодействия углекислого газа с гидроокисью (NaOH, КОН) протекает с большой скоростью. Можно полагать, что зависимости, выведенные на основании исследований по скорости абсорбции углекислого газа в NaOH при барботаже [57, 59, 60, 62], будут характеризовать абсорбцию в наших условиях. Граничные условия абсорбции при барботаже и общие закономерности будут проявляться и при абсорбции в отсутствие силы тяжести. На рис. 17 представлена зависимость абсорбционной емкости водных растворов NaOH от концентраций углекислого газа и NaOH [43]. Из рис. 17 видно, что с увеличением концентрации СО2 скорость абсорбции увеличивается, а с увеличением концентрации NaOH возрастает количество поглощенной СО2. В ряде исследований [43, 57, 59, 60] показано, что абсорбция углекислого газа растворами NaOH и КОН протекает совершенно идентично и приведенный коэффициент скорости процесса, учитывающий физические свойства абсорбента, оказывается равным в обоих случаях. Движущей силой процесса является концентрация активного абсорбента в жидкости. Для осуществления процесса десорбции необходимо учитывать, что устойчивое состояние бикарбоната в растворе характеризуется граничными условиями: бикарбонат выпадает в осадок при температуре 60—70° С и концентрации, превышающей 30—33% [62]. Известно также, что десорбция более интенсивно протекает при температуре 110° С.
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 87 При электролизе сульфатов каких-либо граничных условий для католита и анолита не существует, т. е. их концентрация может быть любой, а температура будет определяться соответствующими условиями проведения электролиза. В абсорбционных процессах участвуют две фазы — жидкая и газовая и происходит переход веществ от газовой фазы в жидкую. В процессе, обратном абсорбции, при выделении растворенного газа из раствора происходит переход вещества из жидкой фазы в газовую. Для устойчивой работы абсорбционно-де- сорбционных аппаратов необходимо соблюдать следующие основные условия: обеспечивать контакт жидкой и газообразной фаз; подводить католит и анолит к реакционным аппаратам; удалять продукты реакции из реакционных аппаратов; отделять газовую и парогазовую фазы от жидкой; подводить тепло к реагенту; отводить тепло от аппаратов. В наземных условиях абсорбционные процессы осуществляются в специальных аппаратах, отличающихся друг от друга методом контактирования фаз. В пленочных аппаратах жидкость стекает в виде тонкой пленки, на поверхности которой и происходит соприкосновение фаз. Отекание жидкости обеспечивается за счет действия силы земного притяжения и, следовательно, в условиях невесомости будет нарушено. В аппаратах, работающих по принципу распыления жидкости в массе газа, соприкосновение фаз происходит на поверхности капель. В условиях невесомости соприкосновение фаз будет осуществляться, но отделение жидкой фазы от газообразной нарушится из-за отсутствия разности в удельном весе. В барботажных аппаратах, работающих по принципу распыления газа в массе жидкости, соприкосновение газа с жидкостью происходит на поверхности пузырьков газа, проходящих через слой жидкости. В этом случае также будет затруднен процесс отделения газа от жидкости из-за отсутствия разности в удельном весе между контактирующими фазами. Абсорберы поверхностного типа обеспечивают соприкосновение двух фаз за счет пропускания газа над свободной поверхностью неподвижной или медленно текущей жидкости. В условиях невесомости жидкость будет растекаться по стенкам аппарата, в результате чего по газоотводящим каналам пойдет газожидкостная смесь. /м- о СЛ олл 150 Л(\(\ С Л / А 'У / / / / / / / / / / •/ / / / / / / ' / / / о У / / У 10 20 30 СО2,% Рис. 17. Зависимость абсорбционной емкости (q) водных растворов едкого натрия от его концентрации и содержания углекислого газа в воздухе NaOH (в г-экв/л): J —1, £ —2, 3 —4 Следует отметить, что при использовании таких аппаратов в условиях невесомости, очевидно, будет затруднено подведение и отведение жидкой фазы, что также приведет к нарушению статики и кинетики абсорбции, т. е. равновесия между жидкой и газовой фазами и скорости процесса массообмена. Следовательно, наземные абсорбционные аппараты использовать в условиях невесомости нельзя. При использовании десорбционных аппаратов (десорберов) в условиях невесомости для осуществления процесса перехода вещества из жидкой фазы в газовую, как и абсорбционных аппаратов, возникают проблемы, связанные с удержанием электролита в реакционном аппарате, с подведением и отведением жидкости, с разделением жидкой и газовой фаз. По этим причинам использовать наземные десорбционные аппараты в условиях невесомости также невозможно.
ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Воздух из кабины (Рсо,жЗ,8мм рт.с Воздух в кабину (Рсо^о) 8' К2СО3+Н2О 6 Рис. 18. Принципиальная схема абсорбции СОг като- литом (КОН) и десорбции СОг из анолита (КНСОз) 1 — электролизер, 2 — десорбер, 3 — нагревательный элемент, 4, ю — теплообменники-разделители, 5, 9, 11 — контуры хладоносителей, 6, 8 — щелочные насосы, 7 — смеситель, 12 — абсорбер На основании исследований, проведенных С. Усыскиным и Р. Зигелем [9], установлено, что подведение тепла к десорберу и сам процесс выделения газа из жидкости при кипении в условиях ослабленного гравитационного поля или невесомости будут отличаться от аналогичных процессов в условиях Земли. При уменьшении интенсивности гравитационного поля, согласно теоретическим исследованиям, критический тепловой поток уменьшается. При пузырьковом кипении с ослаблением гравитационного поля уменьшается скорость свободно поднимающихся пузырьков и увеличивается их диаметр примерно пропорционально интенсивности поля в степени 1/3,5, т. е. при невесомости пленочное и пузырьковое кипение выглядят одинаково. При рассмотрении данных процессов следует иметь в виду два критерия, касающихся процессов кипения: уровень нагрева, при котором динамические силы пузырьков преобладают и их величина оказывается достаточной для обеспечения удаления пузырьков с поверхности нагрева; скорость вынужденной конвекции, при которой силы сдвига вблизи поверхности нагрева преобладают и их величина является достаточной для удаления пара с поверхности нагрева. Исследованиями С. Усыскина и Р. Зигеля [9] существенного влияния гравитации на эти критерии процессов кипения не было установлено, т. е. можно полагать, что подвод тепла и кипение в условиях невесомости будут такими же, как и в земных условиях. При электролизе растворов солей в настоящее время абсорбционно-десорбционные процессы осуществляются за счет искусственной циркуляции электролита с последующим разделением газожидкостной смеси в специальных аппаратах с капиллярно-пористыми элементами. Принципиальная схема абсорбции и десорбции СО2 с использованием вторичных продуктов электролиза солей представлена на рис. 18. Как уже отмечалось, по данной схеме абсорбция и десорбция СО2 осуществляются непрерывно и аппараты связаны в единой системе, замкнутой по газовым и жидкостным коммуникациям [70, 107, 115]. Удаление и концентрирование СО2 путем абсорбции при электролизе растворов солей с ионообменными мембранами В электрохимических процессах при электролизе водных растворов щелочей и солей существенное влияние на внешнюю диффузионную кинетику оказывает явление, связанное с перераспределением под действием электрического поля в межэлектродном пространстве части ионов, не принимающих непосредственного участия в электродных процессах. Это приводит к возникновению градиентов концентраций и диффузионных потоков, создающих миграцию ионов в направлении, противоположном действию внешнего электрического поля. Такое явление вызывает увеличение общих энергозатрат и снижение возможностей системы в целом. Как уже отмечалось, при электролизе водных растворов солей необходимо одновременно с получением водорода и кислорода получать в необходимом количестве и определенной концентрации анолит и католит. При электролизе водных растворов солей это достигается подбором удельной скорости электрохимического процесса (плотности тока) и скорости подвода электролита в электролизер с учетом возникающих при этом диффузионных потоков, зависящих прежде всего от разности потенциалов между электродами и температуры, ускоряющей или замедляющей этот процесс. Тесная взаимосвязь основных электрохимических и массообменных процессов в значительной степени усложняет получение анолита и католита в определенных количествах и необходимой концентрации. Локализация этих явлений может быть достигнута интенсификацией внешних массообмен-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 89 ных потоков. Применение селективных мембран обеспечивает упорядоченное перемещение ионов различного заряда в межэлектродном пространстве, что упрощает процесс получения необходимой концентрации анолита и католита. Ионит является гетерогенной системой, состоящей из матрицы и жидкости в порах. В связи с этим скорости диффузионных потоков зависят от пространственного заполнения ионами матрицы и пористой структуры самой мембраны (пористость, тип пор, величина и распределение пор по объему). Ионные мембраны, предназначенные для использования в электрохимических устройствах, должны обладать определенной селективностью, высокой электропроводностью, допустимым набуханием, прочностью и стойкостью в течение длительного времени. Применение ионообменных мембран в электрохимических устройствах для регенерации газовой среды в отличие от электролиза растворов солей позволяет создать аппарат, выполняющий одновременно несколько функций: получение кислорода и водорода, очистку атмосферы от СО2 и одновременное получение СО2 100%-ной концентрации. В аппарате с ионообменными мембранами под действием электрического поля обеспечивается направленный массоперенос ионов определенного заряда с достижением необходимой концентрации в соответствующих полостях, а также одновременное осуществление физико-химических реакций, приводящих к интенсивной хемосорбции СО2 из проходящего воздушного потока и образованию химически нестойких веществ, распадающихся с выделением углекислого газа. В условиях реального космического полета, как и при электролизе растворов солей, организацию электрохимических и физико-химических процессов в электродиализаторе предполагается осуществлять созданием искусственной циркуляции электролита с последующим разделением газоэлектролитных продуктов в специальных аппаратах и применением капиллярно-пористых элементов. Принципиальная схема регенерации газовой среды гермокабин, основанная на применении электрохимического устройства с ионообменными мембранами, представлена на рис. 19. Электродиализатор 6 состоит из трех ионообменных мембран. Воздушный поток из гер- мообъекта проходит между ионообменными мембранами 8, 9, где осуществляется удаление СО2 посредством его хемосорбции по реакциям СО2 + ОН-~»НСОз, НСОд + ОН- -> СО|- + НаО. Отрицательно заряженные ионы НСОз и СОз~~ под действием электрического поля переходят в полость, расположенную слева между катионообменной и анионообменной мембранами, в которой осуществляется десорбция СО2 по реакциям 2НСО~ -» СО|" + ШСОз, Н2СОз -> Н2О + СО2*. Из электродиализатора воздушный поток и образующиеся газы (СО2, Н2, О2) поступают на соответствующие теплообменники-разделители 4, 10, 12, 17, в которых происходит конденсация паров влаги и отделение жидкой фазы от газообразной. Жидкая фаза (водный раствор электролита и воды) нагнетается насосом 15 в соответствующие полости электродиализатора. Очищенный углекислый газ поступает в буферную емкость 2. Применение ионообменных мембран в электрохимических аппаратах позволяет значительно интенсифицировать физико-химические процессы абсорбции и десорбции СО2 за счет создания оптимальных условий по концентрациям взаимодействующих реагентов и снижения диффузионных ограничений. (РСоажЗ,8ммрт.ст.) Рис. 19. Принципиальная схема электрохимического устройства (электродиализатора) с ионообменными мембранами 1 — редуктор, 2 — буферная емкость с углекислым газом, 3 — компрессор, 4, 10, 12, 17 — теплообменники-разделители, 5, 11, 13, 16 — контуры хладоносителей, 6 — электродиализатор, 7, 8, 9 — катионные и анионные мембраны, 14 — промежуточная емкость по воде, 15 — щелочной насос
w ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Однако в аппаратах с ионообменными мембранами в межэлектродном пространстве удельные характеристики мощности выше, чем в электрохимических аппаратах с проте- каемыми мембранами: на выделение 1 л О2 в час требуется 16—18 вт [9, 43, 44, 57, 60, €2,70,107]. Удаление и концентрирование СО2 путем абсорбции в кислородо-водородном топливном элементе Организация технологического процесса очистки атмосферы от СО2 и последующего его концентрирования в электрохимических устройствах типа кислородо-водородного топливного •элемента представляет значительный интерес для интенсификации хемосорбцион- ных процессов за счет значительного снижения ограничений диффузионного характера, поскольку массообменные процессы зависят в основном только от скорости электрохимического процесса. Принципиальная схема ячейки топливного элемента представлена на рис. 20. Ячейка состоит из двух пористых электродов 2, 5, вплотную примыкающих к пористой межэлектродной диафрагме 4. Активной частью пористого диффузионного электрода, находящегося в контакте с жидким электролитом, является область взаимодействия трех фаз — жидкости, газа и твердой фазы самого электрода. Поток воздуха (О2, СО2) из гермо- Воздух Воздух + СО^ Рис. 20. Принципиальная схема концентратора СОг, основанная на использовании топливного элемента 1 — катодная камера, 2 — катод, 3 — потребитель электрической энергии, 4 — пористый межэлектродный элемент, 5 — анод, € — анодная камера Воздух в кабину i Воздух1" \1 из кабины СО2+Н2 Н2О Рис. 21, Принципиальная схема очистки атмосферы от СОг, основанная на использовании топливного элемента 1 — воздухозаборник, 2 — влаготеплообменник, 3 — топливный элемент, 4 — компрессор, 5 — регулятор расхода, 6 — теплообменник-влагоотделитель, 7 — обратный клапан, 8 — буферная емкость объекта пропускается через катодную камеру. На катоде осуществляется электрохимическая реакция, приводящая к ионизации кислорода и образованию гидроксила, от количества которого зависит процесс хемосорбции СО2. В общем виде катодные и анодные процессы можно представить следующим образом: Катод О2 -f 2Н2О+41 -> 4ОН-, 2СО2 i- 4ОН- -» 2СО|" +2ШЗ. Анод 2Ш + 4ОН-— 4ё- 2СО|" + 2Н2О- ► 4ШО, ► 4ОН-+2СОа. Суммарная реакция, идущая в электрохимическом концентраторе, имеет вид: О2+ СОг + 2На -> 2НаО + СОг + энергия. В данном электрохимическом аппарате в основном предполагается получать СО2 не в чистом виде, а в определенном соотношении с водородом. Как будет показано далее, такая газовая система (СО2—Н2) с успехом может быть утилизирована для получения конечных веществ (С, СН4, Н2О). Одной из проблем организации такого технологического процесса следует считать разработку способа удаления воды, образующейся в результате химической реакции. В принципе удаление Н2О может осуществляться при температуре, близкой к 100°, или при более высокой температуре и повышенном давлении; при низких
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 91 температурах и пониженном давлении; при циркуляции газа с обеспечением определенной разности температур газа и электролита. Принципиальная схема очистки атмосферы от СО2, основанная на использовании топливного элемента, представлена на рис. 21. Электрохимическая система очистки от СО2 состоит из побудителей газовоздушных потоков 1, 4, топливного элемента 3 и двух отдельных аппаратов 2, 6, помещенных на входе и выходе газовоздушных потоков топливного элемента, выполняющих роль основных согласующих и стабилизирующих звеньев в системе. Влаготеплообменник 2 выполняет роль стабилизатора топливного элемента по температуре и по концентрации электролита. Проходящий через катодную камеру воздушный поток за счет диффузионных процессов и чисто механического взаимодействия с электролитом насыщается влагой, изменяя в какой-то степени концевстрапию электролита, что, естественно, влияет на качество организации электрохимического процесса. С целью стабилизации процесса в системе используется звено £, передающее входному потоку влагу, которая была унесена выходящим потоком. Теплообменник-влагоотделитель 6 конденсирует Н2О из газовой смеси СО2 + Н2 и одновременно отделяет образовавшуюся жидкую фазу от газообразной. Данная система представляет значительный интерес вследствие простоты организации технологического процесса и малой его энергоемкости [7, 27, 85, 107, 137]. Способы очистки гермообъектов от углекислого газа 1 Нерегенеративные , / Гидроокиси щелочных металлов \ Кислород - содержащие вещества I Регенеративные I Адсорбционные I I Абсорбционные Физические I 1. LiOH 1. КОо 2. КОН и др. 2. NaO2 и др. Щелочные абсорберы Карбонатные абсорберы Электролиз карбонатов Электролиз сульфатов Электролиз карбонатов и сульфатов с ионообменными смолами и мембранами Топливные „О2-Н2' элементы Рис. 22. Способы очистки воздуха гермообъектов от углекислого газа Рис. 23. Способы концентрирования углекислого газа
92 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ УДАЛЕНИЯ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА Системы очистки атмосферы гермообъектов от углекислого газа и концентрирования его являются первым звеном, ответственным за последующую организацию процесса регенерации кислорода (в системах с кругооборотом по кислороду) и предопределяющим выбор технологических звеньев получения кислорода из СО2, Н2О или из их смеси. Методы очистки воздуха от углекислого газа можно подразделить по фазовому принципу на «газ — твердое тело» и «газ — жидкость — твердое тело». Технологическая организация адсорбционных процессов в условиях динамической невесомости проста и не требует принципиально новых решений в отличие от абсорбционных процессов. Однако, несмотря на некоторую сложность осуществления абсорбции, она выгодно отличается компактностью и непрерывностью абсорб- ционно-десорбционных процессов. Рассмотренные выше методы очистки и концентрирования углекислого газа можно представить в общем виде двумя схемами (рис. 22, 23, см. стр. 91). Выбор того или иного метода будет определяться прежде всего надежностью и стабильностью технологических процессов, сохраняющих неизменными свои рабочие характеристики в течение длительного периода эксплуатации. Ученые СССР и США уделяют практически одинаковое внимание всем представленным выше методам [2, 35, 66, 80, 107]. РЕГЕНЕРАЦИЯ КИСЛОРОДА В ГЕРМООБЪЕКТАХ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КИСЛОРОДОМ, ОСНОВАННЫЕ НА ЕГО ЗАПАСАХ Методы обеспечения кислородом могут быть основаны на использовании запасов кислорода в чистом виде или кислородсодержащих веществ, взятых с Земли, с промежуточных станций, или на использовании кислорода, содержащегося в жидких и газообразных продуктах (вода, углекислый газ), выделяемых человеком в процессе жизнедеятельности. Применение того или иного метода будет определяться назначением и в основном длительностью существования объектов. Метод, связанный с использованием запасов кислорода, характеризуется прямо пропорциональным длительности полета увеличением веса и объема этих запасов. При использовании кислорода, находящегося в выделяемых человеком продуктах жизнедеятельности (Н2О, СО2), вес и объем системы без учета источников электрической энергии практически не зависит от длительности существования объекта [19, 20, 35, 66, 67, 107, 124]. Обеспечение кислородом, основанное на применении его запасов в чистом виде Методы обеспечения кислородом могут быть основаны на его запасах. Кислород может храниться в газообразном или жидком состоянии, а также в виде кислородсодержащих веществ, в которых он находится в химически связанном состоянии с К, Na, C1, Н2 и т. д. Кислород в чистом виде можно хранить при следующих условиях: в газообразном состоянии при высоком давлении; в жидком виде под давлением в однофазном состоянии; в двухфазном состоянии (жидкость — газ) под давлением; в однофазном состоянии под давлением при сверхкритических температурах; в твердом виде при сверхнизких температурах (-218° С). Кислород при обычных температуре и давлении—бесцветный газ; не имеет запаха, вкуса и несколько тяжелее воздуха — относительная (к воздуху) плотность кислорода 1,1. Масса 1 м3 кислорода при температуре 0° С (273° К) и давлении 760 мм рт. ст. равна 1,43 кг; при 20° С, (293° К) и том же давлении она составляет 1,33 кг. При охлаждении кислорода под атмосферным давлением до температуры —183° С он превращается в прозрачную голубоватую жидкость, быстро испаряющуюся при комнатной температуре. При дальнейшем охлаждении до температуры —218,7° С жидкий кислород переходит в твердое состояние, образуя голубые кристаллы плотностью 1,46 г/см3. Жидкий кислород объемом 1 дм3 имеет массу 1,1321 кг и при испарении образует 850 дм3 газообразного кислорода (при температуре 20° С и давлении 760 мм рт. ст.). 1 кг жидкого кислорода при испарении (20° С
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 93 и давлении 760 мм рт, ст.) образует 750 дм3 газообразного кислорода [37]. Запасы газов при высоком давлении прежде всего обеспечивают надежность и простоту их использования в условиях реального космического полета. Этот способ может считаться оптимальным для регенерации кислорода при осуществлении сравнительно кратковременных полетов. Общий подход при проектировании такой системы регенерации кислорода сводится к определению соответствующих соотношений между давлением газа и весом баллонов. Определяющей при этом является сжимаемость кислорода при высоких давлениях. При давлении, превышающем несколько сот атмосфер, сжимаемость газа падает настолько, что приводит к необходимости увеличивать вес и объем баллонов. На рис. 24 показано изменение общей массы и объема сферического кислородного баллона в зависимости от давления [18]. Как видно из рис. 24, сочетание массы и объема будет оптимальным при давлении, равном примерно 575 атм. Для проведения сравнительной оценки основных способов кислородного обеспечения по их технологическому оформлению целесообразно ввести коэффициент, характеризующий уровень совершенства конструкции. На основании положений, изложенных Г. И. Ворониным и А. И. Поливодой [17], стартовый вес (Gc) системы можно представить в следующем виде: где G3an — вес запасов (кислорода и пр.), Gk — суммарный вес конструкций (вес емкостей) , п — число суток полета. Введя коэффициент а = -я—, г , мож- но вес системы привести к следующему виду: <?с = 1—а Из данного равенства очевидно, что, чем меньше коэффициент а, тем меньше вес системы и тем совершеннее ее конструкция. При хранении кислорода в баллонах (стальных или из титановых сплавов) при высоком давлении и при их самой совершенной конструкции на 1 кг кислорода приходится 2— 3 кг веса баллонов, т. е. коэффициент а составляет 0,66—0,75. С учетом веса арматуры (краны, редукторы, трубопроводы, крепежные детали и контрольные приборы) коэффициент а достигает величины, равной ~ 0,8. При осуществлении космических полетов 18,12 12,48 , 6,24 а 4,37 со 3,12 S 1,87 1,25 0,62 а \ 2 1 —-~ у -У- _^< 6 1 л 4° 3 0,07 0,14 0,21 0,35 0,56 0,7 Давление зарядки, 10s атм 1.4 - 2 2,1 Рис. 24. Масса (а) и объем (б) кислородных сферических баллонов в зависимости от давления 1 — баллоны из стали, 2 — из титанового сплава продолжительностью примерно свыше 20 суток предпочтение отдают системам регенерации кислорода, основанным на использовании жидкого кислорода; способ регенерации кислорода при помощи таких систем обладает существенными преимуществами по сравнению со способом хранения газообразного кислорода при высоком давлении. Вследствие более низкого давления при хранении жидкого кислорода значительно уменьшаются вес и объем газификаторов. При разработке и создании таких систем следует уделять особое внимание: обеспечению теплоизоляции газификаторов для сведения к минимуму неоправданного испарения жидкого кислорода; созданию условий надежного перехода кислорода из жидкого состояния в газообразное и подаче его экипажу космического корабля с необходимой скоростью и в достаточном количестве в условиях невесомости; контролю за состоянием и расходованием жидкого кислорода; обеспечению условий хранения жидкого кислорода и безаварийному осуществлению сброса давления, появляющегося за счет образования газообразного кислорода в период хранения. Для изоляции сосудов с жидким кислородом применяются углекислая магнезия, мипо- ра, аэрогель, перлит и др. Следует отметить, что при самой совершенной конструкции газификаторов в них на 1 кг кислорода при-
94 ЧАСТЬ L МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 14 Рис. 25. Схема системы регенерации кислорода, основанная на применении жидкого кислорода 1 — баллон с гелием при высоком давлении, 2 — кран заправки баллона гелием, 3 — обратный клапан, 4 — редуктор, 5 — кран сброса избыточного давления, 6 — клапан сброса избыточного давления, 7 — криогенный сосуд, 8 — порошковакуумная изоляция, 9 — жидкий кислород, 10 — эластичная вытеснительная камера с гелием, 11 — регулятор расхода, 12 — теплообменное устройство, IS — обратный клапан, 14 — штуцер заправки Рис. 26. Схема системы регенерации кислорода, основанная на применении кислорода при сверхкритических условиях 1 — дополнительный источник тепла, 2 — кислород в сверхкритическом состоянии, 3 — клапан дренажирования кислорода и сброса давления, 4 — задорный кран, 5 — регулировочный клапан подвода тепла, 6 — теплообменники, 7 — редуктор давления, 8 — порошковакуумная изоляция, 9 — внутренний теплообменник ходится не менее 1,2 кг веса емкостей, т. е. коэффициент а в этом случае равен ~ 0,55 [17]. Принципиальная схема системы регенерации кислорода, основанная на использовании жидкого кислорода, представлена на рис. 25. В данной системе подача кислорода из криогенного сосуда осуществляется путем его вытеснения эластичной емкостью 10, в которую в необходимом количестве под давлением поступает инертный газ (гелий). Хранение жидкого кислорода в чистом виде возможно только при условии поддержания постоянства температуры всей массы жидкости. При неравномерном подводе тепла в условиях невесомости в пристеночном слое может произойти локальное закипание, т. е. превращение кислорода в газообразный, что приведет к неустойчивой работе системы. Представленная выше система хранения жидкого кислорода достаточно сложна, так как требует двух баков, находящихся под давлением, и системы регулирования давления. Надежность рассматриваемой системы зависит в первую очередь от надежности эластичной вытеснительной камеры, в которую подается гелий, и от ее способности выдерживать многократные деформации при низких температурах. Возможно хранение жидкого кислорода в двухфазном состоянии — в виде смеси жидкости и пара. В этом случае общая кислородная система значительно упрощается, но возникает весьма серьезная проблема разделения газовой и жидкостной фаз в условиях невесомости. Несравнимо более простым и выгодным можно считать способ хранения кислорода при сверхкритической температуре. Критической температуре (—118,8° С), выше которой кислород не сжижается, соответствует критическое давление 49,7 атм. Принципиальная схема обеспечения кислородом, основанная на использовании кислорода, находящегося при сверхкритических условиях, представлена на рис. 26. Вытеснение кислорода из бака в этой системе осуществляется путем увеличения давления за счет подводимого внутрь тепла. В этой системе не требуется разделения фаз, и ее использование в условиях невесомости не вызывает затруднений. Из трех рассмотренных способов хранения кислорода, находящегося в жидком и сверхкритическом состоянии, в настоящее время предпочтение отдают последнему способу как наиболее простому и экономичному. Коэф-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДЕНСИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 95 фициент а таких систем составляет примерно 0,52. Такая система кислородного обеспечения была применена на американских космических кораблях типа «Джемини» [17]. Представляет интерес способ хранения кислорода в твердом виде при сверхнизких температурах порядка —218° С. Однако на пути реализации подобной системы необходимо решить такие весьма важные технические задачи, как надежная теплоизоляция кислорода и точное регулирование подводимого тепла для перевода кислорода в газообразное состояние [17]. Обеспечение кислородом, основанное на использовании запасов кислородсодержащих веществ В противоположность системам с чистым кислородом системы с запасами кислорода в химически связанном виде принципиально более выгодны, так как одновременно с образованием кислорода для дыхания ими осуществляется поглощение СО2 и токсических веществ. Применяемые в системах обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) соединения можно разделить на три группы: перекиси, над- перекиси и озониды щелочных металлов и щелочноземельных металлов; перекись водорода; хлораты и перхлораты щелочных и щелочноземельных металлов. Основные характеристики этих кислородсодержащих веществ приведены в табл. 4 [17, 66]. Применение кислородсодержащих соединений для регенерации воздуха основано на химических реакциях этих веществ с водяным Таблица 4, Основные характеристики кислородсодержащих веществ Кислородсодержащее вещество Химическая формула Количество О2 в 1кг, кг Плотность, кг/дм3 Озонид лития Озонид натрия Озонид калия Надперекись лития Надперекись натрия Надперекись калия Надперекись кальция Перекись лития Перекись водорода Перхлорат лития Хлорат натрия ЫОз NaO3 КОз ЫО2 NaO2 КО2 Са(О2)2 Li2O2 Н2О2 LiC104 NaClOs 0,73 0,563 0,46 0,61 0,436 0,338 0,46 0,348 0,471 0,601 0,451 — — — — 0,655 — 2,14 1,42 2,43 2,26 паром и углекислым газом. При использовании надперекисей и озонидов кислород выделяется в результате реакций взаимодействия с водяным паром: 2MeO2(s) + НаО(г?) = 2MeOH(s) + *ДО20О, 2МеО3(8) + Н2О(г?) = 2МеОН(5) + «/«О^, где s — твердое состояние, v — пар, g — газ,. Me — щелочной металл. Гидроокиси щелочных металлов, образующиеся при этих реакциях, поглощают иа воздуха углекислый газ с образованием карбонатов и бикарбонатов: 2MeOH(s) + СОад = Me2CO3(s) + H2O (1), 2MeOH(s) + 2CO2(i?) = 2MeHCO3(s), где I — жидкость. На основании этих стехиометрических соотношений теоретический коэффициент, характеризующий отношение поглощенного СО* к количеству выделяемого О2, P=VCo2/VO2v в системе с надперекисями будет изменяться от 0,67 при образовании только карбоната до 1,33 при образовании только бикарбоната, а в системах с озонидами — от 0,40 до 0,8(> [17]. Перекись лития Li2O2 может также использоваться для регенерация воздуха, так как при некотором содержании влаги в воздуха она реагирует непосредственно с углекислым газом и образует кислород и бикарбонат лития: Li2°2(3) + G02(S) = Li2CO3(s) + V2O2(g). Таким образом, 1 кг перекиси лития позволит удалить 0,96 кг углекислоты и в то же- время возвратить в систему 0,348 кг кислорода. Коэффициент (S при использовании только перекиси лития будет равен 0,2. Поглощение углекислого газа и выделение- кислорода происходит вследствие двух различных реакций. Перекись лития и водяной пар, вступая в реакцию, сначала дают активные поглотители LiOH, LiOH-H2O и перекись водорода: Li2°2(S) + 2Н2°оо = 2Li0H(S) + Н2О2(0, Ы0Н,5) + H2O(v) = LiOH.H2O(s). Затем происходит поглощение углекислоты: 2LiOH(s) + CO2(ir) = Li2CO3(8) + Н2О(0, 2LiOH.H2O(5) + СОад) = Li2GO3(s) + H2O(Z). ^ Далее в результате выделения перекисв водорода образуется кислород: H2O2(0 = H2°(,)+V2<W
96 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Системы с запасами перекиси водорода могут с успехом использоваться для обеспечения кислородом экипажей космических кораблей. Эти системы более экономичны в отношении массы и объема, чем системы с газообразным кислородом. Хлораты натрия NaC103 в виде свечей также могут применяться для обеспечения кислородом экипажей космических кораблей. В этом случае используется термическое разложение хлората натрия при температуре 700—800° С на хлористый натрий и кислород по реакции: 2NaC103 = 2NaCl + ЗО2 + 232 ккал/кг. Теоретически возможный массовый выход кислорода в этом случае равен 45%, действительный же — 40 %. Тепло, необходимое для поддержания реакции, выделяется при окислении небольшого количества железного порошка, смешанного с хлоратом: 2Fe + О2 = 2FeO + 885 ккал/кг. «Зажигать» свечи можно фосфорной спичкой, электрозапалом или капсюлем. Преимущества хранения кислорода в химически связанном состоянии совершенно очевидны при сравнении с криогенными способами хранения. Действительно, если при наиболее совершенных криогенных способах хранения кислорода можно получить коэффициент а = 0,52, то надперекись натрия обеспечивает величину а = 0,56 и при этом одновременно является поглотителем СО2. С учетом необходимости поглощения СО2 коэффициент а криогенного способа будет равен 0,73. В заключение можно привести следующие преимущества систем регенерации воздуха с хранением кислорода в химически связанном виде: достаточно широкие диапазоны температуры (20 ± 10° С), относительной влажности (30—70%), барометрического давления (760±80 мм рт. ст.), в которых системы эффективно работают; способность поглощения газообразных отходов, выделяющихся в процессе жизнедеятельности человека; способность переносить вибрации и высокие перегрузки без нарушений; тепло- и взрывостойкость; простота конструкции; минимальная по сравнению с другими системами потребляемая мощность; высокая надежность в эксплуатации; возможность автоматизации процессов для создания в кабине необходимых условий микроклимата. На советских космических кораблях «Восток» и «Восход», а также серии «Союз», в качестве регенеративных веществ с успехом использовались кислородсодержащие вещества, в частности надперекись калия [15, 17— 20, 66: 117]. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КИСЛОРОДОМ Осуществление длительных космических полетов является качественно новым этапом, определяющим принцип построения систем обеспечения жизнедеятельности человека. При проектировании и разработке систем для таких полетов необходимо стремиться к созданию практически полного кругооборота веществ путем максимального использования продуктов, выделяемых человеком в процессе жизнедеятельности. Выбор способа получения кислорода в физико-химических системах регенерации газовой среды определяется принципом построения общей системы обеспечения кислородом и, в частности, тем, что используется в качестве исходного вещества для получения кислорода — вода или углекислый газ. При получении кислорода непосредственно из углекислого газа необходимо дополнительное получение его из воды таким же методом, как из углекислого газа, или каким-либо другим. Система кислородного обеспечения также может быть построена, если в качестве исходного вещества, содержащего необходимое количество кислорода, будет использоваться только вода. В этом случае появляется необходимость перевода с помощью доступных физико-химических методов углекислого газа в воду. При использовании в качестве исходных кислородсодержащих веществ воды или углекислого газа, естественно, возникает вопрос о целесообразности их применения. Этот вопрос решается прежде всего исходя из их физико-химических свойств и возможности получения из них кислорода в условиях реального космического полета. Углекислый газ — газообразное вещество, принудительно подаваемое в соответствующие аппараты, которые с успехом могут применяться как в условиях Земли, так и в условиях, значительно отличающихся от земных. Таким образом, в системах газ — твердое тело при их использовании в условиях, отлич-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 97 ных от земных, не требуется качественно новых конструктивных решений, изменяющих основы технологических процессов. Вода — жидкость, положение которой зависит от величины действующего гравитационного поля. В условиях Земли под действием собственного веса она занимает вполне определенные положения в открытых сосудах. Вода значительно отличается по удельному весу от газообразных веществ, например кислорода и водорода. В условиях невесомости определяющим в поведении жидкости будут усилия, развивающиеся при взаимодействии ее с окружающей средой, как газообразной, так и с твердыми телами. В системах газ — жидкость — твердое тело осуществление физико-химических процессов определяется действием гравитационных сил; поэтому в условиях пониженной гравитации или невесомости возникает необходимость качественно новой организации технологических процессов. Возможными электрохимическими способами получения кислорода из воды можно считать следующие: электролиз водных растворов щелочей; электролиз водных растворов солей; электролиз растворов щелочей и солей с применением ионообменных мембран; электролиз СО2 и Н2О с применением твердых электролитов; электролиз паровоздушной смеси на основе пятиокиси фосфора. Из возможных способов получения кислорода из СО2 практическое применение могут найти методы газовой электрохимии: электролиз с применением твердых электролитов, электролиз расплавов солей щелочных металлов, электрические разряды в газах, фотокатализ. При получении О2 из Н2О одновременно образуется Н2, а при получении О2 из СО2 — СО. Поэтому наряду с максимально возможным использованием веществ, выделяемых в процессе жизнедеятельности человека, в физико-химических системах регенерации кислорода предусматриваются промежуточные звенья, предназначенные для утилизации Н2 и СО. В настоящее время находят применение каталитические способы превращения СО2, Н2 и СО в СН4, СО, С, Н2О по известным реакциям Сабатье, Будуара, Боша. Таким образом, физико-химические методы получения кислорода из основных кислородсодержащих веществ (Н2О, СО2), выделяемых в процессе жизнедеятельности человека, можно классифицировать по количеству взаимодействующих фаз в технологическом процес- 7 Заказ № 1174, т. III се, а также по принципиальным отличиям самих физико-химических процессов. По принципиальному различию физико-химических процессов получения кислорода следует выделить электрохимические методы получения кислорода из воды и углекислого газа, метод фотокатализа, метод электрического разряда в газах, каталитические методы утилизации углекислого газа. По количеству взаимодействующих фаз при организации технологических процессов следует провести разделение на двухфазные и трехфазные системы, т. е. газ — твердое тело и газ — жидкость — твердое тело. При практической реализации в условиях действия пониженных гравитационных сил или невесомости наиболее интересны трехфазные системы. В этих системах в качестве рабочих фаз, контактирующих между собой, используются газ, жидкость, твердое тело, т. е. трехфазные системы газ — жидкость — твердое тело [2, 17, 66]. Обеспечение кислородом путем разложения воды при электролизе растворов щелочей Электролиз — это сочетание окислительных и восстановительных процессов, протекающих на электродах, при электролизе воды в растворе гидроокиси калия: на катоде на аноде 2Н2О+2е-»2Н# + 2О1Г, 2ОН~ — 2е->2ОН, 2Н# -» Н2. 2ОН -* ШО + О, 2О-»О2. В общем получение кислорода из воды осуществляется следующим образом: 2Н2О~>О2 + 2Н2. Качество организации окислительно-восстановительного электрохимического процесса зависит от материала электродов, способа подвода реагентов к зоне реакций, температуры, концентрации электролита, удельной скорости реакции — плотности тока и т. д. От плотности тока зависят вес и объем, энергопотребление электролизных установок. В настоящее время электрохимические процессы осуществляют при плотностях тока от 100 до 200 ма/см2. Температура электрохимического процесса определяется в основном физико-химическими свойствами электролита и воды, в частности температурой их кипения, и поддерживается в пределах от 80 до 100° С. Концентрация электролита выбирается в соответствии с необходимостью обеспечения
98 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ максимально возможной его электропроводности в межэлектродном пространстве. Более чем полувековая практика проведения электролиза воды дает возможность получать кислород и водород практически абсолютно чистыми (чистота их выше 99,9%). Использование системы электролитического разложения воды для обеспечения кислородом экипажа космического корабля связано с решением качественно новых задач, не встречавшихся ранее в практике проведения электролиза. Для обеспечения устойчивости процесса электролитического разложения воды на кислород и водород необходимо соблюдать основные условия: хороший контакт электролита с электродами, наличие электрической цепи катод — электролит — анод, отделение образующихся газов от электродов и электролита, разделение образующихся газов (Н2 и О2) друг от друга, поддержание заданной концентрации электролита в межэлектродном пространстве, бесперебойное питание электролизера водой в необходимом количестве. При использовании электролизера в качестве источника кислорода в системе жизнеобеспечения необходимо осуществлять очистку газов от аэрозоля электролита, паров влаги и примесей водорода (в кислороде), а также возврат аэрозоля электролита и паров влаги в электролизер. В наземных электролизных установках организация электрохимического и физико-химических процессов определяется действием силы земного притяжения. Детальное рассмотрение основных физико- химических явлений в электролизере приводит к заключению о невозможности использования наземных электролизных установок в условиях реального космического полета. Необходимость хорошего контакта электролита с электродами обеспечивается за счет смачиваемости электролитом электродов. В физике смачиваемость характеризуется краевым углом 0. Краевой угол для равновесных условий выражается уравнением cos 6 = —Ч — (рад), G2,3 где 01,з — поверхностное натяжение между твердым телом и газом, н/м1, Oi,2— поверхностное натяжение между твердым телом и жидкостью, н/м, О2,з— поверхностное натяжение между жидкостью и газом, Н/м. Поверхностное натяжение зависит от природы вещества и характеризуется силой вну- 1 н/м — ньютон/метр. тримолекулярного взаимодействия. Таким образом, смачивание по природе своей не зависит от силы земного притяжения и поэтому будет проявляться и в условиях невесомости. Электрическая цепь катод — электролит — анод, обеспечиваемая в земных условиях за счет определенного положения электролита в сосуде (под действием собственного веса), и естественное отделение образующихся элект- тролитических газов в условиях невесомости, очевидно, будут нарушены. Если на жидкость не действуют никакие другие силы, кроме сил молекулярного притяжения в поверхностном слое, то равновесным окажется такое положение, при котором масса жидкости под действием этих сил принимает сферическую форму. В условиях невесомости отсутствует разность в удельном весе газа и электролита, а следовательно, и сила, обеспечивающая отделение газов от электролита. Действие результирующей силы межфазных натяжений проявляется только в начальный момент и постепенно уменьшается до нуля вследствие тормозящего действия со стороны слоя электролита. В обычной наземной электролизной установке в условиях невесомости в начальный период времени процесс электролитического разложения воды будет осуществляться. В результате накопления пузырьков образующихся электролитических газов увеличится давление в межэлектродном пространстве и газоэлектролитная смесь пойдет по газоот- водящим каналам. Одновременно с увеличением давления будет увеличиваться электрическое сопротивление межэлектродного пространства. При использовании источника электрической энергии постоянного напряжения, изменяющегося в небольших пределах, в соответствии с законом Ома увеличение сопротивления приведет к уменьшению силы тока. Уменьшение силы тока в свою очередь приведет к уменьшению количества вещества, выделяющегося в процессе электролиза. Сопротивление межэлектродного элемента будет стремиться к бесконечности, а силы тока — к нулю, т. е. в конце концов наступит момент, когда процесс электролитического разложения воды прекратится. В условиях невесомости действие силы земного притяжения можно заменить созданием искусственного силового поля. Такое поле получается посредством вращения всей электролизной установки или отдельных ее частей либо принудительной прокачкой электролита через межэлектродное пространство с после-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 99 дующим отделением газов от электролита в специальных центробежных разделителях или устройствах с селективными элементами. В центробежном поле жидкость занимает вполне определенное положение с вполне определенной свободной поверхностью, что уже будет обеспечивать существование электрической цепи катод — электролит — анод. Во вращающейся электролизной установке образовавшийся пузырек газа под действием силы центробежного поля будет совершать движение в направлении к оси вращения, т. е. в направлении к поверхности раздела фаз. Для обеспечения условий отделения пузырька газа от электролита, близких к наземным, целесообразно, чтобы ускорение центробежного поля на уровне поверхности раздела фаз было равно по своей величине ускорению силы земного притяжения. Угловая скорость вращения и радиус выбираются исходя из конструктивных требований. Принципиальная схема монополярной вращающейся электролизной установки представлена на рис. 27. Принцип работы установки по данной схеме заключается в следующем. Электропривод Рис. 27. Принципиальная схема вращающейся электролизной установки 1, 19 — колонки дожигания примесей кислорода в водороде и водорода в кислороде, 2, 18 — фильтры тонкой очистки, 3 — хранилище воды, 4, 17 — обратные пружинные клапаны, 5 — электрокран, 6, 16 — подвижные сальниковые соединения газовых и водных магистралей, 7 — вал вращения электролизной установки с первичной шестерней редуктора с двигателем, 8 — электроды, 9 — корпус электролизной установки, 10 — диафрагмы, 11 — электролит, 12 — уплотняющие прокладки, 13 — лабиринтные отделители, 14 — опоры вала, 15 — коллекторное электросоединение, 20 — амперметр, 21 — вольтметр, 22 — кислородный канал, 23 — водородный канал, 24 — канал подвода питающей воды, 25 — выходная шестерня редуктора, 26 — редуктор с двигателем Рис. 28. Принципиальная схема электролизной установки с вращающимися диафрагмами 1 — хранилище воды, 2 — электрокран, 3 — входные патрубки для воды. 4 — корпус электролизера, 5 — электролит, 6 — центробежные лабиринтные отделители, 7, 14 — электроды, 8 — выходные газовые патрубки, 9, 12 — фильтры тонкой очистки, 10, 11 — колонки дожигания, 13 — мембранный регулятор, 15 — диафрагмы, 16 — вал вращения диафрагм и лабиринтных дисков с первичной шестерней редуктора, 17 — опоры вала, 18 — сальниковые уплотняющие кольца, 19 — редуктор с двигателем, 20 — вольтметр, 21 — амперметр 2:Jl 1 О,
100 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ 26, 25, 7 приводит во вращение подвижную часть установки. Электролит 11 распределяется в центробежном поле по эквипотенциальной поверхности. При подключении к источнику электрической энергии электродов через коллекторное соединение на их поверхности начинают выделяться пузырьки кислорода и водорода. Для отделения аэрозоля электролита от газов используются лабиринтные центробежные разделители 13, представляющие собой набор пластинок разной длины, вращающихся вместе с валом установки. Диафрагмами являются пористые, хорошо смачиваемые электролитом элементы. В колонках дожигания происходит очистка от примесей кислорода в водороде и водорода в кислороде методом каталитического сжигания с использованием палладиевого катализатора. Питание электролизера водой осуществляется из хранилища под давлением непрерывно или дозированно в зависимости от режима работы. Представленная схема вращающейся электролизной установки имеет целый ряд элементов, которые необходимо в процессе эксплуатации менять. Подвижные сальниковые соединения, щетки коллектора, подшипники опор, шестерни* редуктора и двигатель требуют периодического профилактического осмотра и замены с течением времени. Надежность работы таких узлов уменьшается со временем. Помимо этого, на вращение требуется дополнительная энергия. Принципиальная схема электролизной установки с вращающимися диафрагмами представлена на рис. 28. По данной схеме центробежное силовое поле создается за счет вращения диафрагмы. Его можно создавать и за счет вращения электродов, но в этом случае схема энергетически менее выгодна. Преимущества этой системы по сравнению со схемой полностью вращающейся электролизной установки заключается в том, что корпус электролизера неподвижен и значительно сокращено число подвижных сальниковых соединений. В установке с вращающимися диафрагмами отсутствует коллекторный подвод электрической энергии. Но, как и в предыдущей схеме, установки этого типа требуют периодической замены отдельных вращающихся узлов. Принципиальная схема монополярной электролизной установки с вращающимися диафрагмами и электродами представлена на рис. 29. Центробежное силовое поле в этой установке создается за счет вращения диафрагм и электродов. Отличительной чертой установки является использование сетчатых электродов, вплотную примыкающих к диафрагмам. Осуществление электролитического разложения воды за счет создания направленной искусственной циркуляции электролита в межэлектродном пространстве с последующим разделением газо-электролитной смеси в центробежных разделителях или в устройствах с селективными элементами создает условия для проведения электролиза, подобные земным. Центробежные разделители по этой схеме одновременно должны выполнять роль устройства, прокачивающего электролит через межэлектродное пространство. Принцип работы электролизной установки основан на принудительном уносе газо-электролитной смеси потоком электролита, идущего с определенной скоростью от центробежных разделителей. Искусственная циркуляция электролита с большей эффективностью, чем в наземных установках, будет выравнивать концентрацию электролита в межэлектродном пространстве. Принципиальная схема монополярной электролизной установки с искусственной циркуляцией электролита и разделением газо-электролитной смеси в центробежных отделителях представлена на рис. 30. Принцип работы электролизной установки по данной схеме заключается в следующем. Центробежные разделители отделяют газ от электролита. Отделение происходит в центробежном поле, которое создается вращением лопастей. Отделившийся газ далее проходит фильтры тонкой очистки и колонки дожигания. Центробежные разделители одновременно выполняют роль насосов, подающих электролит в межэлектродное пространство. Для обеспечения лучшей подачи газо-электролитной смеси и наилучшего отделения газа от электролита входной патрубок располагается тангенциально к оси вращения лопастей. Выходной патрубок для подачи электролита в межэлектродное пространство также располагается тангенциально. Мембранный регулятор давления предназначен для поддержания одинакового давления газо-электролитной смеси в кислородной и водородной частях ячейки. Основное преимущество данной схемы заключается в большей простоте конструкции. Электролизная установка по данной схеме полностью неподвижна, что намного упрощает подвод электропитания; при использовании
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 101 Рис. 29. Принципиальная схема электролизной установки с вращающимися диафрагмами и электродами 1 — амперметр, 2 — вольтметр, 3 — корпус установки, 4 — электролит, 5 — сетчатые электроды, в — центробежные лабиринтные отделители, 7 — коллекторное электросоединение, 8 — диафрагмы, 9 — выходные газовые патрубки, w, 13 — колонки дожигания, 11, 14 — фильтры тонкой очистки, 12 — мембранный регулятор давления, 15 — вал вращения диафрагм, электродов и лабиринтных дисков с первичной шестерней редуктора, 16 — сальниковые уплотняющие кольца, 17 — опоры вала, 18 — редуктор с двигателем, 19 — входные патрубки для воды, 20 — электрокран, 21 — хранилище воды, 22 — электросвязь амперметр — электрокран Н, : l 30 Ё ^^^^^^^■J§^^m^^£^Sh£^^^^^^m -13 - — 9ft °"^°0 ~~ ° Г о о— - -И 24 J 29 *27 -18 Рис. 80. Принципиальная схема электролизной установки с искусственной циркуляцией электролита и разделением газоэлектролитной смеси в центробежных отделителях 1.16 — корпуса центробежных отделителей, 2.13 — редукторы с двигателями центробежных отделителей, 3.14 — вал лопастей центробежного отделителя с первичной шестерней редуктора, 4.15 — сальниковые уплотняющие кольца, 5.17 — лопасти центробежных отделителей, 6,8 — входные патрубки центробежных отделителей, 7 — мембранный регулятор давления, 9 — выходные патрубки для газоэлектролитной смеси, 10 — диафрагмы, 11 — электролит, 12 — электроды, 18, 28 — фильтры тонкой очистки, 19, 24, 25, зо — входные патрубки для электролита, 20, 29 — колонки дожигания, 21 — вольтметр, 22 — амперметр, 23 — электрическая связь амперметр — электрокран, 26 — электрокран, 27 — хранилище воды
102 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ °2"*K ->*-Н. Рис. 31. Принципиальная схема электролизной ячейки с пористыми электродами и межэлектродными элементами 1 — корпус кислородного электрода, 2 — кислородный пористый электрод, 3 — пористый межэлектродный элемент, 4 — корпус водородного электрода, 5, 7 — каналы для подвода питающей воды, в — водородный пористый электрод, 8 — мелкие поры, 9 — крупные поры О2 1 1'изб НоО н. Рис. 32. Принципиальная блок-схема системы электролитического разложения воды 1 — регулятор давления, 2 — уравнитель давления, 3 — теплообменник-влагоотделитель, 4 — электролизный блок, 5, 7 — обратные клапаны, б — эластичная емкость ее отпадает необходимость в подвижных сальниковых соединениях и коллекторных соединениях в электроцепи. Наиболее целесообразным способом организации электрохимического процесса и сопутствующих ему физико-химических процессов в условиях невесомости следует считать способ, основанный на использовании физико- химических свойств разделяемых компонентов, материалов электродов и диафрагм, т. е. на применении капиллярно-пористых элементов. Установки такого типа отличаются компактностью, сравнительно небольшим весом, а также простотой и надежностью в работе. В таких установках отделение электролитических газов от электролита обеспечивается за счет использования дырчатых, сетчатых или пористых электродов, вплотную примыкающих к пористому межэлектродному элементу. Электролитические газы образуются в месте соприкосновения электрода с пористым элементом, на границе раздела газовой фазы и электролита. Образовавшиеся газы проходят через поры в электродах по пути наименьшего сопротивления. Сетчатые электроды обеспечивают в основном направленный отвод газов. Пористые электроды создают условия не только для направленного отвода газов, но и для возврата аэрозоля электролита, механически уносимого газами обратно в межэлектродное пространство. Поэтому электролизные установки с сетчатыми электродами рассматриваются как простейшая модификация пористых электродов. Применение пористых материалов — весьма эффективное средства интенсификации различных химических и электрохимических процессов. Развитая внутренняя поверхность пористых электродов позволяет осуществлять на них с достаточно высокой интенсивностью процессы, действительная скорость которых мала. Вследствие проницаемости их для потоков жидкости и газа значительно уменьшаются ограничения, связанные с низкой скоростью диффузионной подачи реагентов, путем создания направленного принудительного потока за счет капиллярных потенциалов. В системах с пористыми электродами сравнительно просто, без применения специальных селективных мембран и диафрагм может быть осуществлено разделение электродных продуктов. Все это создает благоприятные условия для интенсивного массообмена. В рассматриваемых системах через пористые тела необходимо транспортировать жидкость и газ за счет принудительного воздействия или наличия капиллярного потенциала для жидкой фазы. Свойства пористых тел в значительной степени зависят от их структуры. В свою очередь структура пористых элементов зависит от способов их изготовления и применяемых материалов. Состояние капиллярного равновесия между двумя фазами, одна из которых
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 103 смачивает, а другая не смачивает твердую поверхность, отпределяется вероятностью наличия в данной точке пористой среды пор определенного радиуса. Принципиальная схема электролизной ячейки с пористыми электродами и межэлектродными элементами представлена на рис. 31. Электролизная ячейка состоит из пористых электродов 2, 6 ж пористого межэлектродного элемента 3. Электроды и пористый элемент плотно прижаты друг к другу. Межэлектродный элемент однороден по своей структуре и состоит только из мелких пор. Пористые электроды имеют как крупные, так и мелкие поры. Исключительно важное значение для обеспечения стабильности осуществления электрохимического процесса с капиллярно-пористыми элементами имеют организация и транспортировка воды к реакционным поверхностях электродов. Подвод воды на разложение можно осуществить следующими способами: по периферии пористого межэлектродного элемента; по каналам, расположенным в межэлектродном элементе путем капиллярного всасывания или посредством искусственной циркуляции электролита; через капиллярно-пористый элемент монодисперсной структуры с тыльной стороны водородного электрода; диффузией паров воды через водородную полость катода в сторону более высокой концентрации электролита. Выбор способа подвода воды на разложение определяют следующие условия: надежность, в соответствии со скоростью электрохимического процесса, подвода воды к реакционной поверхности; максимально возможное снижение концентрационных явлений, естественно возникающих в межэлектродном пространстве за счет разряда ионов только одного типа (ОН"); исключение образования газовоздушных подушек (пробок) в жидкостных магистралях подвода воды. В соответствии с этими требованиями представляется целесообразным в качестве основных считать способы с искусственной циркуляцией электролита и подводом воды или паров воды с тыльной стороны водородного электрода. Схема осуществления электролитического разложения воды (см. рис. 31) не имеет вращающихся узлов, устройств принудительной подачи воды под давлением и обеспечивает наименьшее расстояние между электродами, равное толщине диафрагмы (пористого межэлектродного элемента) [25]. Постоянство условий осуществления электролитического разложения воды создается применением дополнительных узлов и согласующих звеньев, выполняющих роль регулирующих и стабилизирующих элементов в общей системе массообмена по газовым и жидкостным магистралям. Принципиальная блок- схема системы электролитического разложения воды представлена на рис. 32. В настоящее время, по данным некоторых авторов [25, 73], могут найти практическое применение электролизные установки с асбестовыми матрицами в качестве межэлектродного элемента и с ионообменными мембранами. По всей видимости, применение ионообменных мембран должно значительно снизить ограничения, связанные с перераспределением концентрации электролита в межэлектродном пространстве. Следует отметить, что электролизные установки в общем являются достаточно энергоемкими; можно считать, что для получения 1 л О2 в час в среднем требуется мощность 10— 12 вт [72]. В этом случае оптимальными для осуществления электролитического разложения воды можно считать: плотность тока 100— -^200 ма/см2 и температуру процесса 80-Ь- Ч-90°С [1, 3, 6, 9, 10, 25, 33, 37, 42, 46, 48, 64, 69,73,79,82,98, 107, 121]. Обеспечение кислородом путем разложения воды при электролизе растворов солей Система регенерации атмосферы, построенная на методе электролиза солей, является одной из перспективных. Метод электролиза солей позволяет в едином замкнутом технологическом процессе получать кислород, очищать атмосферу от СО2 и осуществлять 100%-ное его концентрирование. Главным недостатком такой системы является необходимость качественно нового осуществления электрохимических и физико-химических процессов в условиях реального космического полета. Степень разрешения вопроса организации физико-химических процессов и разделения фаз в условиях динамической невесомости будет определять перспективность и надежность данного метода. В настоящее время считаются перспективными системы, основанные на электролизе карбонатов и сульфатов.
104 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ. В процессе электролиза раствора К2СО3 иа электродах протекают следующие реакции: на аноде на катоде СО*~ + Н2О -> НСО; + ОН-, НСОз + Н2О -^ Н2СО3 + ОН", 2Н2О + 2е -> —>2ОН~ + Н2. 2OH--2e^H2O + V2O2. О^+анолит 3 -«- -<- -<- 2 /Ч _ _ 1 / ->- ->- ->- -**- Н2+католит t! Рис. 33. Принципиальная схема организации процесса электролиза растворов солей 1 — корпус электролизной ячейки, 2 — пористые диафрагмы, 3 — сетчатые электроды НЮ Л Воздух из кабины (РСО2*3,8ммрт.с- Воздух в кабину (РсогО) 11 B0B Рис. 34. Принципиальная схема системы электролиза растворов солей 1 — эластичное хранилище воды, 2 — электролизер, 3, 7, 11, 15 — теплообменники-разделители, 4, 8, 10, 14 — контуры хладоносителей, 5 — десорбер, г 6 — нагревательный элемент, 9 — смеситель, 12 — контур хладоносителя абсорбера, 13 — абсорбер, 16 — щелочной насос, 17 — буферная емкость для ССЬ Общее уравнение электрохимического процесса имеет вид: 4К2СО3 + 6Н2О —^ 4КНСО3 + 4КОН + О2 + 2Н2. Образующийся в процессе электролиза на катоде раствор К2СО3 + КОН поступает в абсорбер, где происходит абсорбция СО2 из воздуха активной частью абсорбента (КОН). Из анодных камер электролизера раствор К2СОз + КНСОз поступает в десорбер, где при температуре кипения (110° С) идет десорбция СО2. При электролизе растворов сульфатов основными электродными реакциями являются: на аноде на катоде Н2О — 2е -> 2Н+ + i/зОа. 2Н2О + 2е -> 2ОЕГ + Н2. Общее уравнение электрохимического процесса имеет вид: 4K2SO4 + 6Н2О -> 4KHSO4 + КОН + О2+2Н2. Абсорбция СО2 осуществляется, как и при электролизе карбонатов, а десорбция СО2 идет при химическом взаимодействии продуктов электролиза из анодной камеры (K2SO4+. +H2SO4) с раствором, выходящим из абсорбера (К2СО3). Принципиальным отличием электролиза растворов солей от электролиза водных растворов щелочей является необходимость получения не только кислорода и водорода, но и католита и анолита. Из всех возможных способов организации электрохимических процессов в условиях динамической невесомости для электролитического разложения растворов солей наиболее приемлемым можно считать способ, основанный на осуществлении искусственной циркуляции электролита с последующим разделением газокатолитной и га- зоанолитной смеси в специальных газожидкостных разделителях. Принципиальная схема организации электролитического разложения растворов солей представлена на рис. 33. Электролит поступает в среднюю камеру электролизера 1 и через пористые диафрагмы 2 распределяется в анодную и катодную камеры. Этим достигается направленный отвод газа от электродов. Электролитная связь между электродами обеспечивается плотным под- жатием сетчатых электродов к пористым диафрагмам. Концентрацию электролита можно регулировать изменением расхода электролита при пропускании его через электролизную камеру. Принципиальная схема системы электролиза растворов солей представлена на рис. 34.
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 105 По этой схеме образующиеся в электролизере 2 католит и анолит с водородом и кислородом поступают на теплообменники-разделители 15 и 5, в которых осуществляется конденсация водяных паров и отделение жидкой фазы от газообразной. Католит поступает в абсорбер 23, где происходит хемосорбция СО2 из кабинного воздуха. Газожидкостная смесь из абсорбера направляется в теплообменник-разделитель j?7, из которого очищенный от СО2 воздух идет в кабину, а карбонат калия через смеситель 9 нагнетается щелочным насосом 16 в электролизер. После теплообменника-разделителя 3 анолит поступает в десорбер 5, где осуществляется термодесорбция СО2 из бикарбоната калия. Углекислый газ 100%-ной концентрации из теплообменника-разделителя 7 направляется в емкость 17. Карбонат калия, образовавшийся в десор- бере, через теплообменник-разделитель 7 и смеситель 9 нагнетается насосом 16 в электролизер 2. При осуществлении данных электрохимических процессов температуру (в °С) следует поддерживать в следующих пределах: в электролизных блоках 70 -f- 80 в абсорберах 18 -i- 30 К2СОз 100 ч-110 вдесорберах ^^ ^ + ^ Плотность тока в электролизных блоках поддерживается в пределах ЮО-г-200 ма/см2. Удельная мощность этих систем при получении 1 л О2 в час будет колебаться в пределах 13—15 вт [9, 33, 37, 107, 115, 134]. Обеспечение кислородом путем разложения Н2О и СО2 при электролизе с применением твердых электролитов Электрохимический способ, основанный на применении твердых электролитов, является одним из возможных способов получения кислорода из воды и углекислого газа. Практическое применение твердые электролиты нашли в устройствах для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, для определения высокотемпературных и термодинамических параметров некоторых окислов, парциальных давлений кислорода в различных системах и т. д. В последнее время электролизные ячейки с твердыми электролитами применяются в системах обеспечения жизнедеятельности человека. Использование твердых электролитов в системе регенерации газовой среды имеет такие существенные преимущества, как постоянст- Си- О2 Рис. 35. Принципиальная схема электролизной ячейки с твердым электролитом 1 — электрод-катод, 2 — твердый электролит, 3 — электрод-анод во состава электролита при работе, незначительная коррозия электродных и конструкционных материалов, отсутствие намокания электродов и др. Этот способ получения кислорода достаточно прост, свободен от разделения газа и жидкости, что позволяет устойчиво работать в условиях невесомости; получаемый кислород не требует никакой дополнительной очистки. В электролизной ячейке можно проводить разложение паров воды, углекислого газа и их смесей. Принципиальная схема электролизной ячейки с твердым электролитом представлена на рис. 35. В катодном пространстве находится углекислый газ или пары воды. Твердый электролит разделяет газовые фазы СО2, СО и О2, находящиеся в катодном и анодном пространствах. При использовании в качестве электродов платины, а в качестве твердого электролита ZrO2—CaO модель такой системы можно представить в следующем виде: A (PCOz) | Pt | Zr0)85Ca0jl5O1851 Pt IB (POz), где A (Pco2) — количество СО2, выраженное через парциальное давление; Pt — платиновый электрод; Zr0,85Ca0>i5O1)85 — твердый электролит определенного состава (в мольных единицах) у каждого из элементов; В (Ро2) — количество О2, выраженное через парциальное давление. Электродные реакции при использовании в качестве электродов платины и перенос ионов в электролите с кислородоионной проводимостью можно описать следующей схемой: Со£> + О.. + 2е-> СО(Г) + О2"(о) | О2~(Н) | О2~(а) — -2e->O6.+YiO»f
106 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ где СО2(г) + Оо + 2е— система элементов, участвующая в первой стадии общей реакции; СО2(г) — углекислый газ в газовой фазе; Оо — место в решетке твердого электролита, свободное от ионов кислорода; С0(г)+О2"(ог) — система элементов, образовавшаяся в результате осуществления первой стадии общей реакции; СО(г) — окись углерода в газовой фазе в пограничном слое контакта катода с твердым электролитом; O2"(ff) — ион кислорода, находящийся в ионосорбционном слое; О2-(н> — ион кислорода, передвигающийся в твердом электролите; О +V2O2 — система элементов, образовавшаяся в результате перехода электронов с внешней оболочки иона кислорода к аноду. Системы элементов СО2(г)+Оо+2е и Оо—2е + у2О2 являются необходимым и определяющим условием осуществления общей реакции и характеризуют статическое положение электролизной ячейки соответственно со стороны катода и анода. Схему получения кислорода можно представить в следующем виде: со<г)->со*-<а\ со*-(0) -> со(г) + 02-(о), 02-(°) _* 1/2О2. Первые две стадии, протекающие с потреблением электронов, характерны для катодного пространства электролизных ячеек. Последняя стадия характеризует анодное пространство, где происходит передача электронов аноду. Разложение углекислого газа (воды) на окись углерода (водород) и кислород в электролизной ячейке с твердым электролитом складывается из следующих стадий: 1) подвод (диффузия) СО2 к адсорбционной поверхности (катоду); 2) адсорбция углекислого газа па поверхности электрода — катода; 3) ионизация молекулы СО2— переход электрона с катода на молекулу СО2; 4) диффузия ионизированной молекулы СО2 к границе раздела электрод — электролит; 5) ионосорб- ция молекулы СО2 поверхностью твердого электролита с одновременным разрывом связей между ионосорбированным атомом кислорода и окисью углерода; 6) десорбция окиси углерода с поверхности твердого электролита. Реакция разложения углекислого газа па твердой поверхности аналогична процессу гетерогенного катализа, где в качестве исходного вещества взят углекислый газ, а продуктами реакции являются окись углерода и кислород. Обычно реакторы конструируют так, что диффузионные процессы в них происходят быстро, вследствие чего стадии 1 и 5 являются несущественными. Но если катализатор обладает высокой степенью пористости, диффузия к внутренней поверхности электрода-катализатора может играть определяющую роль. Реакция разложения будет определяться условиями подвода газа (диффузии) к поверхности электрода, скоростью диффузии молекул газа к внутренней поверхности электрода (границе раздела электрод — электролит) и скоростью перехода молекулы СО2 на поверхность твердого электролита, а также скоростью химического взаимодействия молекул газа с поверхностью твердого электролита. Самый медленный из этих процессов будет определять общую скорость реакции. Таким образом, электрод в электрохимической реакции разложения газа является одновременно катализатором, обеспечивающим необходимую стадию реакции — адсорбцию газа и его подвод к зоне реакции, вследствие этого он должен иметь развитую поверхность, т. е. являться чрезвычайно пористым материалом. По мере того как молекула газа проникает в пору главным образом за счет диффузии, ее дальнейшее продвижение к границе раздела будет обусловливаться столкновениями со стенками пор и с другими молекулами. В каждом отдельном случае скорость диффузии будет определяться размером поры, наличием или отсутствием других газов и скоростью диффузии этих других газов. В условиях равновесия, когда одновременно с образованием кислорода происходит десорбция окиси углерода, скорость диффузии реагирующих молекул будет равна скорости диффузии прореагировавших молекул и зависеть от скорости электрохимической реакции па поверхности электрода. Из спстем электрохимического разложения Н2О и СО2, основанных на использовании твердых электролитов, представляют интерес только системы, обладающие ионной проводимостью, т. е. образующие кубические растворы типа флюорита. Доля ионной проводимости в такого рода системах определяется количеством и типом добавочного окисла. Так, для системы на основе ZrO2 наблюдается значительная кислородоионная проводимость, которая возрастает в соответствии со следующим рядом стабилизирующих окислов: Nd2O3, Y2O3, Sc2O3, MgO. Системы, в которых используются твердые электролиты, должны обладать высокой элек-
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 107 тропроводностью и 100%-ной долей кисло- родоионной проводимости, что в свою очередь зависит от полноты образования твердых растворов и их устойчивости. Системы с применением двуокиси циркония с добавками CaO, Y2O3, Sc2O3 наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям, так как обладают почти 100%-ной долей кислородоион- ной проводимости при достаточно высокой электропроводности. Принципиальная схема регенерации кислорода, основанная на применении электролизера с твердым электролитом, представлена на рис. 36. Схема состоит из электролизера с твердым электролитом 1 и двух каталитических реакторов утилизации окиси углерода 5, S, попеременно работающих в режимах диспропор- ционирования окиси углерода по реакции 2СО=С + СО2 и извлечения твердого углерода. Двуокись углерода поступает в электролизер i, в котором при температуре 800— 1000° С происходит разложение СО2 на СО и О2. Процесс проводят исходя из условий минимального энергопотребления. Окись углерода и часть непрореагировавшей двуокиси углерода через теплообменник 3 поступает в каталитический реактор 5, где окись углерода превращается в С и СО2. Двуокись углерода рециркуляционным насосом подается в электролизер. Одновременно с этим осуществляется извлечение из каталитического реактора 8 углерода и его складирование в специальную емкость 11. По данной схеме можно обеспечить только частично регенерацию кислорода; недостающее количество кислорода необходимо получить из Н2О. Как уже говорилось, кислород из воды можно получать электролитическим разложением ее при использовании в качестве электролитов гидроокисей, карбонатов и сульфатов, а также в электролизерах с твердым электролитом. Электролизные установки с твердым электролитом дают возможность получать кислород не только отдельно из Н2О и СО2, но и из газовой смеси СО2— Н2О. В соответствии с материальным балансом:, в качестве оптимального состава, входящего в электролизер, следует считать газовую смесь, состоящую из 70% СО2 и 30% Н2О. При работе с газовой смесью СО2— Н2О, а в рециркуляционной системе в общем виде с газовой смесью СО2—СО—Н2О—Н2 в схеме регенерации кислорода, основанной на использовании твердых электролитов, необходимо иметь дополнительно два аппарата — ис- о., 1230 С0|ГС0+О2 со., Рис. 36. Принципиальная схема регенерации кислорода, основанная на применении электролизера с твердым электролитом 1 — электролизер с твердым электролитом, 2 — нагревательный элемент, 3 — теплообменник, 4 — контур хладоносителя, 5, 8 — каталитические реакторы диспропорционирования СО, 6, 7 — нагревательные элементы, 0 — рециркуляционный насос, 10 — вакуумный насос, 11 — емкость для складирования углерода паритель воды и регенерируемый поглотитель водорода. По всей видимости, в качестве испарителя может быть использован аппарат с капиллярно-пористым элементом с встроенной системой подогрева, а в качестве регенерируемого поглотителя водорода — палладиевая мембрана или какое-либо иное, возможно электрохимическое, устройство. В соответствии с экспериментальными данными при получении кислорода из газовой смеси СО2—СО—Н2О—Н2 для получения 1 л О2 в час требуется мощность 64-8 вт [12, 14, 37-39, 41, 47, 55, 76, 94-97, 103-105, 107, 109, 126, 133, 135]. Обеспечение кислородом путем разложения Н2О при электролизе с применением в качестве электролита пятиокиси фосфора (Р2О5) Метод основан на использовании ячейки из двух изолированных электродов и поглощающей пластины между ними. Пластина содержит слой фосфорного ангидрида, который активно поглощает воду из воздуха. При прохождении электрического тока через пластину на аноде и катоде соответственно образуются кислород и водород, а также восстанавливается Р2О5.
108 ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Процесс протекает по следующей схеме: Р2О5 + Н2О->2НРОз, . 2НРОз -> Н2 + YaOa + P2O5. Метод сравнительно прост, однако требует большого количества электрической энергии и решения ряда вопросов, связанных с использованием его в замкнутой системе [17, 66,73,82,89]. Обеспечение кислородом путем разложения СО2 при электролизе расплавов солей Электролиз расплавов солей, в частности карбонатов, может быть использован для получения О2 из СО2. При применении расплава 1л2СО3 с температурой 540—1070° С выход по кислороду приближается к 100%. Однако одновременно с О2 могут образовываться СО или СО2. Для обеспечения стабильной работы необходимо газ, поступающий в электролизер, осушать до точки росы ~—26,11° С. При электролизе карбонатов реакции, характеризующие данный процесс, могут быть представлены в следующем виде: Li2O + СО2 —* Li2CO8, электролиз Li2CO3 >■ Li2O + О2 + С. Суммарная реакция: СО2—>С + О2. С целью снижения температуры электрохимического процесса в карбонатную систему добавляют хлорид лития, что снижает температуру точки плавления системы. При организации основных технологических процессов в такой системе применительно к условиям динамической невесомости необходимо качественно по-новому подойти к конструктивному и аппаратурному оформлению, а также уделить существенное внимание проблеме непрерывного удаления углерода, образующегося при электролизе на катоде [9, 107]. МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В газовой системе СО2—Н2 в интервале температур 200—1000° С термодинамически возможны следующие три основные реакции: С024-н2-»С0 + Н20, СО2 + 2Н2->С + Н2О, СО2 + 4Н2 -> СШ + 2Н2О. Первая реакция со значительными выходами протекает при температуре выше 700° С, следующие две — при более низких температурах. Образующиеся газы СО, СН4, Н2О и С могут вступать в другие реакции. В настоящее время практический интерес представляют реакции восстановления углекислого газа до метана и воды и до углерода и воды. Каталитическое восстановление СО2 водородом до метана и воды с крекингом метана Впервые реакция восстановления углекислого газа водородом была изучена Сабатье и Сендеренсом в 1902 г. При осуществлении этой реакции возможно протекание ряда побочных реакций: СО2 + Н2; СШ + Н2О: СШ + СО2< СО + Н2; 2СО; СО2 + 2Н2; :со + н2о, >СО + ЗН2, :2С + 2Н2О, :с + н2о, :с + со2, :с + 2Н2о, и другие реакции. Эти реакции могут привести к уменьшению выхода воды и образованию углистых веществ, которые с течением времени блокируют активные центры катализатора. Соответствующим подбором катализаторов и условий процесса (температуры, скорости подачи исходной смеси газов и т. д.) можно обеспечить надежное и стабильное осуществление необходимых реакций. Термодинамический расчет показывает, что оптимальная температура реакции Сабатье равна 310° С. Падение температуры ниже 280° С ведет к уменьшению степени превращения СО2. Повышение температуры (>400°С) может вызвать необратимые изменения катализатора, а также побочные реакции. Следует иметь в виду, что реакция Сабатье экзотермична (тепловой эффект равен 39,4; 40,6; 41,8; 42,8 ккал/моль при температурах соответственно 0; 127; 227 и 327°С), т. е. процесс по температуре становится самоподдерживающимся. Экспериментальными исследованиями доказана необходимость соблюдения стехиомет- рического соотношения Н2: СО2=4:1 [107]. Катализаторами реакции Сабатье могут быть металлы. Наибольшей активностью при температуре 300° С обладает никель [93, 99, 114, 123]. Кобальтовые катализаторы менее активны и могут быть использованы при более высоких температурах (400° С) [107]. На медных и платиновых катализаторах реакция
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 109 осуществляется лишь при температуре выше 430° С, при этом на меди получается главным образом окись углерода [107]. Палладий и окись железа проявляют активность при температуре не ниже 500° С. При аппаратурном оформлении гидрирования СО2 водородом для осуществления начала реакции следует предусмотреть нагревательный элемент. Стабильность реакции в установившемся режиме будет зависеть от правильно выбранной теплоизоляции реактора и поддержания оптимального соотношения в смесиС02иН2 [90]. Применять отдельно в системе регенерации кислорода только аппарат гидрирования СО2 до метана и воды нецелесообразно, так как в этом случае появится необходимость иметь на борту космического корабля запасы чистого кислорода или водорода. Поэтому неотъемлемой и составной частью общей системы утилизации СО2, основанной на применении реакции Сабатье, следует считать аппарат, обеспечивающий разложение метана до углерода и водорода. Метан можно разложить хлорированием: СН4 + 2С12 = С + 4НС1, 2НС1-~*Н2 + С12, а также высвобождать водород из метана путем пиролиза [91, 110, 125] и термокаталитическим разложением. Возможным путем использования метана является также соединение его с углекислым газом: СШ + СО2 = 2С + 2Н2О. Принципиальная схема утилизации углекислого газа, построенная на реакции Сабатье и пиролизе метана, представлена на рис. 37. Углекислый газ и водород через смеситель 1 поступают в каталитический реактор 3, газожидкостная смесь из реактора 3 направляется в теплообменник-разделитель 4, в котором осуществляется конденсация водяных паров и отделение жидкой фазы от метана. Метан поступает на пиролиз в реактор 6. Образовавшийся водород рециркуляционным насосом подается в смеситель 1. Одновременно с этим из реактора 9 осуществляются извлечение углерода и его складирование в емкость 12. К преимуществам метановой реакции можно отнести: возможность осуществления ее со степенью превращения, близкой к 1 в течение длительного времени без регенерации катализаторов; экзотермичность, позволяющую н. н./> ц-fryg °\ 11 10 Рис. 37. Принципиальная схема каталитического гид- рирования СО2 с последующим пиролизом метана 1 — смеситель, 2 — нагревательный элемент, 3 — каталитический реактор гидрирования СО2, 4 — теплообменник-разделитель, 5 — контур хладоносителя, 6, 9 — реакторы пиролиза метана, 7, 8 — нагревательные элементы, 10 — рециркуляционный насос, 11 — вакуумный насос, 12 — емкость для складирования углерода свести энерготраты на обогрев реактора к минимуму; низкую температуру реакции (300°С); малое количество примесей в образующейся воде [110]. Каталитическое восстановление СО2 до углерода и воды Этот процесс описывается реакцией СО2 + 2Н2 ^± С + 2Н2О. В действительности же протекают следующие четыре обратимые реакции: СО2 + Н2^±СО + Н2О, СО + Н2^±С + Н2О, 2СО^±С + СО2, СО2 + 2Н2^±С + 2Н2О. С целью интенсификации процесса исследователи считают необходимым проводить реакции получения СО и С отдельно на разных катализаторах и при разных температурах, хотя и в одном реакторе [103, 110]. Кроме вышеперечисленных основных реакций возможны еще следующие побочные реакции: СО2 + 4Н2 ji СШ + 2Н2О, со +зн2^:сн4 + н2о, С + 2Н2^1СН4, СО + СН4 ^ 2С + 2Н2О. Основными продуктами этих реакций являются метан и вода. Образование метана нежелательно, так как оно ведет к снижению
но ЧАСТЬ I. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОНАВТОВ Н90 Рис. 38. Принципиальная схема каталитического гидрирования СО2 до углерода и воды 1 — смеситель, 2, 8 — каталитические реакторы гидрирования СО2, 3, 7 — нагревательные элементы, 4 — теплообменник-разделитель, 5 — контур хладоносителя, в — емкость для складирования углерода, 9 — вакуумный насос общего процента превращения до углерода и воды. Для уменьшения метанообразования рекомендуется проводить реакцию восстановления СО2 до СО с высоким парциальным давлением водяного пара. Температура 750° С является предельной для металлического реактора [103]. Повышение температуры способствует протеканию реакции восстановления СО2 до СО [103, 110], но затрудняет реакцию углеобразования. В связи с этим углеобразование рекомендуется проводить в более холодной части реактора [103, НО]. Варьирование отношения Н2: СО2 может сильно менять скорость процесса и выход отдельных продуктов [103]. Уменьшение количества Н2 в реакционной смеси приводит к понижению скорости процесса, а при увеличении его содержания отмечается повышение выделения СН4. При восстановлении СО2 до углерода и воды обычно употребляются железные катализаторы в виде ваты, сеток, шариков, пластин или ячеистых гранул [103, 110]. Поскольку образующийся в реакции уголь не обладает нужными каталитическими свойствами, активность катализатора с течением времени падает. Поэтому возникает необходимость удаления угля для продления времени действия катализатора. Очевидно, что пористые катализаторы с развитой внутренней поверхностью не подходят для этого процесса. Выгодно употреблять катализаторы, активные центры которых расположены у выходов винтовых дислокаций, так как в этом случае уголь образуется в форме дендритов, непрочно связанных с поверхностью. Этот случай, по-видимому, имеет место при употреблении железной ваты. В системе избегают использования в качестве катализаторов стальной шерсти или железных сит, а применяют железные пластины, которые поворачиваются непрерывно или через определенные промежутки времени с небольшой скоростью, а скребки удаляют накопившийся углерод. Решением проблемы непрерывного удаления углерода можно считать использование железных шариков, удерживаемых в условиях невесомости сетками. Удаление углерода с поверхности шариков можно осуществлять либо механическим способом, либо при помощи постоянного или переменного магнитного поля. Принципиальная схема утилизации углекислого газа, построенная на использовании реакции Боша, представлена на рис. 38. Углекислый газ и водород поступают в смеситель 2 и в каталитический реактор 2, в котором постадийно идет, реакция гидрирования СО2 водородом до угля и воды. Парогазовая смесь далее направляется в теплообменник-разделитель 4, в котором осуществляются конденсация водяных паров и их отсос в жидкостную полость. Одновременно из реактора 8 происходят извлечение углерода и складирование его в емкость 6. Главное преимущество реакции восстановления углекислоты до углерода и воды состоит в том, что на основе этой реакции можно в принципе создать полностью закрытую регенерационную систему, так как в этом случае водород возвращается в цикл. К недостаткам этой реакции относятся: малое время жизни катализатора и необходимость частых регенераций (очисток катализатора от угля), сравнительно (с метановой реакцией) большие затраты энергии на обогрев реактора (77=700—750°С), возможность возникновения большого числа побочных реакций [51, 53, 54, 56, 61, 63, 65, 75, 86, 100, 103, 107, 108, ИЗ, 122]. Метод низкотемпературной плазмы Низкотемпературная плазма — состояние газа при температуре 10000—16 000° К, когда значительная часть атомов или молекул ионизирована. Плазма является нормальной формой существования вещества при температурах порядка 10 000° К и выше.
РЕГЕНЕРАЦИЯ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА 111 Наиболее оптимальным способом получения кислорода из углекислого газа и воды можно считать низкотемпературную плазму, в которой происходят разряд и ионизация газов. Прохождение электрического тока в системе поддерживает на постоянном уровне степень ионизации газа. Носителями этого тока являются электроны и ионы, образуемые при ионизации. Обеспечение условий, сдвигающих равновесие в системе, и последующее разделение составляющих исходного газа необходимы при получении кислорода из углекислого газа и при других процессах. Электрические разряды в газах Осуществление химического процесса в разряде во многом определяется характером разряда. В свою очередь, возникающие при разряде явления зависят от свойств газа, его давления, материала, геометрии электродов и характера газовых потоков. Из возможных типов разрядов — тихого, тлеющего, дугового — практическое применение в системах разложения углекислого газа или его гидрирования, по всей видимости, может найти метод тлеющего разряда. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ СИСТЕМАТИЗАЦИИ ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ РЕГЕНЕРАЦИИ КИСЛОРОДА Рассмотренные выше способы регенерации кислорода можно представить в едином системном виде, разделенными по физико-химической специфике, сложности организации технологических процессов в условиях динамической невесомости, характерными условиями осуществления основных и сопутствующих процессов, а также в зависимости от предполагаемой длительности их использования (рис. 39—41). В настоящее время ученые в СССР и в США уделяют пристальное внимание практически всем вышеперечисленным способам регенерации кислорода [2, 35, 66, 72, 80, 83, 84, 107]. Анализ существующей информации свидетельствует о единообразии в выборе путей реализации основных технологических процессов и их интенсификации. Основное внимание уделялось и уделяется вопросам надежности и стабильности, весовым, габаритным и энергетическим характеристикам систем. Способы регенерации кислорода в гермообъектах На основе запасов чистого кислорода На основе запасов кислородосодержа- щих веществ И О К И № а, о и 8 ф о ф О а и »£ Ф I К р в и « «с о О 5* 2 «> 8€ О NT !i§ «во Й К J На осн