Обитаемые космические станции, стр. 24
В зависимости от размеров пробитого отверстия и объема внутренних помещений ОКС воздух будет с той или иной скоростью вытекать наружу. Расчеты показывают, что в среднем скорость падения давления (декомпрессии) в помещении ОКС при пробивании обшивки метеорным телом, как правило, будет не настолько значительной, чтобы космонавты не успели принять необходимые защитные меры: перейти в запасную кабину (если таковая имеется) или надеть специальный скафандр.
Конструкторы ищут пути уменьшения вероятности пробоя обшивки космических кораблей путем подбора лучших материалов и создания специальных конструкций обшивки. Из новых материалов, выгодных с точки зрения уменьшения веса обшивки и способных более или менее успешно противостоять метеорным телам, можно назвать бериллий, магний, титан. Каждый из них имеет, конечно, и свои недостатки. Например, магний при нагреве теряет свои прочностные свойства, поэтому он может быть применен лишь в том случае, если конструкция ОКС не будет возвращаться на Землю. Кроме того, предполагается использовать самогерметизирующиеся при пробое резиновые материалы, наносимые на металлическую обшивку и предохраняющие от утечки воздуха при пробое, как это делается в авиации для герметизации баков.
Весьма перспективным способом антиметеорной защиты является применение многослойной обшивки, состоящей из нескольких листов металла, разделенных промежутками. Защитные листы можно сделать очень тонкими, и суммарный вес многослойной обшивки будет во много раз меньше веса однослойной защиты. В простейшем случае такая обшивка состоит из двух стенок. Внешняя стенка, выполненная, например, из бериллия, — тонкая — толщиной всего 0,3–0,5 мм; она предназначена для поглощения энергии микрометеоров низкой плотности. Толщина внутренней стенки, также бериллиевой, будет выбрана в соответствии с обычными условиями непробиваемости для определенного размера частиц в течение заданного времени.
Многослойную обшивку ОКС можно сделать еще более тонкой и легкой, если промежутки между стенками заполнить резиновым материалом или специальным веществом, способным «запечатывать» пробоины, например кипящим при понижении давления. Многослойная обшивка с «запечатывающим» заполнителем показана в разрезе на рис. 24.
Хотя пробивание обшивки микрометеором даже при длительном существовании ОКС можно считать весьма редким явлением, с которым к тому же можно довольно успешно бороться, тем не менее метеорную опасность нельзя недооценивать. Кроме того, постоянное воздействие мелких метеорных частиц на различные поверхности приведет к их эрозии, т. е. к уносу материала с поверхности обшивки. При проектировании ОКС с периодом существования более одного года придется, вероятно, учитывать возможное уменьшение толщины обшивки вследствие эрозионного действия попавших в обшивку станции метеорных тел. Вероятно, эрозии будет подвергаться и разнообразное оборудование научной космической станции: наружные линзы оптических приборов, поверхности излучателей и солнечных коллекторов.
ЧТО ТАКОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА?
Любая форма живой материи немыслима вне той среды, к существованию в которой она приспособлена, причем более высокоорганизованные формы жизни являются и более требовательными к постоянству состава и свойств внешней среды.
Отрасль биологии, занимающаяся изучением взаимоотношения живых организмов с окружающей их средой, называется экологией. Наука поставила перед учеными и инженерами сложнейшую проблему: как обеспечить человеку вне Земли длительную работоспособность, как создать в космической пустыне, в невесомости условия, пригодные для жизни и работы?
Протекание жизненных процессов в человеческом организме основано на преобразовании одних форм энергии в другие, которое сопровождается химическими превращениями веществ. Так, при совершении мускульной работы входящие в состав человеческого организма углеводы и жиры (вещества с высоким уровнем энергии) превращаются в воду и углекислый газ (вещества с низким уровнем энергии). Освобождающаяся при этом энергия идет на получение полезной механической работы. Кроме того, часть энергии выделяется и рассеивается в виде тепла. Убыль энергии восполняется затем вводом в организм новых жиров и углеводов. Это пример одного из многочисленных проявлений так называемого метаболизма — круговорота веществ в живом организме при взаимодействии его с внешней средой.
Количественные отношения, в которых совершается процесс обмена веществ, во многом зависят от состояния окружающей среды, например от температуры. Но прежде всего они определяются родом жизнедеятельности. Достаточно сказать, что часовое потребление кислорода человеком может изменяться в среднем от 15 л при полном покое (сон) до 75 л и более при тяжелой физической работе.
Однако для уяснения требований, предъявляемых к системе жизнеобеспечения экипажа ОКС, обычно рассматривают некоторые средние нормы. Примером таких осредненных норм суточного круговорота веществ в организме человека могут служить данные, представленные в виде диаграммы на рис. 25 [16]. Приведенная диаграмма составлена из предположения, что вес человека равен 70 кг, суточный рацион питания состоит из 80 г белков, 270 г углеводов и 150 г жиров, а отношение массы вдыхаемого кислорода к массе выдыхаемого углекислого газа составляет 0,82. Рассматривая диаграмму, можно прийти к двум важным выводам. Во-первых, масса всех вводимых в организм веществ равняется массе всех выделяющихся продуктов жизнедеятельности; другими словами, процесс обмена веществ у здорового взрослого человека, вес которого практически остается неизменным, совершается при строгом массовом балансе. Во-вторых, воды выделяется несколько больше, чем вводится. Увеличение массы воды происходит за счет окислительных процессов пищеварения. Количество этой «лишней» воды зависит от типа пищи. Жиры, в частности, создают больший прирост воды, нежели белки и углеводы.
Таким образом, для поддержания постоянства весового баланса веществ, который на Земле вполне естествен, на борту ОКС должна постоянно действовать заранее рассчитанная система обеспечения жизнедеятельности человека. Такая система называется экологической.
Важно тщательно предусмотреть все факторы, влияющие на процесс обмена веществ. Выгодно ли, например, увеличить в рационе космонавта процент высококалорийных жиров? Казалось бы, да — ведь это позволит снизить вес запасаемых на борту продуктов питания. Но оказывается, что увеличение в рационе количества жиров будет повышать содержание воды в атмосфере кабины, а следовательно, потребует и дополнительного влагопоглощающего оборудования. Таким образом, исходя из требования минимального веса всей экологической системы можно будет найти оптимальные решения.
Приступая к разработке принципов построения экологических систем для полетов в космос, ученые обращаются прежде всего к идеальному прототипу таких систем, которым служит созданный самой природой, «космический корабль» — наша планета. На Земле осуществляется замкнутый круговорот всех необходимых для жизни веществ: постоянно расходуются и вновь регенерируются вода и азот, циклически совершаются превращения кислорода в углекислый газ при дыхании животных и углекислого газа в кислород при фотосинтезе в растениях и т. д.
Возникает вопрос: можно ли хотя бы в какой-то мере скопировать эти процессы в экологической системе ОКС? Ведь запастись всеми нужными для жизни продуктами в достаточном количестве для длительного пребывания людей в космосе очень сложно. Это потребует огромного количества транспортных ракет, тем более что вес потребного запаса быстро возрастает с увеличением численности экипажа и времени полета.