| Статистика |
|---|
Онлайн всього: 1 Гостей: 1 Користувачів: 0
|
|
Населені космічні кораблі
Система очищення повітря від вуглекислого газу і підживлення його киснем, розібрана вище, проста і надійна в роботі, однак, як показують розрахунки, тривале перебування в космічному просторі потребує такої величезної кількості надперекиси лужних металів, що самі польоти тільки за однієї цієї причини стають неможливими.
В даний час розроблені інші способи відтворення кисню в космічному кораблі, які зараз проходять випробування в наземних умовах. Завдяки чому в природі, незважаючи на велику кількість виділяється вуглекислого газу, атмосфера за складом залишається практично незмінною? Цим ми зобов'язані рослинам. Рослини поглинають вуглекислий газ, розкладають його і виділяють при цьому кисень.
Такий же процес можна здійснити і на борту космічного корабля, але тільки не за допомогою рослин. Вуглекислий газ на кисень і водень можна розкласти хімічним шляхом і, таким чином, створити кругообіг кисню в кабіні корабля, подібний до того, який здійснюється в природі. В розроблювальних системах забезпечення космічних кораблів киснем вуглекислий газ в спеціальних реакторах розкладається на кисень, який надходить в атмосферу кабіни, і вуглець. Останній може викидатися як побічний продукт.При використанні в якості джерела кисню надперекисей лужних металів вуглекислий газ був баластом, який зв'язувався лугом і накопичувався на борту корабля. В розроблювальних системах вуглекислий газ буде сировиною для одержання кисню. Існує кілька способів отримання кисню з вуглекислого газу. Найбільш відпрацьованим вважається спосіб відновлення вуглекислого газу воднем.
При високих температурах (300°С) водень здатний вступати в реакцію з вуглекислим газом, віднімаючи від нього кисень (такий процес називають відновленням - вуглекислий газ відновлюється, а водень окислюється). Вуглекислий газ, взаємодіючи з воднем, відновлюється спочатку до окису вуглецю (чадного газу), а водень окислюється до води. Вільного кисню в такій реакції не виділяється. Для того щоб отримати кисень, воду розкладають електричним струмом.Ви знаєте, що якщо через воду пропускати електричний струм, то вона розкладається на елементи, з яких складається,- водень і кисень. Водень виділяється на катоді, а кисень - на аноді.
Таким чином, процес отримання кисню з вуглекислого газу складається з двох стадій - спочатку водень окислюється вуглекислим газом до води, а потім вода розкладається на кисень і водень.
Кисень з електролізної установки надходить у кабіну для підживлення атмосфери, а водень використовується для відновлення вуглекислого газу. Для проведення такого процесу потрібно головним чином електрична енергія.
Як витягується вуглекислий газ з повітря? Для цього застосовуються так звані молекулярні сита (їх називають також цеолітами). Молекулярні сита мають настільки малі отвори - пори, що через них вільно проходять молекули таких газів, як азот, кисень і т. п., а молекули вуглекислого газу, великі за розмірами, затримуються. Для уловлювання вуглекислого газу з повітря останній проганяється через набої, набиті цеолітами (цеоліти виготовляють у вигляді невеликих по довжині і діаметру трубочок).Вуглекислий газ залишається на фільтрі з молекулярних сит, а кисень і азот (складові частини повітря) проходять через фільтр.
Повітря, перед тим як направити в патрони з цеолітами, обов'язково осушують. Вологе повітря не можна пропускати через цеоліти - волога псує їх, вони насичуються водою і втрачають здатність утримувати вуглекислий газ. Щоб осушити повітря, його пропускають через набої, набиті силікагелем. Силікагель добре поглинає вологу з повітря, але не затримує вуглекислий газ.
Ми говорили про те, що атмосфера кабіни космічного корабля, де знаходяться члени екіпажу, повинна безперервно підживлюватися киснем і очищатися від шкідливої домішки - вуглекислого газу. А утворюються інші домішки, крім вуглекислого газу, які можуть накопичуватися в кабіні космічного корабля?
Матеріали внутрішнього оздоблення кабіни мають у своєму складі речовини, які хоча і повільно, але випаровуються і надходять в атмосферу (гума, пластмаси, фарби, лаки тощо). Так як кабіна не провітрюється, кількість випарів з часом збільшується і може досягти концентрації, небезпечної для здоров'я членів екіпажу. Тому атмосферу кабіни потрібно очищати не тільки від вуглекислого газу, але і від інших шкідливих домішок.
Яким чином можна видаляти з повітря кабіни забруднення, що накопичуються в ньому з часом? Більшу частину газів шкідливих домішок - можна вловлювати з допомогою фільтрів адсорбентів, які добре утримують їх на своїй поверхні. Дуже хороший для цієї мети активоване деревне вугілля.
Як правило, шкідливі гази, що накопичуються в кабіні,- горючі речовини. Чи не можна для знешкодження повітря спалювати ці гази? Виявляється, можна, але тільки якщо гази складаються з водню, кисню та вуглецю. Спалювання можна проводити в спеціальних скриньках, що нагріваються електричним струмом, через які прокачується повітря кабіни.
А якщо в молекулу шкідливого газу входять атоми сірки? Якщо спалювати таку речовину, то утворюється окис сірки, а це теж шкідливий газ. Отже, спалювання не може служити засобом видалення усіх шкідливих домішок.
Шкідливі домішки можна видаляти з повітря не тільки шляхом його нагрівання до високих температур, але і охолодженням до дуже низьких температур, при яких всі домішки з повітря вимерзають і випадають або у вигляді твердих часток або крапель рідини. Виморожування, так само як і спалювання, технічно здійсненно в космічному кораблі. Поєднанням наведених способів (спалювання, глибоке охолодження, фільтрація) атмосфера кабіни космічного корабля може бути очищена від усіх можливих шкідливих домішок.
Отже, як забезпечити членів екіпажу киснем для дихання в космічному кораблі, ми тепер знаємо. Без повітря (кисню) людина жити не може. Але і без їжі жити не можна. Які існують труднощі в забезпеченні людей, що знаходяться в космічному кораблі, їжею? Труднощі пов'язані тільки з необхідністю мати на борту космічного корабля як можна меншу вагу всіх запасів. Але тим не менш людині необхідно приймати щодня їжу. Щодобовий харчовий раціон людини повинен становити не менше 2500 ккал. Чим може харчуватися людина, перебуваючи в космічному кораблі?Звичайно, тими ж продуктами, які він споживає на Землі, але лише деяким з них надають попередньо особливий «космічний» вигляд, щоб вони менше важили при одній і тій же калорійності.
Є продукти харчування, до складу яких входить велика кількість речовин, які не мають живильної цінності.
Візьміть, приміром, огірок, скільки в ньому води і скільки речовин, що дають харчування організму? Води в огірку міститься до 9О% і лише близько 10% - твердої речовини. Годиться такого виду їжа для умов космосу? Ні, не годиться, занадто багато в ній баласту. Майже в кожному продукті харчування - м'ясо, хліб, рибу і т. д. міститься значний відсоток води. Для зменшення ваги деяких продуктів, запасаемых на борту космічного корабля, їх піддають зневодненню.Завдяки цьому вони стають легше і, крім того, що також важливо, така зневоднена їжа може зберігатися при кімнатній температурі (18 - 20°С) протягом багатьох місяців, не псується і не втрачаючи своїх поживних властивостей.
Проведені дослідження показали, що зневоднені продукти не роблять шкідливого впливу на організм людини. Зневоднення дозволяє помітно зменшити вагу продуктів, запасаемых на борту космічного корабля. Однак ця вага все ж залишається досить великим і зростає із збільшенням тривалості польоту.
Яким же чином буде вирішуватися проблема забезпечення членів екіпажу їжею при здійсненні тривалих космічних польотів? Вирішення цієї проблеми можна знайти, якщо наслідувати приклад, який показує нам природа. У природі живі і рослинні організми безперервно щось споживають і що в результаті своєї життєдіяльності виділяють.
Добре відомо, що врожай на полях буває хороший, якщо грунт перед посівом була рясно унавожена. А що таке гній? Це в основному продукти життєдіяльності живих організмів, У ньому містяться всі елементи, необхідні для росту і дозрівання рослин. Рослини в свою чергу йдуть в їжу живим організмам. Завдяки такому колообігу в природі на Землі не відчувається нестачі в продуктах харчування.Зараз вчені ведуть дослідження таких шляхів отримання продуктів харчування, які дозволили б швидко і у великій кількості отримувати речовини, придатні для вживання їх живими організмами, в тому числі і людиною. Якщо буде вирішено це завдання, то в космічний політ не доведеться брати великого запасу продуктів харчування.
Аналогічно йде справа і з забезпеченням людей в космічних польотах водою. Адже людина дуже багато споживає вологи. В середньому за добу людина випиває близько 2,5 л (2,5 кг) води, а за рік приблизно 880 кг Це лише один чоловік, а якщо екіпаж космічного корабля складається з трьох чоловік, то вже більше 2 т. Можна взяти запас води у такій кількості на борт корабля? Мабуть, немає. Але людина не тільки споживає вологу, але й виділяє її, причому виділяє навіть в дещо більшій кількості.
При видиханні і отпотевании осіб на добу виділяє в навколишнє середовище в середньому близько 1,1 л води в вигляді пари. Крім того, організм людини виділяє у вигляді сечі близько 1,5 л вологи на добу. Можна вологу, що виділяється організмом, використовувати для отримання питної води? Можна, для цього її тільки необхідно відповідним чином обробити, очистити від забруднень.
Міські жителі для пиття користуються водопровідною водою. Але природна вода надходить у водопровід - вода озер і річок, попередньо проходить тривалу і складну очищення на спеціальних станціях. У сільській місцевості питну воду беруть з криниць, як правило, знаходяться в землі, на великій глибині. Воді, що надходить в колодязь, довелося просочуватися через товщу піску, глини та інших порід. Шари грунту і служать природним фільтром, в якому затримуються всі механічні забруднення, що потрапили у воду. Грунт очищає воду й від цілого ряду хімічних забруднень.Так в земних умовах, завдяки фільтруючим і очищаючим властивостям ґрунту, а також будівництва спеціальних очисних споруд, отримують цілком придатну для пиття воду. Всі скиди води, що утворюються на фабриках і в побуті, після очищення, або природного (природного), або штучною, знову використовуються людьми для різних цілей. Такий же кругообіг води можна встановити і в космічному кораблі.
Не всі відходи вологи потребують однакової очищення. Простіше всього перетворити в питну воду вологу, що міститься в атмосфері космічного корабля у вигляді пара, що утворюється при випаровуванні, отпотевании, а також видихається людиною. У цій волозі дуже мало забруднень. Більш важке завдання - відновити воду із сечі людини і довести її до стану, придатного для використання у якості питної. Проте вже розроблені способи очищення такої води і перетворення її в стан, придатний для пиття.
У повсякденному житті ми звикли користуватися радіоприймачами, телевізорами, електроприладами тощо, для того щоб міг працювати той чи інший прилад, достатньо включити його в мережу. Ми рідко замислюємося над тим, як в мережі завжди підтримується необхідна напруга і звідки береться електрична енергія. Електрична енергія виробляється на електростанціях - теплових, що використовують хімічну енергію горючих матеріалів (кам'яного вугілля, торфу, сланців), гідроелектростанціях, що використовують енергію води річок, атомних, на яких енергію атома перетворюють в електричну енергію.Всі електростанції на території нашої країни об'єднані в єдину енергосистему. Електрична енергія, що виробляється електростанціями, що подається в мережу, з якої вона надходить до споживачів.
Електростанції - це великі підприємства з великою кількістю обслуговуючого персоналу. Потрібна електрична енергія на космічному кораблі? Звичайно, потрібна. Електрична енергія необхідна для живлення двигунів вентиляторів, насосів і т. д. Звідки ж взяти енергію для приведення в дію апаратури і систем, встановлених на борту космічного корабля? Очевидно, на борту корабля потрібно мати свою електростанцію, тобто пристрій, яке дозволило б отримувати електричну енергію в кількості, достатній для живлення бортової апаратури і систем.І знову слід згадати головна вимога, яка пред'являється до всіх пристроїв, які встановлені на борту космічних кораблів,- мати якомога меншу вагу.
Існують різні типи установок, придатні для вироблення електроенергії на борту космічного корабля. Але найбільш доцільно отримувати електричну енергію шляхом перетворення хімічної енергії палива, запасаемого на борту, а використовуючи джерела енергії, що знаходяться в космічному просторі. Чи є там джерело, придатний для цього? Виявляється, є. Що це за джерело? Ви, напевно, здогадуєтеся. Сонце, звичайно.
Ми добре знаємо, що всі процеси на Землі забезпечуються енергією, що надходить від Сонця. І це незважаючи на те, що до Землі доходить незначна частина енергії, випромінюваної Сонцем, а велика частина відбивається назад у космічний простір хмарами, постійно плаваючими над Землею. А в космічному просторі немає хмар і немає навіть повітря. Промені Сонця там особливо щедро обігрівають все, на що вони падають. Сонячна енергія в умовах космосу - доступний і практично дармової джерело енергії.
Але як перетворити променисту теплову енергію Сонця в електричну?
Можна уявити таку схему. На зовнішній стінці космічного корабля кріпляться великих розмірів дзеркала спеціальної форми, які в будь-який момент часу повинні бути розташовані так, щоб на них падали промені Сонця. У фокусі дзеркала встановлюється змійовик, по якому безперервно циркулює рідина. Нагріваючись сонячним теплом, рідина буде випаровуватися. Пором обертають турбіну, а турбіна виробляє електричний струм.
Розглянута схема хоча й технічно можлива, але практичного застосування вона ще не отримала. На космічних кораблях широко застосовують перетворення сонячної енергії в електричну з допомогою так званих сонячних батарей. Сонячні батареї виготовляють у вигляді великих за площею (в кілька десятків квадратних метрів) панелей, які на Землі і під час підйому корабля в космічний простір знаходяться в складеному стані, а після виведення корабля в космос вони розгортаються.На поверхні таких панелей монтуються комірки, в яких містяться тонкі пластинки спеціального речовини (монокристалічний кремній тощо).
Речовини, подібні монокристаллическому кремнію, мають дуже корисним властивістю: якщо пластину монокристалічного кремнію нагрівати так, щоб одна її поверхня мала більшу температуру, ніж протилежна, то між цими поверхнями утворюється різниця потенціалів, а це і є причина виникнення електричного струму. Таким чином, з допомогою речовин, подібних монокристаллическому кремнію, представляється можливість променисту енергію Сонця безпосередньо перетворювати в електричну енергію.Від однієї комірки можна отримати, звичайно, дуже мала кількість електроенергії, але якщо всі комірки сонячної батареї з'єднати в єдину систему, то можна отримати кількість електричної енергії, достатня для задоволення потреб космічного корабля.
Панель сонячної батареї весь час повинна бути звернена до Сонця. Якщо Сонце не висвітлює панель, то і ніякої енергії сонячна батарея виробляти не може. Уявіть собі, що космічний корабель рухається по орбіті навколо земної кулі. Може панель сонячної батареї постійно освітлюватися Сонцем? Очевидно, немає. Адже час від часу космічний корабель буде потрапляти в тінь, створювану Землею. А електрична енергія в космічному кораблі потрібно безперервно. Тому, як правило, сонячні батареї на космічних кораблях застосовуються тільки в парі з хімічними акумуляторами.
Хімічні батареї (акумулятори) заздалегідь заряджають, тобто тримають певний час під струмом. При проходженні струму через акумулятор в ньому електрична енергія перетворюється у хімічну, яка і накопичується в акумуляторі,- це так званий процес зарядки. У процесі розрядки акумулятора відбувається зворотне перетворення хімічної енергії в електричну. При розрядці акумулятор не споживає, а віддає енергію. Процес розряду і заряду акумулятора хімічної батареї можна проводити багаторазово.
При поєднанні хімічних батарей з сонячними можна безперервно забезпечувати космічний корабель електроенергією незалежно від того, знаходиться він в тіні або освітлюється Сонцем. У той час, коли сонячна батарея освітлена Сонцем, її клітини виробляють електричну енергію, що йде на підзарядку хімічної батареї. Живлення приладів і систем корабля здійснюється не безпосередньо від сонячної батареї, а від хімічної. Якщо космічний корабель потрапляє в тінь Землі або будь-якої іншої планети, його прилади забезпечуються електроенергією від хімічних батарей.Після того як корабель вийде з тіні, сонячна батарея знову починає заряджати хімічну.
Сонячні батареї використовують дармовий джерело енергії для отримання електрики, але це ще не означає, що з їх допомогою простіше і вигідніше отримувати електричну енергію на космічному кораблі. У космічному просторі у сонячних батарей є вельми небезпечний ворог. Панелі батарей або, вірніше, плівки речовини, перетворюючого променисту енергію Сонця в електричну, псуються від дії метеорної пилу. Метеорні порошинки мають такий малий розмір, що не можуть пробити навіть тонку оболонку панелі сонячної батареї.Однак порошинки діють на панель як пісок, дряпаючи поверхню осередків панелі і тим самим знижуючи їх коефіцієнт корисної дії, тобто погіршуючи працездатність сонячних батарей. При малих термінах польоту це не так страшно, так як поверхня панелі сонячної батареї не встигає помітно погіршити свої властивості.
А якщо політ відбувається довгостроково, та ще й далеко від Землі? При тривалих польотах ерозія (руйнування) поверхні панелі сонячної батареї може виявитися дуже істотною, і тоді батарея не зможе забезпечити корабель в достатній кількості електричною енергією. Є ще одна обставина, що обмежує застосування сонячної батареї. Справа в тому, що в залежності від роду речовини, що застосовується для покриття поверхні панелі батареї, вона може витримувати тільки певну температуру нагрівання.Так, монокристалічний кремній при нагріванні вище 150°С псується і втрачає здатність перетворювати променисту енергію Сонця в електричну енергію. Від чого залежить температура нагрівання панелі сонячної батареї? Звичайно, від відстані до джерела тепла, тобто Сонця. Під час польоту в міжпланетному просторі траєкторія космічного корабля може проходити на різних відстанях від Сонця, в тому числі і таких, при яких температура поверхні сонячної батареї опиниться поза межі допустимого.Тому, хоча сонячні батареї (в поєднанні з батареями хімічними) представляють зручний спосіб отримання електричної енергії в космічному кораблі, можливості їх певною мірою обмежені.
Фахівці в області енергетичних установок ведуть роботи з пошуку інших способів отримання електричної енергії на космічних кораблях.
Порівняно недавно були проведені роботи по дослідженню способу перетворення хімічної енергії палива безпосередньо в електричну. Таке перетворення здійснюється в установках, званих паливними елементами. Що ж відбувається в таких установках?
Коли пальне речовина з'єднується з окислювачем (наприклад, водень з киснем), відбувається горіння - атоми пального і окислювача, з'єднуючись один з одним, утворюють молекули нової речовини. В цьому процесі виділяється тепло, отже, хімічна енергія палива перетворюється у внутрішню. У паливних елементах горіння в тому вигляді, до якого ми звикли, не має місця. Атоми горючої речовини і окислювача в паливному елементі реагують один з одним електрохімічно. Розберемо це на прикладі електрохімічного окиснення водню киснем.
Газоподібний кисень подається на анод паливного елемента, водень - на катод. Водень на катоді віддає свій електрон, який, рухаючись по колу, підходить до анода, де зустрічається з атомом кисню. Атом водню віддає в ланцюг один електрон, перетворюючись на іон водню, а атом кисню приймає два електрони, перетворюючись на іон кисню. Таким чином, в паливному елементі відбувається безперервна віддача електронів атомами водню на катоді і захоплення їх атомами кисню на аноді.Електрони, що рухаються в зовнішньому ланцюзі паливного елемента, що створюють електричний струм, який можна використовувати для живлення приладів і систем, встановлених на борту космічного корабля. А що буде з позитивно зарядженими іонами водню і негативно зарядженими іонами кисню? З'єднуючись один з одним, вони утворюють молекулу води.
Таким чином, паливні елементи, в яких в якості палива застосовують водень і кисень, дають і електричну енергію, і воду. Вода, що виділяється в паливних елементах, може бути використана для задоволення потреб членів екіпажу. Цю ж воду можна використовувати також і як засіб охолодження кабіни в період спуску корабля на Землю (про це ми розповімо в розділі «Спуск космічного корабля на Землю»).
В якості палива для живлення паливних елементів можна застосовувати не тільки водень і кисень, але й інші речовини. Наприклад, етиловий спирт і кисень і ін Якими ж перевагами володіють паливні елементи, які переваги вони мають у порівнянні з іншими способами перетворення хімічної енергії палива в електричну? Головна їх перевага - високий коефіцієнт корисної дії. Паливні елементи дозволяють перетворити хімічну енергію палива в електричну майже без втрат. Їх коефіцієнт корисної дії досягає 94 - 96%. Втрати складають всього лише 4 - 6%.Це приблизно в 10 разів менше втрат, що мають місце в теплових машинах.
Але не тільки високий коефіцієнт корисної дії визначає гідність паливних елементів. Вірогідність поломки і виходу з ладу існує для будь-якої машини, і ця ймовірність у більшості випадків підвищується зі збільшенням числа рухаються в ній агрегатів і деталей. У паливних елементах немає ні турбіни, ні генератора, ні яких-небудь інших обертаються або рухаються частин. Завдяки цьому паливні елементи, мабуть, будуть володіти великою надійністю в роботі, тобто низькою ймовірністю виходу з ладу. При роботі паливних елементів не створює шуму, не утворюються вихлопні гази. Все це робить паливні елементи одним з перспективних способів отримання електричної енергії на борту космічного корабля.
|
| Категорія: Шлях у космос | Додав: 27.09.2016
|
| Переглядів: 1389
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
