Контроль состава атмосферы и воды по основным газам и микропримесям на МКС и в перспективных экспедициях (обзор)

Человек потребляет из биосферы кислород, воду, пищу и целый ряд продуктов, регулирующих его жизнедеятельность. В результате биологических реакций организма пищевые вещества окисляются кислородом и дают энергию, необходимую для жизнедеятельности человека. Продукты реакций окисления выделяются человеком в окружающую среду в основном в виде углекислого газа и жидких и твёрдых продуктов жизнедеятельности, а также в виде небольшого количества целого ряда токсических газообразных веществ. Техногенная деятельность человека значительно расширила перечень и увеличила суммарное количество выделений в атмосферу таких вредных веществ.

Если в земных условиях круговорот веществ осуществляется естественным путём, то в космическом полёте в атмосферу гермомодулей необходимо принудительно подавать кислород, поддерживая его содержание в определённом диапазоне, и удалять выделяемые в замкнутое пространство углекислый газ и вредные для здоровья человека токсические микропримеси, не давая их концентрации подняться выше определённого уровня. Из питьевой воды также необходимо удалять растворимые вредные микропримеси. Для этого в комплексе систем жизнеобеспечения (СЖО) космических аппаратов (КА) используются соответствующие системы обеспечения кислородом, удаления углекислого газа и вредных микропримесей из атмосферы, а также блоки удаления примесей в системах водообеспечения.

Для обеспечения работы этих систем и создания безопасной атмосферы и пригодной для потребления воды в космических условиях необходимы анализаторы концентрации вредных веществ. При этом измерение концентрации кислорода, углекислого газа и особенно микропримесей разных классов с требуемой точностью превратилось в большую проблему.

В отечественной космонавтике с самого начала заложено поддержание земной атмосферы по общему давлению (760 мм рт. ст.) и кислороду (160 мм рт. ст.) с соответствующими допусками: штатные показатели общего давления 660…800 мм рт. ст., парциального давления кислорода — 140…200 мм рт. ст.; парциального давления СО2 — менее 6 мм рт. ст. [1].

NASA после неудачной попытки применения чистого кислорода в целях экономии массы аппарата, которая привела к гибели при пожаре экипажа КА Apollo , также использует как основу земную атмосферу (на МКС по нормативам NASA приняты более узкие диапазоны, а также более низкое содержание СО₂ — менее 3 мм рт. ст., не имеющее научного обоснования [2]).

Микропримеси выделяются в атмосферу космического объекта неметаллическими материалами конструкции; системами и оборудованием; предметами личной гигиены экипажа;

веществами, используемыми в оборудовании медицинского контроля, и самим человеком. Предельно допустимые концентрации (ПДК) токсических примесей для атмосферы космических объектов устанавливаются в зависимости от длительности их полёта и приведены в российском стандарте [1].

Преобладающее значение (до 80% по количеству) имеют выделяемые техногенные токсические микропримеси, перечень которых насчитывает несколько сотен позиций. Это, прежде всего, растворители — одни из составляющих клеёв и эмалей, предметов личной гигиены. Кроме того, в процессе старения конструкционных материалов все неметаллические вещества, входящие в них, подвергаются деструкции, что приводит к постоянному увеличению выделяемых микропримесей в течение определённого времени. Также выделяют микропримеси материал интерьера и оплётка электрических кабелей. Большое количество опасных токсических микропримесей попадает в атмосферу гермомодулей при нештатных ситуациях, прежде всего при пожаре, а также при утечках в результате разгерметизации бортовых систем и научного оборудования. Растворимые микропримеси попадают в воду с конденсатом, большое количество микропримесей содержится в урине.

Данные по номенклатуре токсических микропримесей, выделяемых человеком в атмосферу, приведены в ГОСТ Р50804-95 [1]. Основные в количественном отношении микропримеси, выделяемые человеком, — метан, окись углерода, спирты, углеводороды, аммиак. Основные в количественном отношении микропримеси в обитаемой атмосфере КА — это спирты, альдегиды, эфиры, кетоны, органические и неорганические кислоты, углеводороды (включая ароматические), фреоны и галогенуглеводороды, полисилоксаны, а также ряд отдельных специфических веществ — аммиак, окись углерода, окислы азота. Чем более токсична примесь, тем меньше значения ПДК и допустимое время действия на человека. По значению ПДК можно принять следующее деление микропримесей:

• •    менее 0,1 мг/м³ — очень токсичные микропримеси;

• •    от 0,1 до 1,0 мг/м³ — токсичные;

• •    от 1,0 до 10,0 мг/м³ — малотоксичные;

• •    более 10,0 мг/м³ — слаботоксичные [3].

В атмосфере и воде обитаемых гермомодулей станций «Мир» и МКС с помощью российских и американских средств контроля было идентифицировано и количественно определено более 100 химических веществ [3].

Также в атмосфере гермомодулей КА и в воде присутствуют микробиологические объекты — бактерии, вирусы, плесневые грибы и их споры, и др. Основным источником микробиологического загрязнения воздуха и воды этих гермомодулей служит микрофлора дыхательных путей и кожа человека.

Особую роль в загрязнении атмосферы гермомодулей КА играют аэрозоли — пыль. Атмосферная пыль являет собой смесь органических и неорганических соединений, её размер колеблется от 100 до 0,01 мкм. Пыль, покрытая плёнкой воды, способна поглощать и переносить химические вещества и микроорганизмы [3].

Основная трудность измерения в атмосфере КА — определение парциального давления основных газов (кислорода и азота) с погрешностью измерения 2–3 мм рт. ст. Это же относится к углекислому газу, для которого погрешность измерения не должна превышать ±0,1 мм рт. ст.

Для обнаружения приборами контроля аварийных газов, прежде всего пожарных, требуется высокая чувствительность и высокая точность в пределах ПДК. По микропримесям относительная погрешность измерения 10–15%.

Российские анализаторы

Вначале для краткосрочных полётов транспортных космических кораблей газоанализаторами (ГА) измерялась только концентрация основных газов (кислород, углекислый газ, водяной пар), вода обеззараживалась без определения (анализа) её состава. Уже для станций «Салют» и «Мир», помимо этого, для анализа вредных микропримесей (для станции «Мир» также окись углерода) проводились отборы проб воздуха сорбентными трубками и проб воды с последующим их возвращением на Землю для проведения детального анализа.

Основные газы атмосферы гермообъёмов (кислород, углекислый газ и водяной пар, а также водород) в настоящее время на МКС измеряются ГА ИК0501, а окись углерода — ГА ГЛ2106. Для анализа концентрации кислорода применяется электрохимический метод, для углекислого газа — термокондуктометрический метод, для водяного пара — электролитический метод. На кораблях «Союз» был установлен ГА КМ0305М1, измеряющий концентрацию основных газов (кроме водорода), который аналогичен ГА, установленному на МКС в служебном модуле.

Помимо анализа атмосферы указанными выше приборами и сорбентными пробозаборниками, на российском сегменте (РС) МКС дополнительно введён анализ с помощью индикаторных прободатчиков (ИПД) на основе индикаторных пробозаборников, реагентная засыпка которых меняет цвет в зависимости от концентрации конкретной микропримеси. Однако погрешность ИПД составляет ±25%, а отбор микропримеси является разовым. Сорбентные и индикаторные пробозаборники автономны и позволяют брать пробы воздуха во всех гермомодулях [3].

Кроме этого, на РС МКС был установлен прибор непрерывного измерения аварийных газов — анализатор оперативного контроля ГАНК-4М, выполнявший контроль по аммиаку, окиси углерода, хлористому и фтористому водороду, двуокиси азота, метану с относительными погрешностями ±20%. Из-за выхода из строя после выработки ресурса ГАНК-4М и потери корабля «Прогрес-МС-04», который доставлял на замену наземный ЗИП, с 2016 г. на борту РС МКС измерения аварийных вредных примесей не проводятся. Из-за устаревших комплектующих производство этого прибора было прекращено.

С 2016 г. была начата работа по проектированию высокоточного прибора на основе диодных лазеров, которая, в связи с невозможностью сертификации прибора с иностранными диодными лазерами в существующих сертификационных центрах, в какой-то период была приостановлена, а затем возобновлена. Была проработана принципиальная возможность создания прибора измерения основных и аварийных газов ГАЛП на основе диодных лазеров, на который в 2019 г. было выдано техническое задание для выполнения измерений концентрации основных газов (кислорода, углекислого газа, водяного пара) и аварийных газов (аммиака, окиси углерода, хлористого водорода, фтористого водорода и метана) с относительными погрешностями ±2%.

Однако договор на ГАЛП с такими параметрами измерений не был заключён в связи с большой конечной стоимостью анализатора из-за высоких затрат на требующиеся для него диодные лазеры (на каждый газ требовался отдельный лазер).

Был заключен договор с меньшей стоимостью по разработке прибора с названием «ГА атмосферы», который должен измерять основные аварийные газы (аммиак, окись углерода, цианистый водород, хлористый и фтористый водород, окислы азота, метан и водород) с относительными погрешностями 5–6%. Работа по созданию ГА атмосферы началась в феврале 2020 г. Изготовление и поставка лётного образца должны быть выполнены в 2025 г. Масса разрабатываемого прибора — не более 25 кг, энергопотребление — не более 50 Вт, габариты 330 × 260 × 275 мм. Методы измерения: по кислороду — люминесцентный; по водороду и метану — термокаталитический; по водяному пару — сорбционный; по остальным газам — инфракрасный спектрометрический.

Для измерения концентрации 35 основных газов, примесей и микропримесей в атмосфере в виде лётного эксперимента разрабатывается Фурье-спектрометр «Газоанализатор-ФС».

Контроль качества воды на РС МКС выполняется путём забора проб с последующим их наземным анализом.

Анализаторы NASA и ESA

На американском сегменте (АС) МКС установленным в лабораторном модуле масс-спектрометром МСА (Major Constituent Analyzer) измеряются концентрации основных газов (кислород, углекислый газ, азот, а также метан, водород и водяной пар, последний — с большой погрешностью). Кроме этого, концентрация углекислого газа измеряется переносным датчиком CDM (Carbon Dioxide Spectrometer). Концентрации аварийных газов (HCl, HF, СО) контролируются посредством ручного анализатора CSA-CP (Compound Specific Analyzer – Combustion Products) на основе электрохимического датчика (им же дополнительно измеряется концентрация кислорода). Остальные вредные микропримеси в воздухе и воде контролируются за счёт забора проб на борту (по воздуху — ёмкостными пробозаборниками из разных гермомодулей) с последующим наземным анализом (кроме бортового анализа органического углерода в воде и измерения аммиака индикаторными трубками в воздухе). Воздух из гермомодулей к масс-спектрометру для измерения подводится по трубопроводам, что увеличивает ошибки измерений [3].

В дополнение к этим приборам на АС МКС был доставлен экспериментальный малогабаритный анализатор MGM ( Multi-Gas Monitor ) на основе передовой технологии — перестраиваемой диодной лазерной спектроскопии ( TDLS — Tunable Diode Laser Spectroscopy ). Этот анализатор, имеющий высокие избирательность и стабильность, работал на орбите более 15 месяцев. Четыре канала MGM обеспечивали измерение концентраций кислорода, углекислого газа, аммиака и паров водяного пара в атмосфере. Каждый канал использовал отдельный лазер при разных длинах волн. Масса MGM составляла 2,6 кг, энергопотребление — 2,5 Вт. В переносной конфигурации аккумулятор обеспечивал работу прибора в течение ~18 ч [4, 5].

Успешные бортовые испытания MGM позволили перейти к разработке лазерного анализатора AGA (Anomaly Gas Analyzer), который предполагается использовать как на МКС, так и на корабле Orion. При этом в AGA к перечню контролируемых позиций по основным газам, которые анализировались MGM, добавлен анализ аварийных газов. Анализатор AGA должен выполнять контроль в разных качествах: как датчик концентраций основных газов — измерять кислород, углекислый газ и водяной пар с высокой точностью; как средство контроля среды после пожара — измерять концентрации окиси углерода, цианистого, хлористого и фтористого водорода с высокой чувствительностью; как индикатор утечки — измерять концентрации аммиака и гидразина с производными с высокой селективностью. Масса AGA ~5,5 кг, габариты 300×170×110 мм [6]. AGA будет установлен на АС МКС в ближайшее время.

Для корабля Orion изготавливается анализатор LAM ( Laser Air Monitor ) — подобный анализатору AGA лазерный спектрометр, только для анализа основных газов [7].

В первые годы эксплуатации МКС микропримеси в атмосфере АС МКС контролировались с помощью анализатора летучих органических веществ VOA ( Volatile Organic Analyzer ), сочетающего газовую хроматографию с ионнопролётной спектрометрией, измерявшего концентрации ряда веществ со значительными погрешностями. После него в качестве прибора оперативного контроля микропримесей на АС МКС отрабатывался газовый хромато-масс-спектрометр VCAM ( Vehicle Cabin Atmosphere Monitor ) [8, 9]. Он был доставлен на МКС в 2009 г. в качестве экспериментального оборудования. После его многомесячного испытания на борту было принято решение о разработке штатного варианта этого прибора. Штатным вариантом VCAM стал прибор контроля качества воздуха AQM ( Air Quality Monitor ) [10, 11], работающий в настоящее время на АС МКС и анализирующий концентрации 22 примесей (часть из них с большими погрешностями).

Для принятия решения о замене AQM на борту АС МКС другим прибором проверяются рабочие характеристики прибора контроля основных газов, а в дальнейшем и вредных микропримесей атмосферы, S.A.M. (Spacecraft Atmosphere Monitor) — газового хромато-масс-спектрометра, который предполагается применить для будущих полётов, включая дальние. S.A.M. TDU1 (Technology Demonstration Unit) — экспериментальный прибор, испытывался на борту АС МКС более 1,5 лет (2020–2022 гг.) и контролировал концентрации основных газов. Хотя функции VCAM и S.A.M. одинаковы, S.A.M. TDU1 содержит несколько важных технических преимуществ, включая использование пассивной насосной системы, а не турбонасосов и форвакуумных насосов, штатную работу в условиях высокого вакуума. А в S.A.M. TDU2 в состав введён также предварительный концентратор веществ. Эти усовершенствования дают прибору S.A.M. возможность работать при энергопотреблении 45 Вт, составляющем менее половины потребления VCAM, а его масса и объём в три раза меньше, чем у VCAM. Масса прибора составляла всего 9,5 кг, а его малые габариты (240×220×190 мм) позволяли легко его перемещать для проведения контроля воздуха в любых жилых объёмах МКС. Планируется снабдить TDU1 и TDU2 средствами анализа газовых микропримесей и начать их испытывать на МКС в ближайшее время (TDU1 — повторно) [12–14].

Для обнаружения пожара на АС МКС в настоящее время используются фотоэлектрические детекторы дыма, работающие на основе принципа рассеяния света. Для контроля концентрации пожарных газов NASA отрабатывается TLAS ( Tunable Laser Absorption Spectrometer ) — лазерный спектрометр для непрерывного обнаружения и измерения концентрации аварийных газов (HCl, HF, HCN, CO), а также углекислого газа и кислорода. Его опытной моделью является прибор Safire . Точность подобных приборов позволяет обнаруживать возгорание по начальным концентрациям газов [15].

Кроме этого, по заказам NASA разрабатывается в порядке конкуренции ещё несколько газоанализаторов ( PTLS — Portable Tunable Laser Spectrometer , лазерный на три основных газа; FLIR Griffin G510 — портативный газовый хромато-масс-спектрометр на вредные примеси и др.). Также на АС МКС проводится контроль концентрации аэрозолей, для чего используются бортовой монитор аэрозолей APM ( Airborne Particulate Monitor ) и исследовательский блок контроля аэрозолей Aerosol Monitors [16–18].

ESA в течение более 20 лет был отработан на борту АС МКС Фурье-спект-рометр ANITA (Analyzing Interferometer for Ambient Air) — ANITA-1 и ANITA-2. Последний работает на АС МКС в настоящее время для измерения концентрации вредных микропримесей, при этом результаты ANITA-2 и AQM в значительной степени совпадают. В настоящее время изготавливается ANITA-3 [19–20]. Считалось, что Фурье-спектрометр малоэффективен, так как он имеет движущиеся детали, тонкую механику, чувствительную к вибрациям и ударам, а также довольно низкую разрешающую способность, связанную с применением математических методов (вероятно, с этим связан длительный срок его отработки). Однако полученные в последнее время на борту МКС данные подтверждают перспективность этого прибора.

Для анализа концентрации органического углерода в воде на АС МКС NASA использует анализатор ТОСА ( Total Organic Carbon Analyzer ) больших размеров, который будет заменён отрабатываемым miniTOCA на основе перестраиваемой лазерной спектроскопии. Испытания штатного образца miniTOCA были завершены в 2023 г. Для контроля концентрации вредных примесей в воде отрабатывается анализатор SWIM ( Spacecraft Water Impurity Monitor ), состоящий из блока контроля органических примесей воды OWM ( Organic Water Monitor ) на основе масс-спектрометра с квадрупольной ионной ловушкой и блока контроля неорганических примесей на основе капиллярного электрофореза [22].

Микробиологический мониторинг в полёте будет иметь большое значение для проверки эффективности операций очистки гермообъёма. В настоящее время он проводится на земле лабораторными методами. NASA разрабатывает методы бортового автоматического микробного мониторинга питьевой воды и атмосферы, а также отрабатывает метод MinION секвенирования биомолекул на внутренних поверхностях гермообъёмов космических объектов [23].

Из зарубежных публикаций следует, что финансирование работ по контролю состава и примесей воздуха и воды, а также по контролю работы СЖО осуществляется ежегодно в объёме 15–20 млн долларов США. Причём финансирование ведётся широким фронтом, по всем перспективным направлениям, с конкурентным заказом более одного прибора одинакового назначения.

Рамановская спектроскопия

Масс-спектрометрия является точным и чувствительным методом, но техника для этого метода громоздкая и трудно калибруемая. Колебательная спектроскопия — метод инфракрасного (ИК) поглощения — не измеряет многие газы с симметричными молекулами, например азот, кислород, водород, хлор. Метод Фурье, как отмечалось выше, чувствителен к вибрациям и ударам, а также требует сложной математической обработки. Лазерная диодная спектрометрия даёт очень точные результаты, но сложна и дорога, так как в большинстве случаев требует индивидуальный лазер для анализа каждого вещества.

В последнее время в отечественной промышленности для анализа стал применяться новый метод, позволяющий исследовать практически все виды молекул и обладающий высокой разрешающей способностью для анализа многокомпонентных газовых смесей, — рамановская спектроскопия [24].

В основе метода рамановской спектроскопии лежит комбинационное рассеяние света (КР, эффект Рамана): при освещении образца монохроматическим излучением в спектре рассеянного излучения появляются частоты, смещённые относительно возбуждающей линии. Этот дополнительный спектр называется спектром комбинационного (неупругого) рассеяния оптического излучения молекулами вещества (твёрдого, жидкого или газообразного). То есть происходит рассеяние молекулами возбуждающего лазерного излучения на частотах, соответствующих их внутреннему строению. При этом интенсивность рассеянных сигналов линейно зависит от концентрации молекул данного вещества [24].

Метод рамановской спектроскопии позволяет проводить измерение спектра неизвестного вещества, а затем определение спектрального положения и относительной интенсивности рамановских и люминесцентных линий. Получаемый рамановский спектр индивидуален для каждого отдельного вещества. Данный метод позволяет с помощью одного лазера с фиксированной длиной волны контролировать содержание всех молекулярных соединений, концентрация которых превышает порог чувствительности аппаратуры.

Исследования создания КР-газоана-лизаторов ведутся как в зарубежных организациях, так и в отечественных — в ИМКЭС СО РАН (Томск), ООО «Спектр-М» (Черноголовка Московской обл.) [24–26].

Принципиальная схема рамановского ГА представлена на рис. 1 [26]. Оптическая накачка и сбор сигнала осуществляются при фокусировке лазерного луча в центр полого фотоннокристаллического световода. Заведение накачивающего лазерного излучения в оптическую систему осуществляется при помощи:

• •    дихроического зеркала, отражающего свет на длине волны лазера и пропускающего свет более длинных волн;

• •    линзы с фокусным расстоянием 40 мм ( f ₁), осуществляющей фокусировку накачивающего излучения более длинных волн;

• •    линзы с фокусным расстоянием 18 мм ( f ₂), осуществляющей фокусировку накачивающего излучения в торец световода и сбор сигнала.

Рис. 1. Принципиальная схема рамановского газоанализатора [26]: 1 — оптическая муфта; 2 — насос; 3, 4 — краны; 5 — обратный клапан; 6 — фильтр; 7 — манометр; 8 — разъём для забора проб; 9 — разъём для выпуска проб; 10 — дихроическое зеркало; 11 и 12 — линзы с фокусными расстояниями f₁ и f₂ соответственно; 13 — фотоннокристаллический световод; 14 — сечение фотонно-кристаллического световода; 15 — спектрометр; 16 — лазер

Сигнал рамановского рассеяния газов измеряется спектрометром при смещении точки фокусировки накачивающего излучения с торца световода на открытое пространство. Для обновления полого фотонно-кристаллического световода газом собирается газовая обвязка (рис. 1) из элементов, соединённых между собой тефлоновым трубопроводом. Для обновления газового состава в обвязке использовался многократный продув системы. Измерения проводились при номинальных давлениях на манометре 0,5–3,0 кг/см2.

Простейшая модель анализатора изображена на рис. 2 [24]. Проба подаётся в газовую кювету, сквозь которую проходит лазерное излучение. Внутри кюветы в области взаимодействия лазерного луча и газа возникает КР света, которое собирается системой линз и направляется на вход спектрометра. Зарегистрированные спектры передаются в блок управления для их обработки и измерения концентраций веществ.

Рис. 2. Модель рамановского газоанализатора [24]: 1 — блок питания и управления; 2 — лазер; 3 — газовая кювета; 4 — оптическая система; 5 — спектрометр

При оснащении таких устройств оптоволоконными зондами они могут работать без кюветы и проводить в режиме реального времени удалённый анализ, включая анализ микропримесей не только в газах, но и в воде, и твёрдых веществах.

Практическое применение рамановской спектроскопии для анализа веществ было ограничено из-за низкого уровня сигнала рамановского рассеяния. В последнее время активно совершенствуются различные методы для увеличения чувствительности рамановских газоанализаторов. Наиболее практичным в использовании считается рамановский детектор с усилением чувствительности за счёт наращивания длины формирования сигнала рассеяния. Эффективная геометрия рассеяния света на газе может быть реализована в полом световоде, заполненном газом, по которому распространяется накачивающее лазерное излучение. Для появившихся недавно полых фотонно-кристаллических световодов она может достигать 50–100 м, что может служить многообещающим увеличением сигнала относительно однопроходной конфигурации измерения в открытой кювете.

Экспериментально полученный коэффициент усиления сигнала рамановского рассеяния в ~200 раз возрастает за счёт эффективно увеличенной полезной длины рассеяния света в газовой среде при её начальной величине 70 мкм (при длине полого световода 2 м) [26].

Если первоначально для волоконноусиленного детектора газов предельная концентрация детектирования простейших углеводородов составляла 300 ppm , то увеличение мощности лазера и выигрыш в шумовых характеристиках детектора позволяют достичь предела менее 1 ppm . В тех газовых смесях, где допустимо измерение с повышенным давлением, чувствительность метода по примесным газам может дойти до уровня 100 ppb — на уровне ПДК большинства газов. Продолжительность одного измерения может составлять менее 1 с. Помимо этого, ввиду предельно малой деградации метрологических характеристик, такие приборы не требуют частой калибровки, что качественно выделяет их на фоне аналогов [26].

Российская компания ООО «Спектр-М» начала производить портативные рамановские экспресс-анализаторы «ИнСпектр» (результат измерения через 2–3 с) для измерения спектров рамановского рассеяния жидкостей, твёрдых тел, порошков, гелей (в т. ч. бытовой химии, лекарств, драгоценных камней и нефтепродуктов) с измерением до отдельных молекул. Ниже приведены характеристики двух приборов этой компании [27, 28].

EnSpectr R532 (рис. 3) — многофункциональный спектрометр R532 — универсальный выбор для целого ряда применений — от распознавания минералов до таможенной инспекции. Широкий спектральный диапазон (90…6 000 cм^–1) вместе с высоким разрешением (5…8 cм^–1) позволяет получать спектры многих веществ.

Рис. 3. Многофункциональный спектрометр R532 [27]

Спектрометр «РаПорт» (рис. 4) незаменим при необходимости проведения экспресс-тестов в полевых условиях. Это уникальный портативный спектрометр, способный выполнять количественный анализ вещества в водном растворе даже в минимальной концентрации, благодаря сравнению интенсивностей спектральных линий самого вещества и воды. С его помощью может проводиться быстрый неразрушающий анализ фармвеществ через пластиковые блистеры, количественный анализ активных веществ растворов в минимальных концентрациях через стеклянные ампулы, а также анализ твёрдых пород в полевых условиях. За счёт беспроводной передачи данных прибор совместим со смартфонами, планшетами или ПК на ОС Windows/Android . Вес прибора менее 2 кг, продолжительность работы от аккумулятора до 8 ч.

Рамановские анализаторы превосходят другие приборы по нижней величине диапазона, быстродействию, простоте эксплуатации, массовым и объёмным характеристикам и имеют высокую точность измерений.

Рис. 4. Портативный спектрометр «РаПорт» [28]

В космическом жизнеобеспечении они могут применяться как для анализа основных и аварийных газов (включая азот, измеряемый только масс-спектрометрами), так и для анализа всех остальных микропримесей. Их характеристики позволяют измерять начальные миллионные доли веществ, выделяющихся при пожаре, например 3 ppm по углекислому газу (соответствует парциальному давлению ~0,017 мм рт. ст.). Предельно малая деградация характеристик приборов не требует их частых калибровок.

Анализаторы этого типа рекомендуется отработать при космических требованиях устойчивости к радиации и перегрузкам в земных и космических условиях. При положительных результатах их целесообразно будет использовать как на станциях на земной орбите, так и в дальних космических полётах для анализа основных и аварийных газов и вредных примесей в атмосфере, воде, а также в твёрдых телах (например, для анализа качества пищевых продуктов и фармвеществ).

Выводы

Контроль окружающей среды внутри космического аппарата необходим для обеспечения безопасности экипажа.

Вначале для краткосрочных полётов транспортных космических кораблей газоанализаторами измерялось только содержание основных газов (кислород, углекислый газ, водяной пар), вода обеззараживалась без анализа её состава.

На отечественных станциях автоматическими газоанализаторами изме- рялись основные газы — кислород, углекислый газ и водяной пар, а также водород и окись углерода. На станциях «Салют» и «Мир» для анализа вредных микропримесей проводился отбор проб воздуха и воды с их последующим затем возвращением на Землю для проведения анализа. На РС МКС, кроме отбора проб и наземного анализа, был введён также бортовой анализ микропримесей для разового измерения с помощью индикаторных трубок и прибора непрерывного измерения аварийных примесей (работал до 2016 г.).

На АС МКС был установлен масс-спектрометр для анализа основных газов, а также метана и водорода. Кроме этого, углекислый газ измеряется переносным датчиком, а часть аварийных газов контролируются посредством переносного анализатора. Остальные вредные микропримеси в воздухе и воде контролируются в основном за счёт наземного анализа взятых на борту проб.

Для РС МКС ведётся разработка анализатора основных и аварийных газов «ГА атмосферы», который для измерения концентрации кислорода использует люминесцентный метод, для водорода и метана — термокаталитический, для водяного пара — сорбционный, для остальных газов — инфракрасный спектрометрический. Изготовление и поставка лётного образца этого газоанализатора ожидается в ближайшее время.

Для измерения вредных микропримесей в качестве научного эксперимента разрабатывается прибор «Газо-анализатор-ФС» — Фурье-спектрометр. Как показала практика ESA , Фурье-спектрометр требует значительно большего времени на лётную отработку.

Бортовые анализаторы качества воды находятся в стадии наземных исследований.

NASA для дальних полётов отработало ряд новых демонстрационных (экспериментальных) анализаторов на борту АС МКС. По результатам их отработки на МКС были разработаны и отрабатываются:

• •    анализатор основных и аварийных газов AGA — спектрометр лазерный диодный (должен быть доставлен на АС МКС в ближайшее время);

• •    анализатор основных газов и вредных примесей S.A.M. , усовершенствованный хромато-масс-спектрометр, который заменит хромато-масс-спектрометр AQM ( S.A.M. в три раза меньше по массе и габаритам).

• •    анализатор основных газов (измеряет CO₂, O₂, H₂O и давление в кабине) LAM — спектрометр лазерный диодный для корабля Orion .

ESA разработало и отработало на борту АС МКС анализатор вредных примесей ANITA-2 — инфракрасный Фурье-спектрометр вредных примесей (работает на АС МКС в настоящее время).

Для анализа качества воды NASA разрабатываются бортовые приборы miniTOCA (анализ концентрации органического углерода); анализатор SWIM , состоящий из блока контроля органических примесей воды OWM и блока контроля неорганических примесей.

Проводимая NASA отработка газоаналитической аппаратуры на борту АС МКС показывает, что компактные хромато-масс-спектрометры целесообразно применять для измерения вредных микропримесей и основных газов, а высокочувствительные лазерные диодные анализаторы, обладающие малыми погрешностями, — для основных и аварийных газов. Кроме этого планируется применение инфракрасного Фурье-спектрометра ESA для измерения вредных примесей в атмосфере на перспективных космических объектах.

Уход с земной орбиты в дальние полёты без измерения вредных микропримесей в воздухе и воде небезопасен, а их штатные измерения в настоящее время не обладают достаточной точностью и оперативностью.

Из зарубежных публикаций следует, что задача отработки для дальних полётов контроля воздуха и воды и контроля работы СЖО на АС МКС является для NASA приоритетной и финансируется по всем перспективным направлениям исследований.

Следует отметить, что научные эксперименты на борту РС МКС имеют ограниченное время, тогда как экспериментальные (у NASA — демонстрационные) системы и приборы не имеют этого ограничения, что позволяет проводить их отработку непрерывно в течение нескольких месяцев. Именно так NASA непрерывно проводит отработку демонстрационных систем и анализаторов воздуха и воды на АС МКС. Аналогично ряд систем СЖО на станциях «Салют» и «Мир» первоначально отрабатывались как экспериментальные.

Рамановские анализаторы по представленным данным превосходят другие приборы по быстродействию, простоте эксплуатации, массовым и объёмным характеристикам и обладают высокой точностью измерений. Они могут применяться как для анализа основных и аварийных газов, так и для анализа микропримесей в газах, воде и твёрдых веществах. Их характеристики дают возможность измерять начальные концентрации выделяющихся при пожаре веществ. Наземные приборы рамановской спектроскопии начали производиться на отечественном предприятии ООО «Спектр-М».

Анализаторы этого типа рекомендуется отработать при космических требованиях устойчивости к радиации и перегрузкам в земных и космических условиях. При положительных результатах их целесообразно будет использовать как на станциях на земной орбите, так и в дальних космических полётах.

Поскольку космические организации США и Европы вложили большие средства в бортовые хромато-масс-спектрометры и лазерные диодные анализаторы, они, вероятно, не смогут быстро перейти на рамановскую спектрометрию в случае доказательства её преимуществ. У отечественного космического жизнеобеспечения такая возможность существует.

В настоящее время на РС и АС МКС установлены газоанализаторы основных газов — по одному в основном гермомодуле каждого сегмента. В АС МКС, кроме этого, из гермомодулей к этому газоанализатору по трубопроводам подводится воздух для измерения (что увеличивает ошибки измерений).

При современной быстрой миниатюризации анализаторов целесообразно устанавливать датчики этих анализаторов, а также анализаторов вредных микропримесей, в каждом гермомодуле станции, передавая их данные в основной прибор для обработки и выдачи результатов.