О классификации регенерационных систем жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов по уровням сложности

По мере развития пилотируемой космонавтики всё большую актуальность приобретает задача разработки перспективных систем пилотируемого космического аппарата (ПКА), основанных на процессах регенерации продуктов жизнедеятельности экипажа [1].

Одной из задач при создании составных частей (СЧ) регенерационных систем жизнеобеспечения (РСЖО) на этапе эскизного проекта является анализ технико-экономического обоснования (ТЭО) в части затрат на разработку, изготовление и испытания создаваемой СЧ, а также соответствующих сроков. На практике стоимость работ в принятых материалах ТЭО часто отличается от итоговой стоимости проекта, что приводит к увеличению финансирования и сроков выполнения работ. Это связано с тем, что каждая СЧ является сложной уникальной разработкой, требует создания специального испытательного оборудования, новых технологических процессов, трудоёмкого изготовления и большого количества специальных испытаний, которые на начальном этапе определяются, в основном, методом экспертной оценки. При этом адекватно оценивать представляемые материалы по срокам и стоимости работ достаточно сложно, поскольку данный процесс недостаточно формализован, отсутствует методика качественного анализа, каждая составная часть РСЖО рассматривается и оценивается обособленно, без привязки к какому-либо уровню сложности с соответствующим ему набором формальных характеристик. При анализе свойств РСЖО необходимо учитывать, что СЧ РСЖО, предназначенные для выполнения схожих функций, могут быть основаны на различных принципах, иметь разные длительность разработки, изготовления и стоимость, следовательно, они должны характеризоваться разной степенью сложности. Для того, чтобы сформировать критерии сложности СЧ РСЖО, необходимо рассмотреть некоторые определения сложности систем.

Сложными техническими системами называют системы, поведение которых трудно моделировать из-за сложных зависимостей между их частями или из-за сложных взаимодействий между данной системой и окружающей средой [2–4]. Такие системы имеют специфические свойства, такие как нелинейность, гетерогенность, частичная стохастичность, неопределённость, петли обратной связи (циклы) и др. [4, 5]. Существуют различные типы сложности систем: структурная, динамическая, информационная, информационнологическая, конструктивная, вычислительная, развития и т. д. При формализации сложной системы требуется разработать критерии выбора уровня детализации. Формализация сложных технических систем необходима для математического описания, прогнозирования эффективности работы и отказов, а также обеспечения надёжности и качества. При анализе сложных систем можно выделить их общие и специальные характеристики. Общие характеристики являются специальной темой исследований, которая связана с системным анализом и теорией систем. Специальные характеристики служат основой для изучения систем применительно к предметной области или специфическому взаимодействию системы и среды [4].

РСЖО ПКА представляют собой сложные, многокритериальные технические системы, принцип функционирования которых основан на регенерации продуктов жизнедеятельности человека в замкнутых герметичных отсеках. Отличительной особенностью РСЖО является наличие в их составе устройств, реализующих сложные физико-химические процессы [6].

Для формализации, анализа специальных характеристик и адекватного прогнозирования сроков и стоимости создания РСЖО возникает необходимость разработки системы классификации их по уровням сложности.

критерии сложности рСжо

Все СЧ РСЖО можно разделить на два типа по принципу функционирования:

• 1)    основан на физико-механических процессах;

• 2)    основан на физико-химических процессах.

СЧ РСЖО, принципы функционирования которых основаны на физикомеханических процессах, предназначаются для решения локальных задач регулирования давления, измерения давления, скорости газовых потоков и т. д. Обычно их конструкция выполняется в виде отдельных блоков, не объединённых в гидравлически связанную систему. При необходимости их включение/выключение обеспечивается бортовой системой управления, а контроль параметров — системой контроля телеметрической информации. Данный тип СЧ РСЖО поддаётся формализации, математическому моделированию и прогнозированию, следовательно, может рассматриваться в качестве начальной ступени в классификации сложности.

Составные части РСЖО, принципы функционирования которых основаны на физико-химических процессах, представляют больший интерес, поскольку являются основополагающими для замкнутого по основным элементам цикла РСЖО, при этом их формальное описание, математическое моделирование и прогнозирование затруднительны. Физико-химические процессы строятся на двух типах химических реакций — простых и сложных — и реализуются в гомогенных или гетерогенных средах. Простые химические реакции протекают в одну стадию, преимущественно в гомогенных средах, в них участвуют только вещества, входящие в уравнение реакции. Сложные химические реакции протекают в несколько стадий: последовательно, параллельно либо сопряжённо (последовательнопараллельно), при этом в них может использоваться катализатор, они могут быть обратимыми и т. д. СЧ РСЖО могут состоять как из одного, так и из нескольких агрегатов, в которых протекают простые или сложные химические реакции. Таким образом, в качестве критериев сложности СЧ РСЖО можно выделить принадлежность к той или иной химической реакции, а также количество элементов в конструкции. Сложные физикохимические процессы СЧ РСЖО зачастую протекают в гетерогенных средах, в нескольких агрегатах, связанных в гидравлически замкнутую систему, сопровождаются пожаровзрывоопасными реакциями, требуют организации вакуумной десорбции, нагрева, сложного алгоритма управления, при этом имеют в составе частично или полностью реализованную систему управления. Кроме этого, дополнительное влияние на течение некоторых физико-механических и физико-химических процессов оказывает невесомость, особенно при разделении газожидкостных потоков, испарении, конденсации (при регенерации воды, электролизе воды с использованием жидкого электролита, разделении газа и воды в реакции Сабатье и т. д.). Следовательно, эти особенности также необходимо учитывать при разработке критериев сложности СЧ РСЖО.

С учётом вышесказанного в табл. 1 приведены уровни сложности СЧ РСЖО и соответствующие им критерии.

классификация Сч рСжо по уровням сложности

Рассмотрим основные СЧ РСЖО (табл. 2) для разделения их по уровням сложности на примере разработанных агрегатов и систем из состава средств обеспечения газового состава (СОГС) с учётом их функционального назначения [7].

Проведём анализ классификации основных приборов, агрегатов и систем СОГС по уровням сложности.

Запорная арматура (клапаны, предохранители, редукторы), вентиляторы, приборы контроля давления и расхода конструкционно выполняются в виде отдельных блоков, работа которых не связана с химическими реакциями. Они не требуют вакуумирования, не являются источниками пожаровзрывоопасных процессов, а также не имеют собственной системы управления. Кроме этого, данные агрегаты достаточно формализованы как в части математического моделирования, так и в оценке стоимости и сроков разработки конструкторской документации, а также изготовления. Поэтому данную категорию СЧ СОГС предлагается относить к первому уровню сложности.

Таблица 1

критерии сложности составных частей рСжо

Уровень сложности	Критерии сложности
1	1.    Один или более агрегатов 2.    Механические, физико-механические процессы
2	1.    Один агрегат 2.    Физико-механический процесс, на течение которого влияет невесомость и (или) простой физико-химический процесс
3	1.    Один агрегат 2.    Сложный физико-химический процесс, на течение которого может влиять невесомость
	1.    Более одного агрегата 2.    Простой физико-химический процесс, на течение которого может влиять невесомость
4	1.    Более одного агрегата 2.    Сложный физико-химический процесс, на течение которого может влиять невесомость
5	1.    Один или более одного агрегата 2.    Сложный физико-химический процесс, на течение которого может влиять невесомость 3.    Требуется вакуумирование 4.    Реализована система управления
6	1.    Более одного агрегата 2.    Сложный физико-химический процесс, на течение которого может влиять невесомость 3.    Требуется вакуумирование 4.    Реализована система управления 5.    Наличие пожаровзрывоопасных процессов

Средства анализа газовой среды, обнаружения и тушения пожара имеют широкую номенклатуру, конструкционно выполняются в виде отдельных агрегатов, основанных на физико-механических принципах (реже на физикохимических), поэтому в соответствии с предложенной системой классификации могут относиться к первому и второму уровням сложности.

Таблица 2

функциональное назначение СогС

СЧ СОГС		Функциональное назначение
Приборы, агрегаты	Системы
Поглотительные патроны П-16, П-22	«Воздух», система переработки диоксида углерода	Удаление и переработка диоксида углерода из атмосферы ПКА
Регенератор РП-40, твердотопливные источники кислорода	«Электрон», «Янтарь»	Выработка и обеспечение кислородом (без учёта средств хранения кислорода) экипажа ПКА
Фильтр вредных примесей	Система удаления микропримесей	Очистка от вредных микропримесей атмосферы ПКА
Газоаналитическая аппаратура	—	Анализ газовой среды ПКА
Извещатели и датчики дыма, противогазы, огнетушители	—	Обнаружение и тушение пожара в ПКА
Агрегат «фильтр очистки атмосферы»	—	Очистка атмосферы после пожара в ПКА
Запорная арматура, вентиляторы, приборы контроля давления и расхода	—	Обеспечение пневмогидравлических связей, контроль давления, обеспечение расхода рабочего тела

Поглотитель П-16 предназначен для очистки атмосферы ПКА от диоксида углерода. П-16 конструкционно выполнен в виде монолитного агрегата «патрон», который наполнен литиевым поглотителем, предназначенным для поглощения диоксида углерода на основе следующей химической реакции: 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O. В соответствии с предложенными критериями классификации для П-16 выполняются следующие критерии: один агрегат, простой физико-химический процесс; следовательно, его можно отнести ко второму уровню сложности.

Регенератор РП-40 предназначен для очистки атмосферы ПКА от диоксида углерода, окиси углерода и обогащения её кислородом. РП-40 конструкционно выполнен в виде монолитного агрегата «патрон», имеющего в составе блоки регенеративного продукта и катализатор, предназначенные для поглощения диоксида углерода и выделения кислорода (а также поглощения оксида углерода на катализаторе) на основе следующих химических реакций: KO2 + H2O = 2KOH + 1,5O2; 2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O. В соответствии с предложенными критериями классификации для РП-40 выполняются следующие критерии: один агрегат, сложный физико-химический процесс (наличие катализатора); следовательно, его можно отнести к третьему уровню сложности.

Поглотитель П-22 предназначен для очистки атмосферы ПКА от диоксида углерода и вредных примесей. П-22 конструкционно выполнен в виде монолитного агрегата «патрон», имеющего в составе литиевый поглотитель, катализатор и наполнитель — купрамит. Литиевый поглотитель предназначен для поглощения диоксида углерода в соответствии с химической реакцией 2LiOH + CO₂ = Li₂CO₃ + H₂O. С помощью катализатора обеспечивается поглощение оксида углерода (СО). Купра-мит, в свою очередь, служит для поглощения вредных веществ, выделяемых при дыхании людей (альдегиды, аммиак, углеводороды, уксусная кислота). Таким образом, поглотитель П-22 аналогично РП-40 можно отнести к третьему уровню сложности.

Система очистки атмосферы «Воздух» предназначена для удаления диоксида углерода из замкнутого объёма модуля. Система состоит из трёх пневмогидравлически связанных блоков: блока предварительной осушки (БПО), блока очистки атмосферы (БОА), блока автоматики (БА). В БПО осуществляется сорбция паров воды из поступающего воздуха с последующей термодесорбцией в окружающую атмо- сферу. Сухой воздух из БПО посту- пает в БОА, где происходит реакция хемосорбции диоксида углерода с последующей вакуумной десорбцией. От несанкционированного подключения к вакууму помимо вакуумных клапанов система защищена двумя последовательно установленными аварийными вакуумными клапанами, которые закрываются как автоматически, так и вручную, и открываются вручную [9]. Автоматический контроль и управление системой обеспечиваются БА совместно с бортовой системой управления. Схема системы «Воздух» представлена на рис. 1.

В соответствии с предложенной системой классификации для системы «Воздух» выполняются следующие критерии: более одного агрегата, сложный физико-химический процесс, требуется вакуумирование, реализована система управления; следовательно, её можно отнести к пятому уровню сложности.

Система удаления микропримесей (СБМП) предназначена для удаления из газовой среды обитаемого объекта вредных газообразных примесей и поддержания их концентраций на уровне допустимых значений. СБМП представляет собой сорбционно-каталитическую систему с регенерацией угольных сорбентов и каталитическим фильтром удаления моноксида углерода и водорода при температуре обитаемой атмосферы [7]. СБМП конструкционно выполнена в виде пневматически замкнутой системы, состоящей из поглотительных патронов, запорно-регулирующей арматуры, побудителя расхода, регистрирующих устройств и блока электрической коммутации. Схема СБМП представлена на рис. 2. В процессе сорбции вредные примеси накапливаются в поглотительных патронах (одновременно обеспечивается окисление углерода и водорода в катализаторе), после чего подвергаются термовакуумной десорбции при температуре ~190 °С. Таким образом, в соответствии с предложенной системой классификации для СБМП выполняются следующие критерии: гидравлически замкнутая система, имеющая более одного агрегата; сложный физико-химический процесс; требуется вакуумирование; частично реализована система управления; имеется пожаровзрывоопасный процесс; следовательно, её можно отнести к шестому уровню сложности.

Рис. 1. Схема системы очистки атмосферы «Воздух»: АВК1–АВК3, АВК–СОА — аварийные вакуумные клапаны; БВК1–БВК3 — блоки вакуумных клапанов; БОА — блок очистки атмосферы; БПО — блок предварительной осушки; В — микронагнетатель; ВН — вакуумный насос; ГЖТА — газожидкостый теплообменный агрегат; КП — клапан предохранительный; ОС1, ОС2 — осушительные патроны; ПКО — перекидной клапан; ПП1–ПП3 — поглотительные патроны; СТР — система терморегулирования; Ф1, Ф2 — фильтры механические; ЭН1, ЭН2 — электронагреватели

Микрокопрессор

[ Е [

Блок вакуумных клапанов

Датчик расхода воздуха

Аварийный вакуумный клапан

Фильтр предварительной очистки

каталитический форсированный термокаталитический

Патрон каталитический форсированный

Аварийный вакуумный клапан

Аварийный вакуумный клапан

Блок вакуумных клапанов

Защитный патрон

Рис. 2. Схема системы удаления микропримесей

С | С I [ "

Рис. 3. Схема системы переработки диоксида углерода (СПДУ): БГДУ — блок гидрирования диоксида углерода; БКДУ — блок концентрирования диоксида углерода; ПУ — пульт управления; СВО — средства водообеспечения; СГК — средства газового контроля; СТР — система терморегулирования; СЭС — система электроснабжения

Система переработки диоксида углерода (СПДУ) предназначена для удаления из газовой среды обитаемого модуля диоксида углерода, его концентрирования до 99% и последующей переработки до газообразных веществ: метана и паров воды [8]. СПДУ включает в себя два функциональных блока: блок удаления и концентрирования диоксида углерода (БКДУ) и блок гидрирования диоксида углерода (БГДУ).

Концентрирование диоксида углерода в БКДУ достигается путём хемосорбции диоксида углерода из воздуха объекта на регенерируемом поглотителе (РПДУ) с последующей десорбцией диоксида углерода при обработке РПДУ паром. В основе БГДУ лежит реакция Сабатье: СО2 + 4Н2 СН4 + 2Н2О. В присутствии катализатора реакция протекает при температурах =310 ° С в автотермическом режиме с выделением 181 кДж/моль теплоты. Полученная в результате реакции вода используется для последующей переработки, а метан удаляется в забортный вакуум. Схема СПДУ представлена на рис. 3.

Рассматриваемая система характеризуется сложными взаимосвязями между входящими в неё блоками с различными по времени режимами функционирования (непрерывным для БГДУ; циклическим для БКДУ) и сложным взаимодействием при функционировании как между отдельными блоками системы, так и с системами генерации кислорода и водообеспечения и звеньями внешней среды, такими как система электропитания, система обеспечения теплового режима, «экипаж», «искусственная газовая атмосфера обитаемого модуля» [8]. Для частичного управления СПДУ используется встроенная система управления, реализующая сложный алгоритм. В соответствии с предложенной системой классификации для СПДУ выполняются следующие критерии: гидравлически замкнутая система, имеющая более одного агрегата; сложный физико-химический процесс, на течение которого влияет невесомость; требуется вакуумирование; реализована система управления; имеются пожаровзрывоопасные процессы; следовательно, её можно отнести к шестому уровню сложности.

Система кислородообеспечения «Электрон» предназначена для выработки кислорода в процессе электролиза воды со щелочным электролитом (25% по массе — раствор KОН) в проточном электролизёре [10] с последующим разделением газожидкостной смеси в статических разделителях и каталитической очисткой производимого кислорода.

Система кислородообеспечения «Электрон» состоит из функциональных аппаратов и блоков, объединённых в гидравлически замкнутую систему. Её схема представлена на рис. 4.

Принцип работы системы следующий: перерабатываемая вода проходит через блок колонок очистки для очищения от растворённых в ней примесей и дробления воздушных пузырей, а затем подаётся в блок жидкостный, где она разлагается путём электролиза на кислород и водород. Образующиеся газы проходят очистку в аэрозольных фильтрах, после чего кислород поступает в систему вентиляции для дыхания, а водород сбрасывается в забортный вакуум. Общие управление и контроль работы системы «Электрон» осуществляются с помощью бортовой системы управления. Также в составе системы есть блок согласования сигналов и команд, обеспечивающий контроль и частичное управление агрегатами системы.

В соответствии с предложенной классификацией для системы «Электрон» выполняются следующие критерии: более одного агрегата; сложный физикохимический процесс, на течение которого влияет невесомость; требуется вакуумирование; частично реализована система управления; имеются пожаровзрывоопасные процессы; следовательно, её можно отнести к шестому уровню сложности.

Результаты проведённого анализа классификации основных СЧ СОГС по уровням сложности представлены в табл. 3.

Рис. 4. Схема системы кислородообеспечения «Электрон»

классификация основных составных частей СогС по уровням сложности

Таблица 3

Конструктивные особенности Наименование Критерии сложности Уровень сложности Приборы, устройства Вентиляторы, трубопроводы, запорная арматура, приборы контроля давления и расхода Механические, физико-механические принципы работы 1 Средства анализа газовой среды, обнаружения и тушения пожара Механические, физико-механические принципы работы 1 Извещатель дыма электроиндукционный ИДЭ-4 Один агрегат, простой физико-химический процесс 2 Поглотительные патроны, фильтры, агрегаты Поглотитель П-16, фильтр-осушитель ФОС Один агрегат, простой физико-химический процесс 2 Патрон очистки воздуха П-22, регенератор РП-40, фильтр вредных примесей Один агрегат, сложный физико-химический процесс (наличие катализатора) 3 Агрегат «фильтр очистки атмосферы» Более одного агрегата, сложный физико-химический процесс 4 Системы Система очистки атмосферы «Воздух» Более одного агрегата, сложный физико-химический процесс, требуется вакуумирование, реализована система управления 5 Система удаления микропримесей, система кислородообеспечения «Янтарь» Более одного агрегата, сложный физико-химический процесс, требуется вакуумирование, реализована система управления, наличие пожаровзрывоопасных процессов 6 Система переработки диоксида углерода, система кислородообеспечения «Электрон» Более одного агрегата, сложный физико-химический процесс, на течение которого влияет невесомость, реализована система управления, наличие пожаровзрывоопасных процессов, требуется вакуумирование 6 выводы

В результате анализа СЧ РСЖО как сложных технических систем разработана система классификации, имеющая шесть уровней сложности, а также выработаны критерии классификации данных систем. На примере средств обеспечения газового состава проведена классификация по уровням сложности основных эксплуатируемых и разработанных агрегатов и систем СОГС.

Предложенный подход к классификации СЧ РСЖО позволит разработать типовые методики оценки ТЭО проекта на начальном этапе проектирования для каждого класса систем и агрегатов в зависимости от уровня сложности, котороые обеспечат следующие возможности:

• 1.    На стадии предпроектной работы, перед согласованием технических заданий на разработку новых СЧ РСЖО, проводить предварительную оценку сроков и стоимости их разработки и изготовления.

• 2.    На этапе проектирования интенсифицировать выпуск материалов техникоэкономического обоснования разработки СЧ СЖО.

• 3.    На этапе разработки рабочей конструкторской документации сократить сроки, а, соответственно, и стоимость выпуска программ и методик.

• 4.    На стадии разработки технологической документации проводить оценку технологических процессов изготовления.

Таким образом, разработанная система классификации является начальным этапом формализации ключевых показателей РСЖО.