Система электролизного получения кислорода "Электрон-ВМ" на борту Международной космической станции: прошлое, настоящее и будущее

Для долговременных космических станций кислород для дыхания экипажа оптимально получать путём электролиза воды, так как использование запасов кислорода ведёт к очень большой массе доставляемого оборудования, а технология получения кислорода непосредственно из СО₂, несмотря на многолетние разработки, до настоящего времени не вышла из стадии лабораторных исследований. По ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования» [1] на одного человека требуется кислорода 600 л/сут ± 10% (объёмные расходы и объёмы в статье даны для нормальных условий: 0 ° С и 760 мм рт. ст.).

В 1967–1968 гг. в Институте медикобиологических проблем (ИМБП) АН СССР испытан наземный лабораторный комплекс систем жизнеобеспечения человека, в котором длительное время для дыхания использовался кислород, полученный электролизом воды. Все основные технологические аппараты комплекса были разработаны НИИхиммаш.

На борту космической станции кислород для дыхания экипажа путём электролиза воды впервые в мире получен на станции «Мир» с помощью системы «Электрон-В», работавшей в модуле «Квант» (37КЭ) в период с 13 мая 1987 г. по 14 июня 2000 г., и второй системы «Электрон-В», работавшей в модуле «Квант-2» (77КСД) в период с 15 декабря 1989 г. по 17 апреля 2000 г.

Система «Электрон-В», разработанная НИИхиммаш и изготовленная на Щёлковском опытном заводе, состояла из блока жидкостного (БЖ), блока датчиков давления (БДД), блока управления (БУ) и комплекта электрических кабелей (все блоки могли заменяться по отдельности), и осуществляла процесс электролиза воды на О2 и Н2 из щелочного электролита (раствора КОН). БЖ — основной блок, в нём реализованы все технологические процессы, его назначенный ресурс — 240 сут наработки. БДД поддерживал и контролировал давление и его перепад в кислородной и водородной линиях БЖ. БУ — электрический блок для управления и контроля БЖ и БДД и телеметрической связи с бортом. Алгоритм управления задан электрической схемой БУ и не мог быть изменён. Система «Электрон-В» имела два режима по производительности кислорода: 62,5 и 80 л/ч — при токе питания электролизёра 25 и 32 А, и дополнительно производила водород — 125 и 160 л/ч соответственно.

Результат работы двух систем «Электрон-В» за период существования станции «Мир»:

• •    наработано 2 121 сут (1 489 сут — модуль «Квант» и 632 сут — «Квант-2»);

• •    произведено 5 250 кг (3 675 м³) кислорода — для дыхания на 6 125 чел.-сут;

• •    было использовано: БЖ — 8 шт., БДД — 4 шт., БУ — 6 шт.;

• •    среднее энергопотребление электролизёра на 1 л кислорода 10,5 ± 0,1 Вт ∙ ч и 8,8 ± 0,2 Вт ∙ ч (три последних БЖ — с каталитическим покрытием электродов).

В конце эксплуатации станции «Мир» (на 15 июня 2000 г. — дату отлёта последнего экипажа) обе системы «Элект-рон-В» (в модулях «Квант» и «Квант-2») были работоспособными.

В процессе эксплуатации шла постоянная модернизация блоков системы «Электрон-В». При этом было разработано каталитическое покрытие для электродов, которое снизило напряжение на электролизёре (12 электролизных ячеек) с 26,0–26,5 до 21,5–22,5 В.

Система «Электрон-ВМ»

По результатам эксплуатации системы «Электрон-В» на станции «Мир» и опыту наземных исследований, для Международной космической станции (МКС) НИИхиммаш создал систему следующего поколения — систему генерации кислорода (СГК) «Элект-рон-ВМ» [2].

Основные внесённые в систему изменения:

• •    модернизированы технологическая схема БЖ и его конструкция в целом;

• •    БДД системы «Электрон-В» ликвидирован — заменён на созданный новый блок регулирования давления (БРД) в составе БЖ;

• •    ряд основных технологических аппаратов БЖ (электролизёр, разделители газожидкостной смеси в кислородной и водородной линиях, фильтры

аэрозольные) перепроектированы на новой основе, а в конструкцию большинства других аппаратов (буферной ёмкости, циркуляционных насосов, блока дожигания, газового и жидкостного блоков дросселей, блока холодильников и др.) внесены существенные изменения;

• •    разработаны и введены в состав БЖ рекуперативные теплообменники;

• •    в электролизёре использовано новое каталитическое покрытие для анодов, что снизило энергопотребление;

• •    максимальная производительность по кислороду увеличена в два раза, стала возможной плавная регулировка производительности между максимальной и минимальной;

• •    принципиально изменён подход к управлению системой: БУ системы «Электрон-В» ликвидирован, управление и контроль осуществляет бортовая вычислительная система (БВС), введён электронный блок согласования сигналов и команд (БССК) — всё это позволяет регулировать производительность по кислороду и, при необходимости, изменять алгоритм управления (меняя программу в БВС).

На МКС работают две СГК «Элект-рон-ВМ» (рис. 1, 2) — в служебном модуле (СМ) «Звезда» с 9 ноября 2000 г. и в многоцелевом лабораторном модуле (МЛМ) «Наука» с 22 июня 2022 г. Взаимосвязи системы «Электрон-ВМ» на борту МКС показаны на рис. 3.

В состав системы «Электрон-ВМ» входят:

• •    БЖ — технологический блок, в котором реализуются все технологические процессы (рис. 4, 5). Масса блока — 160 кг, назначенный ресурс — 365 сут наработки, срок эксплуатации с момента изготовления — семь лет, количество включений / отключений — 200 раз;

• •    БССК — электронный посредник между БЖ и БВС. Масса блока — 3 кг, назначенный ресурс — 365 сут наработки (в последних изделиях — 9 900 ч, т. е. 412,5 сут);

• •    комплект соединительных электрических кабелей (КСК) между БЖ и БССК. Масса комплекта кабелей — 1 кг, назначенный ресурс — три года наработки.

  

  Рис. 1. Система «Электрон-ВМ» в модуле МЛМ на МКС (справа — нижняя часть): 1 — блок жидкостный (БЖ); 2 — блок дожигания в составе БЖ; 3 — внешние аэрозольные фильтры в кислородной и водородной линиях; 4 — блок согласования сигналов и команд; 5 — внешние газоанализаторы системы обеспечения газового состава (СОГС); 6 — блок продувки азотом; 7 — источник питания постоянного тока СТ-64 для электролизёра; 8 — электромагнитные клапаны СОГС; Н₂ — выход водорода; О₂ — выход кислорода; Н₂О — вход воды; СТР — подключение теплоносителя системы терморегулирования (фотографии из архива Центра управления полётами)

  
  
  

  Рис. 2. Андрей Борисенко и Александр Самокутяев с БЖ № 09 на МКС 13 мая 2011 г. (фотография из архива Центра управления полётами)

  
  
25 ...160 л/ч10... 64 А вода по ~0,1 л азот в капсулу

БЖ системы «Электрон-ВМ» (рис. 4) вырабатывает кислород в процессе электролиза воды со щелочным электролитом (25% по массе — раствор КОН) в проточном электролизёре, с подачей электролита в катодную и анодную камеры электролизёра и с последующим разделением газожидкостной смеси (ГЖС) в статических разделителях. Перепад давления в разделителях и равенство давлений в кислородной и водородной линиях поддерживается БРД. Циркуляция электролита в контуре обеспечивается одним из двух (основным или резервным) насосов шестерёнчатого типа с расходом ~22 л/ч. После отделения от жидкости электролизные газы подогреваются в рекуперативных теплообменниках за счёт теплообмена с выходящими из электролизёра тёплыми потоками ГЖС (чтобы предотвратить возможную конденсацию паров воды), очищаются от аэрозоля электролита во внутренних аэрозольных фильтрах, проходят БРД, где их

эл.ток эл.ток

100л/ч

О2 в отсек

« Электрон -

Воздух из негерметичной части капсулы

Н2 за борт

50 ...320 л/ч

ВМ»

эл.сигналы, эл.питание

Аппаратура СОГС

Газоана лизатор

Газоанализатор

Газоанализатор

СТ-64 электрическое питание электролизёра

Внешний фильтр аэрозольный

Внешний фильтр аэрозольный

Внешняя СТР (2 контура)

Ёмкость для воды, 20-22 л

Блок продувки азотом

Электрическое питание 28 В

Блок колонок очистки эл.сигналы

БВС - бортовое управление

Телеметрия (данные)

Рис. 3. Взаимосвязи системы «Электрон-ВМ» на борту МКС: СТР — система терморегулирования; т/н — теплоноситель; БЖ — блок жидкостный; БД — блок дожигания; БССК — блок согласования сигналов и команд; БВС — бортовая вычислительная система; СОГС — система обеспечения газового состава (рисунок создан автором)

давление снижается до атмосферного, выходят из БЖ, проходят внешние аэрозольные фильтры и газоанализаторы системы обеспечения газового состава (СОГС) — контроль содержания примеси Н2 в потоке О2 и примеси О2 в потоке Н2 (рис. 3).

Далее кислород проходит каталитическую очистку (поглощение и окисление примесей) в блоке дожигания (который входит в состав БЖ и расположен на его внешней поверхности) и подаётся в отсек.

Производительность системы «Электрон-ВМ» — 25…160 л/ч кислорода (для дыхания до шести человек включительно) обеспечивается в течение всего периода работы СГК, в т. ч. и при работе БЖ за пределами назначенного ресурса.

Рис. 4. Схема жидкостного блока системы «Электрон-ВМ» (упрощённая): БД — блок дожигания; БЕ — буферная ёмкость; БРД — блок регулирования давления; БХ — блок холодильников; ВН — вентиль ручной; ГК — герметичная капсула (под давлением); КЭ — клапан электромагнитный; Н – насос (основной и резервный); Р — разделитель статический (кислородный и водородный); РТ — рекуперативный теплообменник; ФА — фильтр аэрозольный; Э — электролизёр; — поток жидкости;         — поток газа;         — поток газожидкостной смеси; Н2 — выход водорода; О2 — выход кислорода; N2 — наддув азотом ГК, продувка из ГК кислородной и водородной линий, обжатие БЕ; Вода — подача воды на электролиз; Теплоноситель — теплоноситель из внешней системы терморегулирования [2]

Рис. 5. Компоновка жидкостного блока (БЖ) системы «Электрон-ВМ» (капсула снята): 0 — рекуперативный теплообменник (один из двух), совмещённый с силовой рамой БЖ — в БЖ № 01–12 и 14; 1 — блок холодильников; 2 — электролизёр; 3 — два разделителя газожидкостной смеси (в кислородной и водородной линиях); 4 — буферная ёмкость (между герметичной и негерметичной частями капсулы); 5 — циркуляционный насос (один из двух); 6 — фильтр аэрозольный внутренний (один из двух) с контролем проскока жидкости; 7 — электрический кабель; 8 — два датчика второй ступени контроля проскока жидкости (в кислородной и водородной линиях) — в БЖ № 15 и 16; 9 — блок регулирования давления; О₂ — выход кислорода; Н₂ — выход водорода; Н₂О — вход воды (рисунок создан автором)

Дополнительно вырабатывается от 50 до 320 л/ч водорода, который сбрасывается за борт, а в перспективе будет перерабатываться по реакции Сабатье с концентрированным углекислым газом из системы очистки атмосферы от СО₂ для получения воды: 4Н₂ + СО₂ → 2Н₂О + СН₄.

По мере разложения воды происходит подпитка БЖ из подсоединённой ёмкости с водой (20–22 л воды). Вода подаётся в буферную ёмкость порциями по 60–100 мл путём самовсасывания с общим расходом до 0,27 л/ч. Перед подачей в БЖ вода проходит через штатный блок колонок очистки (БКО) для удаления содержащихся микропримесей. Вода для подпитки БЖ имеет (после БКО) удельную электропроводность не более 180 мкСм/см и допускает содержание до 100 тысяч микробных тел на миллилитр.

Для отвода выделяющегося при электролизе тепла БЖ подключён к внешней системе терморегулирования (СТР) борта МКС, с расходом теплоносителя через блок холодильников (БХ) ~100 л/ч.

Электрическое питание электролизёра происходит от специального источника питания постоянного тока СТ-64 в составе бортовой системы электропитания. Ток питания электролизёра, в зависимости от производительности, от 10 до 64 А (плотность тока в электролизёре от 0,33 до 2,13 кА/м2). Электрическое питание исполнительных и управляющих элементов БЖ, датчиков и БССК происходит от бортовой розетки 28 В.

Для безопасности аппараты БЖ (см. рис. 2) помещены в капсулу, герметичная часть (ГК) которой при работе БЖ наддута азотом до избыточного давления 1,1–1,2 кгс/см2 (свободный объём ГК — 30 л). При стоянке БЖ более 12 ч азотом из ГК продуваются его технологические магистрали (продувка идёт до избыточного давления в ГК 0,65 кгс/см2). Для наддува ГК в БЖ на МКС используется специальный блок продувки азотом. Воздух из негерметичной части капсулы поступает на внешний газоанализатор СОГС для контроля содержания водорода (забор воздуха осуществляется средствами газоанализатора).

Внутри БЖ есть ряд аналоговых (непрерывное измерение) и дискретных (пороговых) датчиков параметров, и обеспечен контроль состояния исполнительных органов (насосов, клапанов, буферной ёмкости) и наличия воды для подпитки БЖ. Управление и контроль параметров СГК «Элект-рон-ВМ» осуществляется центральной БВС, через которую также идёт телеметрическая информация о параметрах. При сбое исполнительных органов БЖ или отклонении контролируемых параметров от допустимого диапазона БВС автоматически отключает СГК «Электрон-ВМ». При ряде нештатных ситуаций (НШС) БССК может брать на себя часть функций по управлению системой.

Техническое обслуживание СГК «Электрон-ВМ» при работе не требуется, а при длительной стоянке проводится только после шести месяцев непрерывной стоянки. При стоянке СГК электрическая энергия не потребляется.

Эксплуатация и модернизация системы «Электрон-ВМ» на МКС

БЖ, БССК и КСК в составе СГК «Электрон-ВМ» могут заменяться по отдельности. На борту МКС их замена проводилась в следующих случаях: БЖ — после неустранимого отказа; БССК и КСК — без отказа, по выработке ресурса или срока службы.

В системах «Электрон-ВМ» в модулях СМ и МЛМ на МКС по состоянию на 4 декабря 2023 г.:

• •    наработано 5 488 сут (5 050 сут в СМ и 438 сут — в МЛМ);

• •    выработано кислорода 13 343 кг (9 340 м³) — для дыхания на 15 567 чел.-сут; дополнительно выработано водорода 18 680 м³; потреблено 15 309 л воды (15 011 л на электролиз и 298 л — унос паров воды с электролизными газами);

• •    энергопотребление электролизёра на один литр кислорода 7,6–9,2 Вт ∙ ч (зависит от производительности), среднее по результатам эксплуатации — 8,2 Вт ∙ ч; потребляемая мощность остального оборудования (без электролизёра) — насос, электромагнитные клапаны, датчики и т. д. — менее 10 Вт;

• •    использовано в составе СГК (с учётом работающих сейчас): БЖ — 9 шт.;

БССК — 7 шт. [в т. ч. 1 шт. — в составе бортовых запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗиП)]; КСК — 3 шт.;

• •    максимальная наработка БЖ на борту МКС с полным сохранением работоспособности 2 334 сут (6,4 года) у БЖ № 11 (работает в модуле СМ с 2011 г.).

Для МКС и испытаний на Земле изготовлено 15 шт. БЖ: № 01–12

и № 14–16 (№ 13 для БЖ не присваивался). БЖ № 01–07 изготовлены Щёлковским опытным заводом (ЩОЗ). В 2004–2005 гг. производство БЖ было перенесено в НИИхиммаш (БЖ № 06 и 07 изготавливались ЩОЗ в условиях ликвидации производства). Начиная с № 08, БЖ и все его блоки изготовлены водстве в производства

на собственном произ-НИИхиммаш. Создание и отработка технологий шли параллельно с изготовлением БЖ № 10 для испытаний на Земле и № 08 — для поставки на МКС, а ресурсные испытания БЖ № 10 проходили параллельно с эксплуатацией на борту БЖ № 08 и 09.

Подробные данные по каждому БЖ и их работе представлены в табл. 1.

Основные НШС, которые привели к выводу БЖ из эксплуатации на МКС:

• •    БЖ № 03. Аварийный сигнал «Напряжение электролизёра выше нормы» (26 В). Предполагаемая причина: перекрытие (засорение) коллектора

подачи электролита в одну или несколько электролизных ячеек в электролизёре. По итогам отказа — доработка электролизёра для предотвращения данной НШС.

• •    БЖ № 04. Многократные отключения по аварийному сигналу «Отказ насосов». На выходе насосов стоит реле давления, которое выдаёт сигнал, если избыточное давление нагнетания менее 0,65 кгс/см². Сигнал обрабатывается, его присутствие в течение определённого времени воспринимается как отказ насоса. При отказе основного насоса — включение резервного, при отказе резервного — отключение по сигналу «Отказ насосов». Предполагаемая основная причина выдачи сигнала «Отказ насосов» (исходя из опыта, полученного при эксплуатации БЖ № 11) — в системе управления в 2002–2006 гг.

  Блоки жидкостные (Бж) системы «Электрон-ВМ»

  Таблица 1

  № БЖ	Изготовлен, мм.гггг	Период работы, годы	Место работы	Наработка, сут	Примечание
  03	06.1999	2000–2002	МКС (СМ)	424	—
  04	09.2000	2002 – н. вр.		173	—
  05	08.2002	2002–2005		456	Спуск на Землю, дефектация
  06	05.2003	2004		35
  07	12.2003	2004		165	—
  08	08.2005	2005–2006		198	Спуск на Землю, дефектация
  09	11.2005	2006–2011		1265
  11	04.2008	2011– н. вр.		2334	Работают на борту МКС по настоящее время
  14	08.2011	2022 – н. вр.	МКС (МЛМ)	438
  01	09.1998	1998–2002	Ресурсные испытания на Земле	750	Испытания до отказа БЖ
  02	08.1999	1999–2003		648	Испытания прекращены при работоспособном БЖ
  10	07.2005	2005–2010		836
  12	05.2008	2008 – 2019 2019 – н. вр.	На Земле	41	До 08.2019 г. — ЗиП для МКС. С 08.2019 г. — в составе наземного комплекса
  15	03.2014	—	Наземный ЗиП для МКС	4	Наработка: проверки после изготовления и при хранении
  16	11.2014	—		7

  Примечание 1 . БЖ — блок жидкостный; СМ — служебный модуль; МЛМ — многоцелевой лабораторный модуль; ЗиП — запасные части, инструменты и принадлежности.

  Примечание 2. Для БЖ № 11, 12, 14, 15 и 16 наработка указана на 4 декабря 2023 г.; БЖ № 08 и 10 после дефектации восстановлены, используются по настоящее время для исследовательских работ, после восстановления имеют наработку 82 и 7 сут соответственно; БЖ № 05 после дефектации стал основой для исследовательской установки, используется по настоящее время, наработка установки 767 сут.

  
  

(при эксплуатации БЖ № 04–08) периодически присутствовал (появлялся и исчезал) ложный сигнал, который не имел никакого отношения к БЖ, но блокировал штатную подпитку БЖ водой, что приводило к нехватке жидкости в циркуляционном контуре БЖ и снижало давление нагнетания. Дополнительная причина — с подпитывающей водой в БЖ поступал газ [3], который попадал на вход насоса и тоже вызывал снижение давления нагнетания. К сожалению, в тот период из-за недостатков в получении и обработке на Земле данных телеметрической информации и ряда организационных проблем, основная причина не была распознана, а все решения принимались, исходя из дополнительной причины как единственно возможной, что было ошибкой и не позволило устранить НШС.

• •    БЖ № 05. Аварийный сигнал «Ток электролизёра меньше 2 А». Дефектация БЖ на Земле установила, что в БЖ сгорел кабель подачи тока в электролизёр в месте соединения

с токоподводящей шиной. Причина — повышенное электрическое сопротивление контакта из-за ошибки при изготовлении (другие места соединения кабеля — без замечаний).

• •    БЖ № 06 и 08. НШС — полностью аналогичная НШС БЖ № 04. Действия по устранению НШС (при непонимании основной причины выдачи сигнала «Отказ насосов») привели к пересыханию пористой диафрагмы между катодной и анодной камерами в электролизёре и попаданию водорода в кислородную линию, что вызвало термические процессы (разогрев) в блоке дожигания (БД) в БЖ и появление запаха с выходящим кислородом. После чего БЖ были выведены из эксплуатации. Дефектация БЖ № 06 и 08 на Земле установила, что в циркуляционном контуре есть недостаток жидкости, при этом все аппараты (кроме БД обоих БЖ и резервного насоса БЖ № 08) и сами БЖ — полностью работоспособны. Дополнительно у БЖ № 08 в ходе эксплуатации произошёл выход из

строя резервного насоса (при полной работоспособности основного) — из-за погрешности в изготовлении заклинило редуктор (соскочила стопорная шайба, которая попала между шестернями редуктора).

• •    БЖ № 07 . Выброс электролита с электролизными газами [3]. Причина — ошибка в новой версии программной реализации алгоритма управления на БВС (из-за «человеческого фактора» при программировании), в результате которой система управления начала выдавать команды, не предусмотренные алгоритмом управления. Недостатки информационного обеспечения не позволили вовремя обнаружить сбой.

• •    БЖ № 09 . Аварийный сигнал «Проскок электролита с кислородом» и визуальное обнаружение жидкости в трубопроводе кислорода на выходе из БЖ (перед внешним аэрозольным фильтром). Причина: в ходе эксплуатации произошла потеря работоспособности основного, а затем и резервного насоса в БЖ (предполагаемая причина — особенности их изготовления, хотя для резервного насоса не исключено нарушение контакта в линии электропитания), после чего было принято решение продолжить эксплуатацию БЖ с внешним блоком циркуляции (БЦ) электролита. Исходное назначение БЦ — кратковременная работа в БЖ для удаления газа из жидкостной части циркуляционного контура. Для обеспечения длительной работы БЖ с БЦ использовалась специальная нештатная методика, которая привела к снижению буферных свойств циркуляционного контура БЖ к изменению объёма жидкости. В результате, перераспределение объёма жидкости в БЖ при включении и отключении (на фоне частых включений/ отключений), отсутствие опыта длительной работы с БЦ и недостаточное изучение динамики процессов распределения жидкости в контуре через 56,5 сут наработки с БЦ привели к проскоку электролита с кислородом. В настоящее время методика длительной работы БЖ с БЦ (потенциально для БЖ № 11) усовершенствована.

В начале эксплуатации БЖ № 09 также была НШС из-за потери работоспособности электромагнитного клапана КЭ1, который обеспечивал подпитку водой (аварийный сигнал «Отказ КЭ1»). НШС была устранена подключением внешнего электромагнитного клапана с полным сохранением штатной работы до конца эксплуатации БЖ.

При эксплуатации БЖ № 11 основные НШС были связаны со сбоем внешнего управления, не имели к БЖ никакого отношения, но приводили к его аварийным отключениям. Анализ НШС, проведённый НИИхиммаш, вместе с созданной системой информационного сопровождения позволял определять истинные причины НШС и выдавать правильные рекомендации. Начиная с 2019 г. и по сегодняшний день в системе управления возобновилось периодическое присутствие ложного сигнала, блокирующего подпитку БЖ водой (см. выше данные по БЖ № 04) и вызвавшие в январе 2019 г. несколько отключений по аварийному сигналу «Отказ насосов». Анализ данных телеметрической информации полностью подтвердил наличие ложного сигнала и отсутствие его связи с БЖ. Причины выдачи ложного сигнала до сих пор однозначно не определены, но сам сигнал в 2019 г. отключён от системы управления и больше не влияет на работу БЖ.

При эксплуатации БЖ № 14 в модуле МЛМ все НШС (кроме одной) связаны с влиянием внешнего окружения. Единственная НШС, связанная с БЖ — отключение 2 февраля 2023 г. (через 32 мин после включения) по аварийному сигналу «Температура в блоке дожигания выше нормы» (60 °С). Данная НШС — случайный (но расчётный!) единичный отказ, вероятно, из-за диффузии водорода в жидкостную камеру водородного разделителя газожидкостной смеси при предшествовавшей включению стоянке длительностью более 7 ч (водород накопился в жидкостной камере, при работе пузырь был вынесен потоком электролита, попал в кислородную линию, а затем — в блок дожигания). При дальнейшей эксплуатации подобная НШС более не наблюдалась, по её итогам изменена величина выдачи сигнала «Температура в блоке дожигания выше нормы» с 60 на 35°С.

По итогам эксплуатации на МКС, наземных испытаний и теоретических расчётов шла следующая модернизация БЖ и аппаратов в его составе:

• 1.    БЖ № 08. Изменена пневмогидравлическая схема, на выходе насосов исключена байпасная линия, задатчик давления заменён на электромагнитный клапан (КЭ) (рис. 4). Так как возможности борта не позволяли ввести в БЖ новый КЭ, то был использован КЭ с автоматической продувки БЖ, а продувку стали делать вручную с помощью ручного вентиля (ВН). Из-за изменения функции КЭ доработан БССК. Модернизированы разделители газожидкостной смеси и циркуляционные насосы, чтобы снизить влияние на работу насосов газа, попадающего в жидкостные линии технологического контура. Модернизированы внутренние аэрозольные фильтры, чтобы повысить надёжность выдачи сигнала «Проскок жидкости с кислородом/с водородом».

• 2.    БЖ № 11. Чтобы повысить устойчивость БД к НШС, модернизирован блок дожигания и в его состав введён датчик температуры.

• 3.    БЖ № 14 (+ доработка БЖ № 12). Изменена пневмогидравлическая схема для обеспечения штатной работы БЖ с внешним блоком циркуляции электролита (см. ниже).

• 4.    БЖ № 15 (наземный ЗиП для МКС). Изменена компоновка БЖ — геометрическое расположение трубопроводов, из конструкции исключены рекуперативные теплообменники (РТ) (рис. 4); цель — упростить конструкцию и повысить надёжность изготовления (РТ — конструктивно очень сложный элемент, совмещённый с силовой рамой БЖ), и при этом исключить возможность конденсации паров воды в электролизных газах. В БЖ введена вторая ступень контроля проскока жидкости (электролита) с кислородом и водородом (в дополнение к существующей); цель — повысить устойчивость БЖ к НШС. В электролизёре и разделителях газожидкостной смеси применены пористые диафрагмы с улучшенными характеристиками; цель — повысить надёжность аппаратов, снизить диффузию газа

• 5.    Для будущих БЖ в НИИхиммаш разработана, изготовлена и испытана в наземных условиях (БЖ № 12) новая гидравлическая арматура для БЖ: муфта разъёмная (подключение теплоносителя), газовый и щелочной клапаны разъёма, обратный клапан, электромагнитный двухпозиционный клапан, запорный ручной вентиль.

(взаимную диффузию Н2 и О2 в электролизёре и диффузию газа в жидкостную часть в разделителях), повысить потенциальный ресурс (для разделителей).

Сегодня НИИхиммаш для системы «Электрон-ВМ» создаёт БССК на новой элементной базе (новый БССК — полностью взаимозаменяем с существующим).

В процессе эксплуатации на МКС системы «Электрон-ВМ» для неё создано следующее ниже дополнительное оборудование и разработаны технологии его применения на борту:

• 1.    Внешние фильтры аэрозольные , массой по 1,5 кг. Подключение к выходу из БЖ в кислородной и водородной линиях. Цель — повысить безопасность БЖ при НШС. Применение: БЖ № 05 — часть времени работы; БЖ № 06 и 07 — при устранении НШС; с 19 октября 2009 г. (БЖ № 09 после наработки 759 сут) — постоянное подключение (в т. ч. СГК в МЛМ).

• 2.    Внешний БЦ электролита , масса 5,9 и 4,5 кг (новый БЦ). Подключение к технологическим разъёмам БЖ (в люке для технического обслуживания). Цель — обеспечить работоспособность БЖ при выходе из строя основного и резервного насосов в его составе (снимается ограничение ресурса БЖ из-за ресурса насосов). Применение: БЖ № 09 — дополнительная наработка с БЦ 56,5 сут в конце эксплуатации БЖ (дополнительно получено 145,7 кг кислорода); ЗиП на МКС для БЖ № 11; для данных БЖ применение БЦ требует ручных операций экипажа перед каждым включением БЖ и после его отключения. После доработки, начиная с БЖ № 14, применение нового БЦ (ЗиП на МКС) никаких ручных операций не потребует.

• 3.    Внешний электромагнитный клапан подпитки БЖ водой , масса 1,4 кг. Цель — обеспечить работоспособность БЖ при выходе из строя аналогичного клапана в его составе. Применение:

• 4.    Доставляемая ёмкость с электролитом, масса 2,7 кг. Цель — повысить

длительная работа с БЖ № 09; ЗиП на МКС для всех БЖ.

концентрацию электролита в технологическом контуре БЖ; потенциально — частичная замена электролита для продления работоспособности БЖ (при длительной работе идёт изменение состава электролита из-за накопления вносимых с подпитывающей водой микропримесей и его разбавление из-за уноса аэрозоля с электролизными газами; всё это может вызывать рост напряжения на электролизёре). Применение: БЖ № 05 и 07 — перелив электролита между двумя БЖ и из ёмкости в БЖ при устранении НШС.

Для системы «Электрон-ВМ» на МКС создан ряд методик и технологий по её эксплуатации, самые значимые из которых — следующие:

• •    информационное сопровождение — сбор, обработка и анализ всей доступной информации, плюс системный подход к эксплуатации. Цель — длительная работа за пределами ресурса, минимизация НШС (выдача своевременных и адекватных рекомендаций при штатной эксплуатации и НШС), определение направлений модернизации. Совершенствование информационного сопровождения ведётся непрерывно, потенциальная цель — прогноз технического состояния системы «Электрон-ВМ», БЖ и аппаратов в его составе [3];

• •    сепарация газа из воды перед её подачей для подпитки в БЖ. Вода содержит пузыри газа (иногда очень много — до 50% объёма), а попадание пузырей газа снижает давление нагнетания насоса в БЖ, что может вызвать НШС. Для повышения эффективности

сепарации газа и снижения трудо- затрат экипажа применялось несколько методик с соответствующим оборудованием. С 2020 г. на МКС при сепарации используется разработанный и изготовленный НИИхиммаш насос- сепаратор для конденсата и воды (с автономным пультом управления). Сегодня затраты времени экипажа на подготовку одной ёмкости с водой (20–22 л) не превышают 15–20 мин.

НИИхиммаш для испытания сис- темы «Электрон-ВМ» и отработки её взаимодействия с окружением созданы наземные испытательные стенды и электрические имитаторы (ЭИ) СГК (ЭИ «Электрон-ВМ» состоит из штатных БССК, КСК и ЭИ БЖ):

• 1.    Исследовательский стенд (установка) на базе возвращённого с МКС БЖ № 05 — для исследования аппаратов и технологий по электролизной генерации кислорода [4].

• 2.    Стенд сопровождения эксплуатации СГК «Электрон-ВМ» — для предварительной отработки планируемых на МКС работ со штатной системой, моделированием НШС и др. Также используется для проверки работоспособности после изготовления и проведения плановых регламентных работ штатных БЖ, БССК, КСК и системы в целом.

• 3.    Стенд для отработки взаимодействия связки: блок гидрирования диоксида углерода (по реакции Сабатье) — система «Электрон-ВМ» (стенд создан в кооперации с «ПКБ АП», г. Тверь). Стенд может использоваться для проведения регламентных работ с БЖ.

• 4.    Стенд-тренажёр системы «Элект-рон-ВМ» в Центре подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина (с ЭИ «Элект-рон-ВМ») — для отработки навыков взаимодействия космонавтов со штатной системой на МКС, включая действия при НШС.

• 5.    ЭИ «Электрон-ВМ» для комплексного стенда (КС) СМ в РКК «Энергия».

• 6.    Два ЭИ «Электрон-ВМ» для МЛМ: один — для КС МЛМ в РКК «Энергия», второй использован при наземной подготовке штатного МЛМ (после запуска МЛМ штатные БССК и КСК из состава ЭИ «Электрон-ВМ» доставлены на МКС, и сегодня работают в системе «Электрон-ВМ» МЛМ, а ЭИ БЖ — ЗиП для КС).

Макет-тренажёр системы «Элект-рон-ВМ» (с ЭИ «Электрон-ВМ») в составе созданного НИИхиммаш единого аппаратно-программного комплекса обслуживания экипажем систем жизнеобеспечения в международном проекте «Марс-500», осуществлённом в ИМБП РАН [5]. После завершения проекта макет-тренажёр передан на кафедру 607 (сегодня — кафедра 614) Московского авиационного института, где он используется для подготовки профильных специалистов.

общие направления развития системы «Электрон-ВМ»

• 1.    Увеличение времени наработки БЖ до отказа, определение предела по ресурсу аппаратов в составе БЖ (следствие — модернизация аппаратов с наименьшим ресурсом).

• 2.    Снижение количества НШС, устойчивость к их действию (снизить негативные последствия, возможность восстановления после НШС), надёжность при эксплуатации.

• 3.    Улучшение технических параметров: снижение массы и энергопотребления, увеличение производительности и т.п.

• 4.    Улучшение эксплуатационных параметров: повышение безопасности, снижение трудозатрат экипажа и т.п.

• 5.    Улучшение конструктивных параметров: повышение технологичности, простоты, надёжности изготовления, замена уникальных материалов и комплектующих на выпускаемые серийно.

• 6.    Создание дополнительного оборудования, включая доработку БЖ для подключения этого оборудования, с целью продления ресурса, ликвидации НШС, повышения безопасности (особенно при НШС), улучшения других эксплуатационных характеристик и т. д. Дополнительное оборудование обеспечивает большую эффективность при маленьких затратах.

• 7.    Развитие существующих и разработка новых методик эксплуатации, включая совершенствование алгоритма управления.

• 8.    Выявление и реализация потенциальных возможностей системы, адаптация к кратким и длительным изменениям как внешних воздействий, так и внутренних параметров.

• 9.    Управление системой. Перспектива — автономное управление, чтобы снизить влияние централизованной системы управления на МКС и сократить количество отключений/включе-ний (~50% всех штатных отключений/ включений СГК на МКС — это вмешательство в деятельность системы управления, не связанное с системой «Электрон-ВМ»; по опыту эксплуатации — значительная часть НШС происходила в момент включения системы).

• 10.    Взаимная адаптация и совместная оптимизация комплекса «Элект-рон-ВМ» — внешнее окружение. Согласование параметров внешних систем, работающих совместно с СГК «Элект-рон-ВМ».

• 11.    Информационное обеспечение и сопровождение (как необходимое условие всего предыдущего), в т. ч.:

• •    определение состава датчиков, измеряющих параметры системы (количество датчиков, замена дискретных датчиков на аналоговые и т. д.);

• •    сбор, обработка и анализ информации (развитие средств телеметрии на борту, снижение потерь и искажений информации, улучшение методик сбора и алгоритмов обработки и т. д.);

• •    исследование и анализ динамики параметров системы при штатной работе и НШС, на различных периодах времени — от долей секунд (при НШС) до нескольких лет;

• •    математическое моделирование — аналитические и численные модели и расчёты;

• •    модернизация существующих и создание новых испытательных и исследовательских стендов на Земле;

• •    применение аналитических методов и критериев эффективности для определения наиболее перспективных направлений развития;

• •    при работе на борту в максимальной степени (на достигнутом уровне) прогноз технического состояния системы и раннее распознание НШС.

• 1 2. Системный подход при модернизации и эксплуатации (особенно в НШС) [6].

Описанное развитие в общем виде включает в себя четыре составные части:

• 1)    материальную — создание и/или модернизация конкретных аппаратов;

• 2)    аналитическую — анализ информации и синтез принимаемых решений;

• 3)    методическую — разработка соответствующих методик и алгоритмов;

• 4)    организационную — планирование и выполнение необходимых мероприятий.

СГК «Электрон-ВМ», как и любая система жизнеобеспечения обитаемой космической станции, — технически сложное, уникальное и единичное изделие с длительным сроком эксплуатации при ограниченных возможностях по диагностике, обслуживанию и ремонту на борту. Поэтому есть вероятность непредсказуемости в поведении системы и неизбежности НШС. Значит, развитие СГК «Электрон-ВМ» должно закрывать некоторую область неопределённости при её разработке, изготовлении и эксплуатации.

В процессе эксплуатации был сделан ряд прогнозов по наработке БЖ системы «Электрон-ВМ» на МКС, которые полностью подтвердились (табл. 2).

Таблица 2

Сделанные прогнозы наработки для системы «Электрон-ВМ»

Прогноз наработки (потенциальный ресурс)	Наработка БЖ на МКС на момент прогноза		Источник
	БЖ № 09	БЖ № 11
3 года — СГК целиком	344 сут	—	[7]
5 лет — БЖ	1 265 сут БЖ выведен из эксплуатации	Начало работы	[8]
5,5 и 7 лет — аппараты БЖ		897 сут	[9]
6 лет — БЖ		1 041 сут	[10]
7 лет — БЖ		1 794 сут	[11]

Примечание . МКС — Международная космическая станция; СГК — система генерации кислорода; БЖ — блок жидкостный.

Заключение

• 1.    Создана СГК «Электрон-ВМ» на основе электролиза воды, которая с 2000 г. обеспечивает экипаж МКС кислородом для дыхания. На 4 декабря 2023 г. на борту МКС выработано 13 343 кг (9 340 м³) кислорода — для дыхания на 15 567 чел.-сут.

• 2.    Для подпитки БЖ системы «Электрон-ВМ» на МКС использована вода из российской системы «Родник», дейодированная вода американской стороны (в т. ч. регенерированная вода и вода из топливных элементов космического корабля Space Shuttle ), вода Европейского космического агентства и (для рационального использования ресурсов на борту) российский обеззараживающий раствор (вода c содержанием серебра 10 мг/л; в воде системы «Родник» — 0,5 мг/л). Также может использоваться вода, полученная в российских системах регенерации воды (из конденсата атмосферной влаги, из урины и, в перспективе, из системы переработки углекислого газа). Электролизный водород из СГК «Электрон-ВМ»

• 3.    Развитие СГК «Электрон-ВМ» и её составных частей идёт активно и непрерывно — по итогам эксплуатации на МКС. Часть перспективных направлений может быть реализована на МКС при небольшой доработке СГК «Электрон-ВМ» и её окружения (особенно в части информационного обеспечения и прогноза технического состояния). Другая часть ограничена имеющейся материальной частью МКС, но будет применена при создании новых космических станций. Опыт, полученный для СГК «Электрон-ВМ», реализуется при создании и модернизации других систем жизнеобеспечения.

• 4.    На сегодняшний день потенциальная наработка БЖ системы «Элект-рон-ВМ» до неустранимого отказа оценивается в 8–10 лет с полным сохранением всех своих характеристик, при общем сроке службы с момента изготовления более 20 лет.

• 5.    Система «Электрон-ВМ» — базовая СГК для новых космических станций, дальних пилотируемых полётов (Марс, астероиды) и планетных баз на Луне и Марсе.

сбрасывается за борт, но в будущем будет использоваться в системе переработки углекислого газа.