Система жизнеобеспечения

Система жизнеобеспечения — это совокупность технических устройств, агрегатов и инженерных решений, предназначенных для создания и поддержания искусственной среды обитания, пригодной для жизни и деятельности человека в условиях, где естественная среда отсутствует, непригодна или опасна. Системы жизнеобеспечения (СЖО) являются неотъемлемой частью космических аппаратов, подводных лодок, глубоководных аппаратов, высотных самолётов, антарктических станций, бункеров и других изолированных объектов. Основная функция СЖО — обеспечение физиологических потребностей человека: дыхание, питание, водоснабжение, терморегуляция, удаление отходов жизнедеятельности и защита от внешних угроз.

История развития

Ранние этапы

Первые прототипы систем жизнеобеспечения появились в XVIII—XIX веках с развитием водолазного дела и воздухоплавания. Водолазный колокол, изобретённый Эдмундом Галлеем в 1690 году, позволял подавать свежий воздух с поверхности с помощью свинцовых бочек. В 1819 году Август Зибе (Великобритания) создал первый водолазный скафандр с подачей воздуха от ручного насоса. В 1860-х годах для подводных лодок (например, «Аллигатор» в США) начали применять примитивные системы вентиляции и регенерации воздуха с использованием извести для поглощения углекислого газа.

Космическая эра

Настоящий прорыв в развитии СЖО произошёл в середине XX века с началом пилотируемой космонавтики. Первые советские космические корабли «Восток» (1961) имели простейшие системы жизнеобеспечения: запас кислорода в баллонах, химические поглотители CO₂ (на основе гидроксида лития) и систему терморегуляции на основе водяного испарителя. Американские корабли «Меркурий» (1961) использовали аналогичные принципы. С увеличением длительности полётов (программа «Джемини», 1965; «Союз», 1967) системы усложнились: появились регенеративные системы очистки воздуха, системы кондиционирования и замкнутые циклы водоснабжения.

Орбитальные станции

Создание долговременных орбитальных станций, таких как советская «Салют» (1971) и американская «Скайлэб» (1973), потребовало разработки СЖО с частично замкнутыми циклами. На станции «Мир» (1986) впервые была внедрена система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и урины, а также система электролиза воды для получения кислорода. Международная космическая станция (МКС, с 1998 года) использует комбинированные системы: российский сегмент оснащён системой «Электрон-ВМ» для электролиза воды, американский сегмент — системой OGS (Oxygen Generation System) того же принципа. Вода регенерируется из конденсата и урины с помощью системы WRS (Water Recovery System).

Классификация

По степени замкнутости

• Открытые системы — все ресурсы (воздух, вода, пища) доставляются извне, а отходы (CO₂, моча, фекалии) выбрасываются в окружающую среду. Используются в кратковременных миссиях (суборбитальные полёты, подводные лодки малой автономности).
• Частично замкнутые системы — часть ресурсов регенерируется (вода, кислород), но пища и расходные материалы доставляются извне. Характерны для орбитальных станций и длительных подводных плаваний.
• Полностью замкнутые системы — все биологические и технические процессы циркулируют в замкнутом контуре, внешние поставки минимальны. Теоретически возможны для длительных межпланетных миссий, но пока не реализованы на практике. Эксперименты по созданию таких систем ведутся в рамках проектов «БИОС-3» (СССР/Россия, Красноярск) и «Biosphere 2» (США, Аризона).

По назначению

• Космические СЖО — для пилотируемых космических аппаратов и станций.
• Подводные СЖО — для подводных лодок, глубоководных аппаратов (например, «Мир», «Титан»).
• Авиационные СЖО — для высотных самолётов (например, Конкорд, Ту-144) и стратосферных аэростатов.
• Наземные СЖО — для антарктических станций (например, «Восток», «Мак-Мердо»), бункеров, подземных лабораторий.
• Экстремальные СЖО — для скафандров (выход в открытый космос, глубоководные погружения).

Основные подсистемы

Обеспечение дыхания

Подсистема отвечает за подачу кислорода и удаление углекислого газа. Включает:

• Кислородное обеспечение: хранение в сжатых баллонах (до 300 атм), в криогенных ёмкостях (жидкий кислород, −183 °C), химическое получение (например, из пероксида натрия Na₂O₂) или электролиз воды (2H₂O → 2H₂ + O₂).
• Удаление CO₂: химическая абсорбция (гидроксид лития LiOH, цеолиты), регенеративные методы (молекулярные сита, аминовые скрубберы), биологическая очистка (хлорелла, водоросли).
• Контроль атмосферы: поддержание парциального давления кислорода (21% ± 1%), общего давления, влажности (40–60%) и температуры (18–26 °C).

Водоснабжение

Обеспечивает питьевой, технической и санитарной водой. Методы:

• Хранение: доставка с Земли в баках или контейнерах.
• Регенерация: конденсация атмосферной влаги (содержит до 1,5 л воды в сутки на человека), очистка урины (дистилляция, обратный осмос, фильтрация), рециклинг технической воды.
• Очистка: многоступенчатая фильтрация (механическая, угольная, ионообменная), ультрафиолетовая стерилизация, добавление йода или серебра для предотвращения микробного роста.

Питание

На космических станциях и подводных лодках используется специально разработанная пища:

• Сублимированные продукты (обезвоженные, лёгкие, долго хранятся).
• Консервы и пастообразные продукты в тубах.
• Свежие продукты (овощи, фрукты) доставляются периодически с Земли.
• Биологические системы (экспериментальные) — выращивание микрозелени, водорослей, грибов.

Терморегуляция

Поддержание теплового баланса внутри объекта:

• Активные системы: жидкостные контуры с теплоносителем (вода, аммиак), радиаторы для сброса тепла в космос, тепловые насосы.
• Пассивные системы: теплоизоляция (многослойные экраны, вакуумная изоляция), фазовые переходы (парафиновые аккумуляторы тепла).
• Индивидуальные системы: скафандры с жидкостным охлаждением (например, в российском скафандре «Орлан-МКС»).

Удаление отходов

• Твёрдые отходы: упаковка, фекалии — собираются в герметичные контейнеры, утилизируются на Земле или сжигаются в атмосфере (на МКС — возврат на «Прогрессах»).
• Жидкие отходы: моча — перерабатывается в воду (на МКС), техническая вода — фильтруется.
• Газообразные отходы: метан, водород — могут сжигаться или использоваться в топливных элементах (экспериментально).

Применение

Пилотируемая космонавтика

СЖО являются критически важными для всех пилотируемых миссий. На МКС российская система «Электрон-ВМ» производит до 160 л кислорода в час, американская OGS — до 12 кг кислорода в сутки. Система регенерации воды WRS позволяет восстанавливать до 93% воды из урины и конденсата. В перспективе для лунных и марсианских миссий разрабатываются замкнутые биологические системы (например, проект «Марс-500» в России, эксперимент «BIOS-3»).

Подводный флот

На атомных подводных лодках (АПЛ) России (проекты 955 «Борей», 885 «Ясень») и США (типа «Вирджиния») СЖО включают электролизные установки для получения кислорода из забортной воды, системы регенерации CO₂ с использованием моноэтаноламина, дистилляционные опреснители и системы кондиционирования. Автономность по запасам ресурсов — до 90 суток.

Антарктические станции

На российской станции «Восток» (основана в 1957 году) СЖО обеспечивают жизнедеятельность зимовщиков при температурах до −89,2 °C. Используются дизель-генераторы, системы отопления, вентиляции, очистки воды (таяние льда) и удаления отходов. В 2020-х годах ведётся модернизация СЖО для нового зимовочного комплекса.

Скафандры

Советский/российский скафандр «Орлан-МКС» (используется с 1977 года) имеет автономную СЖО: запас кислорода на 7–8 часов, систему регенерации CO₂, жидкостное охлаждение, радиосвязь и телеметрию. Американский скафандр EMU (Extravehicular Mobility Unit) — аналогичные функции, но с большей продолжительностью (до 8,5 часов).

Интересные факты

• В советском проекте «БИОС-3» (1970-е годы) в Красноярске была создана замкнутая система жизнеобеспечения для экипажа из 3 человек, где 100% воздуха и 95% воды регенерировались биологическим путём (водоросли хлорелла, высшие растения). Эксперимент длился до 6 месяцев.
• На МКС ежедневно на одного члена экипажа требуется около 0,84 кг кислорода, 2,5 л воды и 1,8 кг пищи. Отходы составляют около 2 кг твёрдых и 1,5 л жидких отходов.
• В 2021 году на МКС впервые была успешно протестирована система регенерации воды из урины с эффективностью 98% (система ECLSS, NASA).
• Российская система «Электрон-ВМ» на МКС вырабатывает водород как побочный продукт электролиза, который сбрасывается в космос.

Критика и перспективы

Основные недостатки современных СЖО — высокая энергоёмкость (электролиз воды требует до 1,5 кВт·ч на 1 кг кислорода), неполная замкнутость (пища и расходные материалы доставляются с Земли) и сложность ремонта в условиях невесомости. Для длительных межпланетных миссий (например, полёт на Марс, 500–800 суток) необходимы полностью замкнутые системы с биологическими циклами, включая выращивание растений и утилизацию органических отходов. В России ведутся разработки в рамках проекта «Лунная орбитальная станция» (планируется к 2030-м годам), а также экспериментальные работы по созданию биорегенеративных СЖО в Институте биофизики СО РАН (Красноярск).

Источники

• «Основы космической биологии и медицины» (под ред. О. Г. Газенко, 1975).
• «Системы жизнеобеспечения космических аппаратов» (В. И. Феоктистов, 1984).
• «Жизнеобеспечение экипажей космических кораблей» (Г. И. Воронин, 1986).
• «Биосферные системы: теория и эксперименты» (И. И. Гительзон, 2003).
• «International Space Station: Life Support Systems» (NASA, 2020).
• «Системы жизнеобеспечения подводных лодок» (А. В. Шишкин, 2015).
• «Антарктические станции России: история и современность» (РАН, 2020).