В недалеком будущем человечество научится организовывать дальние космические экспедиции, и пилотируемый полет на Марс перестанет казаться фантастикой. Однако для освоения дальних планет требуется создание комфортной автономной среды, позволяющей длительное время обходиться без пополнения запасов извне. В России созданием систем жизнеобеспечения космических летательных аппаратов по заказам Ракетно-космической корпорации "Энергия" им. С.П. Королева занимается уникальное научное учреждение — акционерное общество "Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения" (АО "НИИхиммаш").
Специалисты института не любят общаться с прессой, но для ТАСС сделали исключение.
От минометного завода до НИИ
Институт ведет историю с 1943 года и был основан на базе небольшого завода, занимавшегося минометным вооружением. Отцом-основателем АО "НИИхииммаш" является знаменитый советский академик Николай Антонович Доллежаль — создатель первой в истории человечества атомной электростанции (Обнинский реактор "Атом мирный — 1"). Вскоре атомная отрасль начала развиваться огромными темпами, и было принято решение о создании отдельного самостоятельного Научно-исследовательского и конструкторского института энерготехники. АО "НИИхиммаш" же продолжило заниматься, как говорят сами ученые, "очень хитрыми химическими процессами".
В середине 60-х годов, когда СССР уже активно осваивал космическое пространство, ученые начали искать способы увеличить продолжительность пребывания человека в космосе. Полет первого в мире космонавта Юрия Гагарина в 1961 году от старта до посадки длился всего 108 минут. "Николай Михайлович Самсонов (профессор, доктор технических наук, бывший генеральный директор института — прим. ТАСС) единственный сказал, что АО "НИИхиммаш" возьмется за это дело", — рассказывает генеральный директор института Александр Сергеевич Цыганков. Под руководством Николая Михайловича было образовано специальное опытно-конструкторское бюро (в настоящее время отделение №10), которое занимается разработкой и изготовлением космических систем жизнеобеспечения. В советские годы попасть в это подразделение простому смертному было невозможно — деятельность отделения была засекречена.
В 90-е годы, как и множество других постсоветских научных учреждений, "НИИхиммаш" переживал тяжелые времена. "Слава богу, на жизненном пути института встретились люди, не без участия которых организация осталась на плаву. Одним из них является бывший главный конструктор — начальник отделения — Алексей Анатольевич Кочетков, который организовал опытное производство отделения в непростые для страны 1990–2000-е годы непосредственно на территории института. Очень многие направления деятельности предприятия исчезли, а космическое осталось", — говорит Александр Сергеевич.
Борьба за каждый грамм
Одна из главных особенностей, которую необходимо учитывать при разработке космических систем жизнеобеспечения, — отсутствие на космическом объекте силы притяжения — гравитации. "Обычная емкость на Земле работает без проблем: вода вытекает из нее под действием сил тяжести. Если простую бытовую емкость отгрузить на космическую станцию, она просто не будет работать — жидкость из емкости самопроизвольно не вытечет, а если ее и удастся извлечь, то она превратится в каплю за счет сил поверхностного натяжения", — говорит Александр Сергеевич.
Еще одна серьезная проблема разработки систем связана с отсутствием полноценной проверки работоспособности оборудования на Земле. В советские годы многие изделия АО "НИИхиммаш" проходили испытания при помощи летающих лабораторий. В условиях кратковременной невесомости за счет свободного падения грузовых самолетов проверялись конструкторские решения, применяемые в космическом оборудовании. Однако в последние десятилетия практика использования летающих лабораторий была утрачена.
Отдельной задачей стоит доставка оборудования космонавтам на МКС. В России существует два типа доставки грузов в космос: при помощи так называемых "грузовиков", беспилотных космических транспортных кораблей серии "Прогресс", а также пилотируемых кораблей "Союз". "Доставка груза на МКС на транспортном грузовом корабле стоит от 1 до 1,5 млн рублей за килограмм полезного груза. Доставка пилотируемым кораблем значительно дороже", — говорит генеральный директор предприятия и напоминает про серьезные премии советских лет за каждый сэкономленный грамм при разработке аппаратов.
В итоге перед специалистами АО "НИИхиммаш" стоит целый ряд на первый взгляд, казалось бы, невыполнимых взаимоисключающих условий. Во-первых, космическое оборудование должно быть максимально легким, но при этом достаточно жестким и прочным, чтобы обеспечить стойкость к перегрузкам при взлете и выводе на орбиту. Во-вторых, предельно надежным — доставка в космос запасных частей — весьма дорогое удовольствие. А в-третьих, ремонтопригодным и простым, чтобы в случае неожиданной поломки его могли починить космонавты. "Все эти требования нашим специалистам необходимо обеспечивать и их выполнение подтверждать на испытаниях", — говорит Александр Сергеевич.
"Ученые АО "НИИхиммаш" постоянно борются за компактность, энергоэффективность и снижение массы оборудования. Несмотря на то что маленькая гидравлическая схема аппарата может быть графически представлена буквально на листе А4, данное изделие может быть ключевым и самым ответственным звеном в системе. Соответственно, такие нюансы отражаются в том числе и на особенностях производства", — рассказывает главный конструктор АО "НИИхиммаш" Сергей Николаевич Рукавицин.
Таким образом специалисты указывают на еще одну важнейшую особенность работы АО "НИИхиммаш": производство института является опытным, единичным. "Да, у нас есть изделия, которые из года в год с определенной периодичностью доставляются на борт, но, несмотря на этот факт, производство остается опытным, и законы серийного производства по большей части неприемлемы", — рассказывает Сергей Николаевич. В качестве примера собеседник приводит деталь находящейся на борту МКС системы, изготовленную из 30-килограммовой титановой заготовки. Готовая деталь весит порядка 500 г, весь остальной материал был переработан в стружку. На первый взгляд покажется, что экономически выгоднее изготовить деталь методом литья или штамповки, но на деле все иначе.
"Изготовление штампа обойдется в разы дороже, чем изготовление детали методом механообработки в рамках опытного производства", — подчеркивает специалист.
Титан и алюминий — основные металлические материалы, которые используются при изготовлении систем жизнедеятельности для космоса. Список материалов, разрешенных к применению, разработан и утвержден Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) РАН. Применение других материалов строго контролируется специальными техническими службами в связи с необходимостью обеспечить безопасную атмосферу на станции. "На МКС люди находятся постоянно в замкнутом пространстве, и как себя поведет пластмасса через пару месяцев или год, какие вещества начнет выделять, никто не знает. Старые советские материалы используются вовсе не потому, что мы не можем придумать что-то новое, а в связи с тем, что применяемые много лет материалы не выделяют ничего, что могло бы навредить здоровью человека", — говорит Александр Сергеевич.
Вода и кислород на борту МКС
Специалистами АО "НИИхиммаш" были созданы надежные регенерационные системы жизнеобеспечения, успешно применявшиеся на космических станциях "Салют", "Мир", а в настоящее время — на МКС. Системы не только обеспечивают возможность длительного пребывания космонавтов на станции, ряд новейших экспериментальных разработок института в будущем способен сэкономить сотни миллионов рублей на обеспечении жизни российских космонавтов на орбите.
На сегодняшний день рекорд по длительности непрерывного нахождения на борту Международной космической станции составляет уже больше года. Абсолютный мировой рекорд по непрерывному пребыванию на МКС принадлежит российскому космонавту Петру Дуброву и астронавту Марку Ванде Хаю, которые совместно провели на орбите 355 суток за один непрерывный полет. В настоящее время вопрос обеспечения космонавтов в процессе полета оборудованием, едой, водой и всем прочим на МКС хоть и дорогостоящий, но вполне решаемый. Другое дело — будущие дальние космические экспедиции на Луну и Марс, успех которых напрямую зависит от разработки перспективных, полностью автономных космических систем жизнеобеспечения. Полет до той же Красной планеты в зависимости от траектории займет от 250 до 300 суток.
На данный момент на космической станции применяются системы жизнеобеспечения, позволяющие обеспечить частичную замкнутость цикла и вернуть в оборот воду и кислород для дыхания за счет физико-химических процессов. Различные исполнения этих систем успешно функционировали на станциях "Салют", "Мир", а сейчас в модернизированном виде функционируют и на МКС.
Одной из самых стабильных систем разработки АО "НИИхиммаш" является система регенерация воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К2М), первые применения которой были в составе орбитальной космической станции "Салют-4". Система обеспечивает более 50% возврата воды в цикл потребления. Заслуженно данная система считается лучшей в мире в части удельных затрат массы оборудования на 1 кг получаемой воды и среднесуточных затрат электроэнергии на одного космонавта.
Важнейшая разработка института — система электролизного получения кислорода из воды "Электрон-ВМ". В 2022 году к ней была добавлена дублирующая система, установленная на борту многоцелевого лабораторного модуля "Наука", который входит в российский сегмент МКС. Обе системы полностью взаимозаменяемы, что обеспечивает бесперебойное снабжение экипажа кислородом в случае, если одной из систем потребуется техническое обслуживание или же она выйдет из строя.
В институте допускают, что для комплектации Российской орбитальной служебной станции (РОС) возможно применение системы "Электрон-ВМ". "На данный момент не выбрана окончательная схема кислородообеспечения, какая система генерации кислорода будет установлена на РОС. Но вероятность заказа системы "Электрон-ВМ" наверняка имеется, так как изделие зарекомендовало себя с наилучшей стороны с точки зрения надежности, безопасности и энергоэффективности", — отмечают специалисты предприятия.
Система "Электрон-ВМ", которая установлена на борту МКС, отработала уже 12 лет при заявленном гарантийном сроке эксплуатации длиною в год. Возможности системы рассчитаны на одновременное обеспечение кислородом трех-четырех человек. Система способна вырабатывать от 25 до 160 л кислорода в час и дополнительно от 50 до 320 л водорода в час.
Экономия в сотни миллионов рублей
В настоящее время специалисты АО "НИИхиммаш" работают над перспективным направлением — системой переработки диоксида углерода (СПДУ), или, проще говоря, углекислого газа. "Человек на борту космической станции, как и на Земле, постоянно вдыхает кислород, а выдыхает СО2. Углекислый газ накапливается в замкнутом герметичном объекте. В задачи СПДУ входит преобразование СО2 в воду. Сейчас атмосфера станции подвергается очистке системой "Воздух", и углекислый газ выбрасывается за борт. Основная цель создания СПДУ заключается в том, чтобы получить ценную на борту воду, обеспечив большую замкнутость цикла", — поясняет Сергей Николаевич.
Система представляет собой два основных блока. Один блок собирает и концентрирует СО2, второй перерабатывает его в воду, сокращая таким образом количество поставок с Земли. "Полученная с помощью системы вода может в дальнейшем быть направлена на питье через систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К2М). Также возможно ее использование в качестве смывной воды в системе приема и консервации урины (СПК-УМ) или исходной воды, поступающей на электролиз в систему "Электрон-ВМ" для получения кислорода. Таким образом мы пытаемся обеспечить замкнутость наших систем", — уточняет главный конструктор предприятия.
Планируется, что после введения в штатную эксплуатацию система сможет обеспечить выдачу 60 мл воды в час. "Итого в год 525 л воды. Если посчитать, исходя из минимальной стоимости в 1,2 млн рублей за доставку килограмма полезного груза на борт, то получается порядка 630 млн рублей экономии в год. Сравнительный анализ финансовых вложений в разработку и изготовление системы и ожидаемого экономического эффекта подтверждает высокую ценность данной работы", — говорит Александр Сергеевич.
Разработка СПДУ ведется АО "НИИхиммаш" по заказу одного из ведущих ракетно-космических предприятий России — Ракетно-космической корпорации (РКК) "Энергия". Сейчас подходит к финалу этап изготовления опытного образца и проведения испытаний. "Когда этап будет завершен, мы сможем сказать, что рабочая конструкторская документация готова для изготовления летного образца системы", — отмечает Сергей Николаевич.
Второе перспективное направление, над которым в настоящее время трудятся специалисты АО "НИИхиммаш", — система регенерации воды из урины (СРВ-У-РС). Система эксплуатируется на борту МКС в рамках научного эксперимента, являясь не штатной системой, а научной аппаратурой. Ученые и инженеры предприятия прилагают все усилия и опыт для того, чтобы на космической станции максимально эффективно использовались все доступные ресурсы — даже такие специфические, как человеческая моча.
"Консервант, являясь сильным окислителем, обеспечивает сохранение урины, не дает разлагаться и обеспечивает отсутствие размножения бактерий. Консервированная урина может храниться в таком состоянии около двух лет, чтобы из нее можно было выделить воду. Выбрасывать в космосе жидкость нерационально, понимая, что она может являться исходным сырьем для нашей системы", — отмечает ученый.
Полученная вода из урины после всех физических и химических процессов получается очень чистой и теоретически абсолютно пригодна для питья, но направляется на технические нужды.
Космический душ станет реальностью
Космонавты и астронавты на орбите проводят много месяцев. Резонно было бы предположить, что космонавты каким-то образом должны принимать на борту станции душ. Но нет, даже спустя десятилетия средство гигиены в космосе осталось прежним — влажные салфетки.
Душ был на космической станции "Мир", но от идеи его использования на МКС решили отказаться из-за неудобства системы. После мытья космонавтам было сложно собирать по станции воду, превращавшуюся в летающие шарики в условиях невесомости. Сейчас специалисты АО "НИИхиммаш" стараются решить сложнейшую задачу по созданию максимально удобной и эргономичной системы помывки в космосе, а также осуществляют конструкторскую проработку узлов системы регенерации санитарно-гигенической воды.
Применение привычной конструкции душевой кабины на МКС невозможно — в условиях невесомости вода вниз стекать не будет. Специалисты прорабатывали вариант устройства, где вместе с каплями воды будет выходить транспортный воздух, "толкая" воду вниз к ногам к каплеулавливателю. Предполагалось, что снизу воду будет всасывать некий пылесос. "Одно маленькое "но": большая скорость движения воздуха приводит к перепаду температуры — у головы — 60–70 градусов, а в районе ног температура будет немного ниже, и человек замерзнет. Практика использования космонавтами душа на станции "Мир" также приводила к тому, что после помывки приходилось собирать шарики воды полотенцами, после чего отжимать их. Маленькие тонкости, которые тяжело учесть на Земле, могут в космосе вставлять палки в колеса даже самым прекрасным научным и конструкторским идеям", — отмечает Александр Сергеевич.
А ведь существуют еще требования по энергоэффективности систем и узлов, которые обязаны учитывать инженеры. Все космические системы потребляют в десять раз меньше энергии, чем обычный электрический чайник. Конструктора и ученые буквально зажаты в эти рамки. На МКС большой дефицит электроэнергии, которую предоставляют солнечные батареи. Выдали требование по мощности оборудования 500 ватт — на первый взгляд очень мало, но должна работать система с моторами, насосами, датчиками, пультами управления. Если вдруг при разработке не уложился, дополнительный генератор на борту никто не предоставит, соответственно, возникнут серьезные проблемы. "Часть времени станция пребывает на солнечной стороне — солнечные батареи собирают энергию, а часть времени в тени, где нет возможности их заряда. Но генерацию кислорода необходимо обеспечивать постоянно, туалет должен работать непрерывно для обеспечения комфорта пребывания на станции. Такие тонкости играют очень большую роль при разработке систем жизнеобеспечения", — подчеркивает генеральный директор предприятия.
Тем не менее специалисты АО "НИИхиммаш" уже имеют разработки, позволяющие обойти особенности невесомости, и работают над устройством, которое в будущем должно обеспечить доступность гигиенических процедур для космонавтов. Детали и идеи конструкции и применяемых физических процессов ученые пока не афишируют. "Концепция устройства для помывки в условиях невесомости у нас уже есть. Детали по реализации идеи на данном этапе третьим лицам пока не демонстрируются", — заявил Александр Сергеевич.
Со стиркой одежды в условиях отсутствия сил гравитации все также непросто. Сейчас ношеная одежда после использования утилизируется. "Стиральная машина космонавтам, безусловно, нужна. По предварительной оценке, за год по количеству одежды набирается суммарно один грузовой корабль. Утилизация одежды — это выброшенные деньги. Данная задача пока не решена ни у россиян, ни у представителей других стран, участвующих в проекте МКС", — подчеркивают специалисты АО "НИИхиммаш".
Ученые АО "НИИхиммаш" работали по нескольким направлениям создания космической стиральной машины с различным принципом действия. Однако осуществить полноценную научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу по данному направлению без достаточного финансирования и привлечения заказчика в лице РКК "Энергия", как утверждает руководство института, крайне сложно.
На вопрос, можно ли добиться полной автономности станции или корабля при дальних космических перелетах, специалисты отвечают однозначно: пока это невозможно. "Наша команда может реализовать различные физические и химические процессы, но тогда это будет не МКС, а тысячи гектаров химической фабрики, которая будет гоняться за каким-то последним элементом периодической системы. Мы стремимся к 100% замкнутости космической станции, как планета Земля, которую снаружи никто ничем не снабжает. Но при всем этом понимаем, что всегда имеется некий технологический предел, который не позволит достигнуть этих 100%", — резюмирует Александр Сергеевич.
Сфера применения космических систем жизнеобеспечения в реальности может быть довольно обширна: от орбитальных станций и межпланетных кораблей до подводных лодок и бомбоубежищ. А в свете осложнения мировой общественно-политической ситуации эта тема становится все более актуальной.
"Старожилы уйдут, а заменить их некем"
В советские годы московский АО "НИИхиммаш" был головным учреждением в отрасли химического машиностроения, еще 15 филиалов института работало по всей стране. "Огромные институты с заводами — настоящая корпорация. Раньше только на территории в Москве работало больше 3 тыс. человек, а сейчас осталось около 300 специалистов. Конечно, стараемся, чтобы из года в год число специалистов подрастало, останавливаться на достигнутом мы не собираемся", — рассказывает Александр Сергеевич.
"Кадры остаются одной из основных проблем предприятия. Вернее, их отсутствие. В советские годы специалистов широкого профиля для предприятия готовили на базе МИХМ — Московского института химического машиностроения. Потом от института осталась только кафедра, в конечном счете не стало и ее. Мы вынуждены искать светлые головы, которые не ушли в коммерцию или банки. Очень мало людей, кто в настоящее время стремится заниматься наукой", — говорит Александр Сергеевич. Корифеям науки, ведущим специалистам АО "НИИхиммаш", стоявшим у истоков разработки систем жизнеобеспечения, таким как Л.С. Бобе, Н.С. Фарафонов, Ю.П. Бутылкин, по 80–90 лет. Они посвятили химическому машиностроению всю свою жизнь и до сих пор в строю.
"Сейчас нужны запал, инициатива, знания. Мы вынуждены рисковать и ставить молодых специалистов на достаточно серьезные должности — начальник лаборатории, заместитель начальника отдела. Это люди до 40 лет, хотя им нужно было бы еще чуть подрасти. Но предприятие вынуждено идти на такие меры, иначе мы просто не справимся с проблемой преемственности поколений. Старожилы уйдут, а заменить их некем", — резюмирует генеральный директор института. Екатерина Адамова