Разработка и оптимизация проектных параметров космических оранжерей Беркович, Юлий Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из перспективных путей создания адекватных условий для жизнедеятельности людей в гермокабинах во время длительных пилотируемых космических полётов считается применение биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО), непременной составной частью которых являлись бы посевы сельскохозяйственных растений. Американские специалисты прогнозируют использование космических оранжерей (КО), т.е. устройств для культивирования растений в пилотируемых космических объектах, во всех космических миссиях ближайшей перспективы (изучение Лупы и Марса). В 1994 г. в Российской ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» было принято решение о начале разработки первой производственной КО для снабжения свежей витаминной зеленью экипажа Международной космической станции (МКС).

Первые опыты с вегетирующими растениями на борту советских орбитальных станций и кораблей в 70-е годы показали, что факторы космического полёта, воздействующие на растения в КО, не позволяют использовать наземные методы культивирования растений без существенной переработки Полётные эксперименты с растениями, проведенные к середине 80-х годов, позволили установить, что, по крайней мере, некоторые виды высших растений могут проходить полный цикл или большую часть онтогенеза в условиях микрогравитации при обеспечении в КО адекватных условий среды. Опыты последних лет, проведенные в КО «Свет» на орбитальном комплексе «Мир», окончательно доказали возможность эффективного культивирования растений без наличия постоянной силы тяжести. Вместе с тем жёсткие ограничения на объёмно-весовые и энергетические характеристики КО со стороны бортовых систем космических летательных аппаратов (КЛА) вызывают необходимость разработки новых компоновочных подходов и методик оптимизации конструктивной схемы и режимов работы основных систем и узлов КО. Вследствие этого актуальной стала задача обобщения опыта, накопленного в области создания КО и методов оптимизации их проектных и конструктивных параметров для повышения производительности оранжерей в перспективных разработках.

4 Целью работы является разработка и оптимизация проектных параметров космиче оранжерей применительно к условиям микрогравитации.

Задачи, решенные в работе:

1. разработан метод оптимизации параметров светового режима для посевов растений в различного назначения;

2. разработан метод оптимизации объемных и весовых характеристик КО за счёт организ самораздвигающихся посевов растений на выпуклых криволинейных посадо¹ поверхностях, реализованный при разработке конструкций КО;

3. разработан метод оптимизации водно-воздушного режима в корнеобитаемой зоне корн* модулей КО, способный работать в условиях микрогравитации, а также эксперимента обоснованы конструктивные параметры и режимы работы устройства, реализующего дат метод;

4. разработана методика расчёта основных узлов конструкции научно-исследователь оранжереи с плоской посадочной поверхностью для орбитального комплекса "Мир" примере космической оранжереи "Свет");

5. разработана методика расчёта основных узлов конструкции производственной зеле] конвейерной космической оранжереи с выпуклой цилиндрической посадочной поверхнос которая реализована в конструкции наземной спиральной оранжереи «Фитоцикл космической оранжереи "Витацикл".

Научную новизну работы определяют:

Разработанный метод оптимизации режима освещения растений в КО на основе максимиз; мультипликативной свёртки критериев удельной продуктивности посева растений на еди. потребляемой энергии и единицу занимаемого объема при различных ограничения: стороны систем КЛА.

Предложенные метод оптимизации объёмных и весовых характеристик КО за организации самораздвигающихся посевов растений на выпуклых криволинейных посадо¹ поверхностях и методика расчёта оптимальных соотношений конструктивных параметре примере цилиндрической посадочной поверхности.

Разработанные способ и методика расчета основных параметров устройства для корне питания растений с реверсивной водоподачей через запорную мембрану применитель. условиям микрогравитации.

а Принципы проектирования КО для выращивания растений с выпуклыми криволинеин посадочными поверхностями, и, в частности, предложенные 7 новых устройств с разли¹ формой посадочной и светящей поверхности для КО различного применения.

5 Разработанные методики выбора конструктивных параметров и режимов работы основных /злов и систем исследовательской КО "Свет", работающей на орбитальной станции "Мир", іаземной спиральной оранжереи "Фитоцикл" и конвейерной овощной космической оранжереи КОКОР) "Витацикл".

Установленные границы диапазона допустимых значений водного потенциала в сорнеобитаемой зоне растений (на примере пшеницы и листовой горчицы). Новые экспериментальные данные по режимам работы КО, а также расчетные и ікспериментальньїе результаты по гидрофизическим и продукционным характеристикам ювых ионитных почвозаменителей БИОНА-312, Биона-ВЗ.

Теоретическая и практическая значимость работы заключена:

3 применении разработанных методов оптимизации и частных методик выбора проектно-

сонструкторских параметров при разработке конструкций КО различного назначения,

;ащищенных 13 патентами и авторскими свидетельствами.

3 предложенных конструкциях КО, обеспечивающих организацию самораздвигающихся

юсевов растений на выпуклых криволинейных посадочных поверхностях.

3 предложенных способе и устройстве для корневого питания растений в условиях микро

равитации с реверсивной водоподачей через запорную мембрану, защищенных российским

іатентом и использованных при разработке КО.

3 применении предложенных методов оптимизации проектно-конструктивных параметров при

іазработке, изготовлении и введении в эксплуатацию научно-исследовательской КО "Свет" -

га ОС "Мир", спиральной оранжереи "Фитоцикл" и конвейерной овощной космической

іранжереи (КОКОР) "Витацикл" - в лабораторных исследованиях.

і установлении границ диапазона допустимых значений водного потенциала в

:орнеобитаемой зоне растений, использованных для настройки режима увлажнения

:ориеобитаемой среды в наземной спиральной оранжерее "Фитоцикл" и конвейерной овощной

:осмической оранжерее (КОКОР) "Витацикл".

Основные положения работы, выносимые на защиту: летод оптимизации светового режима в КО;

:пособ и устройства для оптимизации характеристик посевов растений за счёт организации амораздвигающегося посева растений на криволинейных посадочных поверхностях; :пособ и устройство для корневого снабжения растений с реверсивной водоподачей через апорную мембрану применительно к условиям микрогравитации;

іезультатьі экспериментов по определению границ диапазона допустимых значений водного ютенциала в корнеобитаемой зоне растений;

исчетные и экспериментальные данные по гидрофизическим характеристикакм новых юнитных почвозаменителей БИОНА-312 и Биона-ВЗ;

6 о разработанные конструкции космической оранжереи "Свет", спиральной оранжереї

"Фитоцикл" и конвейерной овощной космической оранжереи "Витацикл".

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, выполнененш основного объема теоретических, проектно-конструкгорских разработок и экспериментальны) исследований, включая разработку методов оптимизации и частных методик выбора проектно конструкторских параметров. Часть экспериментальных исследований и конструкторски) разработок выполнена совместна с сотрудниками ГНЦ ИМБП и др. организаций.

Внедрение полученных результатов. Результаты исследований использованы прі создании конструкций космических и экспериментальных оранжерей "Свет", "Фитоцикл" і "Витацикл".

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы і 37 печатных работах, 10 научно-технических отчётах, 14 авторских свидетельствах и патентах зг период с 1979 по 2000 г.г. и доложены на следующих научно-технических конференциях: а IX и XII Всесоюзные конференции по космической биологии и авиакосмической медицині

(Москва-Калуга 1982 и 1990); а XIII Совещание постояннодействующей рабочей группы соцстран по космической биологии і:

медицине (Варна, Болгария, 1989); о XXIV Совещание постоянной рабочей группы по космической биологии и медицине стран

участниц программы "Интеркосмос"(Ленинград, 1991); Q XXII International Symposium on cosmic biology and medicine within the ENTERCOSMOS

(Koshice, CSFR, 1990), 2-nd microsymposium "Svet-90" on biotechnology and life support system;

of the space biology working group (Varna, Bulgaria, 1990), a 30, 31 and 32 COSPAR scientific assembly (Hamburg,.Germany, 1994; Birmingam, England, 1996:

Nagoya, Japan, 1998); d 10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, 1994); q III Международное рабочее совещание по биомедицинским исследованиям в космосе "Варна-

95" (Варна, Болгария, 1995) а 2-я Российско-Американкая конференция по программе "Мир-НАСА"(г.Королёв, 1996); а 31-е Научные чтения памяти К.Э. Циолковского (Калуга, 1996);

о 3-й Российско-Американский симпозиум по программе "Мир-НАСА"(Хантсвилл, США, 1997); 6-th European symposium on space environmental control systems (Noordwijk, The Netherlands,

1997); d 13-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, USA,

1997); a 2-й и 3-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997; Москва, 2000);

: Рабочее совещание экспертов по программе ВЮРЬЕХ(Космический центр им. Дж.Кеннеди,

США, 1997); з XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 22-26 июня

1998); з 3-d Internationa! conference "Life support and Biosphere science" (Orlando, USA, 1998); з 8-я Всероссийская школа "Экология и почвы" (Пущино,1998);

] Всероссийская молодёжная конференция. «Растение и почва» (Санкт-Петербург, 1999); з Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда; жизнеобеспечение и защита

человека в окружающих условиях» (Москва, 2000); і 30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000); ] 51-st International Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000).

Структура и объём работы. Диссертация изложена на страницах, включая 39 таблиц і 105 рисунков, и состоит из введения, 7 глав, заключения и списка цитированной литературы из 52 наименований.