Скафандр
Космические скафандры, используемые в настоящее время при космических полетах в Соединенных Штатах и в России,— весьма сложное снаряжение, которое разрабатывалось в течение последних 40 лет усилиями многих стран. Хотя эти скафандры явились плодом многих лет исследований и непрерывных усовершенствований, принцип, лежащий, в их основе, весьма прост. Он заключается в создании вокруг человеческого тела подвижной надувной капсулы. Эта капсула изолирует человека от окружающей среды, создает и поддерживает вокруг его тела постоянное атмосферное давление и обеспечивает условия для нормального дыхания и теплообмена, для приема пищи и жидкости, для отправления естественных надобностей, при этом она позволяет перемещаться и выполнять полезную работу. Основное назначение космического скафандра аналогично назначению любой герметичной кабины, и его можно осуществить различными способами в зависимости от поставленных задач и условий космического полета, а также от общей конструкции всех других систем жизнеобеспечения и узлов летательного аппарата. Скафандры, которые на сегодняшний день используются в космонавтике, рассчитаны на то, чтобы позволить человеку безопасно работать в условиях вакуума открытого космоса, на поверхности Луны независимо от основного космического летательного аппарата и выжить в случае внезапной разгерметизации кабины космического корабля, при этом все время должен поддерживаться известный уровень комфорта и должна сохраняться возможность выполнения полезной работы. В настоящей главе описаны системы космического скафандра, подробно рассмотрены физиологические и эксплуатационные требования, которым должны удовлетворять указанные системы, и описаны технические усовершенствования, использованные в наиболее перспективных скафандрах.
Армированные скафандры для защиты человека от повышенного давления впервые были предложены в 1838 г., когда Тейлор изобрел сочлененный армированный скафандр для подводных операций. Жюль Верн, по-видимому, первый предложил использовать надувной скафандр для защиты от пониженного давления на больших высотах. В 1872 г. он описал работу скафандра для пребывания вне корабля при полете вокруг Луны. Примерно в 1875 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предложил герметическую гондолу для защиты людей в стратосферных полетах на воздушном шаре. Хотя патенты на надувные летне костюмы были выданы во Франции в 1910 г., а в США в 1918 г., первыми, кто сконструировал защитный скафандр с поглощением двуокиси углерода и испытал его в камере с низким давлением, были англичане Д. Холден и Г. Дэвис. В 1933 г. в ответ на просьбу американского воздухоплавателя Марка Риджа физиолог Холден и специалист по водолазным скафандрам Дэвис сконструировали и изготовили скафандр, предназначенный для подъема в стратосферу.
Рис. 1. Характеристики системы скафандра при взрывной декомпрессии (от высоты 5490 м до высоты 22 875 м за 110 мсек)
1 — абсолютное давление в скафандре;
2— уровень равновесного давления в скафандре 195 мм рт. ст. (соответствует высоте 10 065 м), достигнутый за 3000 мсек.;
3— уровень давления в барокамере 27,9 мм рт. ст. (со
ответствует высоте 22 570 м), достигнутый за 110 мсек.;
4— абсолютное давление в барокамере
Рис. 2. Схема системы регулирования давления в скафандре
1— анероид,
2— емкость с анероидом,
3— запас кислорода 375 см3 под давлением 122 кг/см2,
4— от кислородной системы корабля, давление 122 кг/
/см2,
5— редуктор, понижающий давление с 122 кг/см2 до
3,4 кг/см2,
6— редуктор, понижающий давление с 122 кг/см2 до
4,76 кг/см2,
7— емкость, соединенная со скафандром,
8— отсек регулирования давления в скафандре,
9— выходное отверстие регулятора,
10— пружина,
11— вход вентиляционного воздуха,
12— выход вентиляционного воздуха,
13— скафандр,
14— диафрагмы,
15— отсек регулирования расходного клапана,
16— расходная емкость,
17— расходный (поворотный) клапан,
18— отверстие для сброса давления,
19— отверстия
Ридж надевал скафандр и многократно испытывал его в камерах с низким давлением. В последнем испытании он в течение 30 мин. находился в камере с давлением 17 мм рт. ст., что соответствует высоте 25,6 км, и не ощущал никаких болезненных явлений. Это были первые в мире испытания, в которых человек в надувном скафандре успешно выдержал низкое барометрическое давление, имитирующее очень большую высоту. К сожалению, планируемый полет на воздушном шаре с использованием скафандра так и не состоялся.
Ввиду интереса к скоростным полетам в начале 30-х годов были предприняты дальнейшие усилия по разработке скафандра.
В разработку прототипа высотных скафандров включились США и СССР в 1934 г., Германия и Испания в 1935 г. и Италия в 1936 г.
В августе 1934 г. американец В. Пост на своем самолете «Вини мэй» совершил близ Акрона, штат Огайо, первый полет в высотном скафандре.
Скафандр, который надевал Пост, был предварительно испытан в барокамере до давления, соответствующего высоте 7015 м, в течение 35 мин. В скафандре было предусмотрено большое отверстие в вороте, через которое и надевали скафандр (вместо разрезной талии). Он был двухслойным: внутренняя резиновая оболочка рассчитана на поддержание давления заполняющего скафандр газа, а внешняя тканевая оболочка — на сохранение желаемой формы скафандра. В этом скафандре Пост совершил не менее 10 полетов, пока не погиб в августе 1935 г. в авиационной катастрофе, не связанной с программой испытания высотных костюмов. Усилия Поста ясно показали возможность использования скафандров в высотных самолетах и возможность использования жидкого кислорода для дыхания и для наддува скафандра.
В 1936 г. в Институте авиационной медицины СССР В. А. Спасский приступил к исследованиям по определению медицинских критериев, которыми могли бы воспользоваться конструкторы при создании стратосферного оборудования. Одновременно под руководством инженеров Е. Е. Чертовского и А. И. Бойко были разработаны несколько моделей скафандров, прошедших лабораторные и летные испытания.
В США до Второй мировой войны проводилась небольшая исследовательская работа по скафандрам. К этому времени ВВС и ВМС США начали программы разработок Плексигласового шарообразного шлема и съемных секций для рук и ног, которые присбединяются к основному корпусу скафандра.
В 50-х годах военная авиация стала уделять повышенное внимание высотным характеристикам самолетов. Имитация полётов в барокамерах придала летчикам, одетым в скафандры, уверенность в возможности преодоления существовавших мировых рекордов высоты.
Рис. 3. Воздухоплаватели М. Росс и В. Празер, защищенные только высотными скафандрами, в открытой гондоле, перед стартом стратостата
72 часа имитированного полета до высоты 42 395 м в легком скафандре фирмы Гид-рич ВМС США в 1958 г. открыли путь к рекордному по высоте полету Флинта в 1959 г. на реактивном самолете Ф-4 (Фантом) (30 060 м).
Тем временем ВВС США весьма успешно работали над созданием высотно-компенсирующих костюмов с использованием принципа кабестана. Это была одежда из пористой ткани, не нуждающаяся в охлаждающем устройстве, которое требовалось для скафандра. В тот период такие костюмы широко использовались в военной авиации.
Скафандр ВМС с небольшими модификациями стал первым космическим скафандром США и был использован в полете «Меркурия». Этот скафандр разработан главным образом при содействии Лаборатории летного снаряжения ВМС (Филадельфия, штат Пенсильвания) и нескольких гражданских подрядчиков.
В 1949 г. сотрудники этой лаборатории внесли важный вклад в науку о скафандрах, разработав комбинированный компенсированный регулятор дыхания. Этот регулятор позволял использовать респираторную систему, полностью отделенную от газа, надувающего скафандр, и упрощенную дыхательную маску, не требующую клапанов. Скафандр был снабжен застежками-молниями, которые позволяли создать в нем ряд распахов для облегчения надевания и снимания. Проблема утечек была в значительной мере решена использованием метода вулканизации. Подвижность структуры обеспечивалась устройством герметических вращающихся подшипников и рифленых соединений. Разработка фирмой «Файвел компани» автоматического устройства для наддува скафандра впервые обеспечила проведение эффективных экспериментов
Рис. 4. Первый выход в космос в космическом скафандре, выполненный Алексеем Леоновым в марте 1965 г.
Рис. 5. Космонавт Эдвард Уайт в открытом космосе в космическом скафандре типа G-IV-C, июнь 1965 г.
с человеком в высотном скафандре в барокамерах при очень низких давлениях. Автоматический наддув позволял оценить степень защиты, которую обеспечивает скафандр в условиях очень больших высот и в условиях взрывной декомпрессии.
На рис. 1 показаны результаты исследования влияния взрывной декомпрессии на человека, проведенные в Лаборатории летного снаряжения ВМС. В этих исследованиях испытуемые, одетые в скафандр, подвергались декомпрессии от давления, соответствующего высоте 5490 м, до давления, соответствующего высоте 22 875 м, в течение короткого времени 110 мсек. Следует заметить, что давление в скафандре постепенно снижалось, чтобы обеспечить безопасные для жизни условия. На рис. 2 показана схема системы регулирования давления для одной из первых успешных моделей скафандра ВМС.
Высотный скафандр ВМС подвергался серьезным испытаниям в мае 1961 г., когда в двухместной открытой гондоле стратостата «Стратолаб» Малкелом Росс и Виктор Празер поднялись на рекордную высоту 34169 м (рис. 3). Этот стратостат, поднявшийся с военного корабля-авианосца «Антиетум», был самым большим из когда-либо применявшихся для полетов с людьми.
Стратостат достиг максимальной высоты через 2 часа 36 мин. после взлета. Во время высотной части 9-часового полета терморегулирование гондолы до некоторой степени обеспечивалось за счет особого расположения боковых жалюзи, которые можно было открывать вручную, чтобы пропускать желательное количество прямых солнечных лучей. Высотные скафандры начали работать на высоте 7930 м и обеспечили воздухоплавателям необходимую защиту в течение всего полета, включая 2 часа пребывания на максимальной высоте. Полет показал надежность длительного использования высотных скафандров для индивидуальной защиты организма на больших высотах.
Как указывалось выше, высотные скафандры, которые использовались в космической программе США, были созданы на базе военного высотного скафандра.
В 1959 г. скафандр МК IV ВМС был использован в проекте «Меркурий». Скафандры для программы «Джемини» были созданы на базе скафандра ВВС, разработанного для опытного самолета Х-15. Скафандры «Аполлон» были специально разработаны для целей Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.
К 1965 г. техника высотного скафандра достигла состояния, позволяющего людям выходить в открытый космос. В этом году советский космонавт Алексей Леонов первым отважился на выход в космический вакуум; он был одет в специально сконструированный скафандр. Его деятельность вне корабля продолжалась 10 мин. Это было в марте 1965 г. во время полета корабля «Восход-2» (рис. 4). Первый космонавт США, который вышел в открытый космос в скафандре, был Эдвард Уайт. Это произошло в июне того же года во время полета корабля «Джемини-4». Деятельность Уайта в открытом космосе (рис. 5) продолжалась 21 мин. С помощью ручной маневровой установки (которая будет рассмотрена ниже) космонавт Уайт мог совершать прямолинейные перемещения и повороты. При этом он ни разу не терял ориентации и контроля над своими движениями. Подвижность космического скафандра была достаточной для выполнения задания вне корабля. Результаты первых выходов космонавтов в открытый космос показали необходимость большего охлаждения полости космического скафандра. В то же время они показали (и это более важно), что деятельность вне корабля может стать обычным и безопасным мероприятием.
ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ И ОСОБЕННОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОСМИЧЕСКИХ СКАФАНДРОВ И ПОРТАТИВНЫХ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ВЫХОДНЫМ КОСМИЧЕСКИМ СКАФАНДРАМ
По способам использования космических скафандров последние можно разделить на два класса:
1.Космические скафандры для деятельности в открытом космосе, позволяющие космонавтам производить различные работы на поверхности космического корабля или космической станции или на некотором удалении от них.
2.Космические скафандры для внебортовой деятельности на поверхности небесных тел. К этому типу относятся скафандры, которые надевали космонавты при прогулках и работе на поверхности Луны.
В. Смит приводит следующие четыре группы факторов, определяющих перспективы скафандростроения на ближайшие 5, 10, 15 лет:
1)связанные с программой полета,
2)с системой корабля,
3)с эксплуатацией скафандра,
4)с взаимодействием человек — машина.
Первая группа факторов приведена на рис. 6, где перечислены основные операции в космосе по программе перспективных полетов США, основные этапы, которые можно предвидеть в большинстве этих полетов, и вытекающие отсюда эксплуатационные характеристики, которым должны удовлетворить разрабатываемые в обеспечение этих полетов космические скафандры. Вообще говоря, эти эксплуатационные требования связаны с возможностью космонавта выполнять специфические задачи, которые потребуются от него в этих полетах.
На рис. 7, а показано, что факторы, определяемые системой, включают тип системы, специфические подсистемы — типы космического скафандра, конструктивные решения подсистем и конструктивные ограничения. К группе конструктивных решений подсистем относятся особенности скафандров: «мягкий» космический скафандр — это подсистема скафандра, изготовленная почти целиком из гибких материалов; «полужесткий» космический скафандр изготовляется из гибких и негибких материалов, взятых примерно в равных пропорциях; в «жестком» космическом скафандре для большинства деталей использованы негибкие материалы. Следует заметить, что некоторые конструкторы вместо термина «полужесткий» используют термин «гибридный».
Факторы связанные с системой, т. е. мощность, вес, объем и т. д.,— это те основные моменты для инженера, который должен объединить требования к системам жизнеобеспечения с требованиями к другим элементам космического корабля.
Эксплуатационные факторы, как показано на рис. 7, б, принципиально связаны с физическими условиями, при которых будут использоваться космические скафандры. Здесь встают вопросы снабжения, обслуживания и общего применения, а также физических воздействий, которые необходимо учитывать в каждом случае применения скафандров. Сюда также входит учет психологических факторов, которые могут возникнуть при работе в данных условиях. Конструктор должен учесть, что эти факторы могут привести к повышенному расходу запасов системы.
На рис. 8 представлены факторы «человек — машина».
Рис. 6. Особенности полета, учитываемые при проектировании систем космического скафандра
Рис. 8. Факторы «человек — машина», рассматриваемые при проектировании систем космического скафандра
Они относятся к применению скафандра и определению задач системы «человек — машина», так как степень согласованности между человеком и машиной влияет на выполнение задач.
Требования, описанные выше, относятся главным образом к функциональным характеристикам скафандра. Имеются, однако, и другие важные требования, которые необходимо учитывать и которые могут оказать существенное влияние на окончательную конструкцию скафандра. Прежде всего для выполнения полезной работы необходима подвижность скафандра. Этот важный элемент конструкции скафандра более подробно рассматривается в последнем разделе. С этим требованием связано другое — приемлемые размеры скафандра. Третье требование заключается в огнеупорности. В некоторых случаях скафандр может вентилироваться газом, обогащенным кислородом. Скафандром можно также пользоваться внутри космического корабля, в атмосфере которого может быть высокое парциальное давление кислорода. В связи с программой пилотируемых космических полетов были разработаны многочисленные неметаллические огнеупорные ткани. В табл. 1 представлены скорости горения этих тканей наряду с их физическими свойствами и газообразованием. Дополнительным требованием является легкость надевания и снимания скафандра. Наконец, для материалов, выбранных для изготовления космического скафандра, важнейшими качествами являются прочность и износоустойчивость. Материал должен не только полностью выдерживать все возможные разности давления, но и не протираться при ходьбе космонавта, при вставании на колени и не рваться при случайном падении; в то же время скафандр должен позволять космонавту выполнять полезную работу и проводить эксперименты как внутри космического корабля, так и на внешней поверхности, как, например, на поверхности Луны.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К НАСПИННЫМ РАНЦАМ
Основной источник снабжения для космонавта, одетого в скафандр,— это портативная система жизнеобеспечения, которую космонавт может носить за спиной. Эта установка снабжает человека кислородом для дыхания, регулирует давление в скафандре, обрабатывает рециркулирующий газ путем удаления двуокиси углерода, запахов, некоторых газообразных микропримесей и излишней влаги, регулирует температуру системы путем отвода избытка тепла, обеспечивает сигнализацию о неисправностях, голосовую связь и передачу основных параметров по телеметрии. Система теплоотвода должна быть рассчитана не только на тепло, образующееся в процессе обмена веществ космонавта и выделяемое узлами портативной системы жизнеобеспечения, но и на тепло, поступающее (или сбрасываемое) от лунной или планетарной среды через теплоизоляцию.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ
В табл. 2 обобщены физиологические и эксплуатационные параметры существующих и будущих систем жизнеобеспечения. Интересно заметить, что еще в 1940 г. В. А. Спасский дал проектные рекомендации по оборудованию для регенерации воздуха в отсеках космического корабля, многие из которых весьма близки к рекомендациям, разработанным для сегодняшних систем.
ГАЗОВЫЕ СМЕСИ ДЛЯ ДЫХАНИЯ, ВЕНТИЛЯЦИЯ И ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЕ
Основные параметры атмосферы в скафандре (барометрическое давление, газовый состав, температура, влажность и скорость вентиляции) должны быть выбраны, исходя из физиологических потребностей человека (при желательном уровне его активности) и из технической возможности удовлетворить эти требования.
Физиологически важной для космонавта является величина давления в полости космического скафандра, которая должна быть такой же, как и в отсеке космического корабля или станции.
Однако создание космического скафандра с такой атмосферой, особенно с атмосферой, близкой по составу к земной,
технически затруднительно, главным образом из-за того, что подвижность человека, одетого в скафандр с большим перепадом давлений на стенках, резко ограничивается.
Для обеспечения большей подвижности космонавта в космическом скафандре, для облегчения его, для снижения утечек и по целому ряду других технических соображений желательно в полости скафандра поддерживать минимальное физиологически допустимое давление (с учетом давления окружающей среды).
До недавних пор указанные выше факторы побуждали инженеров и физиологов искать компромиссное решение для особых условий и задач планируемого полета. Последние разработки открыли возможность увеличения подвижности, практически не прибегая к компромиссным решениям. Эти разработки рассмотрены ниже.
В зависимости от реальных условий полета и возможности десатурации азота из организма давление в скафандре, рассчитанном на продолжительное пребывание в нем космонавта, обычно выбирается в пределах от 200 до 300 мм рт. ст.
В крайних случаях давление в скафандре может быть снижено до такого уровня, при котором еще может поддерживаться достаточное для выполнения заданной работы кислородное обеспечение.
Конечно, при любом выбранном режиме давления для космонавта необходима газовая смесь, обогащенная кислородом, чтобы обеспечить необходимое парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе.
Для определения оптимального процентного содержания кислорода в газовой смеси можно использовать несколько модифицированную формулу, которую применяют для контроля содержания кислорода в кислородных приборах.
где Psp — абсолютное давление в скафандре в мм рт. ст., Со2 , — содержание кислорода в процентах.
Если применить эту формулу к случаю, когда давление в скафандре равно 300 мм рт. ст., то окажется, что газовая смесь для дыхания должна содержать не менее 60% кислорода, а при давлении в скафандре 200 мм рт. ст. необходимо подавать почти чистый кислород. В практике полетов «Аполлона», «Скайлэба» применяли чистый кислород (одногазовую атмосферу) при номинальном давлении 194 мм рт. ст.
Двуокись углерода, выдыхаемую человеком, удаляют из атмосферы скафандра путем принудительной вентиляции. Объем необходимой для этого вентиляции зависит от количества углекислоты, выделяемой космонавтом, ее содержания в атмосфере скафандра и ее концентрации в газовой смеси, поступающей извне или от регенерационного патрона (концентрация прорыва). Этот объем приближенно можно определить с помощью классической формулы Петтенкофера, которую для расчетов вентиляции в космических скафандрах впервые применил В. А. Спасский. Для удобства формула была несколько модифицирована,
где V — скорость вентиляции (в л/мин); q — количество двуокиси углерода, выдыхаемой космонавтом (в л/мин); Рреr — допустимое парциальное давление двуокиси углерода в атмосфере космического скафандра (в мм рт. ст.); Рреr — парциальное давление двуокиси углерода в газовой смеси, поступающей от регенерационного патрона (в мм рт. ст.).
При расчетах объема вентиляции С. А. Гозулов и Л. Г. Головкин и Д. М. Иванов и А. М. Хромушкин рекомендуют ориентироваться на среднее ожидаемое выделение двуокиси углерода и его допустимое парциальное давление (от 7 до 8 мм рт. ст.). Такое содержание двуокиси углерода во вдыхаемой газовой смеси не приводит к заметным ответным реакциям в функциональном состоянии человеческого организма даже при длительном пребывании в такой атмосфере в течение нескольких дней.
Расчет вентиляции производится с учетом среднего уровня выделения двуокиси углерода, причем предполагается, что концентрация двуокиси углерода во время усиленной физической работы космонавта может превысить рекомендованное значение в 2 раза. В этом случае парциальное давление двуокиси углерода может приблизиться к предельной величине, указанной В. А. Спасским, т. е. к 15 мм рт. ст.
Расчетные характеристики ранцевой системы скафандра «Аполлон» в отношении двуокиси углерода были следующими: 1) первые 2,5 часа уровень парциального давления двуокиси углерода не должен превышать 7,6 мм рт. ст., 2) следующие полчаса — 10 мм рт. ст. и 3) остальное время — 15 мм рт. ст. Фактические уровни парциального давления двуокиси углерода в полете «Аполлон» при выполнении работ на поверхности Луны были примерно на 2 мм рт. ст. меньше. Для разрабатываемого внебортового космического скафандра с давлением 414 мм рт. ст. парциальное давление двуокиси углерода не должно превышать 7,6 мм рт. ст. (у носовой полости) при скорости вентиляции 3304 см3/сек и при установившемся уровне метаболизма 302 ккал/час. Уровень метаболизма является важнейшим элементом при разработке систем подачи дыхательной смеси в шлем. Повышенное парциальное давление двуокиси углерода в космическом скафандре, если оно имело место в течение короткого времени, не приводит к отрицательным последствиям, хотя и вызывает повышенную нагрузку на физиологические системы организма.
Температура и влажность относятся к числу параметров газовой среды внутри космического скафандра, которые менее всего поддаются стандартизации. Это можно объяснить особыми условиями системы терморегулирования в космических скафандрах. Можно также объяснить это и большой способностью человеческого организма приспосабливаться к меняющимся условиям теплообмена и существенными колебаниями величин выделяемых космонавтом тепла и влаги при выполнении различных операций в космическом скафандре. При выполнении тяжелой физической работы выделение человеком тепла в 5—6 раз превышает тепловыделение в состоянии покоя (450—500 ккал/час против 80—90 ккал/ /час соответственно). Еще большая разница наблюдается в отношении выделения человеческим организмом влаги в тех же сравниваемых условиях (600—800 г/час против 40— 50 г/час).
Для обеспечения нормальных условий теплообмена в различных условиях тепловыделения необходимо, чтобы системы терморегулирования и регулирования влажности в космическом скафандре имели широкий диапазон.
Принимая во внимание существенные различия в требованиях людей в отношении теплового комфорта и сложность автоматических регулирующих устройств, которые могли бы следить за уровнем тепловыделения и выделения влаги человеком, управление удалением влаги и избыточного тепла в космическом скафандре предпочтительно выполнять вручную. Это позволяет космонавту создавать в своем космическом скафандре такие условия, которые отвечают его индивидуальным потребностям и степени его физической активности в данный период.
Традиционным методом регулирования теплообмена и удаления влаги, который используется в большинстве скафандров пилотов боевых и гражданских самолетов, является продувка полости скафандров осушенным воздухом (содержание влаги не более 5—8 г/ /м3), охлажденным или нагретым до значительной температуры (от 10 до 80° С). Приближенная оценка возможностей этого метода показывает, что для вентиляции космических скафандров при приемлемых расходах (до 300 л/мин) применение вентиляционного воздуха позволит удалить из скафандра до 200 ккал/час тепла и до 200—270 г/час водных паров.
При высоком уровне расхода энергии космонавтами, выполняющими работы в замкнутом пространстве, и существенном снижении теплообмена между космическим скафандром и внешней средой необходимо, чтобы, кроме вентиляции космического скафандра, использовались и другие, более эффективные методы теплорегулирования. Эти методы должны обеспечить отвод всего тепла и всей влаги, выделяемых космонавтом, а также тепла, выделяемого в результате работы индивидуальных систем и устройств самого скафандра.
Если использовать для этих целей контактные или радиационные методы охлаждения, космонавт может испытывать определенные колебания температуры и влажности, которые трудно рассчитать п стандартизировать. Кроме того, величины степени вентиляции космического скафандра (50 л/мин), температуры (от +10 до +15° С) и влажности (от 20 до 85%), приведенные в некоторых исследованиях, были установлены без учета индивидуальных колебаний тепловыделения и влагоотделения космонавтов, и принимать эти величины в качестве нормальных для космического скафандра было бы опрометчиво.
В американских системах пользуются двумя видами охлаждения при длительной работе вне корабля. При внебортовых работах вентиляция со скоростью 2832 см3/сек (фактических) обеспечивает некоторое охлаждение за счет испарения влаги с поверхности тела космонавта. В основном же охлаждение выполняется за счет использования одежды с жидкостным охлаждением (LCG) путем теплопроводности. Такая одежда состоит из нейлонового шифона, между слоями которого находятся поливиниловые трубки, расположенные так, чтобы одежда была достаточно удобной. Для обеспечения охлаждения за счет теплопроводности предусмотрен спандекс-слой (Spandex), который плотно прижимает трубки к телу. Такой способ охлаждения позволяет космонавту выдерживать метаболические тепловые нагрузки величиной до 300 ккал/час при теплопритоке извне 75 ккал/час в течение 5 час.
Советские ученые описывают несколько способов отвода тепла из космических скафандров при внебортовой деятельности космонавтов.
1.Охлаждение газовой смеси, циркулирующей в космическом скафандре, в радиационных, испарительных или сублимационных теплообменниках или в теплообменниках, где источником холода является жидкий кислород.
2.Удаление тепла за счет испарения воды в специальных панелях, расположенных в космическом скафандре или в рукавах.
3.Удаление тепла с помощью хладагента, циркулирующего по трубкам особой системы охлаждения, с последующим охлаждением циркулирующей жидкости в теплообменниках. Система водяного охлаждения такого типа может удалять из космического скафандра до 400—500 ккал/час тепла. Температура воды на входе в космический скафандр при этом должна быть в пределах 10—12° С, расход воды должен составлять 1,5—2 л/мин. Способы удаления тепла можно сочетать, можно также дополнить один способ другим. Проблему теплорегулирования, связанную с использованием автономных скафандров, можно решить, либо выбором материала, покрывающего космический скафандр снаружи, с тщательно подобранными свойствами для уменьшения обмена теплоизлучением между скафандром и окружающей средой, либо использованием экранно-вакуумной теплоизоляции. Предлагается для этой цели использовать алюминизированную пленку.
ИЗМЕРЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ
Обеспечение максимальной работоспособности космонавта, одетого в космический скафандр, требует исследования биомеханики системы человек — скафандр при различных условиях. Е. Рот представил биомеханические расчеты рабочих характеристик человека и расхода энергии при различных рабочих ситуациях. Эти данные полезны при расчете космического скафандра, который был бы адекватен общей метаболической стоимости работы, выполняемой в скафандре. Однако прямую экстраполяцию делать нельзя, поскольку характеристики лунной среды
сильно отличаются от характеристик земной среды.
Одной из важнейших проблем, возникшей перед высадкой на поверхность Луны, было предсказание уровня энерготрат космонавта. Уровень энерготрат представляет собой важный параметр, связанный с длительностью снабжения, которую может обеспечить ранцевое устройство, и со степенью удобств космонавта. При более тяжелой работе человек выделяет больше метаболического тепла, расходует больше кислорода и выделяет больше двуокиси углерода и водяных паров. Все это оказывает сильное влияние на конструкцию и использование ранцевой системы, носимой космонавтом. Энергетические уровни, как уже указывалось, можно определить для данных задач в условиях земного тяготения, но было неизвестно, будут ли эти пропорции выше или ниже в условиях лунного притяжения. Уменьшенный вес самого человека, скафандра, ранцевой системы жизнеобеспечения и т. п. на Луне, казалось бы, должны привести к снижению скорости обмена веществ. Однако уменьшенный вес может означать пониженное сцепление с грунтом при ходьбе. А это в сочетании со свойствами лунного грунта и возможным нарушением равновесия между космонавтом и оборудованием может привести к усилению обмена веществ.
Существенная работа по определению действительного уровня энерготрат была выполнена во время самих лунных полетов. Эти сведения представляют большую ценность для планирования и разработки компонентов систем жизнеобеспечения будущих космических полетов. В табл. 3 приведены средние величины энерготрат космонавтов космических кораблей «Аполлон» во время выполнения операций на поверхности Луны. Уровень энерготрат определяли с помощью телеметрии тремя способами: измерениями теплового баланса, расхода кислорода и по частоте пульса. Тепловой баланс определяли по сравнению температур воды на входе в водоохлаждаемую одежду и на выходе из нее во время деятельности на лунной поверхности, расход кислорода измеряли непосредственно в портативной системе жизнеобеспечения, а частоту пульса во время работ на лунной поверхности сравнивали с тарировочной кривой расхода энергии, полученной на Земле на велоэргометре перед полетом.
Таблица 3. Время внебортовой деятельности на Луне и средний уровень энерготра
Метод определения теплового баланса. Этот метод (рис. 9) включает расчет общего количества тепла, удаленного замкнутой системой жидкостного охлаждения, и скрытой теплоты, отведенной контуром кислородной вентиляции. Общее количество этого тепла приравнивается к сумме метаболического тепла, теплопритока в скафандр и тепла, накопленного человеком. Ощутимое тепло, отведенное вентиляционным контуром, считается пренебрежимо малым и не учитывается.
Основные уравнения теплового баланса:
где Q — передача, накопление или выделение тепла, ккал/час; т — массовый расход, кг/час (определяется в предполетных испытаниях); С — удельная теплоемкость, ккал/кг * °С; АТ— перепад температур на одежде с жидкостным охлаждением (определяется по телеметрии); Ah — приращение энтальпии, кал/кг; TL — контур теплопередачи; VENT — контур вентиляции; МЕТ — метаболическое; ST — накопленное; H L — утечка тепла; О2 — сухой кислород.
Скрытая теплота испарения, уносимая потоком вентиляции, вычисляется умножением изменения энтальпии вентиляционного газа на фактический расход сухого кислорода. Энтальпию можно определить из психрометрических карт для кислорода при давлении, равном давлению в скафандре, если известны точки росы при входе и выходе. Точка росы для выхода из портативной системы жизнеобеспечения равна температуре газа, выходящего из сублиматора. Точка росы при входе в портативную систему устанавливается по данным предполетных испытаний. Далее, расход в вентиляционном контуре определяется по напору вентилятора с использованием кривых зависимости расхода от напора в скафандре. Расход сухого кислорода находят вычитанием расхода водяных паров из общего расхода вентиляционных газов.
Уровень энерготрат, вычисленный по данному методу, для командира экспедиции «Аполлон-12» во время первого выхода оказался равным от 229 до 265 ккал/час. Метод нуждается в допущении стабильности точки росы на входе в портативную систему жизнеобеспечения и имеет еще несколько источников ошибок, таких, как неточности в измерении расхода хладагента, вентиляционных расходов, перепадов температуры на одежде с жидкостным охлаждением и утечки тепла.
Метод определения расхода кислорода. Расход кислорода зависит только от скорости
Рис. 9. Схема для расчета теплового баланса
1— космонавт,
2— теплоизлучение организма,
3— запас тепла в организме,
4— тепловой поток через шлем,
5— портативная система жизнеобеспечения,
6— питьевая вода,
7— контур теплопередачи,
8— тепло от контура теплопередачи,
9— контур вентиляции,
10— тепло от контура вентиляции,
11— электрооборудование,
12— тепло от электрооборудования,
13— гидроокись лития,
14— тепло от гидроокиси лития,
15— сублиматор,
16— тепло от сублиматора,
17— тепло к питьевой воде
обмена веществ. Поэтому этот метод представляет собой наиболее прямое измерение скорости обмена веществ и утечек из скафандра, которое можно выполнить на основе телеметрических данных. Соотношение между расходом кислорода и скоростью обмена веществ известно давно. Основное уравнение, выражающее это соотношение, имеет вид
где Q met — метаболическая нагрузка, ккал; mо2 — массовый расход кислорода, кг; RQ — дыхательный коэффициент, выражающий отношение объема выделяемой двуокиси углерода к объему израсходованного кислорода.
Масса кислорода, выданного портативной системой жизнеобеспечения, вычисляется по падению давления в баллоне (телеметрические данные) с использованием коэффициента сжимаемости, учитывающего отличие кислорода от идеального газа. Массу израсходованного кислорода находят вычитанием утечки кислорода из скафандра из массы кислорода, продуцируемого портативной системой жизнеобеспечения. Значение дыхательного коэффициента берут по данным наземных испытаний.
Используя этот метод, установили, что уровень энерготрат у командира экспедиции «Аполлон-12» во время первого выхода составил 211 ккал/час. Источником ошибки в этом методе является неопределенность утечек из скафандра, неточность отсчета давления кислорода и произвольный выбор дыхательного коэффициента RQ.
ПОДВИЖНОСТЬ
Одной из главных проблем при создании надувных скафандров еще со времен Б. Поста является их подвижность. Когда скафандр находится под давлением, он теряет гибкость и препятствует движениям космонавта. По этой причине конструкторы пытаются совместить минимальное давление в скафандре с физиологическими требованиями жизнеобеспечения и декомпрессии.
Требование подвижности к надувному скафандру наиболее трудно удовлетворить технически. Сочленения скелета допускают два вида движений: вращение и сгибание
Таблица 4. Классификация и механизация основных движений тела
(соответствует техническим соединениям: вал с втулкой и шаровой шарнир). Сложные движения, которые допускаются шаровым шарниром (плечевой или тазобедренный суста-вы), можно разложить на два указанных выше простых движения. Технический успех жесткого скафандра определяется конструкцией его сочленений, которые могут двигаться подобно сочленениям тела с минимальным трением и минимальным изменением объема скафандра. Характер движений в суставах и сочленениях представлен в табл. 4.
Проблему подвижности локтевых и коленных сочленений можно решить, используя секции в виде апельсиновых долек в скафандре с прочными продольными струнами, расположенными вдоль нейтральной линии, длина которых не изменяется при сгибании сустава. Шарниры плечевого и бедренного сочленений скафандра чаще всего делают из гофрированных металлических листов, которые снабжены дополнительными тягами, скользящими по роликам или направляющим стержням. Подвижность кисти обеспечивается герметически уплотненными сочленениями с небольшим вращением. Плечевое сочленение разрешает свободное движение рук в вертикальной плоскости. Локтевое сочленение допускает движение руки вдоль продольной оси.
Перчатки космического скафандра обеспечивают подвижность и комфорт следующим образом: они раскроены так, что пальцы наполовину согнуты, и снабжены сочленениями типа апельсиновых долек. Шлемы бывают двух типов — пространственные или вращающиеся. В пространственных (трехмерных) шлемах возможно свободное движение головы внутри них. Вращающиеся шлемы поворачиваются при повороте головы космонавтом. Герметизация при повороте обеспечивается в месте сочленения шлема с воротом скафандра.
ОБЗОРНОСТЬ И ЗАЩИТА ГЛАЗ
Длительный космический полет требует, чтобы человек работал в совершенно своеобразных условиях среды, в которых интенсивность видимой и невидимой радиации изменяется, уровни контраста также меняются, а зрительные сигналы, основанные на эффектах тенп п рассеяния света, совершенно различны.
Одной из наиболее критических проблем для конструкторов космических скафандров является создание обзорного устройства, обеспечивающего необходимую защиту зрения.
В табл. 5 перечислены некоторые основные факторы, которые приходится учитывать при проектировании обзорного устройства для шлема космического скафандра.
Таблица 5. Физиологические факторы, влияющие на конструктивные решения обзорного устройства
Обзорное устройство, разработанное для варианта космического скафандра «Аполлон», предназначенного для выхода на лунную поверхность, было спроектировано с учетом факторов, перечисленных в табл. 5. Внешнее смотровое стекло этого двойного устройства обладает высокой отражательной способностью в отношении инфракрасной радиации (общая прозрачность примерно 18%). Такое свойство было обеспечено осаждением в вакууме тонкого слоя золота (толщина слоя 375 А). Проблема устранения обратного отражения изображения самого космонавта, которое может вызвать некоторые зрительные искажения, была решена с помощью интерфе-ренцирующего покрытия. При его исследовании было установлено, что обратное отражение составляет всего 8—9%.
Внутреннее остекление защищает космонавта от ультрафиолетовых лучей. Оно отличается высокой прозрачностью, необходимой для работы в условиях лунной ночи. Стекло отражает инфракрасные лучи, что позволяет использовать теплоизлучение головы космонавта для предотвращения конденсации и замерзания влаги на внутренней поверхности смотрового окна. Светофильтр космического скафандра, спроектированного в СССР, снижает интенсивность солнечного света до 3—15%; часть солнечной радиации с длиной волны менее 0,35 мкм, которая биологически особенно вредна, не проходит через остекление, а прозрачность для инфракрасной области спектра ограничивается 5—10%
КОСМИЧЕСКИЙ СКАФАНДР И ПОРТАТИВНЫЕ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
В табл. 6 приведены данные о функциональных и конструктивных особенностях скафандров США, а в табл. 7 — о системах выходных скафандров и о деятельности космонавтов вне корабля. Космические скафандры* использованные в советской программе исследования космоса, разделяются на два типа. Системы космических скафандров «Восток» й «Восход-2» отличаются вентиляцией открытого цикла. На рис. 10 приведена схема системы космического скафандра, который использовали на космическом корабле «Восток».
В скафандре «Восход-2» космонавт выходил в открытый космос, неся на спине резервуар. с чистым кислородом.
Второй тип космического скафандра, используемого в космических исследованиях в СССР, относится к регенеративному типу. Такой скафандр был применен в программа «Союз». На рис. 11 приведена блок-схема системы жизнеобеспечения для таких космических скафандров.
Основными элементами космических скафандров являются оболочка, съемные перчат-ки, гермошлем и автономная или бортовая системы жизнеобеспечения. Оболочка состоит из силового слоя, состоящего из прочной ткани и системы троссов и шнуровки. Эта оболочка создает прочность скафандру, сохраняет форму, противодействует избыточному давлению, а также обеспечивает возможность регулировки размеров. Под силовым слоем размещается герметический слой. Тепловая изоляция обеспечивается эластичным слоем с низкой теплопроводностью. На внутренней поверхности этого слоя выполнена система, вентиляции, через которую поступает газовая: смесь к различным участкам, скафандра. Эти: слои космического скафандра, в различных, моделях могут быть едиными или комбинированными.
Первый американский космический скафандр для пребывания вне корабля известен под обозначением G-IV-C (рис. 12). Самый внешний слой этого скафандра был выполнен из теплостойкого нейлонового материала. Следующий силовой слой — из сетчатого материала, специально рассчитанного на обеспечение подвижности и на противостояние давлению в скафандре. Герметический слой выполнен из нейлона, покрытого неопреном. Для защиты от теплового излучения и от мик-
Таблица 7. Итоги внебортовой деятельности в открытом космосе
Рис. 10. Система жизнеобеспечения космического скафандра на корабле типа «Восток»
1— основной вентилятор,
2— резервный вентилятор,
3— экономайзер,
4— баллоны с воздухом,
5— баллон с кислородом,
6,7 — зарядные штуцеры,
8— редуктор для регулирования скорости потока,
9— кислородный прибор,
10— редуктор кислородного баллона,
11— разъем,
12— баллон с кислородом,
13— регуляторы давления,
14— вентиляционный шланг
Герметический слой выполнен из нейлона, покрытого неопреном. Для защиты от теплового излучения и от микрометеоритов в скафандре имеется слой из алюминизированного материала.
Шлем снабжен откидным козырьком, предназначенным для защиты внутреннего смотрового стекла от ударов и для дополнительной защиты глаз от повышенного уровня ультрафиолетовой радиации вне атмосферы Земли.
Кислород к скафандру поступал через привязной шланг длиной 7,6 м, подсоединенный к кислородной системе космического корабля, и далее через небольшую коробку, закрепленную на космическом скафандре. В этой коробке размещалось небольшое устройство, управляющее величиной давления и вентиляционным потоком. На рис. 13 показана система жизнеобеспечения для этого скафандра.
Сбор мочи и кала в скафандре «Джемини», так же как и в скафандре «Меркурий», осуществлялся с помощью сборных мешков.
Рис. 11. Блок-схема основных агрегатов автономной системы жизнеобеспечения скафандра на корабле «Союз»
1— вентилятор,
2— блок поглощения углекислоты,
3— блок терморегуляции и отделения влаги,
4— основной кислородный баллон,
5— агрегаты кислородного оборудования,
6— датчик абсолютного давления в космическом скафандре и в системе,
7— датчик температуры воздуха, поступающего в скафандр,
8— датчик содержания углекислоты,
9— к скафандру,
10— к приборам управления кораблем и телеметрической системе,
11— отвод паров,
12— от скафандра
Сборником мочи служил эластичный латексный резервуар, прикрепленный к прорезиненному мешку. Сборником кала — пластмассовый мешок с круговой адгезивной обкладкой.
Во всех пилотируемых космических полетах осуществлялось медицинское наблюдение за космонавтами в реальном времени с помощью телеметрических устройств.
Измеряемые параметры получали с помощью наклеек с мягкими биодатчиками. Таким образом можно было получать электрокардиограмму, измерять частоту дыхания и получать дополнительную физиологическую информацию, включая температуру тела или скафандра и уровень содержания углекислоты. Устройство мягких наклеек с биодатчиками показано на рис. 14. При исследовании Луны наряду с жидкостным охлаждением внутренней одежды, портативной системой жизнеобеспечения (в наспинном ранце) и аварийной кислородной системой применялись лунное обзорное остекление шлема и другие устройства, входящие в специальный подвижный внебортовой узел «Аполлон»
Рис. 12. Космический скафандр проекта «Джемини» для выхода в открытый космос
1— нижнее белье,
2— вентиляционный слой для создания комфортных условий,
3— герметичная оболочка,
4— силовая оболочка (соединительная сетка),
5— буферный слой,
6— термослой с алюминиевым покрытием,
7— фетровая прокладка,
8— наружный слой
Рис. 13. Система жизнеобеспечения «Джемини-4» для выходного скафандра1— клапан,
2— регулятор давления,
3— запорный клапан,
4— баллон с кислородом,
5— расходный регулятор скафандра и клапан сбросадавления,
6— манометр,
7— ручной кислородный аварийный клапан,
8— ограничитель питающего канала потока,
9— штуцер питающего канала,
10— биотелеметрия и коммуникации,
11— фал,
12— соединение с парашютом,
13— контрольный клапан,
14— привязной фал в сборе длиной 25 футов (7,62 м),
15— ограничитель расхода,
16— U-образные штуцера,
17— быстроразъемное соединение,
18— клапан восстановления давления в кабине
(EMU). На рис. 15 показано снаряжение для деятельности на поверхности Луны по программе «Аполлон». Как видно на фотографии, внебортовой скафандр состоял из основного космического скафандра «Аполлон», поверх которого надевалась одежда для защиты от теплоизлучений и метеоритов. Основной скафандр состоял из нейлонового внутреннего слоя, нейлоновой покрытой неопреновым каучуком герметической оболочки и нейлонового же ограничивающего слоя силовой оболочки. Внешние слои с внутренней стороны изготовлялись из материала «Номекс» и двух слоев ткани «Бета», покрытой тефлоном. Кислородное соединение, коммуникации и провода биомедицинских датчиков были прикреплены к разъемам на туловище скафандра. Под это снаряжение надевалась внутренняя одежда с жидкостным охлаждением. Она выполнялась из трикотажного материала «нейлон-спандекс» с сетью пластиковых трубочек, по которым циркулировала охлаждающая вода.
Жизнеобеспечение во время деятельности на поверхности Луны осуществлялось с помощью ранцевой портативной системы жизнеобеспечения. Эта система снабжала космонавта кислородом и подавала охлаждающую воду к внутренней одежде (рис. 16). В нее входили также оборудование связи и телеметрии, источники питания и т. п. Система удаляла углекислоту из вентиляционного потока и обеспечивала передачу информации по телеметрии. В верхней части ранца (см. рис. 15) была расположена дополнительная система подачи кислорода, которая была рассчитана на снабжение газообразным кислородом в непредвиденном случае в течение минимум 40 мин.
Работа портативной системы жизнеобеспечения происходила следующим образом. Вода, циркулирующая по трубкам охлаждения внутренней одежды, отбирала метаболическое тешго и обеспечивала охлаждение за счет теплопроводности. Затем эта вода проходила в сублиматор и там охлаждалась. Система кислородной вентиляции подавала кислород, удаляла двуокись углерода и другие газы и регулировала влажность. Загрязняющие примеси удалялись из кислорода при входе его в ранец с помощью патрона из активированного угля. Двуокись углерода связывалась химически с
Рис. 14. Наклейки с биодатчиками (программа «Джемини»
Рис. 15. Снаряжение для выхода на поверхность Луны (программа «Аполлон»)
гидроокисью лития. Излишняя влага в газовом потоке задерживалась фитильным водо-сепаратором. Поток газа охлаждался в теплообменнике (сублиматорном). Система кислородной подачи являлась независимым устройством открытого цикла, которое могло или подавать кислород в случае аварии основной системы снабжения, или открывать контур потока в случае полного выхода из строя вентиляционной системы ранца.
Удаление отходов во внебортовом скафандре осуществлялось с помощью калоприемни-ка и сборника мочи и устройства передачи (рис. 17). Калоприемник состоял из эластичных трусиков с адсорбирующим подкладочным слоем в области ягодиц и с отверстием для половых органов в передней части. Эта система допускала непреднамеренную дефекацию в момент, когда космонавт одет в скафандр и последний находится под давлением. Подсистема собирала кал и предотвращала его попадание на одежду. Влага из фекалий абсорбировалась подкладочным слоем и испарялась в атмосферу скафандра, откуда затем удалялась через систему вентиляции. Емкость системы сбора фекалий составляла примерно 1000 см3 твердого вещества. До сих пор система сбора фекалий во время вылазок на Луну космонавтами не использовалась. Устройство сбора и передачи мочи в скафандре обеспечивало сбор и промежуточное хранение жидких отходов во время запуска, внебортовой деятельности или в непредвиденных случаях, когда бортовая система удаления отходов космического корабля не могла быть использована. Эта система могла собирать до 950 см3 жидкости со скоростью до 30 см3/сек.
Рис. 16. Нижнее белье с жидкостным охлаждением
1— застежка-молния,
2— штуцер,
3— магистраль,
4— трубки,
5— дозиметр
Рис. 17. Устройства для сбора фекалий (а) и сбора и отвода мочи (б)Рис. 18. Остекление лунного скафандра1— боковое стекло,
2— центральное стекло,
3— козырек,
4— солнцезащитное устройство,
5— защитное устройство,
6— покрытие,
7— застежка
Рис. 19. Мешочек с водой для пользования при выходе на поверхность Луны в скафандре «Аполлон»
Для работы этой системы никаких ручных регулировок не требовалось. Створчатый обратный клапан предотвращал обратное течение из сборного мешка. Собранную мочу можно было перелить через оболочку скафандра в бортовые емкости для мочи командного отсека или лунного модуля во время его наддува или декомпрессии. Устройство для сбора мочи размещалось поверх внутренней одежды или под ней; оно соединялось шлангом с мочепроводным ниппелем на скафандре.
Остекление шлема (LEVA) в лунном скафандре, как и в снаряжении «Джемини», было двойным. Стекла устанавливались на шарнирах на поликарбонатной оболочке, прикрепленной к шлему. Остекление обеспечивало защиту космонавта от ударов микрометеоритов, от теплового, ультрафиолетового и инфракрасного излучений.
Внутреннее лицевое стекло использовалось для работы в темноте или в тени и отличалось высокой прозрачностью в области видимых лучей. Это стекло было сделано из поликарбоната, который обеспечивает защиту от ультрафиолетовой радиации. Наружное стекло защищало космонавта от инфракрасных лучей, отражаемых лунной поверхностью благодаря покрытию его внутренней поверхности тончайшим слоем золота. Начиная с полета «Аполлона-12» к остеклению добавили сверху солнцезащитный козырек в средней части обода шлема. На рис. 18 показано остекление лунного скафандра.
Другой модификацией со времени полета «Аполлона-12» было добавление мешочка с питьевой водой объемом 1080 см3, который крепится внутри шейных колец скафандра (рис. 19). Космонавт мог сделать глоток воды объемом от 15,3 до 20,3 см3 из мешочка через трубку диаметром 3,2 мм, конец которой был расположен недалеко от рта. Мешочек заполнялся водой из переносного водяного бачка лунного модуля.
НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КОСМИЧЕСКИХ СКАФАНДРОВ
В настоящее время прилагаются большие усилия для решения новых проблем и устранения недостатков, обнаруженных при пользовании космическими скафандрами и их системами. В результате этих усилий увеличена подвижность скафандра (рис. 20). Уменьшение величины моментов вращения и увеличение срока службы (числа вращательных движений) сочленений, достигнутое во всех соединениях усовершенствованных космических скафандров для внебортовых операций, представляется большим техническим достижением. Это было обеспечено путем использования сочленений с постоянным объемом, в которых не совершается работа по изменению объема против давления.
Рис. 20. Подвижность различных космических скафандров
1— «Меркурий»,
2— «Джемини»,
3— «Аполлон-Скайлэб»,
4— новые скафандры
* Повышенная подвижность определяется как увеличенные степени подвижности во всех плоскостях плюс пониженные моменты трения в сочленениях плюс стабильность многопозиционных сочленений
** Скафандры предназначены для внебортовых работ на орбитах и лунной поверхности
Рис. 21. Космический скафандр типа RX-1
Для сравнения можно отметить, что в сочленениях первых скафандров «Джемини» использовалась соединительная сетка (не сохраняющая постоянного объема), а сочленения в первых скафандрах «Аполлон» представляли собой фасонные гофрированные сочленения, также не сохраняющие постоянного объема.
Примером жесткого скафандра, имеющего сочленения с постоянным объемом, является скафандр модели RX-1 (рис. 21). В рабочем состоянии скафандр сохраняет практически любую форму, так как при этом обеспечивается поддержание постоянного объема. В то же время он позволяет выполнять практически любые движения тела с минимальными затратами энергии. Основным принципом скафандра постоянного объема является использование вращающихся гофрированных сочленений.
Во вращающемся гофрированном сочленении используются жесткие кольца, снабженные ограничителем продольного движения; благодаря этому ткань сочленения легко складывается и разворачивается, сохраняя объем сочленения при максимальном диапазоне его движения.
Металлические кольца в гофрированном сочленении входят одно в другое. Рукав из прорезиненной ткани закрепляется между этими кольцами и действует как герметичная оболочка. Кольца размещены таким образом, что ткань между ними укладывается в виде складок или гармошки. В этом случае максимальная нагрузка является чистым растяжением, которое может легко поглощаться подвижными стальными тросиками, соединяющими все кольца. Первое и последнее кольца приварены к жестким частям конструкции скафандра. При сгибе сочленения ткань складывается или расправляется между кольцами; при этом увеличение объема на одной стороне сочленения компенсируется таким же уменьшением объема на другой стороне.
Таким образом, общее изменение объема равно нулю и на это не тратится каких-либо усилий. Поэтому момент вращения, необходимый для изгиба сочленения, определяется только внутренним трением ткани и тросов
В исследовательском центре Эймс НАСА разработан другой жесткий скафандр АХ. За исключением мягких перчаток, весь скафандр выполнен из жестких материалов и отличается исключительной подвижностью с малыми моментами трения и малыми утечками. Особенностью программы разработки этого скафандра, обеспечивающего такую большую подвижность, было использование сочленений в виде «самоварной трубы» (рис. 22).
Для преодоления недостатков, связанных со складыванием «негнущихся жестких скафандров», в НАСА предпринята разработка «гибридного» скафандра. Такой скафандр конструируют из жесткого материала, но с участками из более мягкой ткани (рис. 23).
Такая комбинация объединяет преимущества жестких и мягких космических скафандров. В этих скафандрах в плечевых и тазобедренных сочленениях использованы сочленения типа «самоварная труба», а в локтевом, коленном, лодыжечном суставах и в области талии — фасонные сильфонные складки. При складывании скафандра ткань сочленений спадается.
Для облегчения надевания в скафандре сделан единый разъем в области талии. Моменты трения в таком скафандре почти вдвое меньше, чем в существующих конструкциях. Кроме того, он получается «безразмерным». Такой скафандр отличается также вновь разработанным плечевым сочленением на пяти подшипниках. В целом скафандр вместе с теплоизоляцией и противометеоритной защитой можно сложить в пакет с размерами 37,46 см по высоте, 71,1 см в длину и 66 см в ширину.
Гибридная конструкция этого скафандра в сочетании с улучшенными сочленениями постоянного объема обеспечивает прекрасные характеристики подвижности. В плечевом сочленении имеются четыре сегментные секции и пять уплотненных подшипников. Углы сегментов выбраны так, чтобы можно было делать движение рукой в любой плоскости без ограничения и без предварительного программирования. В локтевом сочленении использовано одноосевое складчатое сочленение постоянного объема. Постоянное сочленение состоит из двух эллиптических складчатых секций; одноосевые сочленения выполнены так, что плоскости изгиба расположены под углом 90° друг к другу. Боковые наклоны в талии допустимы в диапазоне примерно ±20°. Наклон вперед в талии допускается в диапазоне 65°; в предыдущих скафандрах этот диапазон был значительно меньше.
Рис. 22. Космический скафандр типа АХ-1
Рис. 23. Новейший космический скафандр (гибридный) для внебортовой деятельности
Рис. 24. Моменты, необходимые для изгиба талии в космических скафандрах с сочленением непостоянного объема (1) и в гибридном скафандре с сочленением постоянного объема (2); давление в скафандре 191 мм рт. ст.
Рис. 25. Перчатки космического скафандра, обеспечивающие большую подвижность
На рис. 24 указаны моменты, необходимые для различных степеней изгиба в талии для существующих скафандров с сочленениями непостоянного объема и для разработанного гибридного скафандра, диапазон изгибов которого расширяется до 100° и более.
Скафандр, рассчитанный на давление 414 мм рт. ст., соответствующее высоте 4880 м. В разработке такого скафандра для внебортовой деятельности будет использована технология создания гибридного скафандра.
При использовании этого скафандра можно отказаться от предварительного дыхания (prebreathing) кислородом, предотвращающего декомпрессионные расстройства. Космонавты экспедиций «Аполлон» прежде чем перейти в атмосферу космического корабля, состоящую из чистого кислорода при давлении 252—264 мм рт. ст., должны были вдыхать чистый кислород в течение примерно трех часов. При такой мере предосторожности никаких инцидентов, связанных с декомпрессией, в космической программе США не наблюдалось.
Однако, если разработка скафандра на давление 414 мм рт. ст. увенчается успехом, при переходе от давления 760 мм рт. ст. в космическом корабле к давлению в скафандре надобность в такой процедуре отпадет.
В процессе выполнения указанной программы на сегодняшний день созданы системы сочленений космического скафандра, которые могут работать в диапазоне давлений в скафандре от 258 до 363 мм рт. ст. Эти системы высокого давления основаны на технике сочленений постоянного объема и используют технологические процессы, удовлетворяющие в принципе требованиям работоспособности, надежности и разрывающего усилия, предъявляемым к скафандру с давлением 414 мм рт. ст.
Усовершенствованные перчатки. По мере увеличения объема и сложности работ в открытом космосе повышаются требования к подвижности пальцевых и кистевых сочленений скафандров. Космические инструменты в будущем станут более разнообразными и более сложными, поэтому необходимо улучшить технологию изготовления перчаток космического скафандра.
На рис. 25 показаны улучшенные перчатки, в которых для обеспечения лучшего захвата использован принцип сочленения постоянного объема. Кроме того, сочетание тканей, использованное для изготовления пальцев перчаток, улучшает их тактильные характеристики.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ВНЕБОРТОВОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Космические инструменты. Различные типы инструментов, которые требуются для выполнения работ в космосе, например при исследовании лунной поверхности, можно видеть на рис. 26.
Исследования показывают, что: 1) силовые инструменты должны быть компактны; 2) необходима разработка какой-то системы для удержания инструмента возле человека независимо от типа инструментов, используемых
при внебортовой деятельности, и 3) если человек привязан, инструменты без отдачи не имеют особых преимуществ перед обычными инструментами.
Подвижная платформа для внебортовой деятельности. Разработка конструкции рабочей платформы для внебортовой деятельности (рис. 27) показала, что маневренная тележка с открытым основанием может помочь космонавту выполнять его задачи в космосе.
Рис. 26. Инструменты для работы в космосе
1— совок,
2— укладка для 20 пакетов,
3— кинокамера с объективом 20 мм,
4— молоток,
5— портативная система жизнеобеспечения,
6— ранец пилота,
7— укладка для колпачков пробозаборных трубок,
8— ранец командира,
9— сменные пробозаборные трубки и шомпол,
10 — мешок для сбора образцов,
11— маркерный карандаш,
12— карандаш с подсветкой,
13— специальный контейнер для забора проб внешней среды,
14— камера с объективом 500 мм,
15— ручные часы — хронограф,
16— манжета для записей,
17— клещи,
18— карман для листков с записями
Движитель платформы доставит космонавта к месту работы. Манипуляторы помогут космонавту при швартовке и будут служить как бы продолжением рук или «внешними руками» после швартовки. Платформа крепится к рабочей площадке якорями.
Телеоператоры. Для расширения пространственных человеческих возможностей, для проникновения во вредную для человека среду, а также для увеличения его энергетических и силовых возможностей можно использовать телеоператоры. Эти устройства могут принимать различные формы. На рис. 28 показаны плечо и рука жесткого космического . скафандра НАСА, предназначенного для внебортовой работы с биоэлектрическим манипулятором (телеоператором). Здесь между движениями руки космонавта в скафандре и механическим исполнителем, размещенным па рабочей платформе, имеется управляемая связь « один-к-одному ».
Широкий набор функций телеоператоров включает монтаж спутников, их ремонт, обслуживание, строительство и использование аварийных устройств.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ МАНЕВРИРОВАНИЯ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ
Автономная ручная маневровая установка. На рис. 29 показано устройство, которое использовал космонавт Эдвард Уайт в программе полета «Джемини-4». Эта система содержит собственный источник холодного газа высокого давления с необходимыми клапанами и соплами для создания управляемой тяги. Для перемещения вперед космонавт нажимает переднюю часть гашетки. Для остановки или для движения назад нужно нажать заднюю часть гашетки. Эта система позволяет выполнять движения вне корабля с существенно меньшей затратой энергии космонавта.
Транспортные средства космонавта. Для программы «Скайлэб» созданы более сложные устройства маневрирования, которые прошли экспериментальную проверку в полетах по этой программе. Сюда входят маневровый исследовательский транспортный аппарат космонавта и маневровый аппарат с ножным управлением. Маневровый исследовательский транспортный аппарат (рис. 30) можно использовать в четырех режимах: в качестве
Рис. 27. Рабочая платформа для вне бортовой деятельности
Рис. 28. Телеоператор
Рис. 29. Автономная ручная маневровая установка
а — схема, б — общий вид;
1— заправочный штуцер,
2— запорный вентиль,
3— патрубок,
4— муфта,
5— регулятор давления,
6— кланан толкающего сопла,
7— узел ручного управления,
8— тянущее сопло,
9— клапан тянущего сопла. 10 — толкающее сопло,
11— баллоны,
12— штифт
Рис. 30. Космонавту управляющий транспортной установкой
ручной маневровой установки, для обеспечения прямолинейного движения, для гироскопической стабилизации пространственного положения и для гироскопического контроля вращательного движения. Аппарат обеспечивает шесть степеней свободы при маневрировании с автономными перезаряжаемыми подсистемами и снабжен широким набором приборов для измерения характеристик системы в полете, движений человека и движения привязного фала. В транспортном аппарате ножного управления (рис. 31) используются ножные рычаги управления, несбалансированные двигатели пространственного положения и двигатели перемещения, действующие примерно в направлении вертикальной оси тела. Космонавт садится на этот аппарат, как на велосипед. Двигатели, прикрепленные к раме, обеспечивают ускорения при перемещении около 0,03 м/сек2 и номинальные ускорения при изменении пространственного положения около 4 град/сек2.
Скачать реферат:
Пароль на архив: privetstudent.com