Части снаряжения образуют оболочку, непроницаемую для компонентов внешней среды (жидкостей, газов, излучений). Скафандры в основном подразделяются на авиационные, водолазные и космические .
Название
Гравюра изображает водолазный костюм Ла Шапеля (1775).
В Древней Греции «скафандрами» называли хороших пловцов и ныряльщиков.
В современное время термин «скафандр» был в первый раз предложен в 1775 году аббатом Ла Шапель в своей книге Traité de la construction théorique et pratique du scaphandre ou du bateau de l"homme . Аббат Ла Шапель назвал так предложенное им костюм из пробки, который бы позволял солдатам пересекать реки.
Опасности выходов в открытый космос
Тренировка водолаза . Нормобарический скафандр - снаряжение, предназначенное для глубоководных (до 600 метров) работ, во время которых пилот скафандра продолжает находится при обычном атмосферном давлении, что, соответственно, снимает заботу о декомпрессии , исключает азотное , кислородное и иные отравления
Показательно, что самый первый достаточно опасный инцидент случился во время первого выхода космонавта в открытый космос в 1965 г. Выполнив программу первого выхода, Алексей Архипович Леонов испытал трудности с возвращением на корабль, поскольку отпустив поручень, он в условиях невесомости не мог войти ногами в люк шлюзовой камеры космического корабля «Восход ». Это произошло из-за недостатков в подготовке к первому выходу в открытый космос. Его скафандр раздулся. Также шарниры скафандра «Беркут » имели недостаточную подвижность, которая напрямую зависит от уровня давления в скафандре. Совершив несколько попыток войти в шлюз ногами вперед, космонавт решил войти в него головой вперед. Повернув регулятор давления, космонавт снизил уровень избыточного давления в скафандре с режима 0,4 атм на режим 0,27 атм, что позволило ему вернуться в шлюзовую камеру. Возможность снижения давления была предусмотрена конструкцией скафандра. Внутри камеры космонавт с большим трудом развернулся и закрыл за собой люк. Затем шлюзовая камера была наддута, давление в ней сравнялось с давлением в кабине корабля. Космонавт Леонов вернулся в корабль.
Ещё один потенциально опасный случай произошёл во время второго выхода в открытый космос астронавтов космического корабля «Дискавери» (полёт STS-121). От скафандра Пирса Селлерса отсоединилась специальная лебёдка , которая помогает вернуться на станцию и не даёт астронавту улететь в открытый космос. Вовремя заметив проблему, Селлерс с напарником смогли прикрепить устройство обратно и выход был завершён благополучно.
В настоящее время (в 2008 г.) совершены сотни выходов в открытый космос. Решены многие научные задачи, произведены ремонты космических кораблей, станций и спутников. Наиболее известен ремонт телескопа «Хаббл », который отремонтировали астронавты. Скафандры для выхода в открытый космос совершили значительную эволюцию со времен «Беркута». Космонавтами и астронавтами собрано множество конструкций (антенны, фермы, солнечные батареи и т. д.). Доказана возможность успешной работы человека в открытом космосе. Разработка специальных телеуправляемых или автономных роботов пока не приводит к успеху.
«Стратонавты»
Эдвин Олдрин на поверхности Луны. Скафандр Apollo A7L
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Скафандр" в других словарях:
Водолазный шлем со стеклами, надевается на голову, позволяет видеть под водою и ограждает голову водолаза от ушибов. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Павленков Ф., 1907. СКАФАНДР от лат. scapha, челнок. Плавательный… … Словарь иностранных слов русского языка
- (Scaphander) см. Водолазный аппарат или скафандр. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 Скафандр индивидуальное герметичн … Морской словарь
- (от греч. skaphe лодка и aner род. п. andros человек), индивидуальное герметическое снаряжение (оболочка, шлем, перчатки, ботинки), обеспечивающее жизнедеятельность человека в условиях, отличающихся от нормальных (под водой, в космосе и т. д.).… … Большой Энциклопедический словарь
скафандр - а, м. scaphandre m. <гр. skaphe ладья, челнок + kephale голова. 1. устар. Корсет или камзол из пробкового дерева сделанный, наколотой и покрытой плотным холстом, с помощью которого человек может удобно держаться на воде и переходить реку не… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
- (от греческого skaphe лодка и aner, родительный падеж andros человек), индивидуальное герметичное снаряжение (костюм), обеспечивающее жизнедеятельность и работоспособность человека в условиях, отличающихся от нормальных (под водой, в космосе и… … Современная энциклопедия
СКАФАНДР, герметическая одежда, позволяющая космонавту находиться в космосе. Состоит из множества слоев, состоящих из восьми материалов. Внешний слой представляет собой обработанный нейлон, который предотвращает пробивание скафандра мелкими… … Научно-технический энциклопедический словарь
СКАФАНДР, скафандра, муж. (от греч. skaphe лодка и aner человек). 1. Водолазный костюм с особыми приспособлениями для дыхания и работы под водою. 2. Специальный костюм для стратонавтов. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
В Древней Греции «скафандрами» называли хороших пловцов или ныряльщиков. Но по мере развития человеческих технологий так стали называться все средства защиты человека, позволяющие проникать в среды, где незащищенный человеческий организм ждет быстрая и не всегда легкая смерть. Сначала под воду, затем в воздух, а с относительно недавних пор и за пределы Земли.
История скафандра
Первым слово «скафандр» в его современном понимании использовал в 1775 году французский аббат-математик Жан Батист де ла Шапель. Так он назвал свой костюм из пробки, который должен был помочь солдатам форсировать реки. Идея была подхвачена, и уже к середине XIX столетия водолазы были штатной единицей на всех крупных морских флотах. В двадцатых годах XX века английский физиолог Джон Холден предложил использовать костюмы водолазов для защиты здоровья и жизни воздухоплавателей. Он же сконструировал первый подобный скафандр и испытал его в барокамере, имитировав давление, эквивалентное тому, что образуется на высоте в 25 км. Но собрать денег на строительство аэростата для подъема в стратосферу ему не удалось, и на практике костюм испытан не был.
После окончания Второй мировой войны начался бурный прогресс в реактивной авиации и человек стал забираться в воздух все выше и выше. И для покорения новых высот понадобился космический скафандр.
Первые проекты наши и зарубежные
Создание скафандра - это одна из самых технологически сложных и ключевых программ космического проекта. И прогресс в этой сфере достигался за счет соперничества двух космических сверхдержав.
В нашей стране космическими скафандрами первым стал заниматься Евгений Чертовский из Института авиационной медицины. В сороковых годах он разработал 7 типов герметичного снаряжения и первым в мире решил проблему мобильности, сконструировав модель 4-2 с шарнирами. С 1936 года разработкой скафандров космонавтов стал целенаправленно заниматься специально созданный Центральный аэрогидродинамический институт. В результате модель 4-3 содержала уже практически все детали, которые используют в современных скафандрах. В послевоенные годы конструировать скафандры стал Летно-исследовательский институт. А в октябре 1952 года в подмосковном Томилино инженером Александром Бойко был создан особый цех при заводе №918 (сегодня это НПП «Звезда»). Именно на нем и был создан скафандр Гагарина. Если в нашей стране испытания нового снаряжения проводились летчиками, то американцы пришли к созданию своей версии скафандра через стратосферную программу. В начале шестидесятых для испытания космических и авиационных скафандров были построены несколько стратостатов, оборудованных открытыми гондолами для приземления с большой высоты.
Программа оказалась смертельно опасной - из шести стратонавтов погибли трое. Но в итоге проект Excelsior все же закончился успехом. 16 августа 1960 года Джозеф Киттингер установил сразу несколько рекордов. Его падение из стратосферы длилось 4 минуты 36 секунд, за которые пилот пролетел 25 816 метров, развив скорость около 1000 км/ч.
Что такое современный скафандр?
Современный космический скафандр должен решать сразу несколько важных задач. С падением давления человеческому организму становится все труднее усваивать кислород. Без проблем человек может находиться на высоте не более 4-5 км. На больших высотах необходимо добавление кислорода во вдыхаемый воздух, а с 7-8 км человек должен дышать чистым кислородом. При подъеме на высоту выше 12 км легкие теряют возможность усваивать кислород и необходима компенсация давления.
На сегодня существует два типа компенсации давления: механическая компенсация и создание вокруг человека газовой среды с избыточным давлением. Первый вариант - это высотные компенсационные летные костюмы. Тело пилота опутывают ленточки, напоминающие восьмерку, в которые пропущена резиновая камера.
В случае разгерметизации в камеру подается сжатый воздух, она увеличивается в диаметре, сокращая диаметр кольца, опутывающего пилота. Однако в разгерметизированной кабине пилот может провести не более 20 минут. Второй путь - скафандр. По сути, это герметичный мешок, в котором создано избыточное давление. Время пребывания человека в скафандре практически не ограничено, но при этом существенно ограничивается подвижность. Рукав скафандра с избыточным давлением фактически представляет собой аэробалку с давлением в 0,4 атмосферы. Согнуть руку в таких условиях все равно, что согнуть накачанную автомобильную камеру. Поэтому скафандр делают составным, а одна из самых сложных технологий - производство специальных «мягких» шарниров.
Скафандр состоит из двух оболочек: внутренней герметичной и внешней силовой. Первая состоит из листовой резины, для производства которой используется высококачественный каучук. Внешняя оболочка - тканевая (американцы используют нейлон, мы - отечественный аналог, капрон). Она защищает резиновую оболочку от повреждений и держит форму. Очень похоже на устройство футбольного мяча, где кожаный чехол защищает накачанную резиновую камеру. Долго находиться в «резиновом мешке» человек не сможет, поэтому в скафандре присутствует система вентиляции.
Первые скафандры работали по вентиляционному принципу, выбрасывая использованный воздух наружу, как акваланг. По такому принципу были устроены первые скафандры СК-1, скафандр «Беркут», в котором Леонов выходил в открытый космос, спасательные скафандры «Сокол». Однако для длительного пребывания в открытом космосе и для американской лунной программы они не подходили. Для этих целей были разработаны регенерационные скафандры (советские «Орлан» и «Кречет» и американские A5L, A6L, A7L). В них выдыхаемый газ регенерируется, из него отбирается влага, воздух снова насыщается кислородом и охлаждается.
Под скафандр надевается специальный сетчатый костюм водяного охлаждения. А экранно-вакуумная изоляция внешнего костюма работает по принципу термоса и состоит из нескольких слоев специальной полиэтиленовой пленки с напыленным алюминием. В результате нивелируется воздействие как экстремально высоких, так и экстремально холодных температур.
Берегите голову
Шлем - одна из наиболее сложных деталей скафандра. В «авиационную эпоху» шлемы были двух типов: масочные (летчик использовал кислородную маску) и безмасочные (шлем отделялся от остального скафандра герметичной шторкой и становился одной большой кислородной маской с непрерывной подачей дыхательной смеси). В итоге победила безмасочная концепция, которая обеспечивала лучшую эргономику, хотя и требовала большего расхода кислорода. Именно такими стали делать шлемы для космоса, которые в свою очередь разделились на съемные и несъемные. Первый СК-1 комплектовался несъемным шлемом, а вот леоновские «Беркут» и «Ястреб» были съемными. Причем присоединялись они специальным герморазъемом с гермоподшипником, что давало возможность космонавту вертеть головой. Но дополнительная мобильность обернулась громоздкостью конструкции и в дальнейшем от нее отказались.
Обязательный элемент шлема для выхода в открытый космос - светофильтр. На первых моделях использовались светофильтры самолетного типа, покрытые тонким слоем серебра. Но их защитные свойства оказались недостаточными и в дальнейшем светофильтры скафандров стали напылять довольно толстым слоем чистого золота, обеспечивающего пропускание всего 34% света. Разбить «стекло» шлема практически невозможно: оно делается из сверхпрочного поликарбоната лексана. В результате это чудо инженерной мысли безумно дорого - современный американский шлем стоит около $12 млн; российский, как это часто бывает, несколько дешевле.
Скафандры будущего
Не секрет, что космические программы и СССР, и США были большой частью глобального военного соперничества. Крушение СССР резко затормозило прогресс в этой области. Нашей стране долгое время было вовсе не до космоса и лишь недавно последние советские наработки вытащили из-под сукна. Финансирование американской программы также было значительно сокращено (экспедиции на Марс, Венеру, астероиды и вновь на Луну отложены на неопределенное время). Китай пока на оригинальность не претендует и одевает своих тайконавтов в костюмы, сделанные на базе советских.
Так что пока, не имея конкретных, целевым образом финансируемых проектов, конструкторы развлекаются, создавая костюмы а-ля Голливуд. Американский перспективный проект Z-1, за сходство с нарядом мультяшного персонажа, прозвали «скафандром Базза Лайтера». А перспективное детище от Роскосмоса отлично подойдет то ли Робокопу, то ли Терминатору.
0
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 см 3 под давлением 122 кг/см 2 ,
4- от кислородной системы корабля, давление 122 кг/
/см 2 ,
5- редуктор, понижающий давление с 122 кг/см 2 до
3,4 кг/см 2 ,
6- редуктор, понижающий давление с 122 кг/см 2 до
4,76 кг/см 2 ,
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 P sp - абсолютное давление в скафандре в мм рт. ст., Со 2 , - 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); Р реr - допустимое парциальное давление двуокиси углерода в атмосфере космического скафандра (в мм рт. ст.); Р реr - 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 см 3 /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/ /м 3), 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 см 3 /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; О 2 - 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
1- космонавт,
2- теплоизлучение организма,
3- запас тепла в организме,
4- тепловой поток через шлем,
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; mо 2 - 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.
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»
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 см 3 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 см 3 жидкости со скоростью до 30 см 3 /сек.
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 см 3 , который крепится внутри шейных колец скафандра (рис. 19). Космонавт мог сделать глоток воды объемом от 15,3 до 20,3 см 3 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.
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
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.
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;
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/сек 2 и номинальные ускорения при изменении пространственного положения около 4 град/сек 2 .
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.
Каждому из нас знакомы фамилии первых космонавтов, их прославляют и превозносят, им ставят памятники,их пишут во всех учебниках истории. Но кто вот сейчас может назвать тех людей, которые добились всего этого? Кто создал первые скафандры, ракеты, те сложные устройства, благодаря которым человек одним шагом сделал огромный рывок вперед? Лично я не смогла ответить на эти вопросы, что показалось мне удивительным и печальным. Если вы тоже засомневались, то эта подборка для вас.
1. Кто изобрел первый ракетный двигатель?
Сформулировал основные математические положения ракетных двигателей впервые Константин Циолковский. Он выдвигал идею использования ракет для космических полетов и утверждал, что наиболее эффективным топливом для них было бы сочетание жидких кислорода и водорода.
2. Кто впервые предложил идею ракетного летающего аппарата?
Отцом ракетной техники на сегодняшний день считается Роберт Годдард. Он в 1926 г. осуществил запуск первой жидкостной ракеты, в качестве топлива для которой использовались бензин и жидкий кислород. За всю свою жизнь он запустил 34 ракеты,которые достигли высоты до 2,6 километров и скорости до 885 км/ч.
3. Кто изобрел скафандр?
Первый скафандр под названием СК-1 был изобретен в СССР в 1961-193 гг. Его разрабатывала команда советских ученых под руководством К. П. Феоктистова. Он весил 20 кг и мог работать в течение 12 суток в загерметизированной кабине, 5 часов при разгерметизации. Это было одним из важнейших изобретений космонавтики.
4. Кто отправил первого человека в космос?
Думаю, здесь будет уместно напомнить, что впервые человек был отправлен в космос 12 апреле 1961 года. В 1957-м при участи Владимира Петровича Бармин был окончен проект постройки стартового комплекса для Р-7, двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты, которая вывела на орбиту Земли космонавта Ю. Гагарина. В его честь был назван основной пояс астероидов 22254 Владбармин
5. Кто изобрел ракету «Сатурн-V» (та самая, что отвезла «Аполлон» и доставила первых людей на Луну)?
Вернер фон Браун,нацист, работал в США после войны. После переезда в США он разработал баллистическую ракету средней дальности. Он стал главным архитектором ракеты «Сатурн-V» и директором Центра космических полетов имени Маршалла.
Скафандры космонавтов - это не просто костюмы для полетов на орбите. Первые из них появились еще в начале двадцатого столетия. Это было время, когда до космических полетов оставалось практически полвека. Однако ученые понимали, что освоение внеземных пространств, условия которых отличаются от привычных нам, неизбежно. Именно поэтому для будущих полетов придумали снаряжение космонавта, которое способно защитить человека от убийственной для него внешней среды.
Понятие скафандра
Что же представляет собой снаряжение для полетов в космос? Скафандр - это своеобразное чудо техники. Он представляет собой миниатюрную космическую станцию, повторяющую форму тела человека.
Современный скафандр оснащен целой космонавта. Но, несмотря на сложность устройства, в нем все расположено компактно и удобно.
История создания
Слово «скафандр» имеет французские корни. Ввести это понятие предложил в 1775 г. аббат-математик Жан Батист де Па Шапель. Конечно, в конце 18-го века о полетах в космос никто даже и не мечтал. Слово «скафандр», которое в переводе с греческого означает «лодко-человек», решено было применить к водолазному снаряжению.
С приходом космической эры это понятие стало использоваться и в русском языке. Только здесь оно приобрело несколько иной смысл. Человек стал взбираться все выше и выше. В связи с этим возникла необходимость в специальном снаряжении. Так, на высоте до семи километров это теплая одежда и кислородная маска. Расстояния же в пределах десяти тысяч метров из-за падения давления требуют наличия герметичной кабины и компенсирующего костюма. В противном случае при разгерметизации легкие летчика перестанут усваивать кислород. Ну а если подняться еще выше? В таком случае понадобится космический скафандр. Он должен быть весьма герметичным. При этом внутреннее давление в скафандре (как правило, в пределах 40 процентов от атмосферного) сохранит жизнь пилоту.
В 1920-х годах появился ряд статей английского физиолога Джона Холдена. Именно в них автором было предложено использовать костюмы водолазов для защиты здоровья и жизни воздухоплавателей. Автор даже попытался внедрить свои идеи в жизнь. Он построил подобный скафандр и испытал его в барокамере, где было установлено давление, соответствующее высоте 25,6 км. Однако строительство аэростатов, способных подняться в стратосферу, - удовольствие не из дешевых. И американский воздухоплаватель Марк Ридж, для которого и был предназначен уникальный костюм, средств, к сожалению, не собрал. Именно поэтому скафандр Холдена на практике испытан не был.
В нашей стране космическими скафандрами занимался инженер Евгений Чертовский, который являлся сотрудником Института авиационной медицины. В течение девяти лет, с 1931 по 1940 г., он разработал 7 моделей герметичного снаряжения. Первым в мире советский инженер решил проблему подвижности. Дело в том, что при подъеме на определенную высоту скафандр раздувался. После этого пилот вынужден был прилагать большие усилия даже для того, чтобы просто согнуть ногу или руку. Именно поэтому модель Ч-2 была сконструирована инженером с шарнирами.
В 1936 г. появился новый вариант космического снаряжения. Это модель Ч-3, содержащая практически все детали, присутствующие в современных скафандрах, которые используют российские космонавты. Испытание данного варианта специального снаряжения состоялось 19.05.1937 г. В качестве летательного аппарата был использован тяжелый бомбардировщик ТБ-3.
С 1936 г. скафандры космонавтов стали разрабатываться и молодыми инженерами Центрального аэрогидродинамического института. К этому их вдохновила премьера фантастического фильма «Космический рейс», созданного совместно с Константином Циолковским.
Первый скафандр с индексом СК-ШАГИ-1 молодые инженеры сконструировали, изготовили и испытали в течение всего лишь 1937 г. Даже внешнее впечатление от этого снаряжения указывало на его внеземное предназначение. В первой модели для соединения нижней и верхней частей был предусмотрен поясной разъем. Значительную подвижность обеспечивали плечевые шарниры. Оболочка этого костюма была изготовлена из двухслойной
Следующий вариант скафандра отличался наличием автономной регенерационной системы, рассчитанной на 6 часов непрерывной работы. В 1940 г. был создан последний советский довоенный скафандр - СК-ШАГИ-8. Испытание данного снаряжения осуществили на истребителе И-153.
Создание специального производства
В послевоенные годы инициативу по конструированию скафандров для космонавтов перехватил Летно-исследовательский институт. Его специалисты получили задание на разработку костюмов, предназначенных для пилотов авиации, покоряющей все новые скорости и высоты. Однако для серийного производства одного института было явно недостаточно. Именно поэтому в октябре 1952 г. инженером Александром Бойко был создан особый цех. Он находился в подмосковном Томилино, на заводе № 918. Сегодня это предприятие называется НПП «Звезда». Именно на нем в свое время был создан скафандр Гагарина.
Полеты в космос
В конце 1950-х годов началась новая эра освоения внеземного пространства. Именно в этот период советскими инженерами-конструкторами было начато проектирование корабля «Восток» - первого космического транспортного средства. Однако изначально планировалось, что скафандры космонавтов для этой ракеты не понадобятся. Пилот должен был находиться в специальном герметичном контейнере, который перед приземлением отделялся бы из спускаемого аппарата. Однако данная схема оказалась весьма громоздкой и, кроме того, требовала проведения длительных испытаний. Именно поэтому в августе 1960 г. внутренняя компоновка «Востока» была переработана.
Специалисты бюро Сергея Королева поменяли контейнер на катапультируемое кресло. В связи с этим будущим космонавтам понадобилась защита на случай разгерметизации. Ею и стал скафандр. Однако времени на его стыковку с бортовыми системами катастрофически не хватало. В связи с этим все то, что было необходимо для жизнеобеспечения пилота, разместили непосредственно в кресле.
Первые скафандры космонавтов получили название СК-1. За их основу был взят высотный костюм «Воркута», разработанный для летчиков истребителя-перехватчика СУ-9. Полной реконструкции подвергли только шлем. В нем установили механизм, который управлялся специальным датчиком. При падении давления в скафандре мгновенно захлопывалось прозрачное забрало.
Снаряжение для космонавтов изготавливалось по индивидуальной мерке. К первому полету оно было создано для тех, кто показал самый лучший уровень подготовки. Это тройка лидеров, в которую вошли Юрий Гагарин, Герман Титов и Григорий Нелюбов.
Интересно, что космонавты в космосе побывали позже скафандра. Один из специальных костюмов марки СК-1 был отправлен на орбиту во время двух испытательных беспилотных запусков корабля «Восток», состоявшихся в марте 1961 г. Кроме подопытных дворняг на борту находился манекен «Иван Иванович», облаченный в скафандр. В груди этого искусственного человека установили клетку с морскими свинками и мышами. А для того чтобы случайные свидетели приземления не приняли «Ивана Ивановича» за инопланетянина, под забралом его скафандра была размещена табличка с надписью «Макет».
Скафандры СК-1 использовались на протяжении пяти пилотируемых полетов корабля «Восток». Однако женщины-космонавты в них летать не могли. Для них была создана модель СК-2. Впервые она нашла свое применение во время полета корабля «Восток-6». Изготовили данный скафандр, учитывающий особенности строения женского тела, для Валентины Терешковой.
Разработки американских специалистов
При осуществлении программы «Меркурий» конструкторы США пошли по пути советских инженеров, внеся при этом свои предложения. Так, первый американский скафандр учитывал то, что космонавты в космосе в будущем будут дольше находиться на орбите.
Конструктор Рассел Колли изготовил специальный костюм Navy Mark, изначально предназначенный для полетов летчиков военно-морской авиации. В отличие от других моделей, данный скафандр был гибким и имел сравнительно небольшой вес. Для использования этого варианта в космических программах в конструкцию было внесено несколько изменений, которые прежде всего коснулись устройства шлема.
Скафандры американцев доказали свою надежность. Один лишь раз, когда капсула «Меркурия-4» приводнилась и начала тонуть, костюм чуть не погубил астронавта Вирджила Гриссона. Пилот с трудом сумел выбраться наружу, так как долго не мог отсоединиться от бортовой системы жизнеобеспечения.
Создание автономных скафандров
В связи с бурными темпами освоения космоса понадобилось сконструировать новые специальные костюмы. Ведь первые модели были только лишь аварийно-спасательными. Из-за того, что их присоединяли к системе жизнеобеспечения пилотируемого корабля, космонавты в космосе в таком снаряжении побывать не могли. Для выхода в открытое внеземное пространство необходимо было сконструировать автономный скафандр. Этим занялись конструкторы СССР и США.
Американцы под свою космическую программу «Джемини» создали новые модификации скафандров G3C, G4C, а также G5C. Вторая из них была предназначена для выхода в открытый космос. Несмотря на то что все американские скафандры подключались к бортовой системе жизнеобеспечения, в них было встроено автономное устройство. В случае необходимости его ресурсов вполне хватило бы на поддержку жизни астронавта в течение получаса.
В скафандре G4C 03.06.1965 г. вышел в открытый космос американец Эдвард Уайт. Однако он не был первопроходцем. За два с половиной месяца до него рядом с кораблем в космосе побывал Алексей Леонов. Для этого исторического полета советские инженеры разработали скафандр «Беркут». Он отличался от СК-1 наличием второй герметичной оболочки. Кроме того, в скафандре имелся заплечный ранец, оснащенный кислородными баллонами, а в его шлем встроили светофильтр.
Во время нахождения в открытом космосе человека соединял с кораблем семиметровый фал, в составе которого имелось амортизирующее устройство, электрические провода, стальной трос и шланг для аварийного снабжения кислородом. Исторический выход во внеземное пространство состоялся 18.03.1965 г. находился за пределами 23 мин. 41 сек.
Скафандры для освоения Луны
После освоения земной орбиты человек устремился дальше. И первой его целью стало осуществление полетов на Луну. Но для этого нужны были особые автономные скафандры, которые позволили бы находиться вне корабля в течение нескольких часов. И они были созданы американцами в ходе разработки программы «Аполлон». Эти костюмы обеспечивали защиту астронавта от солнечного перегрева и от микрометеоритов. Первый разработанный вариант лунных скафандров назвали A5L. Однако в дальнейшем он был усовершенствован. В новой модификации A6L предусмотрели теплоизоляционную оболочку. Версия A7L являлась огнестойким вариантом.
Лунные скафандры представляли собой цельные многослойные костюмы, имевшие гибкие сочленения из резины. На манжетах и вороте находились металлические кольца, предназначенные для присоединения герметичных перчаток и шлема. Застегивались скафандры при помощи вертикальной молнии, вшитой от паха до шеи.
Американцы ступили на поверхность Луны 21.07.1969 г. Во время этого полета нашли свое использование скафандры A7L.
Собирались на Луну и советские космонавты. Для этого полета создали скафандры «Кречет». Это был полужесткий вариант костюма, на спинке которого имелась специальная дверца. Космонавт должен был влезть в нее, облачившись, таким образом, в снаряжение. Закрывалась дверца изнутри. Для этого был предусмотрен боковой рычаг и сложная схема из тросиков. Внутри скафандра находилась и система жизнеобеспечения. К сожалению, побывать на Луне советским космонавтам так и не удалось. Но созданный для таких полетов скафандр в дальнейшем использовался при разработке других моделей.
Снаряжение для новейших кораблей
Начиная с 1967 г. Советский Союз начал запуск «Союзов». Это были транспортные средства, предназначенные для создания Время нахождения на них космонавтов неизменно увеличивалось.
Для полетов на кораблях «Союз» был изготовлен скафандр «Ястреб». Его отличия от «Беркута» состояли в конструкции системы жизнеобеспечения. С ее помощью производилась циркуляция дыхательной смеси внутри скафандра. Здесь она очищалась от вредных примесей и углекислоты, а затем и охлаждалась.
Новый спасательный скафандр «Сокол-К» был использован во время полета «Союза-12» в сентябре 1973 г. Более усовершенствованные модели этих защитных костюмов приобрели даже торговые представители из Китая. Интересно, что при запуске пилотируемого корабля «Шаньчжоу» находящиеся в нем астронавты были облачены в снаряжение, очень напоминающее российский образец.
Для выхода в открытый космос советские конструкторы создали скафандр «Орлан». Это автономное полужесткое снаряжение, схожее с лунным «Кречетом». Облачаться в него также приходилось через дверцу в спине. Но, в отличие от «Кречета», «Орлан» был универсальным. Его рукава и штанины легко подгонялись под нужный рост.
В скафандрах «Орлан» совершали полеты не только российские космонавты. По образцу этого снаряжения китайцы сделали свои «Фэйтянь». В них они вышли в открытый космос.
Скафандры будущего
На сегодняшний день NASA разрабатывает новые космические программы. В них входят полеты на астероиды, на Луну, а также Именно поэтому продолжается разработка новых модификаций скафандров, которые в дальнейшем должны будут соединить в себе все положительные качества рабочего костюма и спасательного снаряжения. На каком варианте остановятся разработчики, пока неизвестно.
Может, это будет тяжелый жесткий скафандр, защищающий человека от всех негативных внешних воздействий, а может, современные технологии позволят создать универсальную оболочку, элегантность которой по достоинству оценят будущие женщины-космонавты.
