Границы защитных свойств скафандра космонавтов. Привет студент. Современный космический скафандр

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 .

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

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.

Несмотря на то, что последние пару лет мы чаще слышим о крушениях отечественных космических проектов, россияне по-прежнему могут гордиться тем, что наши скафандры легче и дешевле американских, а наши ассенизационные установки закупает NASA. Побывем на предприятии, где их производят.

«Звезда» начала работать в 1952 году. Правда тогда у завода не было названия — предприятие проходило как «№918» и было одним из самых секретных объектов Министерства авиационной промышленности СССР. После перестройки с него сняли гриф секретности, преобразовали в ОАО, и он стал одним из ведущих разработчиков оборудования для всей авиакосмической индустрии. В 50-е здесь изготавливали систему жизнеобеспечения, в которой находилась собака Лайка, и скафандр для пассажира корабля «Восток» — Юрия Гагарина. Сейчас на «Звезде» производят высотное снаряжение для пилотов — скафандры, костюмы, защитные шлемы, кислородные маски, системы пожаротушения, катапультные кресла, парашюты и надувные трапы.

На заводе не только производят скафандры и гидрокостюмы, но также испытывают их в условиях, приближенных к реальным. Например, в этой стационарной барокамере проводят тестирования личного состава на готовность к высотным полетам и адаптацию в условиях разряженной атмосферы. Будущие космонавты одеты, разумеется, в продукцию «Звезды». Как раз в такой камере тренировался Алексей Леонов перед выходом в открытый космос.

В этой камере проходят обязательную тренировку все космонавты, летающие на МКС. Раньше экипаж состоял из трех человек, сейчас одновременно летают 6. Из них трое остаются на станции на полгода, а часть экипажа в середине этого срока меняется.

Cкафандр «Орлан-МК» для работы в открытом космосе весит 110 кг. Американский аналог весит 136 кг и, в отличие от российского, не приспособлен к годам самообслуживания на станции. Кроме того, его невозможно надеть самостоятельно. Американские EMU и MEGA-EMU еще и гораздо дороже: 10 лет назад они стоили порядка 15 млн долларов, а «Орлан» стоит всего 3 млн. EMU для ремонта надо спускать на Землю — для справки: доставка 1 кг груза на МКС стоит $25 000, возвращение — $60 000.

Сейчас «Орлан» шьется уже в пятой модификации. К дюралюминиевому корпусу крепятся рукава и штанины. Все провода и шланги системы жизнеобеспечения вмонтированы под кирасу. На двери люка крепится компьютер, который анализирует информацию со всех датчиков скафандра — их порядка 50-ти. Космонавт регулирует температуру сам, дергая за рычаг водяного охлаждения. «Орлан» — это небольшой космический корабль. Его производство занимает больше полугода, а официальный срок годности — 4 года. Разумеется, по факту эксплуатируют их дольше.

Каждый космонавт должен самостоятельно надеть скафандр и после этого провести в невесомости два часа под наблюдением специалистов. Но даже если инженеры отвлекаются, то компьютер, встроенный в скафандр, подсказывает космонавту, что нужно делать в той или иной ситуации.

Мягкий скафандр «Сокол», используемый при взлете и посадке, шьется всегда индивидуально на каждого космонавта. Кроме него, для каждого космонавта отливают индивидуальный ложемент — специальное сиденье. Сначала из гипса делают слепок спины и попы, потом по нему изготавливают модель из полиуретана. Это необходимо для предотвращения травм в случае отказа двигателей мягкой посадки. Каждый космонавт, собирающийся на МКС, приезжает для снятия мерок на «Звезду». Потом два месяца отшивается скафандр. Готовый «Сокол» он лично испытывает два часа в барокамере, и, если не чувствует никакого неудобства, костюм считают готовым. Весит такое снаряжение 10-12 кг.

Помимо сканфандров для космонавтов и летчиков, на производстве шьют профилактические костюмы «Пингвин» (крайние слева) и «Чибис» (темно-синий. Костюм «Чибис» необходим для тренировки сердечно-сосудистой системы перед спуском на землю. Внутри него пониженное давление, и благодаря ему кровь задерживается в нижней части тела, как это бывает при земном тяготении. «Пингвин» желательно носить постоянно на МКС для профилактики негативного влияния невесомости. На «Звезде» также шьют вещи попроще — тренировочные костюмы, теплую одежду, спальные принадлежности, термобелье. А вот гидрокостюм «Форель» (крайний справа) вместе с шерстяным костюмом греет и поддерживает на плаву — в том случае, если пилот оказался в холодном море.

Скафандр Юрия Гагарина, в котором он летел в космос, тоже висит в музее, несмотря на постоянно слухи о том, что его продали. Рядом висит скафандр Валентины Терешковой.

Внутри костюма «Пингвин» натянуты резинки, которые создают нагрузку на мышцы и кости. Он необходим, чтобы в долгом пребывании невесомости тело находилось в тонусе и мускулы не атрофировались. Сейчас космонавты предпочитают ему тренажеры, а вот в медицине он до сих пользуется популярностью и используется в некоторых клиниках для профилактики и лечения ДЦП. До последнего времени на заводе был отдельный цех, отшивавший для нужд клинки «Пингвинов», но сейчас этим занимается частная фирма. Кроме этого костюма, в медицине еще применяется противошоковый костюм «Каштан»: при большой кровопотери он сильно сдавливает вены на ногах и выталкивает кровь вверх, поддерживая таким образом кровоснабжение жизненно важных органов. Благодаря «Каштану» можно поддерживать жизнь пострадавшего до доставки в больницу.

Система АСУ — ассенизационное устройство или попросту туалет — гордость НПП «Звезда». Конструкция оказалась настолько удачной, что американцы на свой сегмент МКС закупили именно такую.

Современный космический скафандр представляет собой маленький автономный космический аппарат, в котором космонавт может проводить до 10 часов в сутки в открытом космосе. Редакции« Популярной механики» приятно, что самые лучшие в мире скафандры делают в России, в подмосковном Томилине

Слои лунного скафандра

Гагаринский скафандр СК-1

Испытание скафандра «Орлан»

Скафандры «Орлан» (слева) и «Кречет»

Развертывание антенны в скафандрах «Орлан-М»

«Орлан-ДМА» с установкой для маневрирования в открытом космосе

Мало кто знает, что для советской экспедиции на Луну была полностью готова и испытана только одна компонента — космический лунный скафандр «Кречет». Еще меньше людей знают, как он устроен. Николай Дергунов, начальник отдела конструирования авиационных и космических систем жизнеобеспечения НПП «Звезда», где создавались все космические скафандры, знает про скафандры все. После беседы с ним кое-что о скафандрах стало ясно и журналу «Популярная механика».

С развитием реактивной авиации всерьез встали проблемы защиты и спасения экипажа при высотных полетах. С падением давления человеческому организму становится все труднее усваивать кислород, обычный человек без особых проблем может находиться на высоте не более 4−5 км. На больших высотах необходимо добавление кислорода во вдыхаемый воздух, а с 7−8 км человек вообще должен дышать чистым кислородом. Выше 12 км легкие и вовсе теряют возможность усваивать кислород — для поднятия на большую высоту требуется компенсация давления.

На сегодняшний день существует всего два типа компенсации давления: механическая и создание вокруг человека газовой среды с избыточным давлением. Типичным примером решения первого типа служат высотные компенсационные летные костюмы — например, ВКК-6, применяемые пилотами «МиГ-31». В случае разгерметизации кабины такой костюм создает давление, сдавливая тело механическим путем. В основе такого костюма лежит довольно остроумная идея. Тело пилота опутывают ленточки, напоминающие восьмерку. В меньшее отверстие пропущена резиновая камера. В случае разгерметизации в камеру подается сжатый воздух, она увеличивается в диаметре, сокращая, соответственно, диаметр кольца, опутывающего пилота. Однако такой метод компенсации давления является экстремальным: тренированный летчик в компенсирующем костюме может провести в разгерметизированной кабине на высоте не более 20 минут. Да и создать равномерное давление на все тело таким костюмом невозможно: некоторые участки тела оказываются перетянутыми, некоторые — вообще несдавленными.

Другое дело — скафандр, по сути, представляющий собой герметичный мешок, в котором создано избыточное давление. Время пребывания человека в скафандре практически не ограничено. Но и он имеет свои недостатки — ограничение подвижности летчика или космонавта. Что такое рукав скафандра? Практически это аэробалка, в которой создано избыточное давление (в скафандрах обычно поддерживается давление в 0,4 атмосферы, что соответствует высоте 7 км). Попробуйте согнуть накачанную автомобильную камеру. Трудновато? Поэтому один из самых охраняемых секретов производства скафандров — технология производства специальных «мягких» шарниров. Но обо всем по порядку.

«Воркута»

Первые скафандры, до войны изготавливаемые в ЛИИ им. Громова, создавались в исследовательских целях и использовались в основном для экспериментальных полетов на стратосферных воздушных шарах. После войны интерес к скафандрам возобновился, и в 1952 году в подмосковном Томилине было открыто специальное предприятие по изготовлению и разработке таких систем — Завод № 918, ныне НПП «Звезда». В течение 50х годов предприятие разработало целую линейку экспериментальных скафандров, но только один из них, «Воркута», созданный под перехватчик «Су-9», был выпущен малой серией.

Практически одновременно с выпуском «Воркуты» предприятию было выдано задание на разработку скафандра и системы спасения для первого космонавта. Первоначально КБ Королева выдало «Звезде» техзадание на разработку скафандра, целиком замкнутого на систему жизнеобеспечения корабля. Однако за год до полета Гагарина было получено новое задание — на обычный защитный костюм, рассчитанный на спасение космонавта только при его катапультировании и приводнении. Противники скафандров вероятность разгерметизации корабля считали чрезвычайно малой. Еще через полгода Королев опять поменял решение — на этот раз в пользу скафандров. За основу были взяты уже готовые авиационные скафандры. Времени на состыковку с бортовой системой корабля уже не осталось, поэтому был принят автономный вариант системы жизнеобеспечения скафандра, размещаемый в катапультном кресле космонавта. Оболочка для первого космического скафандра СК-1 была во многом позаимствована от «Воркуты», но шлем был сделан полностью заново. Задача ставилась предельно жестко: скафандр должен был спасти космонавта обязательно! Никто не знал, как поведет себя человек во время первого полета, поэтому система жизнеобеспечения строилась так, чтобы спасти космонавта, даже если он потеряет сознание, — многие функции были автоматизированы. Например, в шлеме был установлен специальный механизм, управляемый датчиком давления. И если в корабле оно резко падало, специальный механизм мгновенно захлопывал прозрачное забрало, полностью герметизируя скафандр.

Послойно

Скафандры состоят из двух основных оболочек: внутренней герметичной и внешней силовой. В первых советских скафандрах внутренняя оболочка изготавливалась из листовой резины методом элементарного склеивания. Резина, правда, была специальной, для ее производства применялся высококачественный натуральный каучук. Начиная со спасательных скафандров «Сокол» герметичная оболочка стала резинотканевой, однако в скафандрах, предназначенных для выхода в открытый космос, альтернативы листовой резине пока не предвидится.

Внешняя оболочка — тканевая. Американцы для нее используют нейлон, мы — отечественный аналог, капрон. Она защищает резиновую оболочку от повреждений и держит форму. Лучшей аналогии, чем футбольный мяч, придумать сложно: кожаный внешний чехол защищает внутреннюю резиновую камеру от бутс футболистов и обеспечивает неизменные геометрические размеры мяча.

Провести продолжительное время в резиновом мешке никакой человек не сможет (кто имеет армейский опыт марш-бросков в прорезиненном общевойсковом защитном комплекте, поймет это особенно хорошо). Поэтому в каждом скафандре в обязательном порядке присутствует система вентиляции: по одним каналам подводится ко всему телу кондиционированный воздух, по другим — отсасывается.

По методу работы системы жизнеобеспечения скафандры делятся на два вида — вентиляционные и регенерационные. В первых, более простых по конструкции, использованный воздух выбрасывается наружу, аналогично современным аквалангам. По такому принципу были устроены первые скафандры СК-1, скафандр Леонова для выхода в открытый космос «Беркут» и легкие спасательные скафандры «Сокол».

Термос

Для длительного пребывания в космосе и на поверхности Луны потребовались регенерационные скафандры длительного пребывания — «Орлан» и «Кречет». В них выдыхаемый газ регенерируется, из него отбирается влага, воздух донасыщается кислородом и охлаждается. По сути, такой скафандр в миниатюре копирует систему жизнеобеспечения целого космического корабля. Под скафандр космонавт одевает специальный сетчатый костюм водяного охлаждения, весь пронизанный пластиковыми трубками с охлаждающей жидкостью. Проблемы обогрева в выходных скафандрах (предназначенных для выхода в открытый космос) не возникала никогда, даже если космонавт работал в тени, где температура стремительно падает до -1000С. Дело в том, что наружный комбинезон идеально выполняет функции теплозащитной одежды. Для этого впервые была применена экранно-вакуумная изоляция, работающая по принципу термоса. Под внешней защитной оболочкой комбинезона расположены пять-шесть слоев специальной пленки из особого полиэтилена, терифталата, с двух сторон которой напылен алюминий. В вакууме между слоями пленки теплообмен возможен только за счет излучения, которое переотражается обратно зеркальной алюминиевой поверхностью. Внешний теплообмен в вакууме в таком скафандре настолько мал, что считается равным нулю, и при расчете учитывается только внутренний теплообмен. Впервые экранно-вакуумная теплозащита была применена на «Беркуте», в котором Леонов вышел в открытый космос. Однако под первые спасательные скафандры, которые работали не в вакууме, одевался ТВК (теплозащитный вентилируемый костюм), сделанный из теплого простеганного материала, в котором и были проложены вентиляционные магистрали. В современных спасательных скафандрах «Сокол» этого нет.

Помимо всего этого на космонавтов надевается хлопчатобумажное белье со специальной антибактериальной пропиткой, под которым расположен последний элемент — специальный нагрудник с закрепленными на нем телеметрическими датчиками, передающими информацию о состоянии организма космонавта.

Соколята

Скафандры были на кораблях не всегда. После успешных шести полетов «Востоков» они были признаны бесполезным грузом, и все дальнейшие корабли («Восходы» и «Союзы») проектировались на полет без штатных скафандров. Целесообразным было принято использование только внешних скафандров для выхода в открытый космос. Однако гибель в 1971 году Добровольского, Волкова и Пацаева в результате разгерметизации кабины «Союза-11» заставила снова вернуться к проверенному решению. Однако старые скафандры в новый корабль не влезали. В срочном порядке под космические нужды стали адаптировать легкий скафандр «Сокол», изначально разрабатываемый для сверхзвукового стратегического бомбардировщика Т-4.

Задача оказалась не из легких. Если при приземлении «Востоков» космонавт катапультировался, то «Восходы» и «Союзы» осуществляли мягкую посадку с экипажем внутри. Мягкая она была только относительно — удар при приземлении был ощутимый. Амортизировало удар энергопоглощающее кресло «Казбек» разработки все той же «Звезды». Формовался «Казбек» индивидуально под каждого космонавта, который лежал в нем без единого зазора. Поэтому кольцо, к которому крепится шлем скафандра, при ударе обязательно бы сломало шейный позвонок космонавта. В «Соколе» было найдено оригинальное решение — секторный шлем, не закрывающий затылочную часть скафандра, которая делается мягкой. Из «Сокола» также убрали ряд аварийных систем и теплозащитный слой, так как в случае приводнения при покидании «Союза» космонавты должны были переодеться в специальные костюмы. Была сильно упрощена и система жизнеобеспечения скафандра, рассчитанная всего на два часа работы. В итоге «Сокол» стал бестселлером: начиная с 1973 года их было изготовлено более 280 штук. В начале 90-х два «Сокола» были проданы в Китай, и первый китайский космонавт полетел покорять космос в точной копии русского скафандра. Правда, нелицензионной. А вот скафандры для открытого космоса китайцам никто не продал, поэтому выхода в открытый космос они пока даже не планируют.

Кирасиры

В целях облегчения конструкции и увеличения подвижности внешних скафандров существовало целое направление (прежде всего в США), изучавшее возможность создания цельнометаллических жестких скафандров, напоминающих глубоководные водолазные. Однако частичное воплощение идея нашла только в СССР. Советские скафандры «Кречет» и «Орлан» получили комбинированную оболочку — жесткий корпус и мягкие ноги и руки. Сам корпус, который конструкторы называют кирасой, сваривается из отдельных элементов из алюминиевого сплава типа АМГ. Такая комбинированная схема оказалась на редкость удачной и сейчас копируется американцами. А возникла она по необходимости.

Американский лунный скафандр был сделан по классической схеме. Вся система жизнеобеспечения располагалась в негерметичном ранце на спине астронавта. Советские конструкторы, возможно, также пошли бы по этой схеме, если бы не одно «но». Мощность советской лунной ракеты Н-1 позволяла доставить на Луну только одного космонавта, в отличие от двух американских, а облачиться в одиночку в классический скафандр не представлялось возможным. Поэтому и была выдвинута идея жесткой кирасы с дверцей на спине для входа внутрь. Специальная система тросиков и боковой рычаг позволяли надежно закрыть за собой крышку. Вся система жизнеобеспечения располагалась в откидной дверце и работала не в вакууме, как у американцев, а в нормальной атмосфере, что упрощало конструкцию. Правда, шлем пришлось делать не поворотным, как в ранних моделях, а монолитным с корпусом. Обзор же компенсировался гораздо большей площадью остекления. Сами шлемы в скафандрах настолько интересны, что заслуживают отдельной главы.

Шлем всему голова

Шлем — важнейшая часть скафандра. Еще в «авиационном» периоде скафандры делились на два типа — масочные и безмасочные. В первом — летчик использовал кислородную маску, по которой подавалась воздушная смесь для дыхания. Во втором — шлем отделялся от остального объема скафандра своеобразным воротничком, шейной герметичной шторкой. Такой шлем играл роль большой кислородной маски с непрерывной подачей дыхательной смеси. В итоге победила безмасочная концепция, которая обеспечивала лучшую эргономику, хотя и требовала большего расхода кислорода для дыхания. Такие шлемы и перекочевали в космос.

Космические шлемы также делились на два типа — съемные и несъемные. Первый СК-1 комплектовался несъемным шлемом, а вот леоновский «Беркут» и «Ястреб» (в котором Елисеев и Хрунов в 1969 году переходили из корабля в корабль) имели съемные шлемы. Причем присоединялись они специальным герморазъемом с гермоподшипником, что давало возможность космонавту вертеть головой. Механизм поворота был довольно интересен. На кадрах кинохроники хорошо видны шлемофоны космонавтов, которые изготавливаются из ткани и тонкой кожи. На них смонтированы системы связи — наушники и микрофоны. Так вот, выпуклые наушники шлемофона входили в специальные пазы жесткого шлема, и при повороте головы шлем начинал вращение вместе с головой, как башня танка. Конструкция была довольно громоздкой, и от нее в дальнейшем отказались. На современных скафандрах шлемы несъемные.

Обязательный элемент шлема для выхода в космос — светофильтр. У Леонова был маленький внутренний светофильтр самолетного типа, покрытый тонким слоем серебра. При выходе в космос Леонов ощутил очень интенсивное нагревание нижней части лица, а при взгляде в сторону Солнца защитные свойства серебряного светофильтра оказались недостаточными — свет был ослепительно ярким. Исходя из этого опыта, все последующие скафандры стали оборудоваться полными наружными светофильтрами с напыленным довольно толстым слоем чистого золота, обеспечивающего пропускание всего 34% света. Самая большая площадь остекления — у «Орлана». Причем на последних моделях есть даже специальное окошко сверху — для улучшения обзора. Разбить «стекло» шлема практически невозможно: делается оно из сверхпрочного поликарбоната лексана, который также используется, например, при остеклении бронекабин боевых вертолетов. Однако и стоит «Орлан» как два боевых вертолета. Точную цену на «Звезде» не называют, но предлагают ориентироваться на стоимость американского аналога — $12 млн.

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

1- 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

1- 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.