VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Скафандр – высочайшее достижение инженерной мысли

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хубулова И.Э. 1

---

1Муниципальное Казенное бюджетное общеобразовательное учреждение «СОШ с. Коста Хетагурова»

Гагиева Э.Л. 1

---

1Муниципальное Казенное бюджетное общеобразовательное учреждение «СОШ с. Коста Хетагурова»

Работа в формате PDF

146.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Человечество не останется вечно на Земле,

но, в погоне за светом и пространством, сна-

чала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе околоземное пространство»

(К.Э.Циолковский, 1911г.)

12 апреля День Космонавтики. Этот день вписан золотыми буквами в историю после полета человека в космос. 1961 год, Юрий Алексеевич Гагарин стал первым гражданином Вселенной. Все знают его знаменитое «Поехали» … 108 минут длился полет на корабле «Восток». 108 минут - перевернули представление о пространстве и времени…

Да, на современном этапе, достижения космонавтики и космические технологии шагнули далеко вперед. На орбитальной станции космонавты живут не один месяц. В космосе побывали даже женщины… Запуск космического корабля стал настолько привычен, что его относят к «рабочим моментам» …Привыкли и перестали удивляться, а ведь полет в космос и сейчас, настоящий подвиг…

Да, мы осваиваем космическое пространство, но менее романтичным звездное небо от этого не становится…. Небо всегда разное. И звезды мерцают каждый вечер по-новому. А летнее звездное небо, почему-то, особенно глубокое… Присядешь, посмотришь в даль и словно мчишься на звездолете по безбрежному морю… А мерцающие звезды, как путеводители по бескрайним просторам Вселенной, указывают путь от одного созвездия к другому…

Летом вся наша семья отдыхала на море. Конечно, мы купались, загорали, знакомились с местными достопримечательностями. В Архипо – Осиповке открыт музей космонавтики. Разумеется, мы его посетили…

Оказалось, что мы отдыхаем в месте, в котором космонавты проходили реабилитацию после возвращения с очередного космического полета!

Мы ходили по выставочным залам и от удивления не могли прийти в себя. Космос - вот он, перед тобой! Залы музея – как орбитальные модули…

Меня заинтересовали скафандры – космические друзья космонавтов. Я просмотрела различные источники и хочу с Вами поделиться тем, что узнала.

Скафандр в переводе с греческого «лодко-человек». Первые костюмы – предназначались для исследования морских глубин, что происходит, впрочем, по настоящее время. А когда задумалось человечество об освоении космоса, то возникла самая главная проблема – герметичность и защита от декомпрессии.

По данным технического словаря, скафандр - герметичный костюм, обеспечивающий условия для работы и жизнедеятельности космонавта в разрежённой атмосфере или в космическом пространстве. Он автоматически герметизируется в экстренных ситуациях и в течение 8-10 часов, космонавт чувствует себя в безопасности.

Как оказалось, СК-1 – мужской скафандр. Было подготовлено три СК-1 для Юрия Гагарина, Германа Титова и Григория Нелюбова. СК-2 – женский скафандр и был подготовлен для Валентины Терешковой. Удивительно то, что в создании СК-1 принимала участие игуменья Новодевичьего монастыря Серафима – в миру Варвара Васильевна Чичагова, до её пострига в монахини она была гордостью советской науки, ей и доверили создание облачения для первого космонавта Земли¹.

Был еще скафандр для «Ивана Ивановича». Перед полетом человека в космос, был - Иван Иванович, ему предстояло «испытать» скафандр в действии, электронная начинка записывала все характеристики. А живыми существами были мыши и морская свинка, помещенные в клетку. Клетка была укреплена на груди. Для того, чтобы легче было найти приземлившихся космонавтов, скафандр делали ярко оранжевым. Чтобы не напугать землян, во время приземления «Ивана Ивановича», под забрало шлема поместили табличку «Макет»².

Когда первый человек полетел в космос, конечно же, встал вопрос и о пребывании на космических станциях, и о выходе человека в космос. Для этой цели уже нужен был совершенно иной скафандр и по цветовому решению, и по техническим характеристикам...

Как показали результаты опроса, все респонденты (12 человек) знают название космической одежды – скафандр.

Все согласились с тем, что скафандр позволяет защитить космонавтов от космического излучения.

Два человека знают, что скафандры космонавтов претерпели значительные изменения.

Шесть человек отметили, что скафандры, возможно, имеют различное назначение. Скафандры для работы и полетов, по их мнению, могут отличаться друг от друга.

О том, что скафандры для женщин и мужчин космонавтов отличаются друг от друга, не задумывался ни один из участников опроса.

Только двое из опрошенных посчитали, что можно было бы связать свою жизнь с изучением космического пространства.

Все участники опроса ответили, что новыми разработками в области космической техники и, в частности, новыми достижениями в создании скафандров для полетов и пребывания в открытом космосе специально не интересуются.

Незнание развития научной мысли, в области создания скафандров будущего, определило актуальность моего исследования.

Задачи исследования:

- систематизировать разрозненные данные по вопросу создания скафандров будущего.

Объект исследования – разработки ученыхпо созданию космических скафандров.

Предмет исследования – современные технологии, лежащие в основе совершенствования скафандров для космонавтов.

Методы исследования: классификация, систематизация, описание, сравнение.

Цель исследования: ознакомиться с разработками в создании скафандров нового поколения.

Работа состоит из введения, основной части, заключения, списка литературы.

Рассматриваются модели космических скафандров.

В заключении даются краткие результаты проведенного исследования.

Введение включает в себя формулировку постановки проблемы,

отражает актуальность темы, определяются цели, задачи работы, краткий обзор используемой литературы и источников.

В основной части содержитсяобработанная в соответствии с задачами исследования информация.

В заключении формулируются выводы и результаты по теме исследования.

Глава 1. Скафандр – лучший друг космонавта.

С момента освоения космического пространства вопрос о пребывании человека в космосе и его освоении, изучении стал основополагающим. Все достижения научной мысли находят новое прочтение, если встает вопрос об их использовании в космонавтике.

Нас интересует вопрос создания различных моделей скафандров, которые являются неотъемлемой частью в вопросе освоения космоса.

Как следует из научно – популярной литературы³ скафандры делятся по категориям: спасательные, для работы в открытом космосе, для работы на поверхности небесных тел. Однако, последнее – все еще не осуществимо, за исключением высадки на Луну.

Одновременно, с совершенствованием космических кораблей, изменялись требования к конструкции скафандров.

Табл.1 Назначение скафандра СК-1

Ознаменована эра космонавтики полетом человека в космос. Отправляя в полет Ю. А. Гагарина, его сначала облачали в толстую теплозащитную одежду с системой вентиляции и затем только надевали сам скафандр. Поверх скафандра надевались различные приспособления на случай попадания космонавтов в воду, в карман вкладывалась аварийная радиостанция.

СК-1 – мужской скафандр. Было подготовлено три СК-1 для Юрия Гагарина, Германа Титова и Григория Нелюбова. СК-2 – женский скафандр и был подготовлен для Валентины Терешковой. Удивительно то, что в создании СК-1 принимала участие игуменья Новодевичьего монастыря Серафима – в миру, Варвара Васильевна Чичагова, до её пострига в монахини она была гордостью советской науки, ей и доверили создание облачения для первого космонавта Земли⁴.

Все знают, что на шлеме Ю.А.Гагарина написано СССР. Но не все знают, что эта надпись была сделана для того, чтобы при приземлении Ю.А.Гагарина не приняли за шпиона. Это был 1961 год, а в 1960 году был сбит американский летчик, нарушивший воздушное пространство нашей страны. Так что опасения были вполне оправданы. А надпись сделал, перед самым вылетом, инженер "Звезды" (предприятие, специально созданное для обслуживания космических программ) Виктор Давидьянц красной краской, на уже надетом на Гагарина шлеме.

Первое пребывание человека в космосе, требовало постоянного нахождения в костюме. К числу первостепенных требований предъявляемых к такому скафандру были:

- возможность работать в скафандре со всей аппаратурой корабля;

- возможность утолить голод и жажду;

- система удаления отходов жизнедеятельности.

Освоение космического пространства невозможно без длительного пребывания на орбитальных космических станциях, а это связано выполнением профилактических и ремонтных работ, поэтому на арену выходят скафандры, позволяющие работать в открытом космосе.

Первый выход в открытый космос был совершен нашим космонавтом Алексеем Леоновым. Скафандр носил имя «Беркут». У него было уже две герметичные оболочки, «шлем со светофильтром и заплечный ранец с кислородными баллонами, запаса которых хватало на 45 минут. Кроме того, космонавт был соединён с кораблём семиметровым фалом, в состав которого входили амортизирующее устройство, стальной трос, шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода».

18 марта 1965 года был совершен первый выход человека в космос и продлился он 23 минуты 41 секунду! А командир экипажа Павел Беляев торжественно объявил на весь мир: «Внимание! Человек вышел в космическое пространство!» Изображение парящего на фоне Земли космонавта транслировалось по всем телеканалам. Да….это был триумф. Но не все так радужно, первая внештатная ситуация, произошла с Алексеем Леоновым во время пребывания в открытом космосе. Выполнив программу, он не смог вернуться на корабль из-за того, что его скафандр раздулся. Совершив несколько попыток войти в шлюз ногами вперёд, Леонов решил развернуться и снизить уровень избыточного давления в скафандре до критического – это решение спасло ему жизнь и он смог втиснуться в шлюзовую камеру.

И все-таки, это была Победа! Триумф человеческих возможностей, победа научной мысли. Освоение космоса переходило на новые рубежи. И, конечно же, помощником в достижении все новых целей был его величество скафандр.

Скафандр А.А.Ленова – «Беркут», выход в открытый космос произведен с КК «Восход-2». В этой космической программе решались иные задачи:

- жизнеобеспечение вне космического корабля;^5,6

- подвижность космонавта в скафандре и возможность выполнять определенные действия;

- страховка космонавта и возвращение в космический корабль.

Таблица 2 Технические характеристики Скафандра «Беркут»

Принципиальные отличия аварийно-спасательного скафандра «СК-1» Гагарина Ю.А.от скафандра «Беркут», обеспечившего выход Леонова А.А.в открытый космос заключаются в следующем:

для большей надежности и безопасности в скафандре для выхода в открытый космос «Беркут» были применены две гермооболочки. Вторая оболочка была резервной и включалась в работу при повреждении основной наружной гермооболочки. Это достигалось путем установки на резервную оболочку второго регулятора давления, который начинал работать после падения давления под основной оболочкой ниже установленного уровня.

верхняя одежда скафандра для выхода в космос является наружным защитным слоем, предохраняющим скафандр от возможных механических повреждений при выходе в открытый космос. Она должна обладать необходимыми оптическими характеристиками и в возможно большей степени поддерживать оптимальный тепловой баланс.

Можно только восхищаться возможности инженерной мысли! Подумайте сами, выход в открытый космос – это не прогулка на свежем воздухе. Необходимо продумать систему подачи кислорода и вывода углекислоты. Рассчитать давление и обеспечить возможность его регулирования. Продумать внешнюю связь с кораблем и возможность возвращения в отсек корабля. Необходимо было также предусмотреть защиту от перегрева скафандра и нарушения бесперебойной работы систем жизнедеятельности.

Итак:

- кислородное питание подавалось из трех кислородных баллонов, размещенных в наспинном ранце;

- расход кислорода из ранца был рассчитан на обеспечение наддува скафандра и кислородного питания космонавта и удаление углекислоты (СО2). Величина расхода регулировалась автоматически в зависимости от абсолютного давления в скафандре. При рабочем давлении в скафандре 40 кПа (300 мм рт. ст.) весь кислород из баллонов подавался в шлем, после чего попадал под оболочку скафандра и далее выбрасывался через регулятор абсолютного давления в открытый космос;

- запас кислорода в трех-четырехлитровых баллонах под давлением 22 МПа составлял 2700л. Расчетная продолжительность системы жизнеобеспечения составляла 45 мин;

- страховка космонавта в открытом космосе обеспечивалась специальным фалом длиной 7 м, в состав которого входило амортизирующее устройство, стальной трос, шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода. Последние использовались для передачи на борт корабля результатов медицинских и технических измерений, а также обеспечения телефонной связи с командиром;

- в автономном варианте система жизнеобеспечения, источники питания (электроэнергия) размещаются в наспинном ранце, и космонавт может перемещаться относительно корабля в любом направлении.

Неотъемлемой проблемой освоения космического пространства является тепловое излучения. Оно связано со следующими факторами:

1. Прямое солнечное излучение в пределах земной орбиты 1400 Вт/м². Причем энергия солнечного излучения в основном сосредоточена в диапазоне от 0,2 до 3,5 мкм.

2. Солнечное излучение, отраженное атмосферой и Землей, составляет примерно 560 Вт/м².

3. Тепловое излучение Земли составляет 140 – 320 Вт/м²  и находится в диапазоне длин волн 5–50 мкм, причем наибольшая интенсивность приходится на длины волн около 12 мкм.

4. Поверхность корабля, нагретая до 147°С, также оказывает значительное влияние на общий тепловой режим скафандра, поскольку отражает подавляющую часть солнечной энергии. Этот теплообмен может быть принят равным нулю, когда космонавт удален от космического корабля более чем на 1,5 – 2 м.

Один из современных скафандров «Орлан – МК», он знаменит еще и тем, что в марте 2014 года российские космонавты Олег Котов и Сергей Рязанский впервые в истории вынесли в открытый космос олимпийский факел, от которого потом зажегся олимпийский огонь в Сочи, а также установили рекорд по работе в открытом космосе.

Если работать в открытом космосе 8 часов, то облететь Землю можно пять раз. И за это время перепады температур составят от +(120-150) ⁰С до - (120-150) ⁰С!

Оказывается во время работы, у космонавтов идет перегрев организма, но и эта проблема решена - климат контроль электронной начинки защищает от перегрева и перепадов температур.

Этот скафандр космонавт может одевать совершенно самостоятельно, он не одевает, а практически входит в него. Перед выходом в космос – скафандр настраивают, как автомобиль, перед дальним путешествием! Подвижные части скафандра, позволяют подгонять его под космонавта и не надо шить каждому космонавту индивидуальный скафандр для выхода в открытый космос.

Оказывается скафандр «Орлан –МК» до пяти лет живет на станции, это фактически миникосмический корабль. Запас прочности порядка 45 земных и 15 космических лет.

Основные характеристики скафандра⁷.

Таблица 3 Технические характеристика скафандра «Орлан».

Подвижность скафандров достигается благодаря полужёсткой конструкции. Индивидуальными являются лишь перчатки скафандра, которые доставлялись экипажем, в то время как сами скафандры постоянно находятся на станции. Первый выход в открытый космос в новых скафандрах был осуществлён на станции «Салют-6» космонавтами Г. И. Гречко и Ю. В. Романенко 20 декабря 1977 года.

Модели скафандра «Орлан»:

Модель Д - использовалась на Салют-6 и Салют-7 с 1977 по 1984.

Модель ДМ - использовалась на станции МИР и Салют-7 с 1985 по 1988.

Модель ДМА - использовалась на станции МИР с 1988 по 1997.

Модель М - использовалась на станции МИР и МКС с 1997 по 2009.

Модель МК - для использования на МКС. Используется с 2009 года.

Модель МКС – модель будущего, проходит последние испытания.

Новый "Орлан-МКС", как и его предшественники, состоит из нескольких оболочек:

основа - жесткий корпус из алюминиевого сплава, или кираса, называемая так по аналогии со средневековыми доспехами. К жесткому корпусу крепятся мягкие рукава и штанины;

гермошлем составляет единое целое с кирасой.

Скафандр не надевают - в него входят через заднюю дверцу. Снаружи есть еще и дополнительная, в том числе микрометеоритная защита: несколько слоев экранно-вакуумной теплоизоляции. Под кирасой: мягкий сетчатый костюм водяного охлаждения (КВО), который пронизывают вшитые в материю десятки тоненьких трубочек, по которым циркулирует холодная вода. Небольшой ручкой на пульте управления (снаружи скафандра, слева, на уровне груди) космонавт сам регулирует тепловой режим. "Орлан-МКС" оснащен системой автоматического терморегулирования. В "Орлане-МКС" есть еще одно важное отличие - на пульте управления установлен новый дисплей высокого качества. Он стал больше (с ладонь) и ярче, его информативные возможности намного шире. Прежние дисплеи вызывали нарекания космонавтов: на солнечной стороне изображение «растворялось» на бледном экране. Новые дисплеи устанавливают и на имеющихся в звездном доме скафандрах. На следующих "Орланах" ожидается и такой сервис: автоматика будет выводить на дисплей подробную схему местоположения космонавта на внешней стороне МКС. Станция сегодня уже велика, космонавту, работающему на ее поверхности в открытом космосе, немудрено в какой-то момент потерять ориентацию. Найти обратную дорогу к входному люку или к другой рабочей площадке поможет новый прибор. Третья новинка увеличивает срок службы нового скафандра: резиновые оболочки, например штанины, заменены на полиуретановые. В результате эксплуатировать новую экипировку можно будет не четыре года, а пять, причем количество выходов в космос увеличивается с 15 до 20. Сложно сказать, как будет выглядеть человек в будущем. Но каким будет его гардероб можно представить уже сейчас. Группы ученых из различных научно-исследовательских институтов работают над костюмами, в которых человек будет покорять новые планеты. Чтобы человек не только смог выжить, но и чувствовал себя комфортно на других планетах к костюмам космонавтов предъявляются очень жесткие требования. Они должны поддерживать определенную температуру и давление, влажность и уровень кислорода, и вместе с тем не мешать двигаться и работать. Дальше всех в создании костюма будущего продвинулась группа ученых Массачусетского технологического института, которой руководят профессор Дэйва Ньюмен и астронавт Джеффри Хофман. Их скафандр BioSuit позволит космонавтам не только комфортно работать в условиях Луны или Марса, но даже сыграть там в футбол. На сегодняшний день готово уже несколько прототипов скафандра. Вся конструкция изготовлена из материалов, о которых совсем недавно можно было только мечтать. Например, давление внутри скафандра будет поддерживать экзоскелет из металлических волокон с памятью формы. В отличие от используемых в настоящее время скафандров, где давление поддерживается барометрически, ему не страшны мелкие повреждения: изменение давления на определенных участках скомпенсирует электронная система управления экзоскелетом. Не страшны космонавтам будущего и перепады температур: внутренняя поверхность скафандра наполнена специальным термо гелем, который отводит от тела избыточное тепло и влагу. Он поможет человеку выжить при больших перепадах температур на других планетах. Резервуар с кислородом - это не только симпатичный рюкзак на спине, но и дополнительная защита позвоночника. Кстати, благодаря материалу с памятью формы, для того, чтобы одеть такой скафандр уже не будет требоваться помощь нескольких человек. BioSuit можно легко одеть за пару минут за счет разработанной учеными системы электрозатягивания. Когда костюм "висит на вешалке", волокна его экзоскелета находятся в свободном растянутом состоянии, поэтому его легко одеть человеку с любой фигурой. После того, как к скафандру подключат электропитание, он плотно сожмется по фигуре космонавта. Таким образом, космические скафандры будущего получат некоторые новые выдающиеся способности. Они смогут самостоятельно себя ремонтировать, добывать электричество и убивать микробов благодаря новым "умным" материалам.

Итак, к основным характеристикам скафандров «Орлан – МК» относят:

Таблица 4 . Основные характеристикам скафандров «Орлан – МК»

Как видим, современные скафандры идут в ногу с современными достижениями в области научной мысли, но для самого космонавта являются помощниками и защитниками. Автоматическая система жизнедеятельности облегчает пребывание в открытом космосе при выполнении программ полета.

Пребывание на околоземной орбите требует от космонавтов регулярных дополнительных нагрузок, так как происходит вымывание кальция из организма и атрофируются мышцы. Костюмы «Пингвин» и «Чибис» помогают облегчить восстановление организма по возвращению на Землю, а в космическом пространстве поддерживать мышцы в тонусе.

Внутри костюма «Пингвин» - разнонаправленные резинки. Чтобы сделать то или иное движение, космонавту надо эти резинки с усилием растянуть, напрягать отдельные группы мышц, что очень полезно в состоянии невесомости.

Такой костюм используют и на земле в реабилитационных медицинских центрах. В идеале, космонавтам надо носить такой костюм постоянно, но в нём очень жарко.

Скафандры класса «Чибис» оборудован системой гофрированных трубок на ногах. В брюках костюма создаётся отрицательное давление, и кровь от головы притекает к ногам. Такие тренировки начинаются за двое – четверо суток до возвращения на Землю.  Без таких тренировок в костюме «Чибис» адаптация проходит гораздо тяжелее.

Глава II. Практическая часть.

Практическую часть работы составили результаты опроса по теме исследования.

Респондентам (12 участников в возрасте 12-13 лет) предлагалось ответить на следующие вопросы.

Как показали результаты исследования интереса к исследованиям космического пространства у опрошенных нет. Запуск пилотируемого космического корабля, пребывание в течение нескольких месяцев на орбите – стали штатной ситуацией. А вот есть ли жизнь на других планетах – все еще будоражит умы землян.

Вторичный опрос был проведен после того, как я ознакомила участников опроса с результатами своего исследования. Ответы респондентов распределились следующим образом:

Как видно из таблицы результатов, респонденты имеют представление о назначении скафандров. Однако особого интереса к космическим разработкам ими не проявлено.

Считаю, что разработки в области космонавтики нашей страны – в числе передовых.

Космонавтика нашей страны – отрасль промышленности, направление научных изысканий, разработки - аналога, которым нет во всем мире.

Заключение.

В заключение хочу сказать, что сейчас, космос не кажется уже таким далеким. Его освоение дает нам такие блага как спутниковое телевидение, радиосвязь, навигация. В медицине используются космические технологии, космическая реабилитация помогает восстановить опорно - двигательный аппарат после сильнейших травм, результаты научных исследований проверяются в космическом пространстве. Создаются материалы с удивительными физическими и бионическими характеристиками.

Космические аппараты изучают планеты Солнечной системы. Телескопы, как всевидящее око, помогают увидеть звездные скопления, запечатлеть жизненные циклы планет.

У нас есть возможность «подслушать» дыхание Вселенной, от которого зависит климат на единственной обитаемой планете. И, сможем ли мы сохранить НАШУ ОБИТАЕМУЮ ПЛАНЕТУ - зависит только от нас.

Считаю также, что знание разработок отечественных конструкторов, популяризация достижений в области создания скафандров нового поколения - основание гордиться своей страной.

Скафандр – высочайшее достижение инженерной мысли.

ЛИТЕРАТУРА.

1. http://kraeved1147.ru/moskva-muzey-kosmonavtiki/

2. http://www.mirf.ru/science/skafandr-istoriya-i-ustroystvo

3. «Наука и жизнь» №6-1978

4. http://kraeved1147.ru/moskva-muzey-kosmonavtiki/

5. http://www.popmech.ru/science/8370-odezhda-dlya-vakuuma-kak-ustroeny-kosmicheskie-skafandry/

6. http://kak-eto-sdelano.livejournal.com/602684.html

7. http://www.zvezda-npp.ru/ru/node/81

8. С. М. Алексеев, Космические скафандры вчера, сегодня, завтра. – М.: Знание, 1987. – 64 с.

9."Наука и жизнь", № 10, 2001 г.

10. "Наука и жизнь", № 4, 2006 г.

11. https://ru.wikipedia.org/wiki/СК-1 - скафандр

12. http://www.arms-expo.ru/news/aviation_and_space/na_mks dostavyat_rossiyskie _skafandry _pyatogo_pokoleniya_/

13. http://astronaut.ru/bookcase/books/stan_mir/text/06.htm

14. http://trendclub.ru/blogs/futurodrom/4483 - костюм будущего

15.http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/169731-odezhda-buduschego-skafandry

16. https://www.youtube.com/watch?v=TLTm6b9lMH4