Космический скафандр: настоящее и будущее

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Космический скафандр: настоящее и будущее

Яковлев Д.Д. 1
1БОУ г. Омска "СОШ № 45"
Свичинская Е.В. 1
1БОУ г. Омска "СОШ № 45"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Изучение и покорение космоса тесно связано с жизнедеятельностью космонавтов, которая зависит от скафандра. В 2012году Международная рабочая группа космических держав выработала специальную «дорожную карту», в которой определялось три направления: Луна как промежуточная точка для испытания новых технологий, освоение новых подходов полета человека в космос и шаг в сторону Марса. Чтобы осуществить все эти три направления, необходимо решить множество проблем, одна из которых система жизнеобеспечения, которая позволяла бы обеспечить высокий уровень безопасности космонавта.

Цель исследования: Изучить проблемы, возникающие при использовании космических скафандров.

Задачи:

Сравнить космические скафандры Американского и Российского изготовления

Установить, какой из сравниваемых скафандров чаще используется на МКС в открытом космосе.

Выявить проблемы, возникающие при использовании скафандра, связанные с вне корабельной деятельностью космонавтов.

Космический скафандр — это герметичный костюм, в котором космонавт может жить и работать в открытом космическом пространстве, на поверхности небесных тел. Скафандр часто сравнивают с уменьшенной до размеров тела человека герметичной кабиной. И это вполне справедливо. Ведь он содержит почти все блоки и системы, имеющиеся в герметичных отсеках космического корабля. В скафандре космонавт нормально дышит, двигается, ему не жарко и не холодно, хотя снаружи температура меняется в самых широких пределах. Проектировать первые высотные скафандры, создающие вокруг человека среду с избыточным давлением по отношению к окружающей атмосфере, начали еще в 1930-е годы. Сейчас существует всего три «ателье», где делают скафандры. Находятся они в России, США и Китае. Скафандры «Сокол-КВ2» были приобретены китайскими торговыми представителями, после чего в Китае появился собственный космический костюм, именуемый, как и пилотируемый корабль, «Шэньчжоу» и очень похожий на российский образец Скафандры «Фэйтянь» для выхода в открытый космос 2008года, сделаны по образцу серии «Орлан». А при выходе тайконавта Чжай Чжиган, его страховал напарник Лю Бомин в купленном у России «Орлане-М» [2 ].

Сравнительная таблица космических скафандров Американского и Российского изготовления

США

Россия

1.Костюм для выхода в открытый космос EMU (ExtravehicularMobilityUnit) производится компанией ILC Dover, системы жизнеобеспечения поставляются HamiltonStandard. Первая версия EMU использовалась с 1979 по 2002 год, в настоящее время в эксплуатации ее модернизированный вариант.

1.Скафандр «Орлан-МК» производится ОАО «НПП „Звезда“» имени академика Г.И. Северина» (Московская область). Это пятая модификация отечественных скафандров, она оборудована встроенной компьютеризированной системой. Используется на МКС.

2. Мягкие скафандры

Американский лунный скафандр был сделан по классической схеме. Вся система жизнеобеспечения располагалась в негерметичном ранце на спине астронавтата. Мощность американской лунной ракеты позволяла доставить на Луну двух астронавтов[2].

2. Полужесткий скафандры-

 Для лунной экспедиции впервые в практике скафандростроения было решено создать скафандр полужёсткого типа с встроенной в крышку входного люка системой жизнеобеспечения, которая позволяла обеспечить высокий уровень безопасности космонавта на Луне.Мощность советской лунной ракеты Н-1 позволяла доставить на Луну только одного космонавта, и 5-километровый переход на резервный корабль в случае невозможности осуществить взлёт с Луны на основном корабле. Поэтому разработчики должны были предполагать возможность такого перехода в условиях лунной гравитации (1/6 земной)[2].

3. Шлем имеет светофильтр с золотым напылением — для защиты от солнечного света. Шлем соединен трубкой с контейнером воды объемом 0,95 литра[4]. 

3.Шлем имеет светофильтр с золотым напылением — для защиты от солнечного света. Внутри шлема встроена «Вальсальва» — устройство для продувки ушей при изменениях давления в скафандре (выглядит как маленькая подушечка с двумя бугорками, которые, если в них упереться, зажимают нос)[4].

4. Светодиоды — необходимы для работы на теневых участках.

4. Светодиоды. Оповещают космонавта в аварийных ситуациях (при утечке, проблемах с вентиляцией, кислородом и пр.).

5. Скафандр - наземного базирования

- Чтобы выйти из станции в американском скафандре, бригада специалистов еще на Земле должна подготовить его, зарядить и отправить вместе с астронавтом на орбиту. В таком скафандре можно сделать три-четыре выхода в открытый космос, а затем нужно возвращать его на Землю. Другой член экипажа воспользоваться этим скафандром не может[1].

5.Скафандр – орбитального базирования.

Рукава и штанины съемные и могут регулироваться по длине. Внутри внешней части костюма — кираса (жесткий металлический корпус).

- Доставляем скафандр на космическую станцию, и он находится там два-четыре года. Любой космонавт или астронавт может подогнать его под свой рост, привести в рабочее состояние и через полчаса выйти в открытый космос[1].

6.  Перчатки с подогревом. Позволяют сохранять чувствительность пальцев за счет прорезиненных элементов[4].

6. Перчатки изготавливаются по индивидуальным меркам и имеют термоизолирующие подкладки, чтобы не мерзли руки[4].

7.Блок управления и контроля, включающий регуляторы температуры, поступления кислорода и связи. Надписи на блоке нанесены в зеркальном отражении, чтобы космонавт мог читать их с помощью вшитых в рукава зеркал.

7.Электронный блок управления. Надписи на блоке нанесены в зеркальном отражении, чтобы космонавт мог читать их с помощью надетых на рукава зеркал.

8.

8.Электрофал — провод, по которому в скафандр поступает электричество, когда космонавт еще находится на борту.

9.Ранец системы жизнеобеспечения, содержащий основную и запасную системы снабжения кислородом и блок коммуникаций.

9.Ранец системы жизнеобеспечения. Содержит основную и запасную системы снабжения кислородом и блок коммуникаций.

10.Страховочный карабин.

10.Крепление троса, закрывающего люк скафандра на спине. Через этот люк космонавт попадает в скафандр.

11.Система обеспечения кислородом. Наряду с основной существует аварийная, запаса которой хватает на 30 минут.

11.Кнопка входа в меню блока управления и отключения аварийного сигнала.

12. Вес — 136 кг, внутри скафандра поддерживается постоянное давление в 0,3 атмосферы.

12. Вес — 110 кг, внутри скафандра поддерживается постоянное давление в 0,4 атмосферы.

13.Время работы в открытом космосе — до 7 часов.

13.Время работы системы жизнеобеспечения скафандра в одном цикле (от надевания до снятия) — 10 часов (из них 7 часов отводится на работу в открытом космосе, остальное время — на нахождение в отсеке перед выходом в космос и после возвращения).

14.Скафандр состоит из 14 слоев (в том числе нейлон, неопрен, синтетическое полиэфирное волокно и термопластик) и способен выдерживать перепады температуры от –184 до +149 градусов Цельсия.

14.Внешняя оболочка скафандра — ткань фенилон, способная выдерживать значительные статические и динамические нагрузки и многослойная экранно-вакуумная теплозащита, состоящая из алюминиевой фольги и минеральных волокон.

15. «Самоспасатель»..

Опасность отрыва астронавта от станции в процессе работы в открытом космосе космонавт закрепляется при помощи фала, страхуется, но опасность отрыва все же остается. И такие критические ситуации возникали и у них и у нас. Американцы снабдили свой скафандр двигательной установкой - он у них «самоспасатель»..Если астронавт отрывается от корабля, начинает работать программный автомат, скафандр стабилизируется, затем идет поиск станции, включается двигатель, и астронавт возвращается на станцию[4].

15. «Самоспасатель»..

Космонавт закрепляется при помощи фала, страхуется, но опасность отрыва все же остается. Российский скафандр будет оснащен Сейфером типа реактивного ранца, «встроенного» в скафандр. Сейфер точно будет иметь 16 микродвигателей, по четыре на угол. Чтобы и поворачиваться, и стабилизироваться, и перемещаться.[3]

Анализ сравнительной таблицы

Как видно из составленной нами таблицы, полужёсткий тип скафандра наиболее приспособлен для внекорабельной деятельности, связанной с обеспечением эксплуатации долгосрочной орбитальной станции. Полужёсткие скафандры со встроенными автономными системами обеспечения жизнедеятельности оптимальны для многоразовой и длительной работы в открытом космосе.

У российских аварийных систем самые высокие характеристики. Дело в том, что мы делаем комплекс, проводим комплексные испытания и за все несем ответственность, а американцы заказывают у разных фирм отдельные компоненты системы[1].

Существует несколько модификаций скафандра «Орлан». Все они обладают рядом преимуществ, что обеспечивает их успешное использование при длительных космических полётах. К ним можно отнести:

быстрое самостоятельное надевание-снятие, использование одного типоразмера скафандра для космонавтов с разными антропометрическими данными, возможность обслуживания на орбите без возвращения на Землю;

простоту замены сменных и вышедших из строя элементов.

длительное сохранение воды, циркулирующей в гидросистеме, которая обеспечивает нужный тепловой баланс в открытом космосе. Трудности были устранены с помощью технологий ионизации воды серебром и новейших неметаллических материалов, из которых изготовлялись патрубки, разъёмы и другие элементы гидросистемы.

По сути, «Орлан» — это небольшой космический корабль. Его производство занимает больше полугода, а официальный срок годности — 4 года. Разумеется, по факту эксплуатируют их дольше[3].

В настоящее время разрабатывается новый тип скафандра «Орлан-МКС» (модернизированный, компьютеризированный, синтетический). Скафандры "Орлан-МКС" пойдут на станцию на грузовых "Прогрессах". По одному на корабль. Они действительно "умные", с автоматической системой терморегулирования. Ничего подобного у американцев нет.

Резиновая оболочка скафандра заменена на полиуретановые. Те скафандры, в которых сейчас работают космонавты, рассчитаны на 15 выходов в открытый космос. А «Орлан-МКС» — до 20 и больше[3]. (Приложение 1.4).

Существует опасность отрыва астронавта от станции в процессе работы в открытом космосе над этой проблемой работают как российские, так и американские ученые. Российская концепция интегрировать систему спасения космонавтов прямо в скафандр "Орлан",все должен делать автомат, который используется для работы в открытом космосе. У него жесткая кираса, которая позволяет это сделать. Такие проработки есть.Испытания проходят на специальном стенде на воздушной подушке.

На случай разгерметизации из-за повреждения обшивки в «Орлане МКС» предусмотрена система, способная поддерживать внутри скафандра необходимое давление в течение 30−50 минут. Этого достаточно для возврата на станцию.

 

Проблемы, возникающие при использовании скафандра, связанные с внекорабельной деятельностью космонавтов:

Нужно изменить конструкцию оболочки ног «Орлана», чтобы в нем можно было удобно ходить по поверхности.

Сделать съемную одежду от лунной пыли, чтобы не таскать ее за собой в корабль.

Человек внутри скафандра должен быть хорошо защищён от солнечной радиации. ( Рассматривается концепция борированного полиэтилена).

Для экспедиции на Марс необходимо использовать универсальный скафандр модульного принципа: спасательный, для работы на поверхности планеты и специально для экстренного выхода в открытый космос.

Вывод:

Extravehicular Mobility Unit или «EMU» — американский костюм для внекорабельной деятельности, наряду с «Орлан-МК» используется космонавтами для выхода в открытый космос на МКС.(Приложение 1.3).

Американский костюм является полужестким костюмом, по большей части схожем с российской разработкой. Американцы считают, что EMU морально устарел[2].

Сегодня российские скафандры используются как в российском Центре подготовки космонавтов, так и в Хьюстоне.Там в гидробассейне американцы тренируются в наших «внеземных одеждах», а на орбитальной станции экипаж может воспользоваться любым скафандром[3].

Американские в перспективе имеют некоторое преимущество, поскольку в них можно проводить больше сложных операций», однако российские «значительно дешевле»[5].

Поэтому, я считаю, что ХХI веке Россия и Америка должны работать вместе и в космосе и на Земле. Американцы - наши стратегические партнеры, а значит, нужно выстраивать отношения с ними так, чтобы не допускать конфронтации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

Губарев В. АКАДЕМИК ГАЙ СЕВЕРИН: СЛОВО «НЕВОЗМОЖНО» НАМ НЕИЗВЕСТНО. //Наука и жизнь. 2001. № 10

Первушин А. Скафандр. История и устройство. https://vseonauke.com/1406338177292831413/skafandr-istoriya-i-ustrojstvo/

Ячменникова Н.Спасти рядового космонавта.//Российская газета-Федеральный выпуск. 2018. № 85(6656)

http://sci-hit.com/2016/04/chem-otlichayutsya-rossiyskie-i-amerikanskie-skafandry.html

https://www.rbc.ru/rbcfreenews/5ade0be29a79478688e01245

 

Приложение 1.

Р анец системы жизнеобеспечения.

Шлем имеет светофильтр с золотым напылением

Светодиоды

Р укава и штанины съемные

Э лектронный блок управления

Э лектрофал

Перчатки изготавливаются по индивидуальным меркам и имеют термоизолирующие

К репление троса

Российский скафандр

П риложение 1.2

Ш лем имеет светофильтр с золотым напылением

С ветодиоды — необходимы для работы на теневых участках

Б лок управления и контроля

Ранец системы жизнеобеспечения

П ерчатки с подогревом

Система обеспечения кислородоом

Страховочный карабин

Американский скафандр

Приложение 1.3

Cкафандр «Орлан-МК»

Приложение 1.4

Скафандр «Орлан – МКС»

Просмотров работы: 526