VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Космический скафандр: настоящее и будущее
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
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»