Скафандр -маленькая космическая станция

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

Скафандр -маленькая космическая станция

Кучерявый Д.С. 1
1МОУ Гимназия № 1
Таперо Т.Ю. 1
1 МОУ Гимназии № 1
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

Скафандр – это чудо техники, космическая станция в миниатюре… Вам-то кажется, что скафандр переполнен, как дамская сумочка, но на самом деле всё сделано так компактно, что просто красота! В общем, скафандр мой был похож на первоклассный автомобиль, а шлем – на швейцарские часы…

Роберт Хайнлайн
«Имею скафандр – готов путешествовать»

Название «скафандр» происходит от французского слова, предложенного в 1775 году аббатом-математиком Жаном-Батистом де Ла Шапелем. Естественно, о полётах в космос в конце XVIII века речи не шло – учёный предложил называть так водолазное снаряжение. Само слово, которое можно перевести с греческого, примерно, как «лодко-человек», неожиданно вошло в русский язык с приходом космической эры. В английском же языке скафандр так и остался «космическим костюмом» (space suit).

Чем ближе человек приближался к космосу, тем сильнее назревала необходимость в костюме, который поможет ему сделать ещё один шаг в сторону неба. Если на высоте шести-семи километров достаточно кислородной маски и тёплой одежды, то после десятикилометровой отметки давление падает настолько, что лёгкие перестают усваивать кислород. Чтобы выжить в таких условиях, нужны герметичная кабина и компенсирующий костюм, который при разгерметизации сжимает человеческое тело, на какое-то время заменяя ему внешнее давление. Однако если подняться ещё выше, то не поможет и эта болезненная процедура: пилот погибнет от кислородного голодания и декомпрессионных расстройств. Единственное решение – сделать полностью герметичный скафандр, в котором внутреннее давление поддерживается на достаточном уровне (обычно не менее 40% от атмосферного, что соответствует высоте семи километров). Но и тут хватает проблем: надутый скафандр затрудняет движения, в нём почти невозможно совершать точные манипуляции.

Космический скафандр – это сложное и дорогостоящее устройство. Основные факторы, пагубное влияние которых приходится учитывать при разработке скафандра, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Давление окружающей среды

10-10 мм. рт. ст.

Гравитация

1/6 g

Диапазон температур

± 150°С при потоке солнечной энергии 129 Дж/с

Первичный поток
микрометеоритов

Скорость 29,8 км/с, диаметр частиц 0,305 мм, плотность 0,498 г /см3

Вторичный поток
микрометеоритов

Скорость 0,198 км/сек, диаметр частиц 2,388 мм, плотность 3,490 г/см3

Электромагнитное излучение

Интенсивное инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, а также излучение в видимом диапазоне

В данной работе я хочу показать, как эволюционировали конструкции скафандров и какими они бывают.

Общие принципы конструкции скафандров

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, 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, в России – отечественный аналог, капрон. Она защищает резиновую оболочку от повреждений и держит форму. Таким образом, скафандр по конструкции похож на футбольный мяч: 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. 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. Для длительного пребывания в космосе или на поверхности Луны необходимы регенерационные скафандры. 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 – 100С.

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.

Время первых

Английский физиолог Джон Холден опубликовал в 1920-е годы серию статей, в которых предложил использовать водолазные костюмы для защиты воздухоплавателей. Он даже построил прототип такого скафандра для американского воздухоплавателя Марка Риджа. Последний испытал костюм в барокамере при давлении, соответствующем высоте 25,6 километра. Однако аэростаты для полётов в стратосфере всегда стоили дорого, и Риджу не удалось собрать средства для установления мирового рекорда с помощью костюма Холдена.

В Советском Союзе скафандрами для высотных полётов занимался инженер Института авиационной медицины Евгений Чертовский. В период с 1931 по 1940 год он разработал семь моделей герметичных костюмов. Все они были далеки от совершенства, но зато Чертовский первым в мире решил проблему, связанную с подвижностью. После наддува скафандра пилоту требовалось большое усилие, чтобы просто согнуть конечность, поэтому в модели Ч-2 инженер применил шарниры. Модель Ч-3 (рис. 1), созданная в 1936 году, содержала в себе практически все элементы, которые есть в современном космическом скафандре, включая впитывающее бельё. Ч-3 была испытана на тяжёлом бомбардировщике ТБ-3 19 мая 1937 года.

 

Рис. 1

В 1936 году на экраны вышел фантастический фильм «Космический рейс», в создании которого участвовал Константин Циолковский. Кино о грядущем покорении Луны так захватило молодых инженеров Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), что они принялись активно работать над прототипами космических скафандров. Первый образец под индексом СК-ЦАГИ-1 был сконструирован, изготовлен и испытан на удивление быстро – всего лишь за один 1937 год. В 1940 году в ЦАГИ был сконструирован скафандр СК-ЦАГИ-5 (рис. 2). Скафандр и впрямь производил впечатление чего-то внеземного: верхняя и нижняя части соединялись с помощью поясного разъёма; для облегчения подвижности появились плечевые шарниры; оболочка состояла из двух слоёв прорезиненной ткани.

 

Рис. 2

На второй модели была установлена автономная регенерационная система, рассчитанная на шесть часов непрерывной работы. В 1940 году на основе полученного опыта инженеры ЦАГИ создали последний довоенный советский скафандр СК-ЦАГИ-8. Его испытали на истребителе И-153 «Чайка».

После войны инициатива перешла к Лётноисследовательскому институту (ЛИИ). Его специалистам было поручено создать костюмы для пилотов авиации, которая быстро покоряла новые высоты и скорости. Серийное производство одному институту было не потянуть, и в октябре 1952 года инженер Александр Бойко создал специальный цех на заводе № 918 в подмосковном Томилине. Ныне это предприятие известно, как НПП «Звезда». Именно там был создан скафандр для Юрия Гагарина.

Первые полеты

Когда в конце 1950-х годов советские инженеры-конструкторы приступили к проектированию первого космического корабля «Восток», они изначально планировали, что человек полетит в космос без скафандра. Пилота должны были поместить в герметичный контейнер, который выстреливался бы из спускаемого аппарата перед приземлением. Однако такая схема оказалась громоздкой и требовала длительных испытаний, поэтому в августе 1960 года бюро Сергея Королёва переработало внутреннюю компоновку «Востока», заменив контейнер катапультируемым креслом. Соответственно, для защиты будущего космонавта в случае разгерметизации требовалось быстро создать подходящий костюм. Времени на стыковку скафандра с бортовыми системами не оставалось, поэтому решили сделать систему жизнеобеспечения, размещаемую непосредственно в кресле.

Скафандр, получивший обозначение СК-1, был основан на высотном костюме «Воркута», который предназначался для пилотов истребителя-перехватчика Су-9. Только шлем пришлось полностью переделать. Например, в нём был установлен специальный механизм, управляемый датчиком давления: если оно резко падало, механизм мгновенно захлопывал прозрачное забрало. На рисунке 3 изображен Ю. Гагарин в скафандре СК-1.

 

Рис. 3

Скафандр СК-1 был вентиляционного типа. При нормальных условиях в кабине СК-1 вентилируется кабинным воздухом от бортовой вентиляционной установки при разгерметизации кабины скафандр надувается и вентилируется от бортовой установки. Оболочка многослойная: силовая – из ткани лавсан, герметичная – из листовой резины, подкладка – капрон. Шлем жесткий с откидным забралом (остеклением, которое автоматически закрывается при разгерметизации кабины). В комплект скафандра входит теплозащитный и вентиляционный костюмы, а также верхняя одежда с плавательным надувным воротом.

Каждый скафандр изготавливался по индивидуальной мерке. К первому космическому полёту «обшить» весь отряд космонавтов, в то время состоявший из двадцати человек, не получалось. Поэтому сначала выделили шестерых, которые показали наилучший уровень подготовки, а затем – тройку «лидеров»: Юрия Гагарина, Германа Титова и Григория Нелюбова. Для них скафандры изготовили в первую очередь.

Один из скафандров СК-1 побывал на орбите раньше космонавтов. Во время беспилотных испытательных запусков корабля «Восток», проведённых 9 и 25 марта 1961 года, на борту вместе с подопытными дворнягами находился человекоподобный манекен в скафандре, прозванный «Иваном Ивановичем». В его груди была установлена клетка с мышами и морскими свинками. Под прозрачное забрало шлема положили табличку с надписью «Макет», чтобы случайные свидетели приземления не приняли его за инопланетное вторжение.

Скафандр СК-1 использовался в пяти пилотируемых полётах кораблей «Восток». Только для полёта «Востока-6», в кабине которого находилась Валентина Терешкова, был создан скафандр СК-2, учитывающий особенности женской анатомии (рис. 4). Первые советские скафандры были ярко-оранжевыми, чтобы приземлившегося космонавта было легче найти.

Первые скафандры были аварийно-спасательными, присоединялись к системе жизнеобеспечения корабля и не позволяли выйти в открытый космос. Специалисты понимали, что если космическая экспансия продолжится, то одним из обязательных этапов станет создание автономного скафандра, в котором можно будет работать в открытом космосе.

 

Рис. 4

Американские конструкторы первой пилотируемой космической программы США «Меркурий» в разработке скафандров шли параллельным курсом, но были и отличия. Скафандр Navy Mark IV для пилотов военно-морской авиации отличался гибкостью и сравнительно небольшим весом. У каждого астронавта было три индивидуальных скафандра: для обучения, для полета и резервный.

Скафандр для выхода в открытый космос

Скафандр, предназначенный для выхода космонавта из корабля в открытый космос, должен обеспечить необходимые жизненные условия и работоспособность для проведения ремонта, монтажа, различного оборудования на внешней поверхности космического аппарата. Кроме того, в этом скафандре космонавт может проводить сборку орбитальных станций или отдельных секций, доставленных с Земли, осуществлять научные наблюдения и эксперименты. Наличие скафандра должно, наконец, обеспечить спасение или оказание помощи космонавтам, попавшим в аварийную обстановку.

Скафандр для выхода в космос может быть полностью автономным или связан с кораблем фалом, шлангом и проводами, по которым подается кислородное питание и осуществляется связь с командиром корабля.

Как известно, первый выход человека в открытый космос был осуществлен А. А. Леоновым из корабля «Восход-2» 18 марта 1965 г. В связи с ограниченными задачами, стоящими перед первым выходом человека в космическое пространство, обеспечение жизнедеятельности осуществлялось наиболее простым и надежным способом. Кислородное питание подавалось из трех кислородных баллонов, размещенных в наспинном ранце.

 

Рис. 5

Специально для исторического полёта был разработан скафандр «Беркут» (рис. 5). В отличие от СК-1, новый костюм имел вторую герметичную оболочку, 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. Чтобы лучше отражать электромагнитное излучения скафандры делают белыми.

Космический корабль «Восход-2» стартовал 18 марта 1965 года, и в начале второго витка Алексей Леонов покинул борт. Тут же 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. Леонов находился в пустоте 23 минуты 41 секунду. Перед выходом А.А. Леонова из корабля оба космонавта (А. А. Леонов и П. И. Беляев) дышали в течение 1 часа чистым кислородом, чтобы избежать декомпрессионных расстройств (кессонной болезни) при переходе к более низкому давлению в скафандре. Леонову пришлось также уменьшить давление в скафандре от 0,406 атм. до приблизительно 0,28 атм., чтобы более свободно двигать руками и ногами.

Хотя американцы уступили первенство, они быстро и заметно обогнали советских конкурентов по количеству выходов в открытый космос. Операции вне корабля осуществлялись во время полётов «Джемини-4, -9, -10. -11, 12». Сначала под свою новую пилотируемую программу «Джемини» американцы хотели доработать «меркурианский» скафандр Mark IV, но к тому моменту был полностью готов высотный герметичный костюм G3C, созданный под проект ракетоплана Х-15, – его и взяли за основу. Все скафандры были подключены к системе жизнеобеспечения корабля, однако на случай проблем было предусмотрено автономное устройство ELSS, ресурсов которого хватало на поддержку астронавта в течение получаса. Именно в скафандре G4C (рис. 6) совершил выход в открытый космос Эдвард Уайт, пилот корабля «Джемини-4». Произошло это 3 июня 1965 года.

Американские космонавты, выходившие в открытый космос, так же, как и А.А. Леонов, испытывали усталость от того, что им приходилось «сражаться со скафандром». Это было видно по частоте их пульса и дыхания.

Скафандры для Луны

 

Рис. 6

На Луне требовались совсем другие скафандры, нежели на земной орбите. Скафандр должен был стать полностью автономным и позволять человеку работать вне корабля несколько часов. Он должен был обеспечить защиту от микрометеоритов и, главное, от перегрева под прямыми солнечными лучами, ведь высадки планировались в лунные дни. Кроме того, в NASA построили специальный наклонный стенд, чтобы выяснить, как пониженная гравитация влияет на движение астронавтов. Оказалось, что характер ходьбы резко меняется. Скафандр для полёта на Луну совершенствовался в ходе всей американской программы «Аполлон». Первый вариант A5L не удовлетворил заказчика, и вскоре появился скафандр A6L, куда была добавлена теплоизоляционная оболочка. После пожара 27 января 1967 года на корабле «Аполлон-1», приведшего к гибели трёх астронавтов, скафандр доработали до огнестойкой версии A7L.

По своей конструкции A7L был цельным, многослойным костюмом, закрывавшим туловище и конечности, с гибкими сочленениями, сделанными из резины. Металлические кольца на вороте и манжетах рукавов предназначались для установки герметичных перчаток и «шлема-аквариума». Все скафандры имели вертикальную «молнию», которая шла от шеи до паха. A7L обеспечивал четырёхчасовую работу астронавтов на Луне. Именно в скафандрах A7L астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин ступили на Луну 21 июля 1969 года.

Советские космонавты тоже собирались на Луну. И для них приготовили скафандр «Кречет» (рис. 7). Поскольку по задумке высаживаться на поверхность должен был только один член экипажа, для скафандра выбрали полужёсткий вариант – с дверцей на спине. Космонавт должен был не надевать костюм, как в американском варианте, а буквально влезать в него. Специальная система тросиков и боковой рычаг позволяли закрыть за собой крышку.

Вся система жизнеобеспечения располагалась в откидной дверце и работала не снаружи, как у американцев, а в нормальной внутренней атмосфере, что упрощало конструкцию. Хотя «Кречет» так и не побывал на Луне, наработки по нему использовались при создании других моделей.

Скафандр «Ястреб» (рис. 8) был в основном похож на «Беркут», который использовался на корабле «Восход-2». Различия были в системе жизнеобеспечения: теперь дыхательная смесь циркулировала внутри скафандра по замкнутому контуру, где очищалась от углекислоты и вредных примесей, подпитывалась кислородом и охлаждалась. В «Ястребах» космонавты Алексей Елисеев и Евгений Хрунов переходили из корабля в корабль во время полётов «Союза-4» и «Союза-5» в январе 1969 года.

Когда Советский Союз начал запускать орбитальные станции, позволяющие сооружать различные модули, понадобился и соответствующий защитный костюм. Им стал «Орлан» – автономный полужёсткий скафандр, созданный на основе лунного «Кречета». В «Орлан» тоже надо было залезать через дверцу в спине. Кроме того, создатели этих скафандров сумели сделать их универсальными: теперь штанины и рукава подгонялись под рост космонавта.

«Орлан-Д» впервые был опробован в открытом космосе в декабре 1977 года на орбитальной станции «Салют-6». С тех пор эти скафандры в разных модификациях использовались на «Салютах», комплексе «Мир» и Международной космической станции (МКС). Космонавты благодаря скафандру могут поддерживать связь друг с другом, с самой станцией и с Землёй.

Скафандры серии «Орлан» оказались настолько хороши, что китайцы сделали по их образцу свой «Фэйтянь» для выхода в открытый космос. 27 сентября 2008 года эту операцию в ходе полёта корабля «Шэньчжоу-7» проделал тайконавт Чжай Чжиган. Характерно, что при выходе его страховал напарник Лю Бомин в купленном у России «Орлане-М».

Рис. 7 Рис. 8

Скафандры будущего

Современный «Орлан-МКС», предназначенный для работы в открытом космосе (рис. 9), – это практически индивидуальный космический корабль, вход в него осуществляется через дверь в спинной части скафандра, масса изделия составляет 110 кг, космонавт в нем может автономно работать до 7 часов. Он так же отличается отменной ремонтопригодностью, по отдельности в скафандре можно заменять сегменты рук, ног и перчатки.

Космический скафандр «Орлан-МКС» обладает полностью автоматической системой климат-контроля, чего нет у американского скафандра. При этом у США скафандр заметно тяжелее, он весит 136 килограммов, астронавты его не любят и жалуются, что одеть без посторонней помощи его невозможно.

 

Рис. 9

О чень интересным так же оказалось решение по использованию в качестве антенны для связи внешней оболочки «Орлана», для этого в его ткань были имплантированы специальные волноводы. Еще одна новация «Орлана-МКС» – это замена резиновой оболочка скафандра на полиуретановые. В отличие от предыдущего поколения новый скафандр может быть использован уже не 15, а 20 раз, что даёт существенную экономию. «Мозг» уникальной спецовки спрятан в компьютере, который находится в накладном отсеке наспинного ранца скафандра. У космонавта же перед глазами находится лишь жидкокристаллический дисплей. Именно на него автомат выдает все данные по состоянию систем скафандра и подсказки, как и что нужно проконтролировать перед выходом в открытый космос. Если случится какой-то сбой, то высветится соответствующая информация, раздастся звуковой сигнал и появится рекомендация, как себя вести.

Заключение

Сегодня ОАО «НПП «Звезда» разрабатывает современные скафандры с помощью решений SolidWorks (автоматизированное проектирование). В основном конструкторским отделом предприятия выполняется моделирование твердых тел, работа с поверхностями, с листовым металлом. Работа со сложными поверхностями, с большими сборками, возможность проанализировать кинематику и динамику изделия задолго до его испытания – благодаря этому и многому другому ОАО «НПП «Звезда» и сегодня обеспечивает высокое качество и надежность выпускаемых изделий. В настоящее время внедряется методика согласования документации в электронном виде, что значительно сократит срок запуска нового изделия, издержки на производстве, будет способствовать улучшению качества готового изделия, тем более такого важного, как космический скафандр, призванный спасать жизни людей, рискнувших оторваться далеко от Земли. На р ис. 10 показан проект крышки ранца, разработанный с помощью SolidWorks и реальное изделие, выполненное по проекту.

 

Рис. 10

Технологии изготовления скафандров будут развиваться. Костюмы для космоса станут умнее и элегантнее. Возможно, когда-нибудь появится универсальная оболочка, способная защитить человека в любой среде. Но и сегодня скафандры – уникальный продукт технологий, которые без преувеличения можно назвать фантастическими.

Список использованных источников

Ильин Г., Иванов В., Павлов И. Космические скафандры // Наука и жизнь. – 1978. – № 6.

Абрамов И.П., Северин Г.И., Стоклицкий А.Ю., Шарипов Р.Х. Скафандры и системы для работы в открытом космосе. – М.: Машиностроение, 1984г.

zvezda-npp.ru

www.mirf.ru

fishki.net

ru.wikipedia.org

Просмотров работы: 24