Устройство для опоры, используемое преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса
DEVICE FOR SUPPORT, USED MAINLY BY COSMONAUT IN SPACE SUIT IN REAL AND SIMULATED HYPOGRAVITATION CONDITIONS ON SURFACE OF MOON AND MARS

Изобретение относится к космической технике, в частности, к инструментально-техническим средствам обеспечения действий космонавта скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса.
Среди рельефообразующих объектов на поверхности Луны в глобальном масштабе выделяются моря, материки, горные хребты, талассоиды, светлые лучи, извилистые борозды, кратеры, диаметры которых достигают 80-200 км, а превышение вала над дном крупных кратеров доходит до 6 км. Однако глобальные макрогеологические структуры лишь опосредованно будут влиять на трудовую деятельность космонавта на Луне. А вот локальный ландшафт в функциональной зоне, микрорельеф поверхности, свойства грунта под подошвами ботинок скафандра непосредственно определяют позу космонавта и способ передвижения, требования к скафандру и оборудованию.
У космонавта, облаченного в скафандр под избыточным давлением, стоящего на поверхности, центр тяжести конструктивно смещен вверх и несколько назад. Чтобы сохранить устойчивое положение тела относительно вертикали, необходим некоторый наклон вперед. Сущность статической задачи удержания устойчивого положения стоящим космонавтом сводится к приведению проекции центра тяжести системы «человек-скафандр» на площадь опоры, определяемую площадью стоп и поверхностью между ними. При практическом обездвижении позвоночных сочленений космонавта в существующих скафандрах с наддувом велико значение подвижности голеностопных суставов в процессе удержания равновесия.
Другими лимитирующими факторами в таком процессе являются угол трения между подошвами ботинок скафандра и грунтом, а также анатомо-физиологические возможности человека: объем угловых движений в суставах, сила мышц, координация движений. Преодоление конструктивных трудностей при разработке скафандра обусловливает игнорирование ряда биомеханических требований, наложение связей на подвижные сочленения человека в виде шарниров скафандра ограничивает потенциал движений и гибкости космонавта и приводит к снижению возможности парировать отклонения от вертикали, то есть снижению его устойчивости как на склонах, так и на ровной поверхности.
По результатам отечественных экспериментальных исследований, проведенных в условиях моделированной лунной тяжести 0,16g в полете самолета-лаборатории Ту-104К, устойчивость в скафандре «Кречет-94» уверенно поддерживалась испытателем на склонах до 14°, более крутые склоны требовали от испытателя осторожных действий, а на склонах более 20° требовалась страховка от падения с помощью технических средств или другого испытателя-напарника (Цыганков О.С. Луна в ракурсе человеческого фактора// Полет, 11, 2007).
«При нарушении равновесия падение можно предотвратить шагом в сторону наклона, но шаги в сторону затруднены ограниченной подвижностью скафандра. Скорость падений мала и падения для человека в скафандре не являются травмоопасными, но повреждение элементов скафандра при контакте со скальными обломками исключить нельзя. При падении лицом вниз можно легко подняться на ноги самостоятельно. При падении на спину необходима помощь другого астронавта или применение специальных приемов» (Армстронг Н. Исследование лунной поверхности// Земля и Вселенная, 1970, №5).
Освоение Луны развернется, вероятнее всего, в морских регионах.
«Поверхность лунных морей слабоволнистая, с уклоном 0,05-0,1, усеяна мелкими кратерами и лунками, а также крупными камнями и обломками скальных пород. Материал поверхности разнозернистый, рыхлый» (И.И. Черкасов, В.В. Швырев Грунтоведение Луны, «Наука», Москва, 1979, С. 35). Крупные фракции и обломки частично погружены в толщу поверхностного мелкопесчаного, пылевато-песчаного и пылеватого слоя. Это камни размером от 0,01 м до 1,0 м и крупные обломочные куски скал до 10 м. Кратеры диаметром 2…2000 м занимают более 30% поверхности морей. Межкратерное пространство, т.е. поверхность между кратерами диаметром более 2 м, является понятием довольно условным, поскольку представляет собою результат наложения множества мелких кратеров.
Пешеходное передвижение космонавта на поверхности Луны, очевидно, будет сопряжено с его деятельностью в качестве фото- и видеорепортера, топографа, геодезиста, геологоразведчика, строителя и др. и эксплуатацией аппаратуры индивидуального применения. Поскольку давление в скафандре превращает рукава скафандра и пальцы перчаток в аэробалки, их сопротивление приходится преодолевать при сгибании/разгибании, несмотря на наличие мягких шарниров в области суставов.
Как следует из результатов отечественных исследований в условиях моделирования лунной тяжести 0,16g, сообщений Н. Армстронга, других астронавтов из экипажей программы «Аполлон», проблема сохранения вертикальной позы тела, поддержания равновесия, предотвращения падений при непроизвольных наклонах за допустимые пределы, подъема на ноги после падения, преодоления локальных препятствий (камни, бугры, канавки, лунки), подъема и спуска по валам кратеров при пешеходном передвижении по фунтам Луны реально существует. При перемещении ходьбой в таком пространстве вполне оправдано использование вспомогательных опорных средств для устойчивости и поддержания вертикального положения тела.
1
1
Человечество издревле использует вспомогательные средства при ходьбе: посох, клюка, рогатина, шест, альпеншток, трость, костыль, лыжные палки и, наконец, палки для «скандинавской» ходьбы и треккинга(Треккинг - пешеходный туризм по пересеченной местности и бездорожью.).
Трости и костыли (https://kladzdor.ru) используются: для компенсации индивидуальных физиологических недостатков; для компенсации нарушений опорно-двигательного аппарата; в реабилитационный период после травм и операций; для снижения нагрузки на ноги при ходьбе и стоянии.
Известны локтевые костыли типа «канадка» (https://kladzdor.ru; https://fb.ru) с опорой на поверхность в точке под кистью руки или с опорой в точке под локтевым суставом. Такие приспособления конструктивно и функционально несовместимы со скафандром под избыточным давлением.
Известен такой вид приспособлений для ходьбы как лыжные палки (https://wayempire.com). Палки для беговых лыж обеспечивают отталкивание в направлении бега, сила рук вкладывается в общую энергию скольжения (https://wayempire.com).
Горнолыжные палки (https://letitsnow.ru) помогают спортсмену держать равновесие и маневрировать на трассе, отталкиваясь от поверхности склона. Большую часть трассы при скоростном спуске и слаломе-гиганте спортсмены проходят в низкой обтекаемой стойке, которая называется «яйцо». Палки для скоростного спуска имеют изогнутую форму и как бы повторяют форму фигуры спортсмена. Изогнутая форма палок служит для заведения колец на палках за туловище при спуске для уменьшения их аэродинамического сопротивления (https://letitsnow.ru).
Лыжная палка обычно оснащается темляком из ремня или ленты, прикрепленным к ручке. Продетая в темляк кисть руки получает поддержку снизу в зоне запястья. В скафандре это зона кистевого гермоподшипника. При силовом упоре палки в грунт усилие, передаваемое через петлю темляка, охватывающую половину окружности подшипника, вызовет непредусмотренные внешние нагрузки на кистевой подшипник. Для горнолыжных палок применяется неклассический темляк, включающий в себя не только крепление ремня к рукоятке, но и перчатку.
В набирающих популярность оздоровительных видах физкультуры -«скандинавской» ходьбе и треккинге, также используются опорные палки, похожие на палки для равнинных лыж, но более короткие. Техника скандинавской ходьбы описывается как напоминающая естественную ходьбу, но уменьшающая нагрузку на коленные и тазобедренные суставы, а также пяточные кости (https://tiensmed.ru; https://wayempire.com; https://trenirofka.ru).
Рукоятки палок для скандинавской ходьбы и треккинга оснащаются темляками, охватывающими запястье в виде перчаток с отрезанными напальчниками, прикрепленными к рукоятке.
Силовой упор палки в грунт сопровождается сжатием пальцами рукоятки с интенсивным нагружением мышц-сгибателей. На иных фазах применения палок - при ее переносе вперед после сделанного шага, при ходьбе по несложным участкам поверхности, в паузах для отдыха, вполне допустимо уменьшить усилие охвата рукоятки, но чтобы не выронить палку необходимо оснастить рукоятку средствами фиксации на руке космонавта.
Известны элементы фиксации на рукоятках инструментов для космонавтов в виде двух несомкнутых дужек, выполненных из эластичного пластика с общим основанием, которое устанавливается в специально предусмотренные пазы в рукоятках инструментов (Г. Сергеев, О. Цыганков. Инструменты для космонавта. Наука и жизнь. №9, 1976, С. 32).
Известны фиксаторы в виде двух дуг, выполненных из стальной проволоки (О.С. Циганков, В.М. Кобрiн. Технологiчна дiяльнiсть космонавта. Харкiв, XAI, 1995, С. 278, 279).
Упомянутые решения являются аналогичными, отличаются только использованными материалами. Экспериментальная оценка образцов, изготовленных по указанным выше решениям, оказалась неудовлетворительной по показаниям эффективности и надежности фиксации, что являлось следствием незамкнутости дуг фиксаторов.
2
2
Вместе с тем, фиксатор в виде цельной жесткой дуги, по типу дуги-гарды(Гарда - выпуклая дужка на рукоятке сабли, шашки для защиты кисти руки от удара. Новейший словарь иностранных слов и выражений. Москва ACT. Минск. ХАРВЕСТ. 2002. С. 192) на холодном оружии, неприемлем ввиду риска утончения или отсутствия газовой прослойки между рукой и оболочкой перчатки в зонах контакта перчатки с жесткой дугой.
Удержание в рабочем положении фото- и TV-камеры, дально- и высотомера и др. выполняется космонавтом-оператором с определенными энерготратами. Известен монопод (https://vash.market) - одноопорный штатив, опорой для которого являются статические объекты или поверхность. Существующие образцы моноподов не приспособлены для использования оператором в скафандре под избыточным давлением, а именно: конструкция и технология применения известных штативных головок для установки/деинсталляции и регулировки камер, приборов с использованием деталей с резьбами 1/8ʺ, 1/4ʺ и 3/8ʺ несовместимы с наддутой перчаткой скафандра (https://vash.market).
3
3
Рассмотренные аналоги опорных палок, рукояток и темляков(Темляк - петля из ремня или ленты на рукоятке шпаги, сабли, шашки, надеваемое на руку при пользовании оружием. Современный толковый словарь русского языка. Москва. Ридерс дайджест. 2004. С. 825.), а также одноопорных штативов, конструктивно не сопрягаются с наддутой перчаткой и рукавом скафандра, не содержат свойств, которые облегчали бы использование космонавтом аппаратуры индивидуального применения.
Задачей изобретения является создание устройства для опоры, используемого преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса при ходьбе и эксплуатации аппаратуры индивидуального применения, обеспечивающего безопасность, эффективность, надежность и эргономичность действий.
Техническим результатом изобретения является повышение безопасности, эффективности, надежности и эргономичности устройства для опоры, используемого преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса при ходьбе и эксплуатации аппаратуры индивидуального применения, согласованного с конструктивно-эксплуатационными характеристиками скафандра и функциональными возможностями космонавта.
4
4
5
5
Технический результат достигается тем, что устройство для опоры, используемое преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса, содержит телескопический стержень с заостренным наконечником и кольцом на одном его конце и рукояткой на другом конце, на стержне посредством клеммовых соединений(Клеммовое соединение - фрикционно-винтовое соединение для закрепления на осях различных деталей, имеющих прорезь (Новый политехнический словарь. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия» Москва. 2000. С. 220).) установлены параллельные между собой и перпендикулярные оси стержня кронштейны, на стержне между клеммовыми соединениями нанесено неметаллическое покрытие, между кронштейнами натянута пружина растяжения, навитая касательно виток к витку, расстояние h между рукояткой и пружиной на 8-10% меньше толщины ладонной части наддутой перчатки скафандра, пружина помещена в тканевый чехол, зафиксированный на кронштейнах, длина чехла превосходит расстояние между кронштейнами, при этом навершием(Навершие - верхушка какого-либо изделия (рукоятки меча, посоха и т.д.). kartaslov.ru) стержня является площадка, на которой установлено магнитное фиксирующее приспособление.
Устройство для опоры, используемое космонавтом в скафандре, показано на фигурах 1-6.
На фиг. 1 - сопряжение устройства со скафандром.
На фиг. 2 - общий вид устройства.
На фиг. 3 - конструкция рукоятки.
На фиг. 4 - разрез по А-А.
На фиг. 5 - кронштейн.
На фин. 6 - узел крепления пружины и чехла.
На фиг. 7 - схема измерения.
1 - Телескопический стержень.
2 - Наконечник.
3 - Кольцо.
4 - Рукоятка.
5, 19 - Кронштейны.
6, 18 - Клеммовые соединения.
7 - Пружина.
8 - Чехол.
9 - Площадка.
10 - Магнитное фиксирующее приспособление.
11, 20 - Серьги кронштейнов.
12, 23 - Составные оси.
13 - Неметаллическое покрытие.
6
6
14, 21 - Бандажи(Бандаж - плотно прилегающая повязка. Современный толковый словарь русского языка. Москва. Ридерс дайджест. 2004. С. 31.).
15 - Перчатка скафандра.
16 - Фиксируемый предмет.
17 - Ярмо.
22 - Динамометр.
Устройство для опоры, используемое преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на поверхности Луны и Марса, содержит телескопический стержень 1 (фиг. 2) с заостренным наконечником 2 и кольцом 3 на одном конце стержня и рукояткой 4 на другом конце стержня, на стержне 1 посредством клеммовых соединений 6, 18 (фиг. 3) установлены кронштейны 5, 19, параллельные между собой и перпендикулярные оси стержня 1, на последнем между клеммовыми соединениями 6, 18 нанесено неметаллическое покрытие 13, например, лента петельная артикул 3С422-Г50 ГОСТ 30019.1-93, между кронштейнами натянута навитая касательно виток к витку пружина растяжения 7, например, наружным диаметром 16 мм из проволоки 2-Т-12Х18Н10Т, ГОСТ 18143-72, при этом расстояние h между пружиной 7 и рукояткой 4 на 8-10% меньше толщины ладонной части наддутой перчатки скафандра 15, пружина 7 прикреплена к серьгам 11, 20 (фиг. 4) кронштейнов 5, 19 посредством составных осей 12, 23 и помещена в тканевый чехол 8, например, из ткани ТТА-2 артикул 86-165-04 ТУ 8288-039-1727788575-2005, закрепленный бандажами 14, 21, например, нитками полиамидными ТУ 8147-016-05138014-01, на серьгах 11, 20 кронштейнов 5, 19 при этом длина чехла 8 превосходит расстояние между кронштейнами, навершием стержня 1 является площадка 9 с установленным на ней магнитным фиксирующим приспособлением 10 (например, Н.И. Ситас, О.С. Цыганков. Магнит в невесомости. Полет №1. 2010. С. 30-35; А.П. Александров, В.Д. Гречка, В.Н. Кобрин, О.С. Цыганков. Сборочно-монтажные и ремонтно-восстановительные работы в космическом пространстве. Харьков, ХАИ, 1990. С. 40-41; Постоянные магниты. //Под редакцией д.т.н., проф. Ю.М. Пятина. Москва. «Энергия». 1980. С. 161-162), при этом ярмо 17 установлено на фиксируемом предмете 16 (фиг. 2).
7
7
Способ применения устройства для опоры в натурных и моделируемых условиях заключается в следующем. Кисть руки в наддутой перчатке 15 (фиг. 2, 3) вводится с натягом(Натяг - разность между наружным размером охватываемой детали и внутренним размером охватывающей детали. Новый политехнический словарь. Москва. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». 2000. С. 322) в пространство между кронштейнами 5, 19, рукояткой 4 и пружиной 7, вследствие чего происходит обжатие перчатки 15, чем обеспечивается удерживание устройства для опоры на руке космонавта с усилием 6-8 кгс*, навершие на стержне 1 (фиг. 2) состоит из площадки 9 и магнитного фиксирующего приспособления 10, которое используют для установки фиксируемых предметов 16 (например, видеокамеры), оснащенных ответной частью - ярмом 17.
* На образце устройства в макетном исполнении экспериментальным путем определено, что удерживание устройства на руке без сжатия кисти испытателем при избыточном давлении в скафандре 0,4 ат (фиг. 1) по показаниям динамометра 22 (http://tdkap.ru) (фиг. 7), равно 6-8 кгс.
Устройство для опоры с зафиксированным в магнитном фиксирующем приспособлении 10 на стержне 1 предметом 16 применяют в качестве монопода как стоя на месте, так и в процессе ходьбы (фиг. 2).
Таким образом, изобретение устройства для опоры, используемого преимущественно космонавтом в скафандре в реальных и моделируемых условиях гипогравитации на Луне и Марса обеспечивает следующие преимущества:
1. Повышается безопасность, эффективность, надежность и эргономичность пешего передвижения и целевой деятельности космонавта.
2. Силовой упор стержня в грунт выполняют надавливанием ребра ладони на кронштейн без контакта последнего с кистевым подшипником скафандра.
3. Необходимость сжимать рукоятку данного устройства существует только на фазе силового упора стержня в грунт; во всех других положениях захват может быть ослаблен благодаря фиксации рукоятки на кисти, что ведет к снижению загрузки и критичной утомляемости мышц-сгибателей кисти, а значит и в целом энерготрат оператора.
4. Использование устройства для опоры в качестве монопода позволяет перенести вес используемого прибора на опору, снизить нагрузку на руки оператора, высвободить руки для других действий, минимизировать тряску прибора и устранить «микрошевеленку»; оптимизировать, например, съемки в сумерках с длительной выдержкой, панорамные съемки с изменением ориентации прибора.
5. Сферический магнитный фиксатор обеспечивает ориентацию зафиксированных приборов в диапазоне 180° сферического угла, а также простоту и быстродействие по их установке и деинсталляции.
6. На практике возможно использование как двух, так и одного устройства опоры.