СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ СКАФАНДРА ДЛЯ РАБОТЫ В ОТКРЫТОМ КОСМОСЕ
METHOD OF PRESSURE GARMENT ASSEMBLY AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL FOR OPERATION IN OUTSIDE SPACE

Данное изобретение относится к космическим скафандрам, конкретно к способам терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе.
Известен способ терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе, применяемый в скафандре «Орлан-М» (И.П.Абрамов, М.Н.Дудник, В.И.Сверщек, Г.И.Северин, А.И.Скуг, А.Ю.Стоклицкий. Космические скафандры России. Москва, ОАО «НПП «Звезда», 2005 г.).
Скафандр имеет в своем составе автономную систему обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), включающую в себя комплекс подсистем, в том числе систему терморегулирования (СТР).
СТР состоит из двух контуров: вентиляционного контура и контура водяного охлаждения космонавта.
Вентиляционный контур включает в себя патрон-поглотитель выделяемого человеком углекислого газа, вентилятор для приведения в движение вентилирующего газа в скафандре и охлаждающего газ сублимационного теплообменника.
Основное охлаждение космонавта осуществляется с помощью контура водяного охлаждения.
Контур состоит из одеваемого космонавтом костюма водяного охлаждения (КВО), в трубках которого циркулирует охлажденная вода, насоса для приведения воды в движение и охлаждающего воду сублимационного теплообменника.
В процессе работы в открытом космосе космонавт меняет уровень физической активности (тяжелая работа, средняя работа, легкая работа, отдых). В соответствии с этим меняются энерготраты космонавта и, следовательно, его тепловыделения.
Для того чтобы теплосъем с тела космонавта посредством КВО соответствовал его тепловыделениям, необходимо регулировать температуру воды в КВО.
Для обеспечения возможности регулирования температуры воды водяной контур разделен на две линии потока: охлаждаемая линия, в которой поток воды проходит через сублимационный теплообменник, и байпасная линия, в которой поток не проходит через теплообменник и остается теплой.
Суть известного способа заключается в том, что терморегулирование космонавт осуществляет вручную по собственным теплоощущениям, изменяя вручную с помощью трехходового крана «Тепло-Холод» расходы воды в указанных выше линиях, и таким образом устанавливает температуру воды в КВО, чтобы обеспечить тепловой комфорт.
Недостатками этого способа терморегулирования являются:
- возникновение дополнительных физических нагрузок космонавту для управления краном «Тепло-Холод» в скафандре под избыточным давлением;
- необходимость специального обучения космонавта по отработке режимов терморегулирования;
- возможные перегрев или переохлаждение космонавтов при выполнении внекорабельной деятельности, так как регулирование по теплоощущениям часто сопровождается ошибками, например такими, как запаздывание переключений крана «Тепло-Холод»;
- отвлечение внимания космонавта на управление СТР при выполнении внекорабельной деятельности в процессе выхода в космос.
Задачей изобретения является разработка такого способа терморегулирования, который позволил бы регулировать температуру воды в КВО автоматически без участия космонавта.
2
Для решения поставленной технической задачи используют известное соотношение между энерготратами человека, повышением концентрации СО в выдыхаемом воздухе и расходом воздуха
где
Э.Т. - энерготраты (Вт),
2
Кэ - калорический эквивалент (количество тепла, выделяемого при поглощении 1 л O),
2
2
R - дыхательный коэффициент (отношение количества выделяемого CO к количеству поглощенного O),
2
2
2
Ксовх - концентрация (объемное содержание) СО в вентиляционном контуре на входе в патрон - поглотитель скафандра СО (%),
2
2
2
Ксовых - концентрация СО в вентиляционном контуре на выходе из патрона - поглотителя СО (%),
V - объемный расход газа в вентиляционном контуре, приведенный к нормальным условиям
Кроме того, используют зависимость, установленную в результате статистического анализа данных, полученных из многолетнего опыта эксплуатации и тренировок космонавтов в скафандрах, между уровнями энерготрат космонавта и температурами воды на входе в КВО, обеспечивающими оптимальный (наиболее комфортный) режим охлаждения при данном уровне энерготрат.
2
Предлагаемый способ автоматического регулирования заключается в том, что в вентиляционном контуре устанавливают чувствительные датчики измерения концентрации углекислого газа на входе и выходе патрона-поглотителя CO и датчик расхода газа, показания которых передают на встроенный в скафандр микропроцессор, в программу которого введены вышеуказанные зависимости.
2
Исходя из измеренных значений концентраций CO и расхода воздуха, вычисляют по формуле [1] текущие значения энерготрат космонавта, на основании которых по статистическим данным определяют оптимальные значения температуры воды на входе в КВО и передают их в виде управляющих команд на исполнительные механизмы, которые непосредственно осуществляют регулирование температуры воды в КВО.
В качестве исполнительных механизмов используют клапаны, установленные в охлаждаемой и байпасной линиях. Клапаны, которые действуют в дискретном режиме, периодически открываясь и закрываясь по командам, поступающим от процессора, смешивают холодный и теплый потоки воды в той пропорции, которая нужна для установления вычисленной оптимальной температуры воды в КВО.
Основное регулирование осуществляют при открытии-закрытии клапана в охлаждаемой линии теплообменника. Большую часть времени клапан в линии байпаса находится в открытом состоянии.
0
вхКВО0
вхКВО
При увеличении начальных энерготрат (Э.Т.) выше исходного уровня, которому соответствовала температура воды Т, клапан охлаждаемой линии теплообменника, который до этого момента был закрыт, открывается, и в гидросистему скафандра начинает поступать вода, охлаждаемая в теплообменнике. Когда температура воды Т понижается до уровня, соответствующего текущему уровню энерготрат, клапан в охлаждаемой линии теплообменника закрывается, обеспечивая необходимое равновесие.
вхКВО
В случае дальнейшего повышения уровня энерготрат клапан в охлаждаемой линии теплообменника снова открывается, и происходит дальнейшее понижение температуры воды Т и т.д.
вхКВО
При понижении уровня энерготрат, когда космонавт переходит к более легкой работе или отдыху, клапан в охлаждаемой линии теплообменника закрывается и остается в закрытом состоянии до тех пор, пока температура воды Т не увеличится до расчетного уровня, требующего понижения температуры, то есть открытия этого клапана.
вхКВО
В случае необходимости понижения температуры Т до предельного минимального уровня, обеспечиваемого теплообменником (например, в случае резкого возрастании физических нагрузок на космонавта), предусматривается, кроме открытия клапана в охлаждаемой линии теплообменника, кратковременное закрытие нормально открытого клапана в линии байпаса. В этом случае достигается максимальная скорость понижения температуры, которая не может быть получена только за счет включения клапана в линии теплообменника.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить автоматическое терморегулирование со скоростью, соответствующей изменению объективных показателей состояния космонавта (его энерготратам и тепловыделениям), что повышает комфорт пребывания космонавта в скафандре, уменьшает количество его действий при работе в космосе, повышает безопасность и снижает объем учебно-тренировочных мероприятий.