ТРЕНАЖЁРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ЭКИПАЖЕЙ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ К ДЕЙСТВИЯМ ПОСЛЕ ПОСАДКИ ПИЛОТИРУЕМОЙ КАПСУЛЫ НА МОРЕ С ВОЛНЕНИЕМ
TRAINING COMPLEX FOR TRAINING SPACECRAFT CREWS FOR ACTIONS AFTER MANNED CAPSULE LANDING ON HEAVING SEA

Изобретение относится к области технических средств обучения, в частности к тренажерам для подготовки экипажей космонавтов к действиям после посадки транспортных пилотируемых кораблей на водную поверхность различных акваторий, в том числе, на море с волнением.
Известен спускаемый аппарат космического корабля, применяемый в качестве тренажера для подготовки космонавтов к действиям после посадки спускаемого аппарата космического корабля на водные поверхности различных акваторий (см. Космические аппараты / Под общ. ред. К.П. Феоктистова. М.: «Воениздат», 1983. - 319 с. - (Серия «Ракетно-космический комплекс»), стр. 129-133). Спускаемый аппарат (СА) состоит из корпуса, внутри аппарата расположены кресла космонавтов, пульт космонавтов с информационно сигнальными устройствами и органами управления, носимый аварийный запас (НАЗ). СА оснащен штатными бортовыми системами: системой электропитания, система радиосвязи, системой освещения, комплексом систем жизнеобеспечения, включающим систему обеспечения газового состава атмосферы и терморегулирования, систему вентиляции скафандров и ряд другого оборудования. В процессе тренировок СА опускается на водную поверхность, космонавты размещаются внутри СА и отрабатывают операции по: обеспечению жизнедеятельности при длительном нахождении в СА, переодеванию из полетных скафандров в теплозащитные костюмы и гидрокомбинезоны, открытию входного-выходного люка СА, штатному покиданию СА в гидрокомбинезонах с упаковками НАЗ или экстренному покиданию СА в полетных скафандрах в водную среду и действиям в ней.
Недостатками тренажера (на базе данного СА) является то, что он не позволяет контролировать действия космонавтов внутри СА, не позволяет отслеживать функциональное состояние космонавтов, контролировать параметры бортовых систем и внутренней атмосферы СА и требует размещения в реальной акватории. Кроме этого, для полноценных тренировок необходимы соответствующие погодные условия: волнение моря силой от 1 до 3 баллов (по 9-балльной шкале, разработанной Всемирной Метеорологической организацией) и, как правило, теплое время года.
Известно устройство (Патент №2269447 от 10.02.2006 «Устройство имитации морского волнения», МПК (2006.01): В63В 7/08, B64G 7/00, G09B 9/06, Патентообладатели: Долгов Павел Павлович (RU), Рень Виктор Алексеевич (RU), Гидзенко Юрий Павлович (RU) и Циблиев Василий Васильевич (RU). Устройство состоит из блока задания условий тренировки, блока управления, каналов управления по крену, тангажу и амплитуде, пневмонасоса, источника газа высокого давления, рамы крепления, опор. Каналы управления по крену и тангажу включают инвертор, по два клапана наддува и разрежения, два пневмобаллона каждый, канал управления по амплитуде включает инвертор, клапаны наддува и разрежения, пневмобаллон. Устройство размещается на раме крепления, присоединенной к спускаемому аппарату (СА) космического корабля. В процессе тренировок, космонавты отрабатывают операции по обеспечению жизнедеятельности при нахождении в СА и переодеванию из полетных скафандров в теплозащитные костюмы и гидрокомбинезоны.
Основным недостатком данного устройства является необходимость при проведении тренировок размещения спускаемого аппарата космического корабля в бассейне или природном водоеме.
Также известно устройство имитации колебаний (Патент №136908 от 20.01.2014 «Устройство имитации колебаний тренажера спускаемого аппарата на морской поверхности», МПК (2006.01): G09B 9/52, B64G 7/00, Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина» (RU). Устройство включает пространственный каркас, состоящий из верхней рамы, четырех опор и нижней рамы, ложемент спускаемого аппарата, узлы крепления к раме, узлы крепления к ложементу, упругие элементы, кинематический механизм, источник возвратно-поступательного движения, блок задания условий тренировки. В ложементе размещается тренажер спускаемого аппарата (СА). Применение предлагаемого устройства при проведении практических занятий и тренировок космонавтов к действиям после посадки на водную поверхность в наземных условиях позволит обеспечить имитацию волнения моря, то есть колебания тренажера СА с определенной амплитудой и частотой. При проведении таких тренировок космонавтов, возможно обеспечить одинаковые условия подготовки в разные моменты времени, то есть обеспечить типовые условия тренировок и легко варьировать их. Предлагаемое устройство не привязано к конкретному месту и может использоваться в любых условиях.
Основными недостатками данного устройства являются:
- обеспечение относительно небольшой амплитуды вертикальной качки;
- возможность возникновения в переходных процессах (при изменении направления движения) явления неуправляемых автоколебаний ложемента спускаемого аппарата в связи с использованием упругих элементов для его подвеса в пространственном каркасе, которое несвойственно качанию на морских волнах.
Кроме этого, для обеспечения процесса тренировок в СА отсутствуют: необходимое оборудование (пульт космонавтов, кресла космонавтов и т.д.), система вентиляции и кондиционирования, система связи, а также возможности видеонаблюдения за действиями космонавтов и медицинского контроля их психофизиологического состояния.
Наиболее близким по технической сущности аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является тренажер (Патент №144803 от 27.08.2014 «Тренажер для подготовки космонавтов к действиям после посадки спускаемого аппарата космического корабля на водную поверхность», МПК: G09B 9/00 (2006.01), Патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина» (RU), содержащий макет 1 спускаемого аппарата (СА), выходной люк 2, пульт 3 космонавтов, кресла 4 космонавтов, систему 5 покидания корабля, комплект 6 средств выживания, систему электропитания 7, систему 8 вентиляции и кондиционирования, систему 9 вентиляции скафандров, скафандры 10, бортовую систему 11 связи, систему 12 физиологического контроля, систему 13 аудио и видео контроля, систему 14 контроля и регистрации параметров атмосферы, систему освещения 15, систему 16 имитации колебаний макета на водной поверхности, пульт 17 управления, монитор 18 инструктора, пульт 19 инструктора, монитор 20 врача, систему 21 связи, систему 22 регистрации параметров тренировки, систему 23 электроснабжения тренажера и видеокамеру 24 (см. Фиг. 1).
Тренажер позволяет отработать учебные операции согласно циклограмме тренировки или практического занятия. Укрупненно - это: обеспечение жизнедеятельности при длительном нахождении в СА, переодевание из скафандров 10 в теплозащитные костюмы и гидрокомбинезоны из состава комплекта средств выживания 6 и подготовка к покиданию СА со штатными укладками носимого аварийного запаса также из состава комплекта средств выживания 6.
Основным недостатком данного тренажера является отсутствие возможности отработки космонавтами разнообразных индивидуальных и групповых действий в водной среде (в частности, в море с волнением), выполняемых после штатного покидания СА в гидрокомбинезонах или экстренного покидания СА в скафандрах, и являющимися финальными операциями по подготовке экипажей к действиям после посадки СА космического корабля на водную поверхность.
Авторы предлагаемого изобретения предлагают, содержащиеся в прототипе «макет 1 спускаемого аппарата», «выходной люк 2», «пульт 3 космонавтов», «кресла 4 космонавтов», «комплект 6 средств выживания», «систему 8 вентиляции и кондиционирования», «систему 9 вентиляции скафандров», «скафандры 10», «бортовую систему 11 связи», «систему 12 физиологического контроля», «систему 13 аудио и видео контроля», «систему 14 контроля и регистрации параметров атмосферы» и «систему освещения 15», считать единым интегрированным устройством и называть обобщенным термином «макет пилотируемой капсулы космического корабля»; «пульт 17 управления», «монитор 18 инструктора», «пульт 19 инструктора», «монитор 20 врача», «систему 21 связи» и «систему 22 регистрации параметров тренировки» - «пультом контроля и управления с оборудованием», а «систему 16 имитации колебаний макета на водной поверхности» называть термином «система подвижности».
Целью изобретения является обеспечение эффективной подготовки экипажей космонавтов к действиям после посадки пилотируемой капсулы космического корабля на море с волнением за счет расширения функциональных возможностей тренажерного комплекса.
Поставленная цель достигается тем, что в тренажерный комплекс для подготовки экипажей космических кораблей к действиям после посадки пилотируемой капсулы на море с волнением, состоящий из пульта контроля и управления с оборудованием, макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием и системы подвижности; первый вход-выход пульта контроля и управления с оборудованием подключен к первому входу-выходу макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием, второй вход-выход - ко второму входу-выходу системы подвижности; второй вход-выход макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием подключен к первому входу-выходу системы подвижности; введены графическая станция, шлем виртуальной реальности, перчатки виртуальной реальности с тактильной обратной связью и рабочее место обучаемого космонавта; первый вход-выход графической станции подключен к третьему входу-выходу пульта контроля и управления с оборудованием, второй вход-выход - к входу-выходу шлема виртуальной реальности; третий вход-выход - к входу-выходу перчаток виртуальной реальности с тактильной обратной связью.
Кроме этого, в качестве:
- макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием используется полномасштабный макет спускаемого аппарата с необходимым для проведения тренировок оборудованием транспортного пилотируемого корабля «Союз МС» или полномасштабный макет возвращаемого аппарата также с необходимым для проведения тренировок оборудованием транспортного пилотируемого корабля нового поколения «Орел»;
- системы подвижности используется динамическая платформа с тремя или четырьмя степенями свободы;
- рабочего места обучаемого космонавта используется кресло с отклоняемой спинкой или водяной матрас.
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом тренажерном комплексе макет пилотируемой капсулы космического корабля устанавливается на систему подвижности, обеспечивающую физические воздействия на экипаж космонавтов в виде имитации морской качки (динамическая часть тренажера) и создается дополнительное рабочее место, в котором осуществляется «погружение» обучаемого космонавта в интерактивный мир виртуальной реальности (статическая часть тренажера).
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 представлено изображение тренажера для подготовки космонавтов к действиям после посадки спускаемого аппарата космического корабля на водную поверхность (Фиг. по Патенту РФ №144893 - прототип предлагаемого изобретения).
На Фиг. 2 представлена функционально-структурная схема тренажерного комплекса для подготовки экипажей космических кораблей к действиям после посадки пилотируемой капсулы на море с волнением.
Согласно Фиг. 2 тренажерный комплекс включает: пульт контроля и управления с оборудованием 1, макет пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием 2, систему подвижности 3, графическую станцию 4, шлем виртуальной реальности 5, перчатки виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6 и рабочее место обучаемого космонавта 7.
Первый вход-выход пульта контроля и управления с оборудованием 1 подключен к первому входу-выходу макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием 2, второй вход-выход - ко второму входу-выходу системы подвижности 3; третий вход-выход - к первому входу-выходу графической станции 4.
Второй вход-выход макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием 2 подключен к первому входу-выходу системы подвижности 3.
Второй вход-выход графической станции 4 подключен к входу-выходу шлема виртуальной реальности 5; третий вход-выход - к входу-выходу перчаток виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6.
Пульт контроля и управления с оборудованием 1 представляет собой эргономичный конструктив, в котором скомпонованы средства вычислительной техники (ЭВМ с программным обеспечением, компьютерные мониторы и органы управления) и средства связи.
Программное обеспечение, установленное на ЭВМ пульта контроля и управления 1, предназначено для управления процессом тренировки, осуществления информационного обмена с помощью системы связи 21 (установлена в пульте 1) и бортовой системы связи 11 (установлена в макете обитаемой капсулы космического корабля с оборудованием 2) с устройствами (пульт 3 космонавтов и скафандры 10) и системами (система 12 физиологического контроля, система 13 аудио и видео контроля и система 14 контроля и регистрации параметров атмосферы) макета обитаемой капсулы космического корабля с оборудованием 2, а также для управления системой подвижности 3 - см. Фиг. 1.
Макет пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием 2 представляет собой полномасштабный макет спускаемого аппарата с необходимым для проведения тренировок оборудованием транспортного пилотируемого корабля «Союз МС» (см. Рисунок 1 Приложения к данному описанию) или полномасштабный макет возвращаемого аппарата с необходимым для проведения тренировок оборудованием транспортного пилотируемого корабля нового поколения «Орел» (см. Рисунок 2 Приложения к данному описанию).
В качестве системы подвижности 3 используется динамическая платформа электромеханического типа.
В общем случае, вызываемые волнением моря колебательные движения (так называемая, «морская качка») судна (в данном случае - макета пилотируемой капсулы космического корабля 2), подразделяются на шесть видов (см. Рисунок 3 Приложения к данному описанию, опубликованный в издании: Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л., Заичко СИ. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности. Одесса, «Феникс», 2005. - 272 с. - (Общие сведения), стр. 11, http://nav-eks.org.ua/AKC-na-site/AKC-ВАСКМ_11.pdf):
- вертикальная (heave) - колебания вдоль вертикальной оси судна-макета;
- бортовая (roll) - вращательные колебания около продольной оси, лежащей в диаметральной плоскости судна-макета (попеременный крен на правый и левый борт);
- килевая (pitch) - вращательные колебания около продольной оси, лежащей в диаметральной плоскости судна-макета (дифферент судна-макета то на нос, то на корму);
- продольно-горизонтальная (surge) - колебания вдоль продольной оси судна-макета;
- поперечно-горизонтальная (sway) - колебания вдоль поперечной оси судна-макета;
- рыскание (yaw) - вращательные колебания около вертикальной оси судна-макета. В соответствии с теорией корабля (см. Войткунский ЯМ. и др. Справочник по
теории корабля: В трех томах. Том 1, Л.: «Судостроение», 1985. - 768 с.) основными видами качки, помимо вертикальной, считают бортовую, килевую и рыскание, а продольно-горизонтальные и поперечно-горизонтальные колебания относят к дополнительным видам качки.
В связи с тем, что пилотируемая капсулы космического корабля 2 (спускаемый аппарат корабля «Союз МС» и возвращаемый аппарата корабля нового поколения «Орел») имеет симметричную обтекаемую форму (практически с отсутствием парусности), предлагается, что воздействие волнения и ветра на его положение по курсу минимально, что позволяет пренебречь имитацией рыскания.
Таким образом, в предлагаемом тренажерном комплексе для подготовки экипажей космических кораблей к действиям после посадки пилотируемой капсулы на море с волнением вполне можно ограничиться использованием динамической платформы только с тремя степенями свободы, а именно, обеспечивающей вертикальную, бортовую и килевую качки.
Однако, в обоснованных случаях, может быть использована динамическая платформа и с четырьмя степенями свободы, то есть добавлено рыскание.
В качестве графической станции 4 используется высокопроизводительная ЭВМ, в которой установлено программное обеспечение системы генерации виртуального мира.
Шлем виртуальной реальности 5, в качестве которого используется, например, комплект «НТС Vive», предназначен для «погружения» обучаемого космонавта в мир виртуальной реальности. Наличие датчика положения головы и комплекта датчиков системы инерциального слежения в шлеме виртуальной реальности 5 позволяет программному обеспечению системы генерации виртуального мира графической станции 4 осуществлять непрерывный мониторинг расчетной точки зрения космонавта.
Перчатки виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6, в качестве которых используется, например, комплект беспроводных перчаток типа «Noitom Hi5 VR GLOVE», предназначены для «управления» обучаемым космонавтом миром виртуальной реальности. Наличие датчика положения рук и комплекта датчиков ориентации в перчатках виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6 позволяет программному обеспечению системы генерации виртуального мира осуществлять непрерывный мониторинг действий космонавта.
В качестве рабочего места обучаемого космонавта 7 используется кресло с отклоняемой спинкой. Изображение одного из вариантов реализации рабочего места обучаемого космонавта 7 на базе кресла с отклоняемой спинкой приведено на Рисунке 4 Приложения к данному описанию. В качестве другого варианта рабочего места 7 используется водяной матрас, с помощью которого обеспечивается дополнение аудиовизуальных ощущений (создаваемых миром виртуальной реальности) тактильными ощущениями нахождения тела обучаемого космонавта в водной среде. Изображение одного из типов водяного матраса приведено на Рисунке 5 Приложения к данному описанию.
Предлагаемый комплекс работает следующим образом.
Динамическая часть тренажера
Перед началом тренировки подается электропитание на все оборудование тренажера. Срабатывает система освещения макета пилотируемой капсулы космического корабля с оборудованием 2. Экипаж космонавтов облачается в скафандры и располагается в креслах макета 2. Выходной люк макета 2 закрывается, а инструктор и врач располагаются за пультом контроля и управления с оборудованием 1.
Затем, запускаются модули программного обеспечения ЭВМ пульта 1:
- управления процессом тренировки и осуществления информационного обмена;
- системы физиологического контроля, системы аудио и видео контроля, системы контроля и регистрации параметров атмосферы макета 2;
- управления системой подвижности 3.
Далее, инструктор с пульта 1 задает параметры функционирования системы подвижности 3 - необходимую бальность волнения моря: амплитуду и частоту колебательных движений (качки) макета 2. По команде инструктора с пульта 1, космонавты начинают отрабатывать заданные последовательности действий, которые определены методикой тренировки или практического занятия. Космонавты, находясь в креслах, с помощью пульта космонавтов включают системы вентиляции скафандров, вентиляции и кондиционирования внутреннего объема макета 2 и выполняют операции по обеспечению жизнедеятельности при длительном нахождении внутри макета 2 согласно циклограмме тренировки.
Все переговоры и действия космонавтов между собой с помощью системы аудио и видео контроля через системы связи прослушиваются во встроенной акустической системе монитора (мультимедийного типа) и выводятся на экран монитора инструктора, который оценивает их правильность и взаимодействие космонавтов в процессе тренировки. При этом, врач на своем мониторе постоянно отслеживают параметры воздуха (температура, влажность и процентное содержание углекислого газа) и психофизиологическое состояние космонавтов. Выполнив все необходимые операции по обеспечению жизнедеятельности, космонавты переходят к процедурам переодевания из скафандров в теплозащитные костюмы и гидрокомбинезоны из состава комплекта средств выживания. После этого, космонавты разбирают укладки носимого аварийного запаса также из состава комплекта средств выживания и выполняют операции по открытию выходного люка макета 2. На этом подготовка на динамической части тренажера завершается.
В процессе тренировки, информация, получаемая от систем физиологического контроля, аудио и видео контроля, контроля и регистрации параметров атмосферы, непрерывно записывается системой регистрации параметров тренировки для последующего анализа.
Статическая часть тренажера
Перед началом тренировки обучаемый космонавт размещается на рабочем месте 7 (на кресле с отклоняемой спинкой или на водяном матрасе), а инструктор располагается за графической станцией 4. Затем, обучаемый космонавт закрепляет шлем виртуальной реальности 5 на голове, а перчатки виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6 надевает на кисти рук. Далее, обучаемый космонавт с помощью эксплуатационного персонала подключает кабели связи графической станции 4 со шлемом виртуальной реальности 5.
После этого, включается электропитание графической станции 4, запускается программное обеспечение системы генерации виртуального интерактивного мира, необходимого по программе подготовки к индивидуальным и групповым действиям космонавтов в водной среде, таких как:
- использование средств носимого аварийного запаса (установка на плотике радиостанции и выход на связь, пуск сигнальных ракет и зажигание сигнальных факелов, утоление жажды и голода лежа на спине и т.д.);
- «сцепление» космонавтов между собой (для исключения разноса по водной акватории ветром и волнами) и т.п.
Изображения отдельных действий обучаемых космонавтов в реальной водной среде приведены на Рисунке 6 Приложения к данному описанию.
В процессе тренировки, аудио-видеоинформация (звуки акустической обстановки и синтезированные изображения), поступая на наушники и индикаторы шлема виртуальной реальности 5, «погружают» обучаемого космонавта учебный мир виртуальной реальности.
При этом, обучаемому космонавту с помощью перчаток виртуальной реальности с тактильной обратной связью 6 предоставляется возможность «управлять» объектами виртуального мира. Обучаемый космонавт может одновременно: наблюдать свои руки в виртуальном мире, сгибать пальцы и ориентировать руки в пространстве перед собой в требуемом анатомически естественном положении, касаться виртуальных объектов, получать в ответ на соответствующие визуальные изменения состояния управляемого объекта тактильную реакцию в виде вибрации перчаток 6, а также попутно соответствующую звуковую информацию, которая сопровождает выполняемые действия.
В процессе тренировки, информация о действиях обучаемого космонавта, фиксируемая программным обеспечением системы генерации виртуального мира в графической станции 4 и непрерывно передается на ЭВМ пульта контроля и управления 1, где сохраняется для последующего анализа.
Особенностью статической части тренажера является возможность выполнения обучения космонавта в режиме самоподготовки, то есть без непрерывного участия инструктора.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый тренажерный комплекс может быть изготовлен на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
В настоящее время, основные компоненты и технические решения предлагаемого изобретения детально проработаны Заявителем в инновационной ОКР «Создание стенда-тренажера для подготовки космонавтов к действиям после посадки спускаемого аппарата транспортного пилотируемого корабля «Союз МС» на водную поверхность» (Шифр «Дон-Волна») и практически реализованы на экспериментально-исследовательской и опытно-производственной базе Донского филиала Центра тренажеростроения (г.Новочеркасск, Ростовская обл.).
Широкие функциональные возможности предлагаемого тренажерного комплекса для подготовки экипажей космических кораблей к действиям после посадки пилотируемой капсулы на море с волнением, в котором сочетаются реальные (физические) ощущения от имитации морской качки и от «плавающей» поверхности водяного матраса с воздействиями на органы чувств обучаемых космонавтов в процессе взаимодействия с виртуальным интерактивным миром, позволят (на тренажерно-стендовых базах заинтересованных организаций Государственной корпорации «Роскосмос»):
- обеспечить всестороннюю высокопрофессиональную подготовку членов экипажей транспортных пилотируемых кораблей (как, для широко используемого корабля «Союз МС», так и для перспективного корабля «Орел»);
- проводить отработку специалистами-инструкторами методик тренировки к действиям после посадки на море с различной бальностью;
- обеспечить техническую базу для медико-биологических исследований (например, по оценке подверженности космонавтов морской болезни).
Кроме этого, основные компоненты и технические решения данного комплекса представляют безусловный интерес при использовании в образовательных и познавательно-развлекательных целях для подрастающего поколения в качестве динамических аттракционов молодежных космоцентров и космопарков.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый тренажерный комплекс для подготовки экипажей космических кораблей к действиям после посадки пилотируемой капсулы на море с волнением соответствует критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом РФ на изобретение.