Система обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов и способ её эксплуатации
SYSTEM FOR PROVISION OF EXTERNAL ACTIVITIES OF ASTRONAUT OPERATORS AND METHOD OF ITS OPERATION

Группа изобретений относится к космической технике, а именно к средствам и способам оптимизации трудовой деятельности космонавтов при выполнении ручных рабочих операций вне обитаемых гермоотсеков. Система обеспечения внекабинной деятельности (СО ВКД) космонавтов-операторов может использоваться в вакууме, а также в газовых и жидкостных средах, в пространствах и местностях с опасным уровнем радиации после аварий и поражений ядерными зарядами. СО ВКД может использоваться для эксплуатационно-ремонтной поддержки объектов инфраструктуры путем выполнения космонавтами-операторами ручных рабочих операций, например, на поверхности Луны, Марса и др. астрономических тел, а также в наземных и подводных условиях.
2
2
2
2
Луна в качестве Седьмого континента планеты Земля может стать плацдармом и трамплином для продвижения человечества в дальний космос на основе ее промышленно-хозяйственной эксплуатации. При таком целеполагании форма космической деятельности землян должна заключаться в создании на поверхности Луны станции-базы, состоящей, по меньшей мере, из жилых, научно-технических и энергетических модулей, технологических объектов инфраструктуры с опорой на селеноорбитальную станцию. Продукция объектов лунной инфраструктуры, согласно целевой задаче, будет состоять в следующем: добыча воды, кислорода, азота, нутриентов (корневой субстрат для оранжерей) для регенеративной системы жизнеобеспечения, пропеллентов (компоненты ракетных топлив) вида Н + О, Al + О, Si + O, конструкционных материалов Al, Fe, Ti, Si, для планарных солнечных электрогенераторов и пр.
Вполне ожидаемо, что на поверхности Луны появятся опытовые полупромышленные технологические установки, минифабрики, мелкомасштабные химические производства («эмбрионы»), где будут реализовываться технологические процессы, предварительно апробированные в лабораторных и экспериментальных условиях на Земле, например, экстрагирование, плавление, сжижение газов и мн. др. Несмотря на прогнозируемый уровень роботизации и 3-d технологий, объекты инфраструктуры потребуют постоянного сопровождения и поддержки их функционирования: отслеживания состояния, подстройки, контроля режимов (не только средствами телеметрии, но и органолептически), и наконец, не предусмотренного, но своевременного ремонта с выполнением ручных рабочих операций, в том числе с использованием инструментов, как это происходит на геоорбитальных станциях.
По мере эволюционного развития производственного сегмента, образуется промышленная зона, в периметре которой, с учетом ландшафта, кратерной формации, микрорельефа, объекты инфраструктуры будут достаточно рассредоточены.
Известно страховочное устройство для условий невесомости, патент RU 2528504 (опубл. 27.03.2014, бюл. №9, МПК: B64G 1/66 (2006.01), представляющее собой тканевый фал, помещенный внутрь пружины растяжения, навитой касательно виток к витку. Многолетнее успешное применение этого устройства, которым оснащены все отечественные скафандры «Орлан» для работы в открытом космосе, подтвердило работоспособность внутреннего фала при изгибах и изменении длины пружинной оболочки в процессе внекорабельной деятельности. (Аналог).
Какими средствами и способами может обеспечиваться внекабинная деятельность по эксплуатационно-ремонтной поддержке объектов инфраструктуры, например, на Луне?
Известен мобильный аппарат, содержащий гермокабину и систему шлюзования традиционного или "капсульного типа". (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. АО Научно-производственное предприятие "Звезда". Москва, 2005. С. 292, рис. 13. 37). (Аналог).
Известен способ обеспечения внекабинной деятельности путем эксплуатации мобильного аппарата с гермокабиной, содержащий шлюзование и выход космонавта-оператора из базового модуля, переход и стыковку с гермокабиной мобильного модуля ранцем скафандра, выполняющим функцию гермокрышки капсулы гермокабины, космонавт-оператор выходит из скафандра внутрь кабины, переходит на пост управления движением модуля; для выполнения рабочих операций космонавт-оператор облачается в скафандр изнутри кабины, отстыковывается от последней, подходит к объекту, выполняет работу и, действуя в обратном порядке, входит в кабину; после завершения программы действий мобильный аппарат возвращают к базовому модулю, выполняют обратное шлюзование и входят в базовый модуль.
Недостатками данного способа, особенно при обслуживании нескольких объектов инфраструктуры, являются необходимость выполнять столько же актов шлюзования, входов-выходов, с затратами газа из атмосферы гермокабины и рабочего времени; это суммируется с прямым и обратным шлюзованием при входе-выходе в базовый модуль. Объем выполняемой космонавтом-оператором работы ограничен ресурсом системы обеспечения жизнедеятельности скафандра и энергоресурсом мобильного аппарата.
Известен мобильный аппарат, не содержащий гермокабину, перемещающий операторов в скафандрах под их собственным управлением. (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. АО Научно-производственное предприятие "Звезда". Москва, 2005. С. 291, рис. 12. 37). (Аналог).
Известен способ обеспечения внекабинной деятельности путем эксплуатации мобильного аппарата, когда два оператора, которые шлюзуются из базового модуля, переходят на негерметичный аппарат, перемещаются к объектам обслуживания под собственным управлением, отделяются от негерметичного аппарата, визуально и механически реализуют рабочие операции. Далее на данном аппарате перемещаются к другим объектам или к базовому модулю, выполняя обратное шлюзование, входят в базовый модуль.
Недостатками данного способа при обслуживании объектов инфраструктуры является необходимость выполнять прямое и обратное шлюзование при входе-выходе в базовый модуль; объем работы, выполняемым космонавтом-оператором, ограничен ресурсом системы жизнеобеспечения скафандра, энергоресурсом мобильного аппарата и физиологическими пределами организма космонавта-оператора, при этом большая подверженность радиационному облучению.
Известен стенд-тренажер и способ комплексирования условий космического полета (Б.Е. Патон, Д.А. Дудко… …О.С. Цыганков. Стенд-тренажер для имитации сварочных работ в космосе. // Космические исследования на Украине. Издательство «Наукова думка», Киев - 1975. С. 18-21; О.С. Цыганков. Моделирование условий для отработки космических инструментов. // Полет - 11. 2001. С. 41-44). (Прототип).
Данный стенд-тренажер содержит герметичную рабочую камеру с вакуумно-откачной системой, с иллюминаторами, на передней стенке рабочей камеры установлен фрагмент космического скафандра таким образом, что может быть обеспечен любой требуемый перепад давлений газа между камерой и окружающей средой для имитации фактических условий работы космонавта, на стенке камеры расположен набор электрических гермовводов и натекателей для заполнения камеры воздухом или инертным газом, а также люк для смены образцов. Передняя стенка закрывается герметичной крышкой с быстродействующими зажимами.
Недостатком устройства-прототипа является ограниченность операционного поля ввиду жесткого крепления фрагмента скафандра и его стационарное положение в целом.
Способ эксплуатации стенда-тренажера заключается в моделировании условий отработки операций следующими действиями (прототип):
- ограничения, которые скафандр налагает на двигательные возможности испытателя, достигаются путем понижения давления в камере до разности с давлением окружающей среды, равной штатному избыточному давлению в скафандре, при этом камера может быть заполнена остаточным воздухом или, после вакуумирования, - инертным газом;
- совокупное воздействие ограничений скафандра и микрогравитации достигается установкой стенда с откачной системой в салоне самолета-лаборатории, выполняющего маневр по параболе, с заполнением камеры остаточным воздухом или инертным газом;
- совокупное воздействие ограничений скафандра и вакуума достигается размещением стенда в локальном гермообъеме с давлением, равным штатному наддуву скафандра, для данного способа моделирования используется кислородная маска (О.С. Цыганков. Моделирование условий для отработки космических инструментов. // Полет - 11. 2001. С. 41-44).
Существенным и невосполнимым на Земле недостатком способа-прототипа является кратковременность режимов микрогравитации.
Задачей группы изобретений является создание системы обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов и способа ее эксплуатации, повышающих безопасность, эргономичность, эффективность и надежность ручных рабочих операций, реализуемых космонавтами-операторами вне гермокабины, а также обеспечивающих территориально-пространственную доступность объектов целевых акций, например, на поверхности Луны.
Техническим результатом группы изобретений является повышение безопасности, эргономичности, эффективности и надежности внекабинной деятельности, осуществляемой космонавтами-операторами, например, на поверхности Луны, находясь в обитаемой гермокабине в относительной безопасности и сравнительно комфортных условиях жизнедеятельности.
Технический результат достигается тем, что в системе обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов, содержит гермокамеру с вакуумно-откачной системой, гермокрышку с быстродействующими зажимами, фрагмент скафандра, при этом гермокамера выполнена в виде обитаемой гермокабины и герметично установленного на ее гермооболочке посредством фланца функционального блока с фрагментом скафандра, герметично закрепленного на днище упомянутого блока посредством фланца через сильфон, выполненный из двух фланцев с цилиндрическими отростками, в пазах между которыми размещена винтовая цилиндрическая пружина растяжения, навитая касательно виток к витку и формирующая внутреннее пространство упомянутого сильфона, закрываемое гермокрышкой, внутренняя поверхность сильфона покрыта тканевой оболочкой, а внешняя поверхность - многослойной оболочкой, выполненной из герметичной, силовой, тепловой и защитной оболочек, прикрепленных к упомянутым цилиндрическим отросткам, при этом в систему введены установленный в гермоконтуре гермооболочки гермокабины андрогинный периферийный агрегат стыковки, тоннель которого закрывается гермокрышкой с установленными на ней клапаном откачки газа из гермокабины в базовый модуль и клапаном выравнивания давления в гермокабине с атмосферой базового модуля в состоянии стыковки, а также система обеспечения жизнедеятельности, причем упомянутая обитаемая гермокабина оснащена блистерами, иллюминаторами, магазинами инструментов, баллоном с кислородом, постом управления движением и стыковкой, установлена на подвижной платформе с ходовой частью и средствами регулировки по вертикали.
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации системы обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов, заключающимся в том, что в гермокамере снижают давление атмосферы до величины, равной штатному наддуву скафандра, в состоянии стыковки гермокабины с базовым модулем осуществляют десатурацию космонавтов-операторов, которые переходят через тоннель андрогинного периферийного агрегата стыковки в гермокабину, закрывают гермокрышку этого тоннеля, откачивают атмосферный газ из гермокабины через клапан откачки на упомянутой гермокрышке в базовый модуль, используя систему обеспечения жизнедеятельности, дополняют атмосферу гермокабины кислородом до состояния, эквивалентного по давлению атмосфере в подскафандровом пространстве, отстыковывают гермокабину от базового модуля, используя ходовую часть платформы, перемещают систему к месту и объекту проведения работ, снимают гермокрышку функционального блока, при этом один из космонавтов-операторов занимает позицию во фрагменте скафандра, а второй космонавт-оператор с поста управления движением и стыковкой по указаниям первого космонавта-оператора корректирует положение кабины до состояния, функционально оптимального для выполнения его работы, затем происходит смена космонавтов-операторов, при этом закрывают гермокрышку функционального блока, далее упомянутую систему перемещают к следующему объекту работ или к базовому модулю, стыкуют с базовым модулем, выравнивают давление в гермокабине и базовом модуле посредством клапана выравнивания давления, снимают гермокрышку тоннеля андрогинного периферийного агрегата стыковки, переходят через него в базовый модуль.
Достижение технического результата обосновывается следующим образом.
Безопасность:
- повреждения внешних элементов фрагмента скафандра и сильфона, появление утечки, даже значительной, не вызовет резкого падения давления, так как оно будет поддерживаться давлением атмосферы гермокабины, располагаемое время для выхода оператора из фрагмента скафандра и установки крышки функционального блока вполне достаточно;
- в паузах между рабочими циклами и при переездах гермокрышка функционального блока находиться в положении "закрыто";
- гермооболочка гермокабины в совокупности с ЭВТИ является защитным барьером от проникающей радиации.
Эргономичность:
2
- давление атмосферы в гермокабине 308 мм рт.ст. (0,4 кгс/см), а следовательно наддув элементов фрагмента скафандра - рукавов и перчаток, обеспечивает достаточный уровень подвижности в суставах рук для выполнения ручных операций;
- стабильное состояние фрагмента скафандра позволяет оператору развивать более значительные усилия, чем при действиях стоя на грунте;
- наличие сильфона позволяет оператору осуществлять наклоны вверх-вниз, в стороны и расширять функциональную сцену;
- способность СО ВКД перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлениях по указаниям оператора-I обеспечивает возможность позиционировать последнего в функционально выгодном положении;
- обмен операторов функциями и рабочими местами сокращает время беспрерывного пребывания оператора во фрагменте скафандра, снижает энерготраты и утомляемость, способствует отдыху между операциями и при переездах в относительно комфортных условиях.
Эффективность:
- по критерию "затраты времени - объем работ", благодаря возможности перемещаться по поверхности и выполнять техобслуживание целого ряда объектов, эффективность оценивается как максимально достижимая в данных условиях;
- существенным является отсутствие расхода газа на потери при процедурах шлюзования, каковые в данной концепции отсутствуют.
Надежность:
- надежность фрагмента скафандра, служебных систем, и в частности, системы обеспечения жизнедеятельности, агрегата стыковки АПАС и в целом гермокабины соответствует уровню надежности, принятому для космических аппаратов;
- выбор для системы стыковки агрегата АПАС обоснован его способностью выполнять активную или пассивную функцию в процессе стыковки в равной мере. Так, при отказе ходовой части СО ВКД, модуль-спасатель может быть пристыкован к СО ВКД при любом распределении функций, что фактически может расцениваться как дублирование функции стыковки.
Изобретение поясняется фиг. 1, 2, 3, 4.
Фиг. 1 - общий вид системы обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов.
Фиг. 2 - вид по стрелке А.
Фиг. 3 - конструкция функционального блока.
Фиг. 4 - конструкция сильфона.
На фигурах приняты обозначения:
1 - обитаемая гермокабина (ГК);
2 - функциональный блок (ФБл);
3 - андрогинный периферийный агрегат стыковки (АПАС);
4 - тоннель АПАС;
5 - гермокрышка тоннеля АПАС;
6 - клапан откачки газа;
7 - клапан выравнивания давления;
8 - платформа с ходовой частью;
9 - фрагмент скафандра (ФСк);
10 - фланец фрагмента скафандра;
11 - оператор-I;
12 - оператор-II;
13 - днище функционального блока;
14 - сильфон;
15 - гермооболочка гермокабины;
16, 17 - фланец сильфона;
18, 19, 20, 21 - цилиндрический отросток;
22 - тканевая оболочка;
23 - герметичная оболочка;
24 - силовая оболочка;
25 - тепловая оболочка;
26 - защитная оболочка;
27, 28 - бандаж;
29, 30 - клей;
31 - пружина;
32 - гермокрышка функционального блока;
33 - фланец функционального блока;
34, 35 - блистер;
36, 37 - иллюминатор;
38, 39 - магазин инструментов;
40 - баллон с кислородом.
2
3
1
2
3
Система обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов (фиг. 1) состоит из гермокамеры с вакуумно-откачной системой, гермокрышки 32 с быстродействующими зажимами (на фиг. не показаны), фрагмента скафандра 9. Гермокамера выполнена в виде обитаемой гермокабины 1 и герметично установленного на ее гермооболочке 15 посредством фланца 33 функционального блока 2 с фрагментом скафандра 9 (рабочее место оператора-I (11), герметично закрепленного на днище 13 функционального блока 2 посредством фланца 10 (фиг. 3) через сильфон 14, выполненный из двух фланцев 16, 17 (фиг. 4) с цилиндрическими отростками 18, 19, 20, 21, в пазах между которыми размещена винтовая цилиндрическая пружина растяжения 31 (например, из проволоки 2-Т-12Х18Н10Т ГОСТ 18143-72), навитая касательно виток к витку и формирующая внутреннее пространство сильфона 14, закрываемое гермокрышкой 32. Внутренняя поверхность сильфона 14 покрыта тканевой оболочкой 22 (например, ткань техническая ТУ 8378-153-35227510-2007), прикрепленной клеем (например, СВ2а ТУ 38-5-390-69) к цилиндрическим отростком 29, 30, внешняя поверхность сильфона 14 покрыта многослойной оболочкой, выполненной из герметичной 23 (например, латекс синтетический БС-30 ГОСТ 11808-88), силовой 24 (например, ткань техническая полиэфирная ТУ 8378-144-352275-10-2007), тепловой 25 (например, экранно-вакуумная теплоизоляция марки ЭВТИ-А ОСТ 92-1380-83) и защитной 26 (например, ткань техническая ТУ 8378-143-35227510-07) оболочек, прикрепленных к цилиндрическим отросткам 20, 21 ленточными бандажами 27, 28 (например, лента техническая ГОСТ 13939-90). В систему введены установленный в гермоконтуре гермооболочки гермокабины 1 андрогинный периферийный агрегат стыковки (АПАС) 3, тоннель АПАС 4 (B.C. Сыромятников. 100 рассказов о стыковке. Москва, «Логос», 2003. С. 380, 381) которого закрывается гермокрышкой 5 с установленными на ней клапаном откачки газа 6 из гермокабины 1 в базовый модуль (на фиг. не показан) и клапаном выравнивания давления 7 в гермокабине 1 с атмосферой базового модуля (на фиг. не показан) в состоянии стыковки, а также система обеспечения жизнедеятельности (на фиг. не показана). Обитаемая гермокабина 1 оснащена блистерами 34, 35, иллюминаторами 36, 37, магазинами инструментов 38, 39, баллоном с кислородом 40, постом управления движением и стыковкой (рабочее место оператора-II (12)), установлена на подвижной платформе с ходовой частью 8 и средствами регулировки по вертикали (на фиг. не показаны). В состав вакуумно-откачной системы входят насос (на фиг. не показан), клапан откачки газа 6 и клапан выравнивания давления 7, баллон с кислородом 40.
Система обеспечения внекабинной деятельности космонавтов-операторов эксплуатируется следующим способом.
1
2
2
3
В состыкованном состоянии обитаемой гермокабины 1 с базовым модулем (на фиг. не показан) осуществляют процедуру предупреждения декомпрессионных расстройств экипажа - десатурацию (hhtps:dic.academik.ru), например, с использованием кислородной маски (на фиг. не показана) в совокупности с физической нагрузкой. Космонавты-операторы (операторы - I (11), II (12) через тоннель 4 АПАС 3 переходят в гермокабину 1, закрывают гермокрышку 32 тоннеля 4, откачивают газ насосом, расположенным в базовом модуле (на фиг. не показан), из гермокабины 1 через клапан откачки 6 в базовый модуль, дополняют из баллона 40 атмосферу гермокабины 1 кислородом до состояния, эквивалентного по давлению атмосфере в подскафандровом пространстве, например, 308 мм рт.ст. (0,4 кгс/см) (С.М. Алексеев, С.П. Уманский. Высотные и космические скафандры. Москва. Машиностроение. 1973. С. 61), отстыковывают гермокабину 1 от базового модуля, используя ходовую часть платформы 8, перемещают СО ВКД к месту и объекту проведения работ (на фигурах не показан), снимают гермокрышку 32 функционального блока 2, оператор-I (11) занимает позицию во фрагменте скафандра 9, оператор-II (12) по указаниям оператора-I (11), при наблюдении через блистер 34 и иллюминаторы 36, 37 с поста управления движением и стыковкой корректирует положение кабины 1 и функционального блока 2 до состояния, оптимального для выполнения работ оператора-I (11), который выбирает удобные позиции наклонами сильфона 14 путем изгибания пружины 31 и использует инструменты из магазинов 38, 39, затем оператор-I (11) выходит из фрагмента скафандра 9 для отдыха или смены оператора, при этом закрывают гермокрышку 32 функционального блока 2, далее перемещают СО ВКД к следующему объекту или к базовому модулю и при наблюдении через блистер 35 и иллюминаторы 36, 37 стыкуются с ним, используя АПАС 3, выравнивают давление в гермокабине 1 и базовом модуле через клапан 7, снимают гермокрышку 5 тоннеля 4 АПАС, переходят через него в базовый модуль.
1
3
3
- например, насосный агрегат откачки воздуха из объема 4,25 м с начальным давлением не более 770 мм рт.ст. до давления 155 мм рт.ст. в объем не менее 100 м с начальным давлением 770 мм рт.ст. за время не более 14 мин.
2
- например, КСД - клапан сброса давления с эквивалентным диаметром 20 мм.
3
3
3
- например, КВД (клапан выравнивания давления с эквивалентным диаметром 20 мм) в объеме 4,25 м с давлением 308 мм рт.ст. и в объеме 100 м с давлением 770 мм рт.ст. за время не более 30 мин.
Использование на практике, в частности, в космонавтике, данной группы изобретений создает уникальную возможность космонавту-оператору, например, в вакууме, на поверхности Луны, Марса, в газовых и жидкостных средах, в пространствах и местностях с запредельным уровням ионизирующей радиации после аварий и поражений ядерным оружием, осуществлять внекабинную деятельность, находясь в обитаемой гермокабине в относительной безопасности и сравнительно комфортных условиях жизнедеятельности.