УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ГИПОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЙ
DEVICE FOR COMPENSATION OF HYPOMAGNETIC CONDITIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области космической магнитобиологии, в частности к проблеме обеспечения безопасных условий длительных пилотируемых полетов за пределами магнитосферы Земли (орбитальные лунные и окололунные станции, полет к Марсу и т.д.), характеризуемых сниженным на 3-5 порядков магнитным полем по сравнению с земным. Изобретение может быть использовано также при решении проблем обеспечения безопасных условий работы в экранированных помещениях, бункерах и т.д., т.е. в тех случаях, когда работа выполняется в условиях пониженной величины индукции геомагнитного поля.
Уровень техники
Развитие пилотируемой космонавтики привело к возникновению проблемы безопасности человека в космосе при воздействии на него электромагнитных факторов космического пространства и к появлению нового направления в электромагнитной биологии - космической магнитобиологии. Одно из направлений космической магнитобиологии обусловлено тем обстоятельством, что в межпланетном пространстве и на поверхности Луны и Марса магнитное поле на три-пять порядков ниже привычного геомагнитного (ГМП). Кроме того, оно лишено некоторых его колебаний (например, шумановских и регулярных), имеющих, по-видимому, биологическую значимость [Клейменова Н.Г., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации как один из экологических факторов среды // Биофизика. 1992. Т. 37. В. 3. С. 429-438.; Белишева Н.К., Попов А.Н., Петухова Н.К. и др. Качественная и количественная оценка воздействия вариаций геомагнитного поля на функциональное состояние мозга человека // Биофизика. 1995. Т. 40. В. 5. С. 1005-1012].
На человека длительное пребывание в ГМП, пониженном всего в несколько раз, уже действует отрицательно. Из исследований, выполненных в Институте медицины Труда РАМН, следует, что при систематической работе в ГГМУ особенно страдает нервная система [Походзей Л.В. Гипогеомагнитные поля как один из неблагоприятных факторов среды // В материалах Международного совещания «Электромагнитные поля. Биологическое действие и гигиеническое нормирование». Ред. М.Х. Репачоли, Н.Б. Рубцова, A.M. Муц. Изд. ВОЗ. Женева. 1999. WHO/SDE/OEN/99.5. Р. 237-246.; Походзей Л.В., Пальцев Ю.П., Рубцова Н.Б. Гипогеомагнитные поля как неблагоприятный фактор производственной среды и среды обитания. Итоги и перспективы исследований. Ежегодник РНКЗНИ за 2012 г. М. Изд-во АЛЛАНА. С. 69-82]. Наблюдается дисбаланс основных нервных процессов в виде преобладания торможения, удлинения времени реакции на появление объекта в режиме аналогового слежения и т.п. Страдает также сердечно-сосудистая система, иммунная система, система крови и другие. Эти исследования были подкреплены экспериментами на животных.
В России впервые в мировой практике установлены ограничения на предельные величины ослабления ГМП, представленные в Санитарных Правилах и Нормах, действующих в настоящее время (СанПин 2.1.8/2.2.4.2489-09).
Сведений о воздействии на живые системы сильно ослабленного ГМП в литературе содержится мало.
В исследованиях Института биологии и биофизики (ИБиБ) Томского государственного университета (ТГУ) при участии ИМБП РАН наблюдали поведенческие реакции крыс-самцов в ГМП, ослабленном в 700-1000 раз [Кривова Н.А., Труханов К.Α., Замощина Т.А. и др. Повышение агрессивности крыс при экспозиции в условиях гипогеомагнитного поля // Авиакосм. и экол. мед. 2008. Т. 42, в. 6/1. С. 30-32]. Резко возрастала агрессивность животных, существенно сдвигались биоритмы, возникали проблемы с памятью, наблюдались другие неблагоприятные явления.
Особенно действует на биологические объекты пребывание в ГГМУ на стадиях развития.
Исследования воздействия ГМП, ослабленного в 80-100 раз, на развитие эмбрионов японского перепела, выполненные ИМБП РАН совместно с НИИЯФ МГУ, показали, что при этом страдает сердечно-сосудистая система и некоторые другие системы [Труханов К.А., Гурьева Т.С., Дадашева О.А., Круглов О.С., Лебедев В.М., Спасский А.В. Воздействие моделируемых гипомагнитных условий дальнего космоса на развитие эмбрионов японского перепела // Ежегодник РНКЗНИ за 2011 год. М.: 2012. С. 83-93].
Данных о том, что происходит при длительном непрерывном пребывании человека в особо «жестких» гипомагнитных условиях, в литературе практически нет.
Таким образом, имеющиеся результаты исследования воздействия сильно ослабленного магнитного поля на разнообразные биологические объекты, частично приведенные здесь, указывают на необходимость разработки методов и средств нейтрализации воздействия гипомагнитных условий космоса в пилотируемой космонавтике.
Из уровня техники известны различные системы, относящиеся к использованию и созданию магнитного поля.
В частности, из уровня техники известно изобретение, описанное в заявке RU 2013133006/28 от 16.07.2013, в котором авторы представляют устройство воспроизведения магнитного поля, но предназначенное для калибровки и поверки рабочих средств измерений магнитной индукции переменного магнитного поля. Устройство включает катушки Гельмгольца, выполненные в виде двух расположенных соосно плоскопараллельных металлических рамок, контуры которых имеют вид многоугольника. В середине каждой стороны многоугольника выполнен разрез, в который последовательно включен согласующий резистор, а точки разрезов сторон рамок являются входами сигнала возбуждения катушки Гельмгольца. Техническим результатом является расширение частотного диапазона устройства в сторону верхней частоты при приемлемых габаритах катушки Гельмгольца.
Устройство позволяет воспроизводить переменное магнитное поле, но неприменимо для создания постоянного магнитного поля для компенсации гипомагнитных условий в скафандре космонавта.
Из уровня техники известно устройство для восстановления геомагнитного поля помещения (Заявка RU 2010131171/28 от 26.07.2010), содержащее элементы из магнитотвердой стали, размещенные по периферии помещения, один из которых выполнен в форме фигуры «∟», а другой элемент выполнен в форме фигуры «┐», с размерами горизонтальной и вертикальной частей, пропорциональными напряженности составляющих геомагнитного поля открытого пространства, причем угол наклонения вектора собственной намагниченности каждого элемента в их средней части соответствует наклонению вектора напряженности геомагнитного поля в данной местности.
Устройство, по мнению авторов, позволяет скорректировать магнитное поле внутри помещения, но не применимо для обеспечения компенсации гипомагнитных условий в условиях космического полета.
Из уровня техники известно решение, представленное в заявке RU 2013156061/28, согласно которому предложено устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере. Устройство для обеспечения заданного уровня модуля вектора индукции гипогеомагнитного поля в экранирующей цилиндрической камере содержит магнитометрический измеритель коэффициента ослабления магнитного поля, первый трехкомпонентный феррозондовый датчик гипогеомагнитного поля которого установлен внутри экранирующей камеры, а второй трехкомпонентный феррозондовый датчик геомагнитного поля которого установлен за пределами экранирующей камеры. Экранирующая камера установлена в ложементах на поворотной платформе, которая в свою очередь посредством подшипника скольжения, приводов грубой и точной юстировки и узла арретирования соединена с установленной по горизонтальному уровню неподвижной частью стола. При этом для первоначальной установки устройства в азимутальной плоскости на поворотной платформе может быть установлена буссоль. Данное устройство относится к технике магнитного и электромагнитного экранирования при проведении биологических, биофизических и медико-биологических исследований в области изучения влияния магнитных полей на биологические и биофизические объекты.
Решается близкая задача, но с целью электромагнитного экранирования, а не восстановления геомагнитного поля с его колебаниями. Описанное выше устройство не может быть установлено в скафандре космонавта и не предназначено для компенсации гипомагнитных условий, характерных для дальних и длительных космических полетов.
Из уровня техники известно решение по патенту (US 7484691, Date of Patent: Feb. 3, 2009, Gary A. Kinstler, Method and device for magnetic space radiation shield providing isotropic protection), представляющее способ и устройство магнитного щита от космической радиации, обеспечивающие изотропную защиту. В предложенном устройстве используется источник электрического тока (соленоид из сверхпроводящего материала) для создания магнитного поля (щита) для защиты космического аппарата от энергичных заряженных частиц. Решается задача создания сильного магнитного поля вне объема, где находится космонавт (скафандра или космического аппарата), но для отклонения магнитным полем заряженной компоненты космических лучей, для защиты космонавта от радиации космических лучей. Устройство не предусматривает компенсацию гипомагнитных условий дальнего космоса в объеме внутри скафандра.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание устройства, компенсирующего негативное действие гипомагнитных условий на биологические объекты и системы, в частности на космонавта при длительных полетах вне магнитосферы Земли.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является разработка устройства, создающего магнитное поле, по величине индукции близкое к геомагнитному с однородностью, характерной для земных условий в объеме, достаточном для размещения в нем тела (или) отдельных частей тела космонавта в условиях сильно пониженного (до 3-5 порядков) магнитного поля по сравнению с геомагнитным. Устройство должно быть легким (по сравнению со скафандром космонавта), электробезопасным (напряжения питания менее 12 В), маломощным (энергопотребление менее 1 Вт).
Поставленная задача решается тем, что устройство для компенсации воздействия гипомагнитных условий на организм человека (космонавта) выполнено в виде объемного изделия с полостью, в том числе сквозной, имеющего габаритные размеры, обеспечивающие защиту от воздействия гипомагнитных условий размещенного в ней человека или частей его тела, при этом изделие представляет собой расположенное на диэлектрическом каркасе многослойное покрытие из токопроводящего материала, размещенного между слоями диэлектрического материала, с возможностью создания во внутреннем объеме изделия магнитного поля, имитирующего земное, и снабженное выводами для подключения к источнику тока. В качестве токопроводящего материала может быть использована фольга (например, алюминиевая), или токопроводящая ткань, или провода, при этом многослойное покрытие сформировано посредством намотки на каркас одного из перечисленных материалов. В качестве диэлектрического материала может быть использована полиэтиленовая пленка. В качестве источника тока использован низковольтный маломощный источник электрического тока, позволяющий воспроизводить также колебания магнитного поля, характерные для земного.
В частном варианте выполнения объемное изделие представляет собой полый деформированный цилиндр диаметром 40 см, каркас которого сформирован из гофрированного картона толщиной 4 мм и листа ватмана толщиной менее 1 мм, в качестве многослойного покрытия из токопроводящего материала использована намотанная в 12 слоев алюминиевая фольга, толщиной 11 мкм и шириной 44 см, в качестве диэлектрического материала использована полиэтиленовая пленка шириной 45 см и толщиной 5 мкм, намотанная на каркас параллельно с алюминиевой фольгой с допустимой величиной отклонения от указанных величин не более 20%.
Работа изделия основана на известном физическом явлении, заключающемся в том, что при прохождении через проводник электрического тока вокруг проводника возникает магнитное поле. Если проводник имеет форму кольца, то магнитное поле направлено вдоль оси кольца. Для постоянного тока положение полюсов электромагнита зависит от направления электрического тока. Величина (индукция) магнитного поля пропорциональна величине (силе) электрического тока и числу витков проводника. Изменение силы тока в проводнике приводит к изменению напряженности магнитного поля.
Измеренное электрическое сопротивление кирасы составило 0,10±0,03 Ом при расчетном значении 0,082 Ом. Масса изготовленного макета кирасы не превышала 200 г.
Обмотка кирасы была запитана от источника постоянного тока GPS 3303 через дополнительное сопротивление реостата 10 Ом. При величине тока через кирасу 1,8 А значение индукции магнитного поля в центре кирасы достигло 50 мкТл. Такая величина тока через обмотку кирасы соответствует энергопотреблению (мощности) 0,32 Вт и напряжению на ней 0,16 В.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 представлен эскиз горизонтального разреза макета устройства (кирасы). Размеры макета приведены в мм. Сплошная линия соответствует контуру туловища человека на уровне груди.
На фиг. 2 приведена схема намотки фольги и пленки на каркас кирасы.
1 (сплошная линия) - каркас кирасы, 2 (пунктир, толстая линия) - фольга, 3 (пунктир, тонкая линия) - полиэтиленовая пленка, 4 - места подсоединения проводов. В данном случае приведены два витка фольги и пленки.
На фиг. 3 приведена фотография общего вида макета устройства (кирасы). Вид сверху сбоку.
На фиг. 4 приведена зависимость величины ослабленного магнитного поля внутри КГ по вертикальной оси. Нулевое значение точки измерения соответствует центру кирасы. Пунктиром отмечены нижняя и верхняя граница кирасы.
На фиг. 5 приведена зависимость величины ослабленного магнитного поля внутри КГ по двум взаимно перпендикулярным направлениям в горизонтальной плоскости.
На фиг. 6 приведено распределение магнитного поля внутри и вне кирасы по вертикальной оси при включенном источнике постоянного тока.
На фиг. 7 приведено распределение магнитного поля внутри и вне кирасы по двум взаимно перпендикулярным направлениям при включенном источнике постоянного тока.
На фиг. 8 приведено распределение магнитного поля внутри кирасы по двум горизонтальным направлениям при включенном источнике магнитного поля.
Осуществление изобретения
Предложено устройство для компенсации воздействия гипомагнитных условий на организм космонавта, выполненное в виде объемного изделия, со сквозной полостью, имеющей габаритные размеры, обеспечивающие защиту от воздействия гипомагнитных условий размещенного в ней космонавта или частей его тела, при этом изделие представляет собой расположенное на диэлектрическом каркасе многослойное покрытие из токопроводящего материала, размещенного между слоями диэлектрического материала, с возможностью создания во внутреннем объеме изделия магнитного поля, имитирующего земное, и снабженное выводами для подключения к источнику тока.
Устройство характеризуется тем, что в качестве токопроводящего материала использована фольга (например, алюминиевая), или токопроводящая ткань, или провода, при этом многослойное покрытие сформировано посредством намотки на каркас одного из перечисленных выше материалов. Между слоями токопроводящего материала располагается изолирующий диэлектрический материал, в качестве которого использована пленка.
Изготовлен действующий макет объемного изделия (макет кирасы), который представляет собой полый сильно деформированный цилиндр диаметром 40 см (в частности, имеющее плоские поверхности, имитирующие примерную форму груди, боков и спины космонавта). Эскиз сечения макета приведен на фиг. 1, где сплошная линия соответствуют горизонтальному разрезу кирасы. Высота кирасы составила около 44 см. Каркас кирасы сформирован из гофрированного картона толщиной 4 мм и листа ватмана толщиной менее 1 мм (фиг. 1), в качестве многослойного покрытия из токопроводящего материала использована намотанная в 12 слоев алюминиевая фольга, толщиной 11 мкм и шириной 44 см (фиг. 2), в качестве диэлектрического материала использована полиэтиленовая пленка шириной 45 см и толщиной 5 мкм, намотанная на каркас параллельно с алюминиевой фольгой. Схема намотки фольги и полиэтиленовой пленки представлена на фиг. 2. Первые и последние 5 см намотки фольга уложена в 4 слоя (фиг. 2, позиция 4) для обеспечения надежного электрического контакта подводящих проводов. Длина подводящих проводов составляла около 5 м. Общий вид кирасы приведен на фиг. 3.
В качестве источника тока использован низковольтный маломощный источник электрического тока, позволяющий воспроизводить также колебания магнитного поля, характерные для земного.
Изготовленный действующий макет изделия (кираса) при помещении его в условия ослабленного геомагнитного поля (система катушек Гельмгольца) и пропускании электрического тока силой около 2 А воспроизводил величину индукции магнитного поля внутри устройства, близкую к значению геомагнитного поля в области измерения (г. Москва - 50 мкТл). Изменение тока в изделии позволяет менять величину индукции поля от значения, близкого к нулю (при нулевом значении электрического тока), до значений, существенно превышающих величину геомагнитного поля. Геометрический размер изделия (кирасы) позволяет надеть это изделие на тело (корпус) человека среднего размера. Значение электрического напряжения, приложенного к изделию, составляло 0,16 В (напряжение, совершенно безопасное для человека), а потребляемая мощность около 0,32 Вт (несущественная, по сравнению с энергопотреблением прочих систем скафандра). Изделие позволяет модулировать приложенное к нему напряжение по любому закону для имитации естественных колебаний геомагнитного поля, в том числе заданному программным способом. Изделие позволяет менять геометрические размеры, количество витков, ширину толщину обмотки. Возможно вместо токопроводящей фольги (в данном случае алюминиевой) использовать любую другую или токопроводящую ткань.
Исследование
Изготовленный макет изделия (кирасы) был исследован в лабораторных условиях с помощью системы катушек Гельмгольца (КГ), которые позволили имитировать гипомагнитные условия дальнего космического пространства (условия вне магнитосферы Земли).
Измерения магнитного поля внутри и вне кирасы выполнялись поверенным магнитометром типа НВ0204.4А (ООО «НПО ЭНТ»), с динамическим диапазоном от 10 нТл до 100 мкТл и точностью измерений 10 нТл.
Кираса помещалась примерно в центре системы катушек Гельмгольца, в области максимального ослабления геомагнитного поля. Помещение кирасы в КГ практически не влияло на величину ослабления ГМП. На фиг. 4 приведено распределение ослабленного магнитного поля внутри КГ по вертикальной оси.
На фиг. 5 приведено измеренное распределение ослабленного магнитного поля внутри кирасы в двух взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости, проходящей через центр кирасы, в системе КГ. Нулевое значение точки измерения соответствует центру кирасы. Небольшое отклонение от симметрии этой зависимости в разных направлениях связано, по-видимому, с влиянием стен помещения, в котором находится система КГ.
Распределение магнитного поля внутри кирасы, измеренное по вертикальной оси и двум направлениям в горизонтальной плоскости, проходящей через центр кирасы, представлено на фигурах 6 и 7, соответственно. Вертикальные штриховые линии указывают геометрический размер кирасы. Нулевое значение на осях «h» и «R» соответствует центру кирасы. Отметим, что заметное значение магнитного поля оказывается и на значительном расстоянии по вертикали от края кирасы
На следующей фиг. 8 приведено то же, что и на фиг. 7, но внутри кирасы в увеличенном масштабе. Сплошная линия соответствует распределению поля в направлении «грудь-спина», пунктир - направление «бок-бок». Ошибки, приведенные на фиг. 8, соответствуют естественным колебаниями ГМП с частотой 0,5-2 Гц.
Следует отметить, что созданный макет магнитной кирасы позволяет воспроизвести естественные пульсации магнитного поля в условиях космоса, где их нет. Для этого, очевидно, необходимо модулировать величину питающего кирасу электрического тока по любому программно заданному закону.
Таким образом, представленный макет магнитной кирасы позволяет компенсировать ГМУ в достаточно большом объеме, сравнимом с туловищем космонавта, причем заметное значение магнитного поля оказывается и на значительном расстоянии по вертикали от края кирасы. Кираса имеет относительно низкое энергопотребление и небольшую массу.