СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В СКАФАНДРЕ

Полезная модель относится к устройствам для измерения тепловых потоков в скафандрах, предназначенных для работы в условиях гидросреды, и может быть применена для слежения за тепловым состоянием космонавта при проведении тренировок на тренажерах, имитирующих различные факторы космического полета.
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.). Известен «Способ автоматического терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе» (патент РФ №2 411164, B64G 6/00, B64G 1/50). Данные способы разработаны для условий применения скафандров в открытом космосе и учитывают возможность регулирования теплового состояния космонавтов только по контурам водяного и воздушного охлаждения. При проведении тренировок космонавтов в наземных условиях в гидросреде точность данных способов и устройств, реализующих данные способы недостаточна ввиду того, что не учитываются дополнительные каналы теплопередачи, которые оказывают влияние на тепловое состояние космонавтов.
В качестве прототипа выбрана система контроля технических параметров (Система контроля технических параметров: инструкция по эксплуатации. ЛНЖИ.941121.084 ИЭ - Санкт-Петербург.: НИКТИ БТС, 2001 - 25 с). Данная система включает канал измерения теплосъема водой, канал измерения энерготрат космонавта, блок задания начальных условий и блок визуализации. Канал измерения теплосъема водой состоит из первого и второго датчиков температуры воды, блока определения разности температур воды, блока определения скорости отвода тепла водой, блока определения теплосъема водой, датчика расхода воды. Канал измерения энерготрат космонавта состоит из датчика концентрации углекислого газа, блока определения скорости выделения углекислого газа, блока определения скорости поглощения кислорода, блока определения текущих энерготрат космонавта, блока определения суммарных энерготрат космонавта. Организованные связи блоков позволяют выводить на блок визуализации информацию о текущих значениях теплосъема и энерготрат космонавта в скафандре во время проведения тренировок в гидросреде. Недостатками прототипа является то, что он не учитывает другие составляющие фактического суммарного теплосъема с космонавта в скафандре и в процессе проведения тренировки не представляется оперативная информация о текущих значениях накопленного теплосъема и энерготрат.
В ходе тренировок в скафандрах в гидросреде осуществляется постоянный контроль теплового состояния космонавтов. Для этого измеряются значения температур на входах и выходах контуров воздушного и водяного охлаждения. По изменению температуры воды вычисляют значения количества тепла, отводимого из скафандра водой, проходящей через КВО. Измеряя концентрацию углекислого газа на выходе из скафандра, определяют величину энерготрат космонавта. По соотношению данных параметров в ходе тренировки принимают решение об изменении параметров охлаждения в контуре водяного охлаждения. Однако в данном случае не учитывается величина отводимого тепла из скафандра за счет влаги, испаряющейся с поверхности тела космонавта, и воздуха, подаваемого на вентиляцию. Эти факторы снижают точность определения теплового баланса в скафандре, что может приводить к принятию неверного решения врачом или руководителем тренировки о принудительной коррекции параметров расхода и температуры в контуре водяного охлаждения скафандра. Поэтому необходимо решить техническую задачу повышения точности определения теплового баланса в скафандре в процессе тренировок в гидросреде, что приведет к повышению работоспособности космонавта и созданию комфортных условий системы человек-скафандр.
Для достижения поставленной цели, повышения точности определения теплосъема и энерготрат, обеспечения комфортных условий работы космонавтов в скафандрах в систему мониторинга теплового режима в скафандре, включающую канал измерения теплосъема водой, включающий датчик расхода воды, первый и второй датчики температуры воды, блок определения разности температур воды, блок определения скорости отвода тепла водой, блок определения теплосъема водой, канал измерения энерготрат космонавта, включающий датчик концентрации углекислого газа, блок определения скорости выделения углекислого газа, блок определения скорости поглощения кислорода, блок определения текущих энергограт космонавта и блок определения суммарных энерготрат космонавта, а также блок задания начальных условий и блок визуализации, введены канал измерения теплосъема воздухом, включающий первый и второй датчики температуры воздуха, блок определения разности температур воздуха, блок определения скорости отвода тепла воздухом, блок определения теплосъема воздухом, датчик расхода воздуха и блок определения массового расхода воздуха, канал измерения теплосъема потоотделением, состоящий из датчика влажности, блока определения абсолютной влажности, первого запоминающего устройства, блока вычитания, блока определения скорости отвода тепла потоотделением, блока определения теплосъема потоотделением, в канал измерения энерготрат космонавта введены второе запоминающее устройство, блок определения изменения концентрации углекислого газа, в канал измерения теплосъема водой, введен блок определения массового расхода воды через КВО, введен блок суммирования и организованы связи существующих и новых блоков, позволяющие обеспечить заданный технический результат.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фигуре и включает в себя следующие блоки и узлы: 1 - канал измерения теплосъема воздухом, 2 - канал измерения теплосъема водой, 3 - канал измерения теплосъема потоотделением, 4 - канал измерения энерготрат космонавта, 5 и 6 - датчики температуры воздуха, 7 - датчик расхода воздуха, 8 и 16 - блоки определения разности температур воздуха и воды соответственно, 9 и 17 блоки - определения массового расхода воздуха и воды соответственно, 10 - блок определения скорости отвода тепла воздухом, 11 - блок определения теплосъема воздухом, 9 - блок задания начальных условий, 13 и 14 - датчики температуры воды, 15 - датчик расхода воды, 18 - блок определения скорости отвода тепла водой, 19 - блок определения теплосъема водой, 20 - датчик влажности, 21 - блок определения абсолютной влажности, 22 и 27 - первое и второе запоминающие устройства, 23 - блок вычитания, 24 - блок определения скорости отвода тепла потоотделением, 25 - блок определения теплосъема потоотделением, 26 - датчик концентрации углекислого газа, 28 - блок определения изменения концентрации углекислого газа, 29 - блок определения скорости выделения углекислого газа, 30 - блок определения скорости поглощения кислорода, 31 - блок определения текущих энерготрат космонавта, 32 - блок определения суммарных энерготрат космонавта, 33 - блок суммирования, 34 - блок визуализации.
Канал 1 предназначен для измерения теплосъема воздухом и состоит из блоков, представленных ниже.
Датчики 5 и 6 температуры воздуха предназначены для измерения температуры воздуха, подаваемого и отводимого из скафандра соответственно. Датчики могут быть выполнены в виде термосопротивлений. Выход датчика 5 подключен ко второму входу блока 8, а выход датчика 6 к первому входу блока 8 и второму входу блока 21.
Датчик 7 расхода воздуха предназначен для измерения объемного расхода воздуха подаваемого в скафандр. Датчик 7 может быть выполнен в виде измерительного преобразователя разности давлений с блоком извлечения корня, стандартно выпускаемых промышленностью. Выход датчика 7 связан с входом блока 9, а также вторыми входами блока 24 и блока 29.
Блок 8 определения разности температур предназначен для вычисления разности температуры воздуха на выходе и входе в скафандр. Блок 4 может быть выполнен в виде электронного или программного блока, выполняющего операции вычитания двух сигналов. Выход блока 4 подключен к первому входу блока 10.
Блок 9 определения массового расхода воздуха предназначен для пересчета значений объемного расхода воздуха в массовый. Блок 9 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 9 подключен ко второму входу блока 10.
Блок 10 определения скорости отвода тепла воздухом предназначен для определения количества тепла, отводимого в единицу времени из скафандра вентилирующим воздухом. Блок 10 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 10 подключен к первым входам блока 11 и блока 33.
Блок 11 определения теплосъема воздухом предназначен для расчета суммарного значения количества тепла, отведенного из скафандра в течение заданного временного интервала. Блок 11 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 11 подключен ко второму входу блока 33.
Блок 12 задания начальных условий предназначен для ввода исходных данных и команд на блоки устройства, установку режимов его работы. Блок 12 управления может быть выполнен в виде набора промышленно выпускающихся тумблеров, микровыключателей, панели типа клавиатуры. Первый выход блока 12 связан со вторым входом блока 17, по которому передается сигнал о значении коэффициента распределения объема воды между костюмом водяного охлаждения и водо-воздушным теплообменником, второй выход связан со вторыми входами блоков 11, 19, 25, 32. По второму выходу передается информация о значении интервала времени суммирования сигналов теплосъема.
Канал 2 предназначен для измерения теплосъема водой и состоит из блоков представленных ниже.
Датчики 13 и 14 температуры воды предназначены для измерения температуры воды на входе и выходе из костюма водяного охлаждения, соответственно. Датчики могут быть выполнены в виде термосопротивлений, стандартно выпускаемых промышленностью. Выходы датчиков 13 и 14 подключены к первому и второму входам блока 16.
Датчик 15 расхода воды предназначен для измерения суммарного объемного расхода воды, подаваемой в скафандр к водо-воздушному теплообменнику и костюму водяного охлаждения. Датчик 15 может быть выполнен в виде шарикового расходомера с электронным блоком, стандартно выпускаемым промышленностью. Выход датчика 15 подключен к первому входу блока 17.
Блок 16 определения разности температур предназначен для расчета разности температур воды на входе и выходе из костюма водяного охлаждения. Блок 16 может быть выполнен в виде электронного или программного блока, выполняющего операции вычитания двух сигналов. Выход блока 16 подключен к первому входу блока 18.
Блок 17 определения массового расхода предназначен для расчета массового расхода воды, проходящей через костюм водяного охлаждения. Блок 17 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 17 подключен ко второму входу блока 18.
Блок 18 определения скорости отвода тепла водой предназначен для расчета количества тепла, отводимого в единицу времени из скафандра водой, проходящей через костюм водяного охлаждения. Блок 18 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 18 подключен к первому входу блока 19 и третьему входу блока 33.
Блок 19 определения теплосъема водой предназначен для расчета суммарного значения количества тепла, отведенного из скафандра водой, проходящей через костюм водяного охлаждения, в течение заданного временного интервала. Блок 19 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 19 подключен к четвертому входу блока 33.
Канал 3 предназначен для определения теплосъема потоотделением и состоит из блоков представленных ниже.
Датчик 20 влажности воздуха предназначен для измерения относительной влажности воздуха на выходе из скафандра. Датчик может быть выполнен в виде измерительных преобразователей влажности серийно выпускаемых промышленностью. Выход датчика 20 подключен к первому входу блока 21.
Блок 21 определения абсолютной влажности предназначен для расчета абсолютной влажности воздуха на выходе из скафандра. Блок может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выходы блока 21 подключены к входу первого запоминающего устройства 22 и ко второму входу блока 23.
Первое запоминающее устройство 22 предназначено для запоминания и хранения в течение всей тренировки начального значения абсолютной влажности воздухе, находящемся в баллонах наземной воздушной системы. Устройство 22 может быть выполнено в виде запоминающего устройства, стандартно выпускаемого промышленностью. Выход устройства 22 подключен к первому входу блока 23.
Блок 23 вычитания предназначен для расчета разности значений абсолютной влажности воздуха на входе и выходе из скафандра за счет потоотделения космонавта. Блок может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 23 подключен к первому входу блока 24.
Блок 24 определения скорости отвода тепла потоотделением предназначен для расчета количества тепла, отводимого в единицу времени из скафандра за счет потоотделения космонавта. Блок 24 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 24 подключен к первому входу блока 25 и пятому входу блока 33.
Блок 25 определения теплосъема потоотделением предназначен для расчета суммарного значения количества тепла, отводимого за счет потоотделения космонавта в течение заданного временного интервала. Блок 25 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 25 подключен к шестому входу блока 33.
Канал 4 предназначен для определения энерготрат космонавта и состоит из блоков представленных ниже.
Датчик 26 концентрации углекислого газа предназначен для измерения процентной концентрации углекислого газа в воздухе на выходе из скафандра. Датчик может быть выполнен в виде газоаналитических преобразователей серийно выпускаемых промышленностью. Первый и второй выходы датчика 26 подключены к входу второго запоминающего устройства 27 и второму входу блока 28 соответственно.
Второе запоминающее устройство 27 предназначено для запоминания и хранения в течение всей тренировки начального значения концентрации углекислого газа в воздухе, находящемся в баллонах наземной воздушной системы. Устройство 27 может быть выполнено в виде запоминающего устройства, стандартно выпускаемого промышленностью. Выход устройства 27 подключен к первому входу блока 28.
Блок 28 определения изменения концентрации углекислого газа предназначен для расчета разности значений концентрации углекислого газа в воздухе на входе и выходе из скафандра за счет дыхания космонавта. Блок может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 28 подключен ко входу блока 29.
Блок 29 определения скорости выделения углекислого газа предназначен для расчета объема углекислого газа, выделенного в единицу времени организмом космонавта в процессе дыхания. Блок 29 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 29 подключен к входу блока 30.
Блок 30 определения скорости поглощения кислорода предназначен для расчета объема кислорода, поглощенного в единицу времени организмом космонавта в процессе дыхания. Блок 30 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 30 подключен к входу блока 31.
Блок 31 определения текущих энерготрат космонавта предназначен для расчета энерготрат, производимых космонавтом в единицу времени в процессе тренировки. Блок 31 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы. Выход блока 31 подключен к первым входам блоков 32 и 34.
Блок 32 определения суммарных энерготрат космонавта предназначен для расчета суммарного значения энерготрат, производимых космонавтом в течение заданного временного интервала тренировки. Блок 32 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы, выполняющего интегрирование сигнала. Выход блока 32 подключен ко второму входу блока 34.
Блок 33 суммирования предназначен для расчета текущего суммарного значения скорости отвода тепла воздухом, водой и потоотделением, а также суммарного значения теплосъема воздухом, водой и потоотделением в течение заданного интервала времени. Блок 33 может быть выполнен в виде электронного блока или микросхемы, выполняющего операции суммирования. Первый и второй выходы блока 33 подключены к третьему и четвертому входам блока 34, соответственно.
Блок 34 визуализации предназначен для обеспечения в реальном времени руководителя тренировки и врача информацией о значениях текущих и суммарных энерготрат космонавта в процессе тренировки, а также текущих значений скорости отвода тепла и суммарного теплосъема с космонавта в виде числовых данных и графиков. Блок 34 может быть выполнен в виде монитора.
Функционирование устройства происходит следующим образом. На блоке 12 задания начальных условий устанавливаются значения интервала времени суммирования сигналов теплосъема, который по первому выходу поступает на вторые входы блоков 11, 19, 25, 32 и значение коэффициента распределения объема воды между костюмом водяного охлаждения и водо-воздушным теплообменником, которое по второму выходу подается на второй вход блока 17. При проведении проверки герметичности скафандра, перед началом тренировки без нахождения в нем космонавта, на вход первого запоминающего устройства 22 поступает и запоминается сигнал с блока определения абсолютной влажности, а на вход второго запоминающего устройства 27 поступает и запоминается сигнал с датчика концентрации углекислого газа 26, соответствующие значениям абсолютной влажности и концентрации углекислого газа в воздухе, подаваемом на вход скафандра из баллонов наземной воздушной системы.
В ходе проведения тренировки датчики 5, 6, 7, 13, 14, 15, 20 и 26 постоянно с установленной в блоке 12 дискретностью измеряют текущие значения соответствующих параметров - температуры воздуха, температуры воды, расхода воздуха и воды, влажности воздуха, концентрации углекислого газа. Значения температуры воздуха на входе и выходе из скафандра с датчиков 5 и 6 поступают в блок 8, где определяется разность температур входящего и выходящего воздуха, разностный сигнал температуры воздуха поступает на первый вход блока 10. Сигнал с датчика 7 поступает на вход блока 9, а также вторые входы блоков 24 и 29. В блоке 9 определяется массовый расход воздуха, проходящего через скафандр. Данное значение поступает на второй вход блока 10, который по значениям разности температур и расходу воздуха определяет текущее значение скорости отвода тепла из скафандра вентилирующим воздухом и передает это значение на первый вход блока 11, который производит интегрирование сигнала на интервале времени, заданном из блока 12. Полученные значения количества тепла, отводимого воздухом из скафандра, поступают на первый вход блока 33. Значения температуры воды на входе и выходе из костюма водяного охлаждения с датчиков 13 и 14 поступают в блок 16, где определяется разность температур входящей и выходящей воды, разностный сигнал температуры воды поступает на первый вход блока 18. Сигнал суммарного объема воды, подводимой к скафандру, с датчика 15 поступает на первый вход блока 17, где определяется массовый расход воды, проходящей через костюм водяного охлаждения. Данное значение массового расхода воды поступает на второй вход блока 18, который по значениям разности температур и расходу воды чрез костюм водяного охлаждения определяет текущее значение скорости отвода тепла из скафандра водой и передает это значение на первый вход блока 19 и третий вход блока 33. Блок 19 производит интегрирование сигнала скорости отвода тепла водой на интервале времени, заданном из блока 12. Полученные значения количества тепла, отводимого водой из скафандра, поступают на четвертый вход блока 33. Значение относительной влажности воздуха на выходе из скафандра с датчика 20 поступает в блок 21, где по соответствующим значениям температуры и относительной влажности воздуха на выходе из скафандра определяется значение абсолютной влажности выходящего воздуха, которое поступает на второй вход блока 23. В блоке 23 определяется изменение абсолютной влажности воздуха, прошедшего через скафандр за счет испарения пота с организма космонавта, значение этого разностного сигнала поступает на вход блока 24, в котором по значениям объемного расхода воздуха и изменению абсолютной влажности определяется значение скорости отвода тепла за счет потоотделения космонавта, которое передается на первый вход блока 25 и пятый вход блока 33. Блок 25 производит интегрирование сигнала скорости отвода тепла потоотделением на интервале времени, заданном из блока 12 и передает значение количества тепла, отводимого потоотделением, на шестой вход блока 33. Значения концентрации углекислого газа в воздухе на выходе из скафандра с датчика 26 поступает на второй вход блока 28, где определяется разность концентрации углекислого газа во входящем и выходящем воздухе, разностный сигнал концентрации углекислого газа поступает на первый вход блока 29. В блоке 29 по значениям объемного расхода воздуха через скафандр и разностному сигналу изменения концентрации углекислого газа определяется значение скорости выделения углекислого газа организмом космонавта, которое передается на второй вход блока 30. В блоке 30 по значениям скорости выделения углекислого газа определяется скорость поглощения кислорода космонавтом, для постоянного усредненного значения коэффициента дыхания, которое передается на вход блока 31. В блоке 32 по значениям скорости поглощения кислорода организмом космонавта и калорического эквивалента, соответствующего усредненному коэффициенту дыхания определяется значение текущих энерготрат космонавта, которые передаются на первый вход блока 32 и первый вход блока 34. Блок 32 производит интегрирование сигнала текущих энерготрат космонавта на интервале времени, заданным из блока 12 и передает значение суммарных энерготрат космонавта на второй вход блока 34. Блок 33 производит отдельно суммирование текущих значений скорости отвода тепла водой, воздухом и потоотделением, а также текущих суммарных значений общего теплосъема водой, воздухом и потоотделением и передает значения этих двух сумм на третий и четвертый входы блока 34. Блок 34 в реальном времени отображает значения текущих значений скорости отвода тепла, суммарных (накопленных) значений теплосъема, а также текущих и суммарных энерготрат космонавта в виде числовых данных и графиков. По результатам сравнения (анализа) этих данных руководитель тренировки и врач производят оценку соответствия текущих и суммарных значений теплосъема и энерготрат, на основании которой определяется правильность регулирования космонавтом температуры воды в костюме водяного охлаждения и, при необходимости, выдаются рекомендации космонавту по выбору оптимального положения крана регулирования температуры воды на входе в костюм водяного охлаждения, либо специалистам наземной группы обеспечения на изменение расхода воды, подаваемой в скафандр.
Применение разработанной системы позволит повысить точность определения теплосъема из скафандра и тепловыделения космонавтов в процессе тренировок в наземных условиях, что приведет к повышению качества контроля тепловых режимов и комфортности работы космонавтов в скафандре.