ТРЕНАЖЕР КОСМОНАВТА
ASTRONAUT TRAINING MACHINE

1. Область техники к которой относится изобретение.
Изобретение «ТРЕНАЖЕР КОСМОНАВТА» относится к космической технике - к устройству оборудования для физических упражнений, предназначенного для использования в космосе.
2. Уровень техники
Существует изобретение «ТРЕНАЖЕР С "БЕГУЩЕЙ" ДОРОЖКОЙ» [С.Ф. Стойко, О.И. Егорова, патент РФ №2309783 от 07.10.2005 г. на изобретение «ТРЕНАЖЕР С "БЕГУЩЕЙ" ДОРОЖКОЙ», RU 2309783 по заявке №2005131074/12], «ИМИТАТОР БЕГА И ХОДЬБЫ КОСМОНАВТА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА» [А.В. Шолохов, A.M. Дынин, патент РФ №2196085 от 10.11.2000 г. на изобретение «ИМИТАТОР БЕГА И ХОДЬБЫ КОСМОНАВТА НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА», RU 2196085 по заявке №2000128176/28], эти изобретения имеют существенный недостаток - их действие направлено на определенную группу мышц и костей, когда в данном изобретении «ТРЕНАЖЕР КОСМОНАВТА» сила действует на каждую клетку тела человека.
3. Раскрытие изобретения
У космонавтов, длительное время находящихся в невесомости, ослабевают все мышцы, изменяется сердечно-сосудистая система, становятся тонкими кости. Если космонавты будут направлены к другим планетам, то им придется установить тренажер, а то они не смогут совершить высадку на планету, т.к. у них не будет сил что-то сделать.
Поэтому можно изготовить « ТРЕНАЖЕР КОСМОНАВТА», далее просто тренажер, который будет поддерживать в спортивной форме космонавта в его длительном полете. Тренажер создаст искусственную тяжесть, превосходящую в два раза земную. Искусственная тяжесть действует не только на определенную группу мышц, а и на каждую клеточку организма человека.
Одного часа в сутки тренировки на тренажере достаточно, чтобы космонавт, вернувшийся на Землю после длительного космического полета, не чувствовал себя больным.
Тренажер - это две люльки 2, присоединенные к трубе 11, которая с помощью подшипников вращается на оси 10. Ось через опорные трубы 3 может крепиться к полу или стенкам, см. фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
Тренажер может располагаться как перпендикулярно плоскости пола, так и параллельно плоскости пола, т.к. в невесомости нет верха и низа. При расположении тренажер необходимо закрепить с помощью раскосов.
Космонавты располагаются в люльках 2 полулежа, это сделано для того, чтобы сместить как можно дальше центр тяжести космонавтов от оси вращения 10.
Когда космонавты, за счет своей мускульной силы, приводят во вращение себя с люльками, появляется центробежная сила, прижимающая их к сидению.
При достижении определенной скорости, эта сила становиться в два раза больше земного ускорения. У космонавтов должен быть прибор, показывающий величину ускорения.
При занятии на тренажере около часа организм получит такую тренировку, как если бы космонавт побывал на Земле.
4. Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан общий вид тренажера, состоящего из квадратов опор 1, опорных труб 3, присоединенных к квадрату опоры 1. Также показаны удерживающие трубы 5 две люльки 2, большое зубчатое колесо 4 с внутренним зацеплением.
На фиг.2 показана более подробно люлька 2 с удерживающими трубами 5. Присоединенный к люльке редуктор 6, взаимодействующий с большим зубчатым колесом 4 с внутренним зацеплением посредством выходного блока шестерен 7.
На фиг.3 показан вид с люлькой 2, подвешенной за удерживающие трубы 5 к трубе 11. Труба 11 имеет возможность вращаться на подшипниках на оси 10. Также показано взаимодействие педалей 9, приводящих в движение редуктор 6, который взаимодействует с большим зубчатым колесом 4. Также на фиг.3 показана ступица 12 колеса (более подробно см. фиг.6) с трубами-спицами 15, к которым крепится массивный обод 8.
На фиг.4 показано более подробно взаимодействие трубы 11, имеющей возможность вращаться на оси 10 на подшипниках. Также, показана цепная передача на звездочках 13, 16 от трубы 11. Далее через вал от звездочки вращение передается на шестерню 14, шестерня 14 посредством цилиндрической передачи вращает ведомую шестерню 17, находящуюся на ступице 12. Таким образом, синхронизируется вращение трубы 11 и ступицы 12. На ступице 12 закреплены трубы-спицы 15, которые также вращаются вместе со ступицей. Более крупный рисунок синхронизации вращения трубы 11 и ступицы 12 показан на фиг.6.
На фиг.5 крупным планом показан редуктор 6. Состоящий из трех стенок 21, 22, 23, ведущей шестерни 24 первой пары, ведомой шестерни 25 первой пары, ведущей шестерни 26 второй пары и блока шестерен 7.
На фиг.7 показаны детали колеса с массивным ободом. Показана ступица 12, к которой крепится пластина 28 с помощью двух болтов М8, к пластине 28 крепится труба-спица 15, дальше труба-спица 15 соединяется с четвертью массивного обода 8 с помощью втулки и двух болтов. Также показаны соединение частей обода 8 между собой в разрезе АА. Для удержания боковых колебаний обода 8 показаны удерживающие ролики 18. Удерживающий ролик 18 имеет возможность вращаться на оси, которая находится на рычаге 27. Рычаг 27 поддерживается пружиной 19 для поддержания определенного положения ролика 18.
5. Осуществление изобретения
Тренажер для космонавта, состоящий из двух квадратов опор 1 и прямоугольника опоры 20, в которых закреплена ось 10, отличается тем, что на оси закреплена труба 11, имеющая возможность вращаться на подшипниках; к данной трубе 11 с помощью втулок и удерживающих труб 5 малого диаметра крепятся люльки 2; к люльке 2 закреплен редуктор 6 с педальным приводом; редуктор 6 взаимодействует с большим зубчатым колесом 4 с внутренним зацеплением с помощью выходного блока шестерен 7 редуктора 6; для компенсации момента вращения применяется колесо с массивным ободом 8; для синхронного вращения трубы 11, к которой крепятся люльки и колеса с массивным ободом 8, задействован привод цепной передачи с трубы 11 и двух шестерен 14, 17, одна из которых закреплена на ступице 12; тренажер имеет возможность имитировать силу тяжести за счет воздействия на тело человека центробежной силы.
При расположении космонавтов на тренажере и воздействии космонавтов на педали они приводят себя во вращение вместе с люльками 2.
На тренажере могут тренироваться два или один космонавт. Если занимается один космонавт, то в противоположную люльку надо положить груз, например емкость с водой, по массе равной массе космонавта.
Если массы космонавтов отличаются, то в люльку к космонавту с меньшей массой надо добавить какой-нибудь предмет, по массе равный разнице масс космонавтов. Для этой цели в люльках, за спинкой сидения, сделан специальный отсек 27, куда можно положить дополнительный груз, показано на фиг. 2.
Момент импульса вращающихся космонавтов скомпенсирован, вращающимся в противоположную сторону, массивным ободом 8 колеса.
Массивный обод 8 колеса сделан из алюминиевого сплава. Колесо посажено на ту же ось 10, что и люльки 2 (фиг. 3, фиг. 4).
Наружный диаметр окружности массивного обода 8 равен 3 м.
Наружный диаметр зубчатого колеса 4 с внутренним зацеплением, по которому блок шестерен 7 редуктора 6 люльки 2 равен 3 м. Делительный диаметр этого зубчатого колеса 4 равен 2,9 м, см. фиг 2.
Диаметр окружности, по которой вращаются центры тяжести космонавтов, примерно равен 2,7 м. Радиус центров тяжести космонавтов примерно 1,35 м.
При ускорении, равном двум земным, линейная скорость вращения космонавтов будет.
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mi>r</mi></mrow></msqrt><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>9,8</mn><mo>⋅</mo><mn>1,35</mn></mrow></msqrt><mo>=</mo><mn>5,14</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>/</mo><mi>с</mi></mrow>
Определим количество оборотов люлек 2 в секунду.
n=υ/(π·d)=5,14/(3,14·2,7)=0,6 об/с
Определим момент импульса вращающихся космонавтов. Масса космонавта примерно 70 кг. Масса люльки 2 вместе с редуктором 6 примерно 50 кг. Поэтому масса двух космонавтов вместе с люльками равна 240 кг.
Момент импульса будет равен.
2
L=m·υ·r=240·5,14·1,35=1665,36 кг·м/с
Этот момент импульса компенсирует вращающийся в противоположную сторону массивный обод 8 колеса, который с помощью радиальных труб-спиц 15 прикреплен к ступице 12 (фиг.3 и фиг.4).
Вращение на колесо передается со звездочки 16, закрепленной на трубе 11, на меньшую звездочку 13, на валу которой посажена шестерня 14, и уже это колесо передает вращение на шестерню 17, которая посажена на ступицу 12 колеса, см. фиг.4, фиг.6, фиг. 7.
Передаточное число равно 6. Поэтому колесо вращается с угловой скоростью, в шесть раз большей угловой скорости вращения космонавтов.
Угловая скорость вращения космонавтов.
ω=2·π·n=2·3,14·0,6=3,77
Угловая скорость вращения колеса с массивным ободом 8.
K
ω=6·ω=6·3,77=22,6
Определим необходимую массу массивного обода 8.
<mrow><msub><mi>m</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1665,36</mn><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>22,6</mn><mo>⋅</mo><mn>2,25</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>32,75</mn><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow>
Скомпенсировать момент необходимо для того, чтобы вращающиеся космонавты не влияли на ориентацию космического корабля в пространстве.
В конструкции силы и моменты импульсов уравновешены, поэтому на движение космического аппарата тренировка космонавтов не будет влиять, и не будет отражаться на работе приборов. Энергию тренажер у корабля не расходует.
Вся конструкция тренажера разборная, чтобы можно было на грузовых космических кораблях доставить ее на орбиту и уже на орбите произвести сборку тренажера.
Сборку нужно начинать с установки оси 10 в квадрат опоры 1, который показан на фиг.4 с левой стороны от звездочек 13, 16 цепи. Ось 10 из титана, диаметр 0,03 м, длина 0,82 м.
Сторона квадрата опоры 1: 0,15 м, толщина 0,03 м. Средняя опора 20 не квадрат, а прямоугольник. Длина 0,3 м, ширина 0,15 м, толщина 0,03 м. Квадраты опор 1 и прямоугольник опоры 20 при помощи двух опорных труб 3, с каждой стороны, крепятся к полу или стенкам космического аппарата. Опорные трубы 3 из алюминиевого сплава, наружный диаметр 0,02 м, внутренний диаметр 0,016 м. Опорные трубы 3 вставлены во втулки, которые приварены к квадратам опор 1, прямоугольнику опоры 20. Опорные трубы 3 выступают за диаметр большого зубчатого колеса 4 и диаметр обода на 0,05 м со всех сторон. Во втулках сделаны отверстия под болты М8, с помощью которых крепятся опорные трубы 3. Длина втулок 0,05 м, наружный диаметр 0,03 м, внутренний - 0,02 м, см. фиг. 4. На левом конце оси 10 ставится пружинное упорное кольцо. В квадрате опор и прямоугольнике опоры должно быть отверстие с резьбой М8, куда вкручивается стопорный винт, который прижимает ось 10. Далее ставится распорное кольцо и подшипник 180206. На него напрессовывается труба 11 из алюминиевого сплава, см. фиг.4.
Наружный диаметр трубы 11: 0,072 м, внутренний 0,056 м, длина трубы 11: 0,65 м. С правой стороны труба 11 посажена на подшипник 180206.
На трубу 11 приварено 8 втулок, из алюминиевого сплава, в которые вставляются удерживающие трубы 5, на которые подвешены люльки 2.
Длина втулок 0,1 м, диаметр наружный 0,03 м, внутренний диаметр 0,02 м. Втулки имеют два расположенных под прямым углом друг к другу отверстия под болты М8, см. фиг.4.
Болты, вставляемые в эти отверстия, служат для удержания удерживающих труб 5, на которые подвешены люльки 2. Первые втулки расположены на расстоянии 0,14 м от левого конца трубы 11, вторые - на расстоянии 0,575 от левого конца трубы 11.
На расстоянии 0,016 м от правого конца трубы 11 посажено кольцо, которое приварено, с левой стороны, к трубе 11. Наружный диаметр кольца 0,1 м, внутренний 0,072 м, толщина 0,01 м. К этому кольцу при помощи шести винтов М6 присоединяется ведущая звездочка 16, винты не показаны.
Для передачи вращения на ступицу 12 колеса применена цепная передача.
Применяется цепь пр - 12,7-18,2, шаг цепи 12,7 мм.
Внутренний диаметр ведущей звездочки 16: 0,072, делительный диаметр 0,1336 м, на ведущей звездочке 16 число зубьев 33. Ведущая звездочка 16 изготовлена из стали с последующей закалкой.
На ведомой звездочке 13 делительный диаметр 0,045 м, число зубьев - 11. Ведомая звездочка 13 сделана из стали и закалена. Длина цепи 47 звеньев. Внутренний диаметр ведомой звездочки 13: 0,017 м. Ведомая звездочка 13 посажена на ось, на которую посажена ведущая шестерня 14 привода колеса с массивным ободом 8, см. фиг 6. Ведомая звездочка 13 и ведущая шестерня 14 соединяются с валом с помощью шпонок, не показано.
Вал, проходящий через прямоугольную опору 20, вращается с помощью двух подшипников 180203.
Делительный диаметр ведущей шестерни 14: 0,204 м, количество зубьев 68, модуль 3. Венец ведущей шестерни 14 сделан из стали и закален. Венец напрессован на диск из алюминиевого сплава. На вал диск посажен с помощью шпонки. Делительный диаметр ведомой шестерни 17, которая посажена на ступицу 12 с помощью шпонки (не показано), равен 0,102 м, внутренний диаметр 0,071 м. Количество зубьев 34. Ширина зуба 0,01 м. Ведомая шестерня 17 сделана из стали и закалена. Расстояние между центрами шестерен 0,153 м.
Ступица 12 колеса с массивным ободом 8 сделана из титана. Ширина ступицы 12: 0,05 м. Внутренний диаметр 0,055 м. С правой стороны сделана расточка под подшипник 180206. Максимальный наружный диаметр, к которому крепятся трубы-спицы 15, равен 0,2 м, см. фиг. 6, фиг. 7. Толщина 0,01 м.
Диаметр выступа с правой стороны 0,12 м, высота выступа 0,026 м.
Диаметр, куда насаживается ведомая шестерня 17: 0,071 м.
Ступица 12 колеса с ободом вращается на оси 10 с помощью двух подшипников 80106 и 180206.
К ступице 12, с помощью двух болтов М10 крепятся трубы-спицы 15 колеса, как показано на фиг. 6 и фиг. 7. Трубы-спицы 15 из алюминиевого сплава, наружный диаметр 0,02 и внутренний диаметр 0,016 м. Пластины, так же из алюминиевого сплава, вварены в трубы-спицы 15. Толщина пластин 0,01 м. К массивному ободу 8 трубы-спицы 15 крепятся с помощью втулок, которые приварены к массивному ободу 8. Длина втулок 0,05 м, наружный диаметр 0,03 м, внутренний диаметр 0,02 м.
Во втулках имеется два отверстия, расположенных перпендикулярно друг другу, как показано на фиг. 7. В отверстия вставляются болты М8 для крепления труб-спиц 15.
Массивный обод 8 колеса разделен на четыре равные части, для лучшей его транспортировки. Сечение обода представляет собой прямоугольник шириной 0,04 м и высотой 0,032 м. Разрезанные части соединяются двумя винтами М8, как показано на фиг. 7. У каждой четверти обода по средине с внутренней стороны приварена втулка, для присоединения труб-спиц 15.
С левой стороны у четверти обода имеются два отверстия под винты М8, а так же специально сделаны углубления под головки винтов. Под углубления под головки винтов занято 0,01 м ширины сечения массивного обода 8. Остальная часть ширины сечения 0,03 м делится пополам, см. фиг 7.
С левой стороны у четверти обода сделаны отверстия под винты, а с правой стороны сделаны отверстия с резьбой, для винтов М8.
На трубы-спицы 15 можно подвешивать дополнительные грузы, если вес космонавтов очень большой. Грузы, в виде разрезанных вдоль цилиндров, внутренний диаметр 0,02 м, крепятся на трубы-спицы 14 четырьмя болтами. Одинаковые грузы должны ставиться на противоположно расположенные трубы-спицы 15.
Для того чтобы массивный обод 8 при вращении не раскачивался по сторонам, с двух сторон, на каждой из опорных труб 3 должен стоять ролик 18 с пружинкой 19, как показано на фиг 7 внизу. Такие ролики 18, изготовленные из антифрикционной пластмассы, не дадут ободу раскачиваться. Стенка, на которой крепятся ролики, приваривается к опорным трубам 3 конструкции.
Опорные трубы 3 конструкции закрепляются во втулках, которые привариваются к квадратам опор 1 и прямоугольнику опор 20, как показано на фиг. 1, фиг. 4, и закрепляются болтами через отверстия, не показано. В каждом квадрате опор 1 и прямоугольнике опор 20 должен быть стопорный винт М8, который прижимает ось 10 и удерживает ее в определенном положении. На конце оси 10 с правой стороны так же должно быть упорное пружинное кольцо.
Люлька 2 собирается из труб алюминиевых сплавов, наружный диаметр 0,016 м, внутренний диаметр 0,014 м. Трубы соединяются с помощью болтов и проушин, которые привариваются к трубам. Пол и ограждение люльки выстилаются алюминиевым листом, толщиной 0,001 м.
Ширина люльки примерно 0.45 м, длина 1,25 м, длина сиденья 0,25 м, длина спинки 0,7 м, см. фиг 2.
На специальных опорах расположены рычаги, к которым крепятся педали 9, см. фиг 3. Для рук необходимо сделать специальные поручни.
Педали крепятся к рычагам, длина плеча рычага 0,16 м, с помощью подшипников скольжения. Рычаги крепятся в опорах тоже с помощью подшипников скольжения. Подшипники скольжения сделаны из цилиндров, которые разрезаны вдоль и соединяются четырьмя болтами. В половинки ставятся вкладыши из бронзы.
Рычаги сделаны из стального прутка диаметром 0,012 м.
Через соединительную муфту рычаги связаны с редуктором 6, см. фиг 3.
Двухступенчатый редуктор 6 крепиться с помощью болтов и распорных втулок с левой стороны люльки. Редуктор состоит из трех стенок 21, 22, 23 и двух пар шестерен 24, 25 и 26, блока шестерен 7 (см. фиг. 5).
Делительный диаметр ведущей шестерни 24 первой пары равен 0,219 м, модуль 3, ширина зуба 0,01, количество зубьев 73. Венец из стали и закален. Венец напрессован на диск из алюминиевого сплава.
Делительный диаметр ведомой шестерни 25:0,048, количество зубьев 16.
Шестерня 25 сделана из стали с последующей закалкой.
Ведущая шестерня 24 посажена на вал диаметром 0,017 м на шпонку. Вал вращается в подшипниках 180203, которые расположены в стенках 21, 22.
Стенки выполнены из алюминиевых сплавов. Размеры двух стенок 21, 22:0,37 м умножить на 0,27 м, умножить на 0,012 м, и одной стенки 23 размером 0,27 м умножить на 0,20 м, умножить на 0,012 м.
На один вал с ведомой шестерней 25 первой пары посажена ведущая шестерня 26 второй пары. Делительный диаметр 0,198 м, модуль 3, количество зубьев 66.
Венец выполнен из стали с последующей закалкой. Венец посажен на диск из алюминиевых сплавов, на валу крепится с помощью шпонки.
Общий вал, диаметром 0, 01 м, выполнен из стали. Вращается в стенках с помощью подшипников 180200, см фиг 5.
Ведущая шестерня 26 второй пары приводит во вращение блок шестерен 7, см. фиг. 5. Блок шестерен 7 выполнен из стали с последующей закалкой.
Делительный диаметр первой шестерни равен 0,06 м. Модуль шестерни, которая сцеплена с ведущей шестерней 26 второй пары, равен 3, количество зубьев 20. Делительный диаметр второй шестерни блока 7 равен 0,064 м. Модуль второй шестерни блока равен 4, количество зубьев 16, ширина зуба 0,2 м.
Передаточное число первой пары редуктора равно 73/16=4,56.
Передаточное число второй пары равно 66/20=3,3. Передаточное число редуктора примерно 15.
Блок шестерен 7 находится на консоли, которая закреплена на стенке 22, см. фиг. 5. Блок вращается на оси, с помощью подшипников 180200, диаметром 0,01 м и крепится к стенке с помощью гайки М10.
Вторая шестерня блока сцеплена внутренним зацеплением с зубчатым колесом 4. Делительный диаметр зубчатого колеса 4: 2,9 м, модуль 4, количество зубьев 725, ширина зуба 0,15. Зубчатое колесо 4 сделано из пластмассы.
Полный вес тренажера 170-180 кг.
Проведем расчеты на прочность в наиболее нагруженных местах.
Наибольшая сила действует в соединении втулки с удерживающей трубой 5, которая удерживает люльку 2.
Ускорение равно 19,6 м/с. Масса космонавта с люлькой 2, примерно, 120 кг.
Действующая сила равна.
F=m·α=120·19,6=2352 H
Люльку 2 поддерживают 4 удерживающие трубы 5. Поэтому сила, приходящаяся на одну удерживающую трубу 5, будет 588Н. Во втулке задействовано два болта. Сила, действующая на сечение одного болта, равна 294Н.
Определим напряжение, которое создает сила в данном сечении.
Площадь сечения удерживающей трубы 5:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msubsup><mi>r</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>3,14</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>−</mo><mn>6,4</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>1,13</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
Вычтем площадь, приходящуюся на болт. Площадь равна:
2 умножаем на 0,008, умножаем на 0,002 = 0,000032 кв. м
Остаток площади.
σ
-4
-5
-5
2
S=1,13·10-3,2·10=8,1·10 м
Определим напряжение, создаваемое силой:
σ
-5
σ=F/S=294/8,1·10=3,63 МПа.
У алюминия напряжение упругости 30 МПа, так что у нас почти десятикратный запас прочности.
На вращающийся массивный обод 8 действует разрывная сила:
2
F=m·r·ω/(2·π)=33·1,5·511/(2·3,14)=4027 H.
В соединении два болта, поэтому сила, действующая на один болт, будет в два раза меньше и равна 2013,5Н. Сечение болта М8 примерно равно 0,0000502 кв. м. Определим напряжение среза:
-5
τ=2013,5/(5,02·10)=40 МПа.
Для стали напряжение упругости равно 344 МПа.
Примерно десятикратный запас прочности, это делаем для того, т.к. в космосе ремонтных мастерских нет.