Мобильный модуль поддержки внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны и способ его эксплуатации
MOBILE MODULE FOR SUPPORTING EXTRA-CABIN ACTIVITIES OF COSMONAUTS ON THE SURFACE OF THE MOON AND METHOD FOR ITS OPERATION

Группа изобретений относится к космической технике, в частности к транспортным средствам для перемещения по поверхности Луны и другим небесным телам.
Перемещение в пространстве, транспортные средства и системы - неотъемлемые атрибуты зарождения, развития и существования цивилизации планеты Земля. По-видимому, такое же значение будут иметь транспортные средства в освоении Луны и ее эксплуатации.
Перемещение транспортного средства сопряжено с угрозами и опасностями для водителя, которые предотвращаются специальными средствами: ремни безопасности в автомобиле, привязные системы в авиации, системы фиксации в космической технике. Перемещение колесного транспортного средства по лунной песчано-пылеватой поверхности, со скально-обломочными россыпями и валунными включениями предопределяет воздействие на оператора-водителя разнонаправленных и разновеликих перегрузок. Этими обстоятельствами обусловлена необходимость фиксации водителя в безопасной и удобной позиции для реализации функции управления.
Известен ровер Lunar Roving Vechicle, использованный в программе "Аполлон", содержащий ходовую часть с мотор-колесами, неподзаряжаемую аккумуляторную батарею, радиотелеметрическое и антенное оборудование, боксы для инструментов и отобранных образцов, пульт и ручку управления, кресла для астронавтов в скафандрах с мягкой оболочкой, с сиденьями и спинками из нейлона и полосами клейкого материала на спинке для фиксации ранца системы жизнеобеспечения, и привязными ремнями из ребристого нейлона. (Космонавтика. Главный редактор В.П. Глушко. Москва. Издательство "Советская энциклопедия". 1985. С. 227). Показательно серьезное отношение экипажа к соблюдению установленного правила: "…проверив пристяжной ремень штурмана, командир закрепил себя… и они тронулись в путь… …ремни перехватывали раздутые скафандры в поясе, не продавливая их, и астронавта "болтало" не только в кресле, но и в индивидуальной оболочке" (Мировая пилотируемая космонавтика. Под редакцией Ю.М. Батурина. Москва. Издательство "РТСофт". 2005. С. 141, 142). Аналог.
Известна кабина отечественного лунного корабля (ЛК), содержащая иллюминатор-блистер, пульты и органы управления, бортовую систему жизнеобеспечения (СЖО), систему амортизации и фиксации (САФ) космонавта в полужестком скафандре. Из кабины осуществляется управление на участке посадки, выбор места посадки и сама посадка. Управление процессом прилунения выполнимо только при обзоре нижней сферы, т.е. смотреть нужно вниз, что осуществляется космонавтом из положения "стоя". Для этого потребовалась специальная система амортизации и фиксации космонавта в полужестком скафандре.
САФ лунного корабля представляла собой шарнирно-стержневую структуру, охватывающую нижнюю часть скафандра от пояса до ботинок, которая позволяла выполнить только наклон из вертикального положения вперед и обратно на 15°. При этом ботинки закреплялись на опорной поверхности посредством пружинных защелок и металлических выступающих элементов на каблуках ботинок. Таким образом, САФ на ЛК обеспечивала высокоточную и жесткую фиксацию космонавта в скафандре. (В.М. Филин. Притяжение Луны. Москва. Логос. 2005. С. 40, 53). Прототип модуля.
Использование САФ заключается в том, что космонавт перемещается на рабочее место и подстыковывается к СОЖ, разворачивается и жестко фиксируется, включая закрепление ног, приступает к работе. (В.М. Филин. Притяжение Луны. Москва. Логос. 2005. С. 40, 53). Прототип способа.
В корпусе отечественного лунного скафандра "Кречет-94" имеется силовой поясной шпангоут, на котором размещены три силовых элемента: кронштейн с осью спереди, закрепляемой в механическом замке на конструкции САФ, и ловители по бокам для подстыковки скафандра к ответным узлам системы амортизации и фиксации. Такая конструкция позволяет космонавту в скафандре под рабочим избыточным давлением самостоятельно отключаться/подключаться к бортовой СОЖ посредством жгута шлангов с объединенным разъемом, отстыковываться и вновь фиксироваться на рабочем месте в лунном корабле. (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. ОАО НПП "Звезда". Москва. 2005. С. 123-127). Аналог.
На начальном этапе обживания спутника Земли луномобиль целесообразен в качестве мобильного модуля поддержки (ММП) внекабинной деятельности экипажа (ВКД). В этой функции ММП представляется в виде двухместного мобиля, не содержащего гермокабину и управляемого непосредственно космонавтом, облаченным в скафандр под избыточным давлением (О.С. Цыганков. Концепция трудовой деятельности в гипогравитационном пространстве Луны. Воздушно-космическая сфера. №4 (105) 2020. С. 38-47). Для формирования структуры ММП и системы фиксации необходимо задаться обликом членов экипажа.
В выборе водителя луномобиля вполне оправдано ориентироваться на космонавта, облаченного в отечественную автономную систему жизнеобеспечения, выполненную в виде полужесткого лунного скафандра "Кречет-94", или дооснащенного для лунных условий, конструктивно однотипного скафандра "Орлан" (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. ОАО НПП "Звезда". Москва. 2005. С. 118-159). Исходя из конфигурации "Кречета-94" очевидно, что общепринятое положение водителя "сидя" нереализуемо, так как наспинный ранец и присоединенный к нему контейнер с батареей, основным кислородным баллоном, радиостанцией, телеметрической аппаратурой располагается таким образом, что блокирует ту часть туловища человека, на которую обычно садятся.
Известна проблема поддержания устойчивости тела космонавта относительно вертикали в условиях лунной гипогравитации как на горизонтальных поверхностях, так и на поверхностях с уклоном. Сущность статической задачи удержания равновесия человеком в положении "стоя" сводится к приведению проекции центра тяжести тела на поверхность опоры, определяемую площадью стоп и поверхностью между ними, откуда следует, что стопы должны занимать вполне определенное положение (О.С. Цыганков. Луна в ракурсе человеческого фактора. Полет 11. 2007. С. 16-23).
В отличие от условий микрогравитации, при 0,16g желательно снижать нагрузку на космонавта от веса скафандра, перекладывая ее на конструкцию ММП.
САФ лунного корабля по своим жесткостным характеристикам избыточна для ММП. Жесткое крепление скафандра в трех точках исключает какую-либо возможность изменения позы космонавта.
Задачей группы изобретений является создание мобильного модуля поддержки, обеспечивающего продуктивность и безопасность ВКД космонавта, облаченного в полужесткий скафандр, при эксплуатации ММП на поверхности Луны.
Техническим результатом группы изобретений является продуктивность и безопасность внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны.
Технический результат достигается тем, что в мобильный модуль поддержки внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны, содержащий несущий ферменный каркас, ходовую часть, аккумуляторную батарею, радиотелеметрическое и антенное оборудование, боксы для инструментов и отобранных образцов, пульт и ручку управления, средства фиксации космонавта в скафандре, введены мотор-колеса с квазигазовым наполнителем, с возможностью вращения колес вокруг собственной вертикальной оси на 360°, настил, на котором расположена площадка фиксации со средствами закрепления ботинок скафандра, фронтальный капот, бампер и поручни, узел фиксации и амортизации космонавта в полужестком скафандре в положении "стоя", при этом упомянутый узел содержит магнитный фиксатор, выполненный в виде кольцевого магнита, винтовую пружину, прикрепленную одной оконечностью к упомянутому каркасу, а другой оконечностью - к сферическому ярму посредством резьбовых втулок, причем упомянутая пружина помещена в тканевый чехол, закрепленный по концам бандажами, а приемное гнездо с кольцевым магнитом установлено ответно на поясном силовом шпангоуте полужесткого скафандра космонавта, при этом в задней части каркаса установлены полужесткий упор под ранец скафандра, остронаправленная антенна, боксы для инструментов, для аккумуляторной батареи, для образцов пород и грунта, в передней части каркаса - пульт с ручкой управления движением, бортовая система жизнеобеспечения, содержащая баллоны с газом, боксы приборов радиосвязи, телеметрии, телевидения и управления движением, блок снабжения и подзарядки расходными компонентами со жгутом шлангов, стыкуемых со скафандром.
Технический результат достигается тем, что в способе эксплуатации мобильного модуля поддержки внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны, включающем размещение, закрепление космонавта в скафандре и исследуемых образцов в упомянутом модуле, фиксацию ботинок скафандра космонавта на площадке, при этом в зависимости от поставленных задач перед космонавтом реализуют следующие режимы эксплуатации мобильного модуля: для выполнения передвижения модуля по грунту стыкуют кольцевой магнит на силовом шпангоуте скафандра со сферическим ярмом узла фиксации, стыкуют жгут шлангов со скафандром для снабжения скафандра расходными компонентами от бортовой системы жизнеобеспечения; для выполнения выхода космонавта на грунт отстыковывают от скафандра жгут шлангов и переходят на автономную систему жизнеобеспечения скафандра, отстыковывают сферическое ярмо узла фиксации от кольцевого магнита, расфиксируют ботинки скафандра на площадке; для выполнения коротких переездов космонавта стыкуют кольцевой магнит со сферическим ярмом узла фиксации, используют автономную систему жизнеобеспечения скафандра; для выполнения частых остановок с выходом космонавта на грунт стыкуют сферическое ярмо узла фиксации к кольцевому магниту и используют автономную систему жизнеобеспечения скафандра, причем на всех вышеупомянутых режимах эксплуатации используют поручни.
Заявленное техническое решение обосновано следующим образом.
1. Положение водителя "стоя" и соответствующая структура поста управления луномобилем является рациональным решением для существующих обстоятельств эксплуатации ММП (О.С. Цыганков. Концепция трудовой деятельности в гипогравитационном пространстве Луны. Воздушно-космическая сфера. №4 (102) 2020. С. 38-47).
2. Применение колес с квазигазовым наполнителем (RU 2679522 С1, опубл. 11.02.2019, бюл. №5) исключает возникновение вертикальных нагрузок («подпрыгиваний») в силу физической природы сыпучих сред и явления диссипации. Это позволяет отказаться от подвески, снизить массу луномобиля и повысить безотказность конструкции ввиду сокращения общего количества элементов.
3. Использование колес со встроенным в ступицу электромотором и редуктором («мотор-колесо») позволяет, по определению, отказаться от трансмиссии (в том числе, в целях повышения безотказности конструкции, так как в условиях эксплуатации на лунном грунте предполагается высокий уровень абразивного износа (И.И. Черкасов, В.В. Шварев. Грунтоведение Луны. Издательство "Наука". Москва. 1979. С. 85; Мировая пилотируемая космонавтика. Под редакцией В.М. Батурина. Москва. Издательство РТСофт.2005. С. 165).
4. Способность колес вращаться вокруг собственной вертикальной оси обеспечивает следующие виды передвижения, дающие преимущества в условиях пересеченного рельефа:
• вперед-назад;
• поворот и разворот на месте;
• движение боковым и «диагональным» ходом.
5. Бортовая система жизнеобеспечения позволяет расчетливо и экономно расходовать ресурсы скафандра, подключаясь к ней в процессе движения ММП через бортовой блок стыковки типа Б-2М (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. ОАО НПО "Звезда". Москва. 2005. С. 123-127).
Мобильный модуль поддержки, расширяя возможность космонавта в осуществлении целевой деятельности, может быть источником опасных нештатных ситуаций. Так, отказ системы электропитания вызовет отказ ходовой части. При отсутствии луномобиля-спасателя, единственная возможность для экипажа возвратиться к базовому объекту - переход пешком. Если к этому моменту в значительной мере израсходованы автономные ресурсы скафандра, спасение экипажа, т.е. возможность пешего перехода, может быть поддержана только дозаправкой систем скафандра расходными компонентами от бортовой системы жизнеобеспечения, в силу чего функция дозаправки является обязательной для бортовой СОЖ.
6. Эффективность кольцевого магнита со сферическим ярмом подтверждена практикой его многолетнего применения (О.С. Цыганков. Магнит в невесомости. Полет 1. 2010. С. 30-35; RU 2708133 С1, опубл. 04.12.2019, бюл. №34). Пружина амортизирует разнонаправленные нагрузки. Из данных объектов формируется надежный и быстродействующий узел фиксации и амортизации.
7. Площадка с элементами фиксации ботинок скафандра, определяющая положение стоп, систематически используется в космической технике. Отсутствие подвижных частей, пружин, защелок объясняет ее надежность, безотказность и эргономичность (О.С. Цыганков. Трудовая деятельность в безопорном пространстве. Полет 3. 2012. С. 3-12).
8. Снижение нагрузки на космонавта от веса скафандра достигается наличием упора под ранец жизнеобеспечения скафандра.
Устройство мобильного модуля поддержки ВКД космонавтов показано на фигурах 1, 2, 3, 4:
Фиг. 1 - мобильный модуль поддержки ВКД космонавтов;
Фиг. 2 - вид мобильного модуля поддержки ВКД космонавтов по стрелке А;
Фиг. 3 - вид мобильного модуля поддержки ВКД космонавтов по стрелке Б;
Фиг. 4 - узел фиксации и амортизации.
Обозначения на фигурах:
1 - каркас;
2 - настил;
3 - фронтальный капот;
4, 5, 6, 7 - поручень;
8 - бампер;
9. 10, 11, 12 - колесо;
13, 14 - узел фиксации и амортизации;
15 - винтовая пружина;
16, 17 - резьбовая втулка;
18 - ярмо;
19 - гнездо с кольцевым магнитом;
20 - шпангоут скафандра;
21,22 - площадка фиксации ботинок скафандра;
23 - полужесткий упор;
24, 25 - баллон;
26 - блок снабжения расходными компонентами;
27, 28 - жгут шлангов;
29 - пульт;
30 - ручка управления движением;
31 - остронаправленная антенна;
32 - чехол;
33, 34 - бандаж;
35 - бокс приборов радиосвязи, телеметрии, телевидения;
36 - бокс приборов управления движением;
37 - бокс аккумуляторной батареи;
38 - бокс инструментов;
39 - бокс образцов пород и грунта.
Мобильный модуль поддержки внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны, содержащий несущий ферменный каркас 1 (например, труба катанная 25x1; АМг-2; ОСТ 92002-83), ходовую часть, аккумуляторную батарею, радиотелеметрическое и антенное оборудование, боксы дл инструментов и отобранных образцов, пульт и ручку управления движением, средства фиксации космонавта в скафандре, введены мотор-колеса с квазигазовым наполнителем 9, 10, 11, 12 (RU 2679522 С1, опубл. 11.02.2019, бюлл. №5), с возможностью вращения колес вокруг собственной вертикальной оси на 360°, настил 2 (например, рифленый алюминиевый лист 1,5 АМг-5; ГОСТ 21631-76), на котором расположена площадка фиксации со средствами закрепления ботинок скафандра 21, 22 (О.С. Цыганков. Трудовая деятельность с безопорном пространстве. Полет 3. 2012. С. 3-12), фронтальный капот 3 (например, лист 1,0 ОСТ 190070-92), бампер 8 и поручни 4, 5, 6, 7 (труба катанная 25х1,АМг-2; ОСТ 92002-83), узел фиксации и амортизации 13, 14 (фиг. 4) космонавта в полужестком скафандре в положении "стоя", при этом упомянутый узел содержит магнитный фиксатор (О.С. Цыганков. Магнит в невесомости. Полет 1. 2010. С. 30-35), выполненный в виде кольцевого магнита, винтовую пружину 15 (например, проволока 2-Т-12х18Н10Т; ГОСТ 18143-72), прикрепленную одной оконечностью к упомянутому каркасу 1, а другой оконечностью - к сферическому ярму 18 посредством резьбовых втулок 16, 17 (htt:/mash/XXLinfo/546872), причем упомянутая пружина 15 помещена в тканевый чехол 30 (например, ткань ТТА-2; артикул 86-165-04; ТУ 8288-039-1727788575-2015), закрепленный по концам бандажами 33, 34 (нитки швейные полиамидные ТУ 8147-016-0513 8074-0104), а приемное гнездо с кольцевым магнитом 19 установлено ответно на поясном силовом шпангоуте полужесткого скафандра 20 (Абрамов И.П. Космические скафандры России. ОАО НПП "Звезда". Москва. 2005. С. 123), при этом в задней части каркаса 1 установлены полужесткие упоры под ранец скафандра 23 (фенолофор мальдегидный пенопласт ФФ-20; СТУ 14/07-419-63), остронаправленная антенна 31, боксы для инструментов 35, для аккумуляторной батареи 37, для образцов пород и грунта 39, в передней части каркаса 1 - пульт 29 с ручкой управления движением 30, бортовая система жизнеобеспечения, содержащая баллоны с газом 24, 25 боксы приборов радиосвязи, телеметрии, телевидения 35, управления движением 36, блок снабжения и перезарядки расходными компонентами 26 со жгутом шлангов 27, 28 стыкуемых со скафандром (Абрамов И.П. Космические скафандры России. ОАО НПП "Звезда". Москва. 2005. С. 125-127).
Способ эксплуатации мобильного модуля поддержки внекабинной деятельности космонавтов на поверхности Луны, включающий размещение, закрепление космонавта в скафандре и исследуемых образцов в упомянутом модуле, фиксацию ботинок скафандра космонавта на площадке, при этом в зависимости от поставленных задач перед космонавтом реализуют следующие режимы эксплуатации мобильного модуля: для выполнения передвижения модуля по грунту стыкуют кольцевой магнит 19 на силовом шпангоуте скафандра 20 со сферическим ярмом 18 узла фиксации 13, 14, стыкуют жгут шлангов 27, 28 со скафандром для снабжения скафандра расходными компонентами от бортовой системы жизнеобеспечения; для выполнения выхода космонавта на грунт отстыковывают от скафандра жгут шлангов 27, 28 и переходят на автономную систему жизнеобеспечения скафандра, отстыковывают сферическое ярмо 18 узла фиксации 13, 14 от кольцевого магнита 19, расфиксируют ботинки скафандра на площадке 21, 23; для выполнения коротких переездов космонавта стыкуют кольцевой магнит 19 со сферическим ярмом 18 узла фиксации 13, используют автономную систему жизнеобеспечения скафандра; для выполнения частых остановок с выходом космонавта на грунт стыкуют сферическое ярмо 18 узла фиксации 13 к кольцевому магниту 19 и используют автономную систему жизнеобеспечения скафандра, причем на всех вышеупомянутых режимах эксплуатации используют поручни 4, 5 и 6, 7.