КОМПЛЕКС СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ КОСМОНАВТОВ ОТ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕВЕСОМОСТИ
SET OF MEANS FOR PROTECTION OF ASTRONAUTS AGAINST NEGATIVE EFFECTS OF WEIGHTLESSNESS

Изобретение относится к области космонавтики, в частности к средствам защиты космонавтов от негативного воздействия невесомости, в условиях долговременной работы в космическом пространстве.
Известно, что долгое пребывание человека в космосе нарушает деятельность вестибулярного аппарата; работу сердечно-сосудистой системы, в результате чего снижается работоспособность, наблюдается прилив крови к голове, уменьшается объем циркулирующей крови. Страдает опорно-двигательный аппарат космонавта - атрофируются группы мышц, отвечающие за противодействие силе тяжести в земных условиях. Бездействие некоторых мышц ведет к потере кальция костной ткани и т.д. (http://ria.ni/infografika/20120412/624364694.html).
Проблема защиты космонавтов от негативного воздействия невесомости может быть решена только в том случае, когда на обитаемых космических станциях будут созданы условия жизни космонавтов, приближенных к Земным условиям. Над этой проблемой работают ученые всего мира. Поиски решения проблемы идут в направлении создания искусственной и индивидуальной гравитации на борту обитаемых космических станций. В этом плане усилено идет разработка и использование различных нагрузочных костюмов для космонавтов.
Известны костюмы, которые изготовлены для работы космонавтов, в условиях невесомости. Они разрабатывались в Государственном образовательном учреждении, высшего, профессионального образования, Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ), которые защищены патентами: RU №110717, B64G 6/00; А63В 23/12, 27.11.2011; RU №111098, B64G 6/00; A63B 23/12, 10.12.2011; RU №111099, B64G 6/00; A63B 23/12, 10.12.2011; RU №113245 B64G 6/00; A63B 23/12, 10.02.2012; RU №113246 B64G 6/00; A63B 23/12, 10.02.2012.
Каждый из этих костюмов выполнен из растяжимого трикотажа, состоящего из упругих нитей и нитей обычной растяжимости, и содержит детали, обеспечивающие нагрузку на костно-мышечный аппарат человека.
Недостатком этих костюмов является то, что они обеспечивают нагрузку на определенные группы мышц и не позволяют нагружать остальные мышцы космонавта. Кроме того, известные костюмы не оказывают влияния на ориентацию тела космонавта в космическом корабле.
Известно также специальное устройство для нормализации положения человека внутри космического аппарата (RU 2158701, B64G 1/00, В25В 11/00, 10.11.2000). Т.е. на обуви космонавтов устанавливаются постоянные магниты, выполненные в виде пластинок и расположенные на подошвах или каблуках данной обуви. Постоянные магниты взаимодействуют с металлическими элементами, установленными на полу космического аппарата, в виде рядов пластин. Устройство позволяет нормализовать положение тела человека внутри космического аппарата. Но оно не создает никаких нагрузок, например, на костно-мышечную систему верхнего плечевого пояса и др. Кроме того, открытое расположение магнитов на подошве обуви и рядов металлических пластин на полу создает при ходьбе космонавта нежелательный шум в отсеке космического корабля.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является принятый за прототип нагрузочный костюм (RU №2417809, А63В 21/00, 10.05.2011), состоящий из наплечников, тазового пояса, набедренных обхватов, стремян, упругих звеньев, тензодинамометров. При этом упругие звенья расположены на теле космонавта по принципу анатомического строения мышечной системы симметрично спереди-сзади и справа-слева, соединены последовательно с одними концами нерастяжимых лент, вторые концы которых входят в пряжки, закрепленные на наплечниках, тазовом поясе, набедренных обхватах с возможностью изменения натяга упругого звена. Причем на лентах, в местах установки тензодинамометров, нашиты ворсовые молнии. А сами тензодинамометры выполнены в виде Ш-образного чувствительного элемента с установленными тензорезисторами на сплошной стороне элемента. На вторую открытую сторону элемента установлена замыкающая накладка, а на ворсовую молнию установлены прокладки требуемой толщины.
Данный нагрузочный костюм позволяет осуществлять качественную нагрузку отдельных частей тела космонавта, находящегося в условиях невесомости. Но большое число нагрузочных ремней усложняет их регулировку, в то же время отдельные мышцы, в частности мышцы шеи, мышцы ступни, и пальцы ног не получают достаточной нагрузки. Костюм также не позволяет нормализовать положение тела космонавта в условиях невесомости и тем более ходить.
Задачей настоящего изобретения является создание комплекса средств защиты космонавта от вредного воздействия невесомости. Совокупность этих средств позволит нагружать опорно-мышечные аппараты космонавтов, придаст их телам нормальное положение в пространстве и поможет реализовать свободное хождение на борту космического аппарата. Все это может значительно приблизить условия жизни космонавтам на борту обитаемых космических станций к условиям жизни на Земле.
Поставленная задача решается тем, что комплекс средств защиты космонавтов от негативного воздействия невесомости состоит из двух частей - нагрузочного костюма и нагрузочной обуви. Они будут работать только в паре, что позволит создать искусственную гравитацию на борту МКС для каждого космонавта в отдельности.
Согласно заявляемому изобретению нагрузочный костюм выполнен в виде комбинезона из нерастяжимой ткани. Он включает в себя две системы ремней для нагрузки плечевого пояса и две системы ремней для нагрузки тазобедренного пояса. Нагрузочные ремни комбинезона выполнены из эластичных растяжимых лент (резинок) и нерастяжимых - в виде кожаных ремешков. Кроме того, в состав комбинезона включаются две, в меру упругие, резинки, которые находятся в рукавах комбинезона и соединяются со специальными перчатками. Все это будет способствовать нагрузкам мышц и связок локтевых суставов космонавтов. В составе комбинезона имеется также капюшон, который соединяется с комбинезоном резинками, с целью создания необходимой нагрузки на мышцы и шейные позвонки космонавта. Упругость всех нагрузочных систем комбинезона регулируется.
Но неотъемлемой частью комплекса является нагрузочная обувь, которая выполняется путем добавления к обычной обуви, например к кроссовкам, дополнительных двухслойных подошв, в которые вставлены мощные постоянные магниты.
В каждом из слоев дополнительных подошв вырезаны, соосно, круги, соответственно, в носочной и каблучной частях. При этом в верхнем слое дополнительной подошвы диаметр кругов равен диаметру вставляемых в них мощных неодимовых магнитов, а в нижнем слое дополнительной подошвы диаметр кругов меньше диаметра магнитов, с целью удерживания их в нагрузочной обуви. Магниты установлены с возможностью взаимодействия их с полом, устланным металлическими листами, обладающими ферримагнитными свойствами, т.е. листы могут быть изготовлены из чистого железа, никеля или кобальта.
В рабочем состоянии нагрузочный комбинезон присоединен к нагрузочной обуви с помощью язычков, установленных на концах нерастяжимых ремешков нагрузочного ремня, и защелки, выполненной на нагрузочной обуви. В совокупности нагрузочный комбинезон и нагрузочная обувь способны создать искусственную гравитацию для каждого космонавта в отдельности, с минимальными затратами и значительной эффективностью.
Комплекс поясняется чертежами. На фиг. 1 показан нагрузочный ремень с нагрузочной обувью; на фиг. 2 - нагрузочный костюм (комбинезон); на фиг. 3 - системы крепления к комбинезону капюшона и перчаток; на фиг. 4 - устройство нагрузочной обуви.
Согласно заявляемому изобретению нагрузочный комбинезон выполнен из нерастяжимой ткани, силуэт его прямой, свободно свисает с плеч и не сжимает тело космонавта. Ширина штанин комбинезона обычная, с прошитыми внизу подгибами, без манжеток. А системы нагрузочных ремней 1, создающие нагрузки на мышцы и связки плечевых суставов, закрепляются с внутренней стороны комбинезона 2, как с левой, так и с правой его стороны. Свободные концы систем снабжены язычками 3, которые в рабочем состоянии соединяются с защелками 4, установленными на нагрузочной обуви 5. Нагрузочные ремни создают нагрузки как на мышцы и связки плечевых суставов, так и на мышцы в области живота и грудной клетки. Каждый нагрузочный ремень состоит из растяжимой ленты 6 и присоединенной к ней нерастяжимой ленты в виде кожаных ремешков 7. В качестве эластичной растяжимой ленты 6 целесообразно использовать резинку шириной 10 см и длиной около 40 см. А для достижения необходимой упругости можно использовать ее в два или в три слоя. Чтобы закрепить одну систему нагрузочных ремней, например, с правой стороны комбинезона, резинку пришивают одним концом на уровне подмышки, в точке 9, где швом соединяется рукав с комбинезоном 2. К свободному концу резинки пришивается нерастяжимая лента 7, имеющая длину 60 см, и соединяется с такой же лентой 10, имеющей длину 80 см и снабженной пряжкой 8. Соединение посредством пряжки выполняется с возможностью регулировки их общей длины, а значит, и упругости всей системы нагрузочного ремня. Для удобства доступ к системе регулировки длины нагрузочного ремня 1 происходит через разрез 11, выполненный на уровне бедра, а сам разрез открывается и закрывается с помощью молнии.
Системы нагрузочных ремней 1 крепятся с правой и левой стороны комбинезона. Они свисают между нательным бельем космонавта и нагрузочного комбинезона, не доходя до обуви на 20-25 см, и поддерживаются петлями (на чертеже не показаны), которые пришиты с внутренней стороны комбинезона и не препятствуют движению нагрузочных ремней вверх и вниз.
Так же изготовлены и работают две другие системы нагрузочных ремней, которые создают нагрузки на мышцы и связки тазобедренного сустава и на мышцы в области живота и грудной клетки. Системы этих нагрузочных ремней на рисунке не показаны. Они ничем не отличаются от нагрузочных ремней плечевых суставов, но они по размеру меньше и закрепляются с внутренней стороны штанин 12. Верхняя часть этого нагрузочного ремня - резинка - пришивается с внутренней стороны штанин, вверху, на уровне шаговой величины 13, перпендикулярно к вертикальному шву штанин. Эти нагрузочные ремни не поддерживаются петлями, они просто свисают внутри штанин, но их концы также снабжены язычками 14, которые свободно свисают в штанинах, не доходя до защелки, на 20-25 см.
Нагрузку на мышцы и связки локтевых суставов космонавта создают системы нагрузочных резинок 15. Резинка имеет ширину 10 см и устанавливается во внутренней части каждого рукава 15 и 16, фиг. 2, комбинезона. Одним концом резинки крепятся на уровне подмышки, в точке 17, где швом скрепляется рукав с комбинезоном, а другим концом - к перчатке 18, фиг. 2 и 3. В качестве перчаток используются перчатки без пальцев «Митенки», фиг. 1, 2, 3. Перчатки должны быть изготовлены из нерастягивающегося материала, например из мягкой кожи. Соединение перчатки и резинки производится с помощью легкой пряжки 19, фиг. 3, вблизи запястья каждой руки, с целью регулировки упругости резинки.
А соединение капюшона 20, фиг. 3, с комбинезоном 2 производится нагрузочными резинками 21, имеющими ширину 5 см. В положении, когда капюшон одет на голову космонавта, создается нагрузка на мышцы и связки шейных позвонков. Регулировать нагрузку можно изменяя длину нагрузочных резинок, при помощи пряжек 22, пришитых к комбинезону.
Представленный комбинезон способен нагружать множество мышц и связок суставов в организме космонавтов, но он, в одиночестве, как и многие другие нагрузочные костюмы, не в состоянии обеспечить эффективную защиту космонавтов от негативного воздействия невесомости. И чтобы восполнить этот недостаток, например, на международной космической станции (МКС), космонавты уделяют много времени физическим упражнениям на тренажерах. На борту МКС имеется самая современная бегущая дорожка, на которой можно двигаться медленно, имитировать спринтерский забег на короткой дистанции или выполнять долгую утреннюю пробежку в спокойном ритме.
Используя специальное устройство, космонавты выполняют простые, но эффективные упражнения - приседание и подъем. А в тренажерном помещении крутят педали велосипеда и делают упражнения для спины и шеи. При желании можно заниматься тяжелой атлетикой, где есть специальный гриф, который используется при жиме лежа от груди.
С виду кажется, что сделано все, что только можно было сделать, для приближения условий жизни на борту МКС к условиям жизни на Земле, с целью защиты космонавтов от вредного воздействия невесомости. Но космонавты, как и прежде, после длительного нахождения в космосе возвращаются на Землю уставшие и ослабевшие. Они не могут ходить, и долго восстанавливают свое здоровье в медицинских учреждениях. Считается, что причиной всего этого является дефицит каких-то движений. Но каких движений не хватает космонавтам для того, чтобы комфортно себя чувствовать на борту МКС, пока не установлено.
В Земных условиях, на протяжении многих тысяч лет, человек выполнял и продолжает выполнять различные работы, требующие приложения всей мускульной силы. В процессе работы он напрягает все свои мышцы и тем самым инициирует много разновидных движений. Но среди множества этих движений есть жизненно важные движения, без которых организм человека не может нормально функционировать. Эти движения можно объединить под названием - стандартный набор жизненно важных движений. Полный набор этих движений, в совокупности с такими органами, как сердце и дыхательная диафрагма, проталкивают по мышечной ткани питательные вещества, воду и кислород, которыми питаются клетки всего организма человека. В Земных условиях эти процессы не осознанно, но активно инициируются людьми, которые много работают, следят за своим здоровьем, ведут нормальный образ жизни, много двигаются и, как следствие, - все они хорошо себя чувствуют до самой глубокой старости.
А на борту МКС космонавты так же много работают, много времени уделяют занятиям на тренажерах, много двигаются. Но в условиях невесомости характер двигательной активности приобретает новые черты: космонавт не ходит, а плавает в космическом корабле. Для перемещения внутри корабля или вне его большое преимущество приобретают руки, а не ноги. Мышцы ног работают мало и начинают частично атрофироваться, меняется координация движений и т.д. И чем больше космонавты находятся на орбите, тем сильнее они ощущают слабость в ногах и общее недомогание. А вся причина в том, что космонавты, в силу разных обстоятельств, не могут выполнять полный набор жизненно важных движений. По этой причине клетки, особенно те, которые находятся на периферии тела человека, не обеспечиваются питательными веществами и кислородом. Это приводит к тому, что все эти клетки голодают, быстро стареют, болеют и гибнут, из-за чего у космонавтов резко ухудшается состояние здоровья.
Земные условия жизни человека отличаются от орбитальных тем, что человек, обладая своим весом, свободно ходит по поверхности Земли. Ему это удобно и необходимо для повседневной его жизни. А такие движения, как хождение и бег являются исключительно важными элементами в стандартном наборе жизненно важных движений. Ничто не может сравниться с хождением и бегом по эффективности обеспечения питания клеток, особенно тех, которые находятся на удаленных участках организма.
Это объясняется тем, что в Земных условиях, когда человек ходит или бегает, он постоянно, причем не осознанно, топает ногами. В этой ситуации происходит встряхивание всех его внутренних органов и остальных участков тела по оси, соединяющей центр веса (массы) тела человека с центром Земли. Даже незначительное встряхивание вызывает в организме кратковременные инерционно-ударные нагрузки, которые способствуют проталкиванию питательных веществ, воды и кислорода к самым удаленным клеткам организма. А если человек не ходит, встряхивание его организма не происходит, и потоки питательных веществ и кислорода ослабевают.
А на борту МКС такая функция, как хождение, а тем более бег - не практикуется. И хотя космонавты усиленно тренируются на беговой дорожке, но никто из них не будет бегать по этой дорожке в течение всего рабочего дня. А человеку надо быть на ногах практически весь день. К этому он привык в Земных условиях. А на борту МКС космонавты по полу не ходят, встряхивание их организмов не происходит, отмечался прилив крови к голове, а нагрузочные костюмы, какими бы ни были совершенными, в одиночестве, не обеспечивают эффективную защиту космонавтов от вредного воздействия невесомости.
А в представленном изобретении нагрузочный комбинезон работает только в паре с нагрузочной обувью. Предполагается, что в совокупности они могут значительно повысить эффективность защиты космонавтов от невесомости.
А, как известно, на борту МКС космонавты редко пользуются обувью, а вместо нее предпочитают носить теплые носки. Это удобно, потому что по полу они ходят редко, а больше парят над ним. А используя предлагаемую обувь, космонавты будут свободно ходить по полу МКС, как по поверхности Земли. Кроме удобства, эта обувь имеет большое значение в плане защиты космонавтов от негативного воздействия невесомости.
Нагрузочная обувь 23, фиг. 4, представляет собой обыкновенную обувь, например легкие кроссовки, к подошвам которых прикрепляются дополнительные подошвы, изготовленные из двух частей. Одна часть дополнительной подошвы (верхняя) 24 изготавливается из резины, толщина которой 5 мм. Она имеет два вырезанных кружка, в каблучной и носочной ее части, диаметр которых равен 40 мм. Другая часть дополнительной подошвы 25, по размеру такая же, как и первая, но отличается тем, что толщина ее резины равна 3 мм, а диаметр вырезанных кружков - 30 мм. Эти две части склеиваются клеем, после чего в кружки верхней части дополнительной подошвы 24, вставляются дисковые, суперсильные, неодимовые магниты 26, диаметр которых равен 40 мм. Толщина диска 5 мм, сцепление - 18 кг, вес - 30 г. Изготовленные дополнительные подошвы, с магнитами, верхней своей частью приклеиваются к подошвам кроссовок или пристегиваются защелками (в чертежах не указаны). Обувь снабжена защелками 4, фиг. 4, к которым присоединяются язычки 3, фиг. 1, и язычки 14, фиг. 2.
Использоваться нагрузочная обувь будет на борту МКС, в местах, где космонавты находятся много времени. Как отмечалось выше, комплекс средств защиты космонавтов от негативного воздействия невесомости дополнен специальными листами, обладающими ферримагнитными свойствами, т.е. на полу обитаемого космического объекта уложены листы из железа, никеля или кобальта. Толщина листов равна 1-2 мм. А для создания комфорта, в помещении МКС, на металлические листы можно наклеить тонкую ткань, которая не уменьшит силу сцепления обуви с полом, но цвет ее будет создавать хорошее настроение космонавтов.
При хождении в помещении МКС магниты не будут соприкасаться с полом, устланным металлическими листами, потому что они удерживаются меньшими по диаметру кружками (30 мм) нижней части дополнительной подошвы, толщина которой 3 мм. В такой обуви космонавт будет уверенно стоять и ходить по полу МКС. Он уже не будет взлетать под потолок, не будет ударяться в стены, в оборудование, которое имеется в помещении МКС, потому что обувь будет прижиматься к полу и тем самым удерживать космонавтов на ногах. А космонавтам будет удобно ходить и даже бегать, выполнять какую-то работу, сидеть за столом, на стуле, даже в туалете. Было бы не плохо, чтобы МКС была сориентирована по отношению к Земле так, чтобы космонавты могли ходить в помещении МКС вертикально, как они ходили по поверхности Земли. В этой ситуации, путем встряхивания организма, излишняя кровь из головы будет в меру сбрасываться в сторону ног. Кроме того, гравитационное поле Земли, хотя ослаблено на высоте 350 км (высота орбиты МКС), но оно удерживает МКС на орбите с другой, уравновешивающей ее, силой. Это значит, что гравитационное поле Земли пронизывает насквозь как МКС, так и тела космонавтов, что может положительно влиять на их организмы. А ходьбу космонавтов по полу МКС можно сравнить еще с ходьбой по полу пассажирского самолета, находящегося в полете, на большой высоте.
При кратковременном отдыхе космонавт может быстро сбросить все нагрузки, для этого надо подстелить под себя какой-либо утеплитель на пол, присесть на него, обхватить согнутыми руками ноги и откинуть голову назад. А если потребуется убрать нагрузки на длительное время, надо отсоединить все язычки 3 от защелок 4, которые установлены на обуви 5, фиг. 1, снять обувь и сбросить с головы капюшон.
Нагрузочный комбинезон и нагрузочная обувь предназначены для ношения только в помещении МКС. Комбинезон удобен, не стесняет движений космонавта, легко одевается и снимается, имеет простую систему регулировки нагрузок ремней, а также простой способ присоединения нагрузочного комбинезона к нагрузочной обуви. После сна космонавту надо одеть комбинезон, приподнять штанины комбинезона, взять язычки 3 и 14, соединить их с защелками 4 на обуви 5, проверить упругость ремней, при необходимости подрегулировать их натяжение. А для регулировки натяжных ремней для мышц и связок плечевых суставов надо открыть с помощью молнии разрез на уровне бедра 11, фиг. 2. А при регулировке натяжных ремней тазобедренного сустава надо приподнять штанину комбинезона. При нормальной регулировке систем нагрузочных ремней космонавт, в положении стоя или ходьбы, всегда будет ощущать давление на плечи и на все мышцы и суставы организма космонавта. И чтобы удержать себя в том или другом положении, космонавту необходимо будет прилагать определенные усилия.
В такой экипировке космонавт может легко и свободно ходить по металлической дорожке на борту космической станции. Такое хождение не очень отличается от хождения по поверхности Земли. Когда космонавт начинает движение на дорожке космического объекта, он отрывает ногу от металлической дорожки, тем самым прилагает усилия. А чтобы уменьшить усилия, можно сначала приподнять каблук кроссовки, а затем носок. Далее космонавт выпрямляет эту ногу и заносит ее вперед. В этой фазе движения он также ощущает тяжесть, которая исходит от всех натяжных ремней комбинезона. Все это укладывается в понятие искусственной, индивидуальной гравитации в условиях невесомости.
Этот способ защиты космонавтов от вредного воздействия невесомости будет совершенствоваться, и условия жизни на обитаемых космических объектах будут максимально приближаться к Земным условиям. Все это позволит человеку расширять свою деятельность на огромных пространствах нашей Вселенной.