МОДУЛЬ ИМИТАТОР ПОВЕРХНОСТИ МАРСА НАЗЕМНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
MARS SURFACE SIMULATION MODULE INCORPORATED WITH EXPERIMENTAL COMPLEX FOR SIMULATING PROLONGED SPACE FLIGHTS

Изобретение относится к области наземного моделирования действующих факторов космического полета и может использоваться для подготовки экипажей пилотируемых космических аппаратов к длительным космическим перелетам, высадке и пребыванию на других планетах, а также для медико-биологических исследований влияния условий длительного космического полета на космонавта.
Метод наземного моделирования действующих факторов космического полета позволяет эффективно исследовать многие проблемы медико-биологического обеспечения пилотируемых полетов.
К подобным исследованиям относятся следующие известные эксперименты («Модельный эксперимент с длительной изоляцией: проблемы и достижения» под общей редакцией В.М.Баранова. М.: Слово, 2001:
- HUBES-94, в котором моделировались условия 135-суточного полета астронавта Европейского космического агентства на орбитальном комплексе «Мир»; к недостаткам указанного эксперимента относится то, что в нем были смоделированы особенности только конкретного космического полета, условия которого хорошо известны заранее;
- ЭКОПСИ-95, направленный на исследование взаимодействия человека и высших растений с целью поиска средств повышения психофизиологической комфортности длительного пребывания человека в условиях изоляции; к недостаткам указанного эксперимента относится то, что он был направлен только на изучение механизмов воздействия на организм человека неблагоприятных факторов долговременного космического полета;
- SFINCSS-99, совмещающий в себе конкретную практическую направленность, учет существенных аспектов будущего космического полета с поиском фундаментальных закономерностей жизнедеятельности человека в новых условиях обитания. Продолжительность эксперимента составила 240 суток. Проводилось изучение 2 экипажей, одновременно функционирующих в автономных герметичных модулях. К недостаткам указанного эксперимента можно отнести продолжительность смоделированного эксперимента, недостаточную для полета на такую удаленную планету, как Марс, небольшой объем проведенных исследований из-за малого жизненного пространства автономных герметичных модулей, а также отсутствие моделирования этапов высадки и пребывания на поверхности других планет.
Известен, например, отсек наземного экспериментального комплекса для моделирования длительных космических полетов - ЭУ-37, реализованный в процессе эксперимента SFINCSS-99, описанный в книге «Модельный эксперимент с длительной изоляцией: проблемы и достижения» под ред. В.М.Баранова. М.: Слово, 2001 г., стр.25-29 (конструкция жилого отсека ЭУ-37 приведена на рис.2, стр.28). Указанный отсек выполнен в форме горизонтально ориентированного полого цилиндра и содержит четыре жилые каюты, кухню-столовую, салон для отдыха и общих сборов, помещение, оснащенное главным пультом управления, мастерскую, туалет, примыкающий с одной своей стороны к кухне-столовой, а с другой стороны - к одной из жилых кают, три люка для стыковки жилого отсека с рабочими модулями наземного экспериментального комплекса, причем два люка выполнены в торцах жилого отсека, а один - в его стенке вблизи центральной части жилого отсека. Три жилые каюты расположены в центральной части жилого отсека, а одна расположена вблизи одного из его торцов. Одним из основных недостатков описанной выше конструкции жилого отсека является то, что он является плохо пригодным для проведения сверхдлительных экспериментов, например порядка 500 суток (примерно таким планируется время полета и пребывания на Марсе). Так, в рамках эксперимента SFINCSS-99 жилой отсек ЭУ-37 был задействован на 110 суток. Указанный срок по существу является предельным для пребывания экипажа в указанном жилом отсеке. В том случае, если применительно к рассматриваемому жилому отсеку время его эксплуатации будет увеличено, то, как показали исследования, экипаж не сможет эффективно решать те задачи, которые стоят перед космонавтами в процессе реального полета. Для сверхдлительных экспериментов сроком 1 год и более, прежде всего, требуется более многочисленный экипаж для того, чтобы выполнять сложные задания, сопутствующие такому длительному эксперименту.
Запуску межпланетного космического корабля предшествует длительная процедура моделирования космического полета, высадки и пребывания на поверхности другой планеты в соответствующем наземном экспериментальном комплексе, в процессе которой космонавты проходят курс обучения работе и взаимодействию в условиях космического полета, а также исследуется влияние моделируемых условий полета на состояние членов экипажа. Наземный экспериментальный комплекс - сложный многомодульный агрегат, оснащенный различным оборудованием для моделирования космического полета, в состав которого входят жилой отсек, модуль управления, медико-технический модуль, посадочный модуль и т.д. В связи с этим одним из наиболее значимых этапов разработки наземного экспериментального комплекса для моделирования космического полета является процесс разработки конструкции каждого отсека.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является модуль-имитатор поверхности Марса, который представляет собой временно сооружаемую негерметичную поверхность площадью 223 кв.м, окруженную по периметру легкой темной перегородкой высотой 3 м и накрытой сверху полупрозрачной светопроницаемой тканью, с внешним освещением, системой теленаблюдения. Связь с испытателями осуществляется либо через систему связи скафандров, либо через систему связи, расположенную в шлюзе. Модуль-имитатор содержит компрессорную установку с ресивером для вентиляции скафандров для обеспечения деятельности на имитируемой поверхности Марса. Все модули выполнены функционально независимыми друг от друга, а все обитаемые автономные герметичные модули оснащены часами, градуированными по марсианскому времени (1 час на циферблате включает 61,5 земных минут) (RU 2348572, G09B 9/00, 2008).
В процессе научно-технических и медико-биологических исследований было установлено, что при осуществлении планируемого полета на Марс, который по предварительным расчетам составит не менее 500 земных суток, численный состав экипажа должен составлять не менее 6 человек. Таким образом, техническим результатом от реализации предлагаемого технического решения является возможность его использования для сверхдлительных экспериментов, например моделирования полета, высадки и пребывания на Марсе, в процессе которого будет обеспечена возможность решать необходимые для этого сложные научно-технические и организационно-управленческие задачи. Базовым условием для выполнения указанной задачи является то, что экипаж, который будет использовать предложенный модуль имитатор поверхности Марса, будет составлять, по меньшей мере, три человека. При таком количестве можно будет наладить эффективное взаимодействие между членами экипажа для решения задач, которые стоят перед космонавтами в процессе реального сверхдлительного полета, в частности полета, высадки и пребывания на поверхности планеты Марс.
Кроме того, технический результат предложенного изобретения заключается в следующем:
- возможность разработки конкретного конструктивного решения для увеличения длительности эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, до 520 дней, возможность моделирования ситуаций, связанных с приземлением взлетно-посадочного модуля и пребыванием космонавтов на поверхности планеты Марс, повышение надежности функционирования наземного экспериментального комплекса в условиях полной изоляции внутреннего объема модулей и большой длительности эксперимента, при этом участники эксперимента находятся в моделируемых в течение эксперимента условиях, максимально приближенных к условиям длительного реального космического полета на Марс, в том числе с переходом на марсианское время в предложенном модуле, максимально имитирующем реальную марсианскую поверхность.
Указанный технический результат достигается за счет того, что модуль имитатор поверхности Марса наземного экспериментального комплекса для моделирования длительных космических полетов, содержащий легкую металлическую конструкцию, состоящую из силового стального каркаса и обшивки из листовой гофрированной стали с куполом, который в верхней части имеет параболическое поперечное сечение, а в нижней части переходит в плоскости, соединенную с помещением для скафандров, и снабженный перегородкой с полупрозрачной светопроницаемой тканью и внешним освещением, системами управления и контроля технических средств, в том числе системой теленаблюдения, связи и часами, градуированными по марсианскому времени, отличающийся тем, что в обшивке установлены разноцветные точечные светодиоды, которые могут работать в режимах постоянной или дискретной подсветки, в верхней части купола установлены точечные светильники для освещения при проведении технологических работ, а также установлены, по меньшей мере, две инфракрасные лампы для обеспечения видеосъемки камерами видеонаблюдения в условиях недостаточной освещенности, а внутренняя поверхность модуля имитирует песочно-каменный грунт Марса, при этом боковые стенки имитатора оборудованы прямоугольными люками, один из которых предназначен для перехода в помещение для скафандров, а второй - для аварийной эвакуации из модуля.
Помещение для скафандров может быть выполнено в виде параллелепипеда и имеет два прямоугольных люка, один из которых предназначен для перехода в имитатор, а второй - для аварийной эвакуации из помещения, и снабжено компрессорной установкой, с ресивером для вентиляции скафандров для обеспечения деятельности на имитируемой поверхности Марса, а внутренняя поверхность имитатора изготовлена из легкого прочного материала, например пенобетона, повторяющего рельеф реального грунта.
Модуль может быть оснащен видеокамерами высокого разрешения с дистанционной системой наведения и трансфокации, расположенными в точках, позволяющих производить трансляцию и запись всех этапов выхода и процесса сборки модуля во время нахождения испытателей на поверхности Марса в наивыгоднейших ракурсах.
2
3
Длина модуля составляет 18-20 м, ширина - не менее 7 м, высота - не менее 5 м, площадь имитируемой поверхности Марса -130-140 м, объем всего сооружения - 630-700 м.
Способ иллюстрируют чертежи.
На фиг.1 представлен общий вид имитатора поверхности Марса наземного экспериментального комплекса для моделирования длительных космических полетов.
На фиг.2 представлен вид сбоку имитатора поверхности Марса наземного экспериментального комплекса для моделирования длительных космических полетов.
На фиг.3 представлена панорама звездного неба.
На фиг.1 изображены: 1 - стальной каркас; 2 - обшивка из листовой гофрированной стали; 6 - помещение для скафандров; 7 - перегородка; 8 - полупрозрачная светопроницаемая ткань; 9 - внешнее освещение; 11 - элементы каркаса; 13 - точечные светильники; 14 - две инфракрасные лампы; 15 - камеры видеонаблюдения для обеспечения видеосъемки; 17 - боковые стенки; 18, 19 - прямоугольные люки; 20 - помещение для скафандров, выполненное в виде параллелепипеда; 21, 22 - прямоугольные люки; 23 - компрессорная установка.
На фиг.2 представлен вид сбоку имитатора поверхности Марса наземного экспериментального комплекса для моделирования длительных космических полетов, на котором изображены: 2 - обшивка из листовой гофрированной стали; 3 - купол; 4 - верхняя часть; 5 - плоскости; 10 - системы управления и контроля технических средств; 15 - камеры видеонаблюдения; 16 - внутренняя поверхность модуля; 19, 22 - прямоугольные люки; 23 - компрессорная установка.
На фиг.3 изображены: 12 - разноцветные точечные светодиоды; 13 - точечные светильники.
Наземный модуль имитатор марсианской поверхности (ИМП) предназначен для имитации экипажем внекорабельной деятельности на поверхности Марса.
Состав ИМП:
- Имитатор поверхности Марса (ИПМ).
- Скафандровая.
- Негерметичный переход между модулем ЭУ-50 и скафандровой.
- Система управления и контроля технических средств ИМП.
Имитатор поверхности Марса представляет собой легкую металлическую конструкцию, состоящую из силового стального каркаса и обшивки из листовой гофрированной стали. Купол ИПМ в верхней части имеет параболическое поперечное сечение, в нижней части переходит в плоскости.
В обшивке ИПМ установлены разноцветные точечные светодиоды, которые имитируют звездное небо и могут работать в режимах постоянной или дискретной подсветки. В верней части купола установлены точечные светильники для освещения ИПМ при проведении технологических работ, а также установлены две инфракрасные лампы для подсветки внутренней поверхности ИПМ с целью обеспечения видеосъемки камерами видеонаблюдения в условиях недостаточной освещенности. Внутренняя поверхность ИПМ имитирует песочно-каменный грунт Марса.
Боковые стенки ИПМ оборудованы специальными прямоугольными люками. Один предназначен для перехода в скафандровую, второй - для аварийной эвакуации из ИПМ.
Скафандровая представляет из себя легкую металлическую конструкцию, состоящую из силового стального каркаса и обшивки из листовой гофрированной стали. Скафандровая имеет два специальных прямоугольных люка, один из которых предназначен для перехода в ИПМ, второй - для аварийной эвакуации.
ИПМ предназначен для создания полной иллюзии нахождения испытателей на поверхности Марса.
Изобретение предназначается для обеспечения:
- иллюзии присутствия испытателей на поверхности Марса,
- комплектующими для сборки модуля пребывания «астронавтов», находящихся на поверхности Марса,
- качественной трансляции пребывания и работы по сборке модуля «астронавтов», находящихся на поверхности Марса.
Предусматривается возможность дальнейшего использования ИПМ.
Конструктивно имитатор марсианской поверхности должен представлять собой каркасную конструкцию, на которой установлены экраны обратной или прямой проекции (возможен смешанный вариант), образовывая при этом замкнутое пространство.
В качестве материала для экранов может быть применена ткань или пластик.
Конфигурация стен предполагаемого павильона должна обеспечивать круговой панорамный обзор практически из любой точки центральной части моделируемой поверхности - 60% и наибольшую иллюзию присутствия. Имитация марсианского ландшафта будет достигаться комбинированным способом, а именно: непосредственно сама «поверхность Марса» должна быть изготовлена из легкого прочного материала (например, пенобетона), окрашенного в соответствующие цвета и повторяющего рельеф реального грунта.
Линия горизонта и небо будут проецироваться на экраны, создавая перспективу плавного перехода реальной поверхности в виртуальную реальность.
Для усиления эффекта возможно применение 3D-технологии. Созданная поверхность должна позволять свободное перемещение по ней испытателей и осуществление внекорабельной деятельности без угрозы нарушения ее целостности.
Из-за возникновения возможных сложностей обратного проецирования в этой зоне допускается рисованный вариант поверхности или вариант с прямым проецированием, при этом выходной люк должен быть стилизован в часть фантазийного посадочного корабля, прообразом которого могут служить корабли отечественного производства, доставлявшие на Луну и другие планеты всевозможную аппаратуру и приборы. В этой же зоне необходимо предусмотреть потайную дверь для возможности проникновения во внутреннее пространство павильона ИПМ.
Для осуществления испытателями внекорабельной деятельности на поверхности Марса необходимо спроектировать и изготовить легкосборную конструкцию условного убежища без пола, возможно, представляющую собой куполообразный модуль с иллюминаторами, люком и всевозможными антеннами. Диаметр конструкции не должен превышать 2,5 м. Время сборки в скафандрах не должно превышать 12 часов, при этом необходимо предусмотреть возможность упрощенной сборки, т.е. любую из панелей можно закрепить или в штатном режиме на большое количество болтов или упрощенно - на четыре болта. Размеры панелей для изготовления модуля и их вес должен быть подобраны таким образом, чтобы два испытателя в скафандрах могли бы легко поднять их и смонтировать. Разобранный модуль должен быть упакован в контейнер, расположенный в районе выходного люка и представляющий собой часть посадочного корабля.
Павильон ИПМ должен быть оснащен видеокамерами высокого разрешения, расположенными в точках, позволяющих производить трансляцию и запись всех этапов выхода и процесса сборки модуля во время нахождения испытателей на поверхности Марса в наиболее выгодных ракурсах. Камеры должны обладать дистанционной системой наведения и трансфокации.
Возможно применение дополнительного освещения, при условии сохранения качества проектируемого изображения и согласования освещенности реальной поверхности с виртуальной.
2
3
2
Параметры павильона ИПМ: длина 18-20 м, ширина 7 м, высота 5 м, при этом площадь имитируемой поверхности Марса составит 130-140 м, объем всего сооружения - 630-700 м, максимальная суммарная площадь экранов будет составлять примерно 400 м.
Размеры выбраны так, чтобы участникам эксперимента было удобно размещаться, работать в имитаторе и переходить в другие модули. В этом случае они могут успешно справляться с поставленными задачами в течение всего эксперимента.
Таким образом, предложенный модуль имитатор поверхности Марса наземного экспериментального комплекса позволяет с высокой степенью приближения моделировать процессы высадки и пребывания на поверхности планеты Марс. Участники эксперимента будут подвергаться воздействию комплекса одновременно или последовательно действующих факторов, присущих динамике межпланетного полета, высадке и пребыванию на Марсе, космической среде и условиям жизнедеятельности в замкнутом пространстве. Конструкция модуля максимально учитывает те нюансы, которые будут сопутствовать настоящему космическому полету на Марс на пилотируемом космическом аппарате.
С июня 2010 года по ноябрь 2011 года проводится уникальный 520-суточный эксперимент (Марс-500) с участием международного экипажа в составе 6 человек по имитации пилотируемого полета на планету Марс.
Международный Проект "Марс-500" осуществляется заявителем - Государственным научным центром Российской Федерации - Институтом медико-биологических проблем РАН под эгидой Роскосмоса и Российской академии наук. В него входит ряд экспериментов, имитирующих те или иные аспекты межпланетного пилотируемого полета. Основой является серия экспериментов по длительной изоляции экипажа в условиях специально созданного наземного экспериментального комплекса, в состав которого входит модуль имитатор поверхности Марса.