Биотехнические системы для космических исследований

УДК 613.693

В. А. Орлов, канд. техн. наук,

Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт биотехнических систем Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» В. В. Шаповалов, д-р техн. наук, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Биотехнические системы для космических исследований

Ключевые слова: космонавты, приборы и системы для тренировки космонавтов. Key words: astronautics, devices and systems for training cosmonauts.

Рассмотрены вопросы разработки биотехнических систем для непрерывного контроля состояния организмов космонавтов в реальном времени (в условиях, имитирующих невесомость и перегрузки), а также контроля технических параметров систем жизнеобеспечения скафандров (в гидробассейне и на центрифугах Центра подготовки космонавтов). Данные исследования проводились в Научно-исследовательском конструкторско-технологическом институте биотехнических систем совместно с кафедрой биотехнических систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Данная статья подготовлена накануне 12 апреля — Дня космонавтики! 51 год тому назад с космодрома «Байконур» стартовал корабль «Восток» с Юрием Гагариным на борту... Как показал первый полет в космос, нужно было разработать принципиально новые методы наземной тренировки и обучения космонавтов, а значит, стали проводить не только подготовку членов экипажей к воздействию перегрузок и ускорений при старте и спуске, но и тренировки, обучение для работы в открытом космосе (монтажа и ремонта оборудования орбитальных станций). Все это, в свою очередь, потребовало разработки особых методов и соответствующих технических средств для непрерывного контроля за состоянием организма космонавта, главным образом для обеспечения его безопасности как в процессе тренировок, так и в реальных условиях космического пространства.

Подготовкой космонавтов к полетам занимаются в Центре подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина (ЦПК) (Звездный городок, Московская обл.), где

в 1970-х годах были созданы уникальные по тем временам тренажерные комплексы, моделирующие состояние невесомости и воздействия перегрузок на организм космонавтов. В составе этих комплексов был построен и введен в эксплуатацию уникальный гидробассейн диаметром 25 м и глубиной 12 м. Состояние невесомости создают в условиях гидросреды за счет нулевой плавучести скафандра с космонавтом. В бассейне устанавливаются фрагменты космических кораблей и орбитальных станций в натуральную величину для отработки выходов и приемов работы в открытом космическом пространстве (рис. 1). Работы в космическом пространстве и тренировки в гидросреде, продолжительность которых достигает 6 ч, связаны с большими физическими и психофизиологическими нагрузками на организм космонавта. Для моделирования воздействия перегрузок во время старта и управляемого спуска космического корабля были

Рис. 1 \ Гидробассейн с фрагментами орбитальной станции

14

От электронно-медицинской аппаратуры

— до биотехнических систем

Рис. 2

Центрифуги: а — ЦФ-7 с длиной рабочего плеча 7 м; б — ЦФ-18 с длиной рабочего плеча 18 м

построены специализированные центрифуги с длиной рабочего плеча 7 и 18 м (рис. 2).

Сотрудничество Санкт-Петербургского электротехнического университета и ЦПК началось в 1976 году, когда должность заведующего кафедрой биомедицинской электроники и охраны среды занял Владимир Михайлович Ахутин, доктор технических наук, профессор, выдающийся ученый, лауреат Ленинской премии. Специалисты Особого конструкторского бюро биологической и медицинской кибернетики (ОКБ БИМК, впоследствии Научно-исследовательский конструкторско-технологиче-ский институт биотехнических систем (НИКТИ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ»), которое возглавлял В. М. Аху-тин, и сотрудники кафедры начали работы по созданию телеметрических комплексов для контроля состояния космонавтов в реальном времени. Очень важным оказался опыт работы ОКБ БИМК с водолазами в водной среде.

В 1970-х годах активно проводились исследования (мониторинг) состояния операторов различных технических систем, связанных со съемом биомедицинской информации и ее апостериорной обработкой в дальнейшем. Однако отсутствие результатов в реальном времени не позволяли прогнозировать

возможные ухудшения состояний космонавтов и принимать адекватные меры для их нормализации. Эти задачи частично были решены в 1977 году при создании первого в стране биотехнического комплекса «Шверт-1» для обеспечения контроля состояния космонавта в условиях гидроневесомости: в реальном времени осуществляли визуальный контроль ряда медицинских параметров: снимали электрокардиограмму, пневмограмму, измеряли температуру, оперативно обрабатывали результаты с вычислением показателей частоты сердечных сокращений, частоты дыхания, температуры тела и др.

В 1982 году из ОКБ БИМК в гидролабораторию ЦПК был передан биотехнический комплекс «Шверт-2», с помощью которого можно было дополнительно измерять важнейшие психофизиологические показатели организма космонавта и контролировать технические параметры систем жизнеобеспечения скафандра типа «Орлан» одновременно двух космонавтов, а также наблюдать за их деятельностью с помощью систем подводного телевидения в реальном времени.

В дальнейшем специалисты анализировали опыт применения биотехнических комплексов, уточняли уровень информативности снимаемых показателей и совершенствовали элементную и вычислительную базы. Так, в 1996 году на замену комплекса «Шверт-2» был разработан новый, усовершенствованный комплекс «Нимфа» для одновременного контроля параметров жизнедеятельности четырех космонавтов (рис. 4, 5).

Многие виды работ, проводимые космонавтами в реальных условиях открытого космоса, синхронно дублировались на Земле в гидробассейне. Адекватность моделирования деятельности космонавтов в условиях гидроневесомости и их работы в реальных условиях открытого космоса оказалась

Рис. 3

Начало сотрудничества с ЦПК им. Ю. А. Гагарина. Слева направо: проректор по научной работе ЛЭТИ, д-р техн. наук, профессор Ю. М. Таиров, заведующий кафедрой «БМЭ и ОС» д-р техн. наук, профессор В. М. Ахутин, ректор ЛЭТИ, член-корр. .АН СССР, д-р техн. наук, профессор А. А. Вавилов, летчик-космонавт, дважды Герой СССР В. А. Шаталов

Рис. 4

Бортовая часть комплекса «Нимфа», блок преобразования и передачи информации, размещаемый в ранце скафандра «Орлан»

весьма высока: при длительности работы 5—6 ч циклограмма в модельном эксперименте отличалась от реальной на 7—10 мин. В дальнейшем благодаря высоким результатам тренировок в гидробассейне экипажи смогли успешно выполнять весьма сложные работы в открытом космосе.

После того как в 1988 году на орбите была создана Международная космическая станция (МКС), возникла необходимость проводить подготовку международных экипажей для совместной работы. Предполагалось использовать на МКС скафандры российского и американского производства, поэтому для контроля состояния американских астронавтов во время тренировок в гидробассейне был разработан новый биотехнический комплекс «Модуль интерфейса физиологического контроля», который впоследствии был адаптирован и для скафандров российского производства типа «Орлан» (рис. 6).

В 2002 году был разработан современный комплекс «Система контроля технических параметров» для работы с системами жизнеобеспечения скафандра типа «Орлан». Например, комплекс использовали для измерения газовой среды в подскафандро-вом пространстве. Это позволило контролировать энерготраты космонавтов и более рационально планировать режимы работы и отдыха во время тренировок (рис. 7).

Дальнейшее расширение МКС, увеличение числа рабочих модулей и специального оборудования на ее поверхности требует от космонавтов более интенсивной работы. Они испытывают большие физические и психофизиологические нагрузки при отработке выполнения операций циклограмм тренировки. Существовавшие тогда системы контроля состояния космонавта не позволяли предсказать, сможет ли он после небольшого отдыха выполнять оставшийся объем работ с учетом ограниченности тренировки по времени. Нужен был оперативный

Рис. 5

Стационарная часть комплекса «Нимфа», стойки аппаратуры приема сигналов телеметрии и обработки биомедицинской и технической информации

Рис. 6

Аппаратура «Модуля интерфейса физиологического контроля», блоки бортовой части БППФИ и стационарный блок интерфейса

Рис. 7

Космонавт в скафандре типа «Орлан» в гидробассейне

контроль состояния космонавта, в частности контроль потенциальной работоспособности в текущий период и в дальнейшем. Такая система контроля потенциальных ресурсов космонавтов была разработана в 2008 году. Состояние организма космонавта предлагается контролировать с учетом теории биотехнических систем (В. М. Ахутин), и не просто принимать в расчет медицинские параметры, а проводить непрерывный анализ адекватности комплексных нагрузок на организм космонавта, например с помощью оценки напряженности работы его сердечной мышцы.

Особое место во время подготовки космонавтов отводится тренировкам на центрифугах для адаптации организма к воздействию перегрузок и ускорений при старте и управляемом спуске. В 2006 году в НИКТИ БТС при участии сотрудников кафедры БТС СПбГЭТУ была разработана уникальная аппаратура — «Система медицинского контроля» (рис. 8, 9), с помощью которой осуществляется контроль состояния космонавтов под воздействием

перегрузок во время тренировок на центрифугах ЦФ-18 и ЦФ-7.

В настоящее время идет работа над непрерывным контролем ушного давления (с каждым циклом сердечных сокращений космонавта) во время тренировок на динамических центрифугах. Полученные данные позволят оперативно следить за изменениями давления в кровеносных сосудах головного мозга и предотвратить потерю сознания при перегрузках.

В небольшой статье невозможно рассказать обо всех работах, проводимых НИКТИ БТС и кафедрой БТС СПбГЭТУ в целях создания биотехнических систем и комплексов для контроля жизнедеятельности человека, находящегося в экстремальных условиях. Тем не менее мы уверены, что большой практический опыт в этой области и понимание фундаментальных научных и технических основ построения таких систем являются залогом их успешной реализации для эффективного обеспечения будущих космических исследований.