В невесомости и в безопорном пространстве

В невесомости и в безопорном пространстве

Все расширяющиеся функции экипажа в условиях космического полета выдвигают повышенные требования к профессиональной подготовке космонавтов, их квалификации, опыту работы, психологической устойчивости и практическим действиям в условиях невесомости.

В конце 60-х — начале 70-х годов сформировалась концепция освоения космического пространства, включающая создание орбитальных солнечных электростанций, заводов по выпуску материалов, которые не представляется возможным получить в земных условиях, промежуточных стартовых площадок, спутников радиосвязи, радиолокаторов и других больших, сложных конструкций, не предназначенных для восприятия земной силы тяжести и стартовых перегрузок, а поэтому требующих их сборки на орбите.

Уже сейчас можно сказать, что создание сложного и большого комплекса на орбите, оказание помощи экипажу космического корабля, потерпевшему аварию, а также техническое обслуживание орбитальных комплексов, проведение профилактических и ремонтно-восстановительных работ невозможно без непосредственного участия человека, без его работы в открытом космическом пространстве. Поэтому с каждым полетом очередного космического корабля расширяются задачи, выполняемые экипажами на орбите вне космического корабля с целью подготовки к предстоящим работам.

Эпоха внекорабельной деятельности в космосе была открыта советским летчиком-космонавтом Алексеем Леоновым. Незабываемым стал день 18 марта 1965 года, когда весь мир узнал о выходе космонавта в специальном скафандре в открытое космическое пространство. Время нахождения А. А. Леонова в условиях открытого космоса составило 23 мин 41 сек. Этим был дан ответ на самый важный вопрос: человек, снаряженный в специальный скафандр, который имеет автономную систему жизнеобеспечения, может выходить из кабины космического корабля и работать вне ее.

Универсальным режущим инструментом необходимо тоже хорошо владеть

В настоящее время советскими космонавтами совершено 18 выходов в открытое космическое пространство. Существенно изменилась конструкция скафандра, стали более совершенными системы жезнеобеспечения, поддерживающие комфортные условия внутри скафандра. На внешней поверхности орбительных комплексов типа «Салют» — «Союз» были проведены сложные монтажно-демонтажные и ремонтно-восстановительные работы, выполнен ряд научных экспериментов и других работ. Большим достижением в мировой практике явился также выход женщины в открытое космическое пространство и проведение ею работ с универсальным ручным инструментом.

Существенно увеличилось и время пребывания космонавтов вне корабля. Так, во время одного из выходов Л.Кизим и В.Соловьев находились в условиях открытого космоса до 5 ч. В табл. 14 отражены хронология и краткое содержание работ, выполненных в условиях открытого космоса.

Таблица 14. Хронология работ, выполненных космонавтами СССР в открытом космосе

Для выполнения многих научных экспериментов, технологических операций, монтажа и демонтажа съемного оборудования, сборки больших конструкций типа модульных блоков, ремонтно-профилактических работ необходим выход космонавтов в открытый космос. Условия невесомости, которые тысячелетиями оставались незнакомыми человеку, являются одним из основных неблагоприятных факторов космического полета. Успешное решение многих задач зависит от степени приближения условий подготовки к реальным. К наиболее сложной задаче при подготовке космонавтов к работе в открытом космосе относится имитация на Земле условий невесомости. Эта проблема актуальна и потому, что воспроизведение на Земле работ в невесомости позволяет помимо отработки штатных операций текущих программ исследовать перспективные работы на орбите.

Основной принцип имитации работ в невесомости — нейтрализация силы земного притяжения. В настоящее время для подготовки космонавтов в наземных условиях к выполнению работ в открытом космосе и отработки перспективных систем могут использоваться различные способы моделирования невесомости в наземных условиях: полеты на самолете по параболической траектории; обезвешивание с помощью систем подвесок; помещение объекта в трехстепенной карданов подвес; обезвешивание с помощью легких газов; установка объекта на платформу на воздушной подушке; электронное моделирование; гидроневесомость.

Разнообразие способов подтверждает тот факт, что ни один из них в настоящее время не решает комплексную задачу по подготовке космонавтов к работе в открытом космическом пространстве. Каждый способ, в определенной степени, может быть применен для воспроизведения тех или иных операций внекорабельной деятельности. В некоторых случаях для отработки ряда операций могут использоваться комбинации этих способов.

«Летающая лаборатория», оборудованная в салоне самолёта, на отдельных участках полёта имитирует состояние невесомости

Полеты в самолете по параболической траектории позволяют наиболее реально воссоздать условия невесомости в течение 20—30 с. Однако такой малый интервал не позволяет произвести в условиях невесомости многие операции, продолжительность которых, как правило, существенно больше. Кроме того, наличие перегрузок до и после действия невесомости, ограниченные размеры летающей лаборатории и относительно высокая стоимость полетов не позволяют широко использовать этот способ для моделирования различных операций, выполняемых в реальном масштабе времени. Этот способ в настоящее время широко используется для поэлементной отработки ряда операций, на выполнение которых не требуется большой длительности пребывания в условиях невесомости.

Способ обезвешивания с помощью системы подвесок (рис. 1) или многостепенного стенда с кардановым подвесом основан на компенсации веса человека в скафандре посредством противовесов и придании ему шести степеней свободы. Испытатель размещается в кардановом подвесе таким образом, что его центр тяжести совпадает с точкой пересечения трех осей карданова подвеса. Испытатель вращается на 360° вокруг каждой оси и перемещается в горизонтальной плоскости и по вертикали в пределах, ограниченных размерами стенда.

Рис. 1. Обезвешивание с помощью системы подвесок

Этому способу моделирования невесомости свойственны существенные искажения ощущения невесомости и, кроме того, при некоторых положениях испытателя в кардановом подвесе он может потерять сознание.

Такие стенды использовались на начальных этапах изучения деятельности космонавта в открытом космосе, но в последующем от них отказались.

Обезвешивание с помощью легких газов (гелий и др.) — один из способов моделирования перемещений элементов больших конструкций в космосе с шестью степенями свободы. При реализации этого способа на модульном блоке крепятся баллоны с легким газом, что позволяет испытателю перемещать его вручную или манипулятором. Инерционность конструкции совместно с баллонами существенно превышает собственную инерционность объекта. Для снижения возникающей при этом погрешности в моделировании невесомости до минимума баллоны с газом целесообразно размещать внутри объема, ограниченного внешним контуром перемещаемого объекта, что не всегда приемлемо.

Способ, основанный на установке платформы на воздушной подушке (рис. 2), позволяет решать ряд очень важных задач по отработке методики выполнения операций.

Рис. 2. Платформа на воздушной подушке

На таких установках могут определяться размеры рабочих зон, удобство выполнения операций, уровень освещения и условия видимости, продолжительность работы космонавта, управление элементами конструкции, соединение конструктивных элементов, обслуживание систем и ряд других операций. Широкий спектр задач моделирования невесомости, решаемых с помощью платформы на воздушной подушке, позволяет сделать вывод о перспективности этого способа при отработке операций, выполняемых на внешней поверхности космических объектов.

Электронное моделирование динамики движения объектов также может широко использоваться при подготовке космонавтов для работ в открытом космическом пространстве. Однако моделирование рабочих операций приводит к необходимости создания очень сложного математического обеспечения.

Наиболее общий эффективный способ воспроизведения условий, близких к невесомости, — гидроневесомость. Испытатель в скафандре с наддувом помещается в жидкую среду, где ему придается нейтральная плавучесть и безразличное равновесие. Моделирование невесомости в гидросреде использовалось и ранее. Еще в конце 50-х — начале 60-х годов этот способ использовался в статических экспериментах по определению возможности имитации невесомости. При этом все внимание обращалось на физиологические и вестибулярные реакции человека.

В этих экспериментах испытатель, снабженный дыхательным автоматом, помещался в фиксированное кресло, установленное в баке небольших размеров. Бак заполнялся водой и приводился во вращение таким образом, чтобы устранить неприятное ощущение в отолитовом аппарате человека.

Характерная особенность гидроневесомости связана с тем, что в состоянии нейтральной плавучести сила гравитационного притяжения Земли, действующая на тело человека, уравновешивается выталкивающей силой гидросреды. Гравитационные силы приложены ко всем молекулам тела человека, а выталкивающая сила действует только на его поверхность.

Поэтому в гидросреде сохраняется действие силы массы внутренных органов, и нарушение функций вестибулярного аппарата не происходит. Следовательно, в гидроневесомости не воспроизводятся факторы космического полета, серьезно влияющие на физиологические процессы в организме человека.

Один из наиболее серьезных недостатков воспроизведения невесомости в гидросреде — влияние гидродинамического сопротивления жидкости на характер поступательного и вращательного движений тела под водой. Кроме того, необходимо учитывать инерционные свойства среды.

Таким образом, особенность воспроизведения в гидроневесомости перемещений при помощи технических средств связана с различием в физике обеспечения скорости в космосе и в воде.

Для поддержания постоянной скорости в космосе после приложения импульса силы не потребуется какой-либо силы тяги. В то время как движение в воде с постоянной скоростью можно обеспечить только в результате непрерывного действия тяги силовой установки.

Сказанное справедливо как в отношении линейных скоростей, так и угловых. Главная причина различия в обеспечении скорости — наличие в гидроневесомости сил и моментов, отсутствующих в космосе. К ним относятся гидродинамические силы и моменты, а также инерционные силы и моменты сил, вызываемые действием присоединенных масс, присоединенных статических моментов и моментов инерции.

Физическую сущность присоединенных параметров можно пояснить на примере поступательного движения тела в гидроневесомости. При неравномерном движении твердого тела в безграничной несжимаемой жидкости окружающая тело жидкость приходить в движение. Для учета инерционности окружающей среды, воздействующей на движущееся под водой с ускорением тело, вводят понятие «присоединенная масса».

Значение присоединенной массы определяется геометрическими особенностями поверхности твердого тела, направлением движения и плотностью окружающей среды. Эффект присоединенных масс проявляется только при ускоренном движении объектов в жидкости.

Таким образом, достоверность воспроизведения движения космического объекта под водой зависит от того, насколько точно будут подобраны инерционные характеристики объекта (масса и момент инерции) и насколько снижено влияние гидродинамических сил и моментов.

Немаловажное значение при выполнении операций под водой имеет подбор таких значений угловых скоростей и линейных ускорений, при которых гидродинамические силы не накладывают на действия операторов в гидросреде существенных искажений. Этот метод моделирования невесомости

Профессиональная подготовка имеет ряд существенных преимуществ перед другими: практически неограниченная продолжительность нахождения испытателя под водой, а следовательно, возможность отрабатывать рабочие операции в реальном масштабе времени, значительно большая безопасность тренировок в гидросреде, нежели, например, в летающей лаборатории, относительно низкая стоимость реализации тренировочного процесса.

В здании гидролаборатории размещено уникальное оборудование для моделирования невесомости в гидросреде

Первые эксперименты в условиях гидроневесомости проводились в 60-е годы в акватории. В подобных экспериментах полномасштабные ракеты объектов, выполненные в виде сетчатых каркасов, помещались в водоем на глубину до 10 м. Интенсивное использование гидроневесомости при подготовке космонавтов привело к созданию гидробассейнов, а в последующем — гидролабораторий, которые представляют собой сложное гидротехническое сооружение, содержащее большой комплекс технологического оборудования, специальных систем, аппаратуры и механизмов (рис. 3). Резервуар, действующий в гидролаборатории, имеет цилиндрическую форму диаметром 23 м и высоту 12 м с вмонтированными в него иллюминаторами. Над резервуаром установлена управляемая подвижная платформа, на которой находится макет орбитальной станции.

Рис. 3. Структурный состав гидролаборатории

Платформа обеспечивает дистанционно управляемый подъем и погружение макета на заданную глубину. Через иллюминаторы осуществляется освещение макета прожекторами, что позволяет производить кино- и фотосъемку, визуальное и телевизионное наблюдение за деятельностью космонавтов в гидросреде.

Система наземных и подводных телевизионных камер позволяет на центральном пункте управления непрерывно наблюдать и записывать всю динамику процесса тренировки на информационном табло. Воспроизведение видеозаписи позволяет акцентировать внимание обучаемых на тех или иных (ошибочных или удачных) приемах деятельности в гидросреде с помощью стопкадров непосредственно после выполнения задания. Это позволяет значительно быстрее сформировать модель операторской деятельности в условиях невесомости.

Гидролаборатория оснащена универсальным телеметрическим комплексом, который регистрирует и передает физиолого-гигиеническую информацию о состоянии испытателя под водой и технических параметров скафандра, а также обеспечивает переговорной связью. Получаемая информация обрабатывается на специализированной ЭВМ и выводится на магнитные накопители, самописцы, цифропечатающие устройства или визуальные приборы, установленные в центральном пункте управления.

Одетые в специальные скафандры космонавты отрабатывают приёмы выхода в космос, производство монтажных и демонтажных работ

Грузоподъемные механизмы позволяют механизировать операции по спуску и подъему космонавтов в скафандрах и проведение монтажно-демонтажных работ с макетами. Скафандры, используемые для тренировок космонавтов в гидролаборатории, по своим параметрам почти не отличаются от штатных. В отличие от полетного, в скафандре для гидросреды ранец системы жизнеобеспечения (СЖО) представлен макетом, размеры которого соответствуют реальному. Воздух для дыхания и вода системы терморегулирования подаются по шлангу, связывающему космонавта в скафандре с наземными системами жизнеобеспечения. Передача данных о параметрах скафандра, о состоянии космонавта, а также радиосвязь осуществляются по кабелю. Структурная схема скафандра показана на рис. 4.

Рис. 4. Структурный состав космического скафандра

Для придания нейтральной плавучести и безразличного равновесия добиваются равенства массы скафандра и выталкивающей силы, а также совмещают его центр тяжести с геометрическим центром, путем размещения в специальных карманах на скафандре свинцовых грузиков. Балансировка выполняется аквалангистами непосредственно в гидробассейне. Воспроизведение жесткости, которой обладает скафандр в открытом космосе при величине избыточного давления 0,4 атм., обеспечивается специальным регулятором избыточного давления, большим на величину гидростатического давления глубины, на которой находится скафандр.

Система терморегулирования скафандров предназначена для подачи воды в костюм водяного охлаждения (КВО). КВО обеспечивает снятие тепла, выделяемого оператором при работе в скафандре. Температура на выходе из системы охлаждения может изменяться в зависимости от теплоощущений оператора, находящегося в скафандре.

Средства обеспечения воздухом предназначены для подачи воздуха в скафандр — на вентиляцию и поддержание соответствующего парциального давления кислорода внутри скафандра не менее 140 мм.рт.ст. Этими же средствами обеспечивается и дыхание операторов, снаряженных в легководолазное снаряжение.

Поскольку работы под водой связаны с определенной опасностью, космонавтов и испытателей в скафандрах страхуют несколько аквалангистов. Как испытатели, так и аквалангисты должны иметь разрешение на проведение подводных работ. Кроме того, перед каждым экспериментом испытатели и аквалангисты проходят специальный медицинский контроль и инструктаж по технике безопасности при проведении подводных работ.

Круг задач, решаемых аквалангистами и персоналом, участвующим в эксперименте, включает: обеспечение безопасности испытателей и аквалангистов, работающих под водой; контроль за работой систем скафандра; медицинский контроль состояния испытателей и аквалангистов; обеспечение записи результатов экспериментов (кино- и фоторегистрация); руководство экспериментом.

В течение всего эксперимента испытатель находится под наблюдением аквалангистов, которые обеспечивают его безопасность и оказывают ему необходимую помощь при отработке операций в условиях открытого космоса. В частности, они же поднимают случайно упавшие на дно бассейна приспособления, используемые в эксперименте и не имеющие — нейтральной плавучести. Остальные аквалангисты находятся на поверхности воды и страхуют тех, кто принимает непосредственное участие в эксперименте. Они проводят также подводную кино-и фотосъемку. Часть специалистов из числа обслуживающего персонала гидролаборатории находится, за пультом управления и контроля. В состав этой группы входят: руководитель, специалист, осуществляющий контроль. параметров скафандра до входа и после выхода испытателя из воды, включая наддув и сброс давления; оператор, осуществляющий контроль за аквалангистами; специалисты по обслуживанию скафандра и декомпрессионной камеры.

Они оказывают помощь тренируемым космонавтам при возникновении нештатных ситуаций при работе в скафандре.

Вспомогательный персонал, обеспечивающий эксперимент, располагается в комнате управления. Здесь же находится оператор, обслуживающий телевизионные системы. В этой комнате размещено оборудование для управления электронно-вычислительным комплексом, системой связи, системой надводного и подводного телевидения, средствами надводного освещения и другими вспомогательными системами.

В число вспомогательных систем гидробассейна входят: система управления окружающими условиями (средства обеспечения воздухом, водой и т. д.); система подводного освещения и специальное подводное оборудование с пневматическими и электрическими приводами, обеспечивающими функционирование макетов космических объектов.

Медицинский контроль за испытателями и аквалангистами осуществляется врачами-физиологами. В частности, в процессе эксперимента и по его окончании проводится контроль деятельности сердца, частоты дыхания испытателя в скафандре и рабочих характеристик систем водяного охлаждения индивидуальной СОЖ. Эти данные используются для определения энергозатрат — одного из важнейших показателей при выполнении операций в гидроневесомости.

Макет орбитального комплекса «Салют» — «Союз», помещенный в резервуар гидролаборатории, выполнен в натуральную величину с полной имитацией объемов внутренних и внешних обводов, элементов интерьера, внутренних переходов наружного выхода из станции. Для обеспечения безопасности подводных работ на макетах предусмотрены аварийные выходы.

Гидролаборатория позволяет проводить тщательную отработку штатных операций в разгерметизированных отсеках и на внешней поверхности станции. Выполнение всех элементов операций проводится в реальном масштабе времени. При этом производится оценка энергозатрат и психологической напряженности космонавтов. Практика показала близкое совпадение временных значений и энергозатрат в гидросреде с аналогичными параметрами в условиях космического полета.

При проведении тренировок особое внимание космонавтов обращается на организацию рабочего места, умелое использование различных средств фиксации, спецприспособлений и инструмента, на формирование рациональных приемов перемещения по внешней поверхности станции, плавность и соразмерность движений, транспортировку и передачу грузов, на взаимодействия и взаимную страховку, избежание соударения остекления скафандра с элементами конструкции и соблюдение других мер безопасности.

Большое внимание уделяется также отработке действий космонавтов в нештатных и аварийных ситуациях.

Тренировки космонавтов в гидросреде осуществляются с участием и под контролем инструктора. Непосредственное участие инструктора в тренировочном процессе позволяет обучаемому своевременно и с определенной интенсивностью прикладывать усилия, уловить ритм двигательного акта и выработать необходимую координацию движений. Продолжительность тренировок экипажа в гидролаборатории составляет 30—50 ч напряженной работы. Эти тренировки проводятся до получения экипажем твердых практических навыков выполнения операций. Процесс каждой тренировки экипажа представляет сложный механизм управления действиями десятков специалистов и многими техническими системами. Он заканчивается разбором выполненной тренировки, оценкой действий экипажа и каждого специалиста из обслуживающего персонала.

Любой тренировочный цикл экипажа завершается итоговой тренировкой, когда члены экипажа выполняют полную программу с отработкой нештатных ситуаций. Процесс проведения итоговой тренировки в большей степени приближен к динамике работы экипажа на орбите. Вся операторская деятельность экипажа в разгерметизированных отсеках и на внешней поверхности космической станции, режим связи и телевидения осуществляются в соответствии с бортовой документацией по отработанной циклограмме, а также с привязкой к свету и тени космического полета.

Учитывая такие возможности гидролаборатории по воссозданию операций в космосе, она используется не только для тренировки космонавтов, но и для наземного сопровождения динамических операций, выполняемых ими вне станции в реальном космическом полете, для выдачи космонавтам при необходимости соответствующих рекомендаций.

Послеполетный анализ операторской деятельности экипажей космических кораблей «Союз» и орбитальных станций «Салют» дает основание утверждать, что космонавты, прошедшие полный цикл подготовки в условиях гидросреды, в реальном космическом полете достигают высокого уровня эффективности операторской деятельности.