CC BY
215
КОСМОНАВТИКА, КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И АППАРАТЫ
УДК 629.787.007:523.43
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С УЧАСТИЕМ ЭКИПАЖЕЙ МКС ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕТА НА МАРС
С.К. Крикалев, Б.И. Крючков, А.А. Курицын, М.М. Харламов
Показано, что одним из важнейших компонентов Госпрограммы «Космическая деятельность России на 2013-2020 гг.» являются положения об использовании МКС для развития технологий полетов к различным планетам и телам Солнечной системы. Исследованы возможности, пути обеспечения высокой работоспособности и эффективной деятельности человека в дальнем космосе путем необычных экспериментов, проводимых в НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина с участием экипажей МКС непосредственно после выполнения длительных полетов.
Ключевые слова: экспериментальные исследования, Международная космическая станция, космонавт, полет на Марс, пилотируемые полеты.
XXI век будет веком полета человека к Марсу. Пока такой полет представляется труднореализуемым как с точки зрения возможностей техники, так и с точки зрения возможностей человека. Отдельная сторона проблемы - финансирование столь дорогостоящего проекта. Приводимые в различных источниках оценки стоимости марсианской экспедиции являются астрономическими. По этой причине полет человека на Марс будет осуществляться в рамках международного сотрудничества. Конечно, международный проект позволил бы эффективнее интегрировать и научнотехнический потенциал стран-партнеров. К настоящему времени сделаны значительные шаги по изучению Марса беспилотными средствами. Результаты полетов искусственных спутников к Марсу, работа аппаратов на его поверхности подтверждают предположения исследователей о больших перспективах обживания и освоения Марса человеком.
Фактически разные страны уже ведут подготовку пилотируемой
экспедиции на Марс. Пока еще не в рамках разработки конкретного проекта, а в рамках НИОКР, создавая необходимые научно-технические заделы. Значительная часть исследований направлена на обеспечение технической реализуемости проекта.
Разрабатываются различные концепции полета человека на Марс. В основном они отличаются структурными и компоновочными схемами комплекса, выбором трасс полета, обоснованием надежности ракет, экспедиционного комплекса и взлетно-посадочных модулей, вариантами энергодвигательного комплекса, схемами развертывания, баллистическим обоснованием и др. Одной из отличительных характеристик марсианского экспедиционного комплекса является его масса. Его начальное значение (при старте с орбиты Земли) может достигать 1500 тонн. Только для разгона такого комплекса от Земли потребуется около 850 тонн топлива. Изучаются различные варианты выбора ракет для этих целей. Исследуются схемы уменьшения стартовой массы комплекса за счет использования, например, двукратного аэродинамического торможения в атмосфере Марса для выхода на околомарсианскую орбиту (проект ЕКА) и др. [1].
Г ораздо меньше внимания уделяется изучению возможностей человека в таком сверхдальнем и сверхдлительном космическом полете.
Часть медико-биологических и психологических проблем изучалась в процессе полетов космонавтов на орбитальных станциях серии «Салют», «Мир», МКС, а также в специальных экспериментах по программе «Марс-500». Однако многие вопросы остаются неисследованными [2].
Одна из важнейших проблем, которая при этом подлежит изучению - оценивание работоспособности и возможности экипажа выполнять сложную операторскую деятельность как в течение длительной экспедиции к Марсу, так и на самой планете. Особую остроту эта проблема приобретает в связи с высокой автономностью полета, которая определяется как невозможностью оперативной связи с Землей, так и невозможностью (в отличие от полетов по околоземной орбите) быстрого возвращения на родную планету. Расстояние от Земли до Марса составляет от 50 до 400 млн км, задержка времени прохождения сигнала радиосвязи - от 8 до 40 мин, а время полета на Марс и обратно оценивается в 2,5 - 3 года.
В отечественной пилотируемой космонавтике накоплен большой опыт осуществления долгосрочных миссий на орбитальных станциях (таблица). Во время полета орбитальной станции «Салют-7» были выполнены полеты экипажей длительностью 211 и 237 суток. На борту ОК «Мир» были осуществлены 5 полетов космонавтов длительностью около года. Получен значительный объем данных, которые могут быть использованы для подготовки длительных экспедиций в дальний космос.
В настоящее время длительность полетов основных экспедиций на МКС составляет около полугода, что сопоставимо с длительностю полета к Марсу. В ходе полета на международной станции экипаж реализует цик-
лограмму деятельности и выполняет функции, близкие к функциям космонавтов марсианского экспедиционного комплекса. Таким образом, космонавты МКС после выполнения полугодового полета по своему физическому, функциональному и психофизиологическому состоянию близки к экипажу корабля, выполнившему полет к Марсу. Все это дает основания исследовать возможности экипажа МКС по выполнению сложной операторской деятельности после длительного полета и на основании полученных результатов сделать прогноз и разработать рекомендации по осуществлению аналогичных работ на Марсе. Подобные технологии исследования возможностей и работоспособности человека после выполнения длительных полетов являются новыми и до настоящего времени не использовались.
Выполнение длительных космических полетов
Орбитальная станция, длительность Ф.И.О., сроки выполнения полетов
«Салют-7», 211 суток Березовой А.Н., Лебедев В.В., 14 мая - 12 февраля 1982 г.
«Салют-7», 237 суток Кизим Л.Д., Соловьев В.А., Атьков О.Ю., 7 февраля - 2 октября 1984 г.
«Мир», 326 суток Романенко Ю.В., 5 февраля - 29 декабря 1987 г.
«Мир», 365 суток Титов В.Г., Манаров М.Х., 21 декабря 1987 г. - 21 декабря 1988 г.
«Мир», 311 суток Крикалев С.К., 11 мая 1991 г. - 25 марта 1992 г.
«Мир», 437 суток Поляков В.В., 8 января 1994 г. - 22 марта 1995 г.
«Мир», 379 суток Авдеев С.В., 13 августа 1998 г. - 28 августа 1999 г.
В целях реализации предлагаемых исследований разработаны концепция и модель проведения послеполетных экспериментов с участием экипажей МКС непосредственно после посадки на Землю по завершении длительного полета.
Целью данных экспериментальных исследований является оценка возможности выполнения космонавтами сложной операторской деятельности непосредственно после выполнения длительных космических полетов в условиях пониженной весомости и перегрузок, а также получение информации о качестве выполнения этой деятельности.
Важными задачами операторской деятельности, которые будут характерны для марсианской экспедиции, являются задачи управления динамическими режимами космических объектов и задачи деятельности космонавтов на поверхности планет. К таким задачам, в частности, относятся ручной управляемый спуск (РУС) на поверхность планеты, проведение внекорабельной деятельности (ВКД) и работа со сложными техническими системами на поверхности планеты.
Именно эти задачи и были включены в число первых послеполетных экспериментов с участием экипажей МКС.
В ходе экспериментов планировались:
1) оценка возможности и качества выполнения космонавтом после полугодового полета режимов ручного управления космическим аппаратом на этапе спуска на планету с моделированием перегрузок.
2) оценка возможности и качества выполнения космонавтом операций передвижения и отдельных типовых операций ВКД на поверхности планеты в скафандре (ориентированном в вертикальном положении в системе обезвешивания), в условиях, близких к марсианским.
Эксперименты проводятся на фоне послеполетных реабилитационных мероприятий (ППМ), выполняемых с экипажей МКС (рис. 1). Основные структурные элементы модели включают: блок проведения дополетных фоновых экспериментов; блок выполнения длительного полета и возвращения на Землю; блок перелета экипажа на реабилитационно-экспериментальную базу (НИИ ЦПК);
блок выполнения на специальном стенде при воздействии перегрузок экспериментов по ручному управлению спуском пилотируемого транспортного корабля на поверхность планеты;
блок выполнения экспериментов в скафандрах для ВКД в условиях, близких к условиям внекорабельной деятельности на поверхности Марса.
Последовательность экспериментов и моменты их проведения соответствуют вероятной циклограмме полета экипажа к Марсу и выхода на его поверхность. Рассматриваемые структурные элементы модели характеризуют лишь первый этап исследований. В последующем они будут меняться и дополняться в зависимости от поставленных задач.
По аналогии с полетами к Луне космических кораблей «Аполлон» обычно рассматривается та же последовательность освоения Марса. Сначала корабли «Аполлон-8» (командир Фрэнк Борман, пилот командного модуля Джеймс Ловелл, пилот лунного модуля Уильям Андерс) и «Аполлон-10» (командир Томас Стаффорд, пилот командного модуля Джон Янг, пилот лунного модуля Юджин Сернан) выполнили облет и полет по орбите Луны. Только после их успешного осуществления к Луне отправился «Аполлон-11» (командир Нил Армстронг, пилот командного модуля Майкл Коллинз, пилот лунного модуля Эдвин Олдрин), совершивший историческую миссию. Человек ступил на поверхность Луны. Однако подобная схема полетов к Марсу не рациональна из-за большой удаленности планеты и огромной стоимости проекта. Миссия человека к Марсу будет более эффективной, если в первом же полете космонавты совершат посадку и выход на поверхность планеты.
Любой пилотируемый корабль проектируется с двумя контурами системы посадки - автоматическим и ручным. Космонавт должен быть
способен выполнить и ручной спуск на Марс, если откажет автоматика. Однако в этом случае возникает резонный вопрос, а сможет ли космонавт после длительного перелета вручную управлять режимом посадки на Марс с необходимой точностью и безопасностью? Различные теоретические модели ручного управляемого спуска дают весьма далекое приближение к действительности, поскольку не позволяют учесть множество факторов, воздействующих на экипаж в ходе длительного космического полета.
Рис. 1. Структура и последовательность экспериментов
В НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина был разработан и реализован натурный эксперимент, позволивший оценить возможности космонавтов по ручному управляемому спуску на Марс с использованием центрифуги ЦФ-18. В кабине ЦФ реализована полунатурная модель РУС.
Рабочее место космонавта (кресло и оборудование РУС) располагались в кабине центрифуги ЦФ-18, имеющей радиус вращения 18 метров. Система управления приводами кабины позволяет ориентировать человека по любому заданному направлению суммарного вектора перегрузки. Центрифуга снабжена комплектом контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры, обеспечивающим измерение и регистрацию технических и физиологических параметров.
В качестве ручного контура управления использовался контур РУС космического корабля типа «Союз». Приближение к марсианским условиям работы космонавтов обеспечивалось следующим:
а) в качестве марсианских экипажей работали экипажи МКС-33/34 и МКС-34/35 (О.В. Новицкий, Е.И. Тарелкин, Р.Ю. Романенко) непосред-
ственно после выполнения ими орбитальных полетов на орбитальной станции продолжительностью 143 и 145 суток соответственно, что сопоставимо по длительности с перелетом экипажа по трассе «Земля-Марс»;
б) эксперимент проводился через 32...34 часа после приземления космонавтов - это время соизмеримо со временем нахождения марсианского корабля на орбите Марса до спуска экипажа на планету;
в) структура и содержание выполняемых космонавтами операций РУС были выбраны близкими к операциям, возможным при управлении посадочным марсианским модулем (работа органами управления, контроль прохождения команд, прогнозирование траектории спуска и др.);
г) космонавты работали автономно - без корректировки своих действий с помощью наземного ЦУПа;
д) перегрузки на экипаж, создаваемые центрифугой, не превышали 3 ед., что гарантированно укладывается в требования спуска пилотируемого аппарата на планету.
Каждый из космонавтов выполнил по три режима РУС: режим 1 - в статике (без вращения центрифуги), режим 2 - в динамике (с вращением центрифуги), режим 3 - в статике.
При проведении эксперимента оценивались значения перегрузки пх и дальность посадки Ьк модуля с экипажем, которые зависели от правильности и точности выдачи космонавтом управляющих команд. Для каждого из космонавтов на режимах 1, 2, 3 вводились различные начальные условия вхождения космического аппарата в атмосферу, в точности соответствующие предполетным экспериментам.
Как правило, параметр максимальной перегрузки пх выдерживался космонавтами в норме в соответствии с рекомендованной методикой выполнения РУС. В то же время имелись некоторые отличия по сравнению с дополетными данными по дальности посадки Ьк для первых выполняемых режимов (режим 1).
До вращения, во время вращения на центрифуге и после его окончания осуществлялись постоянный врачебный контроль, мониторинг и регистрация следующих физиологических параметров:
- данные электрокардиограммы по Нэбу (ЭКГ);
- частота пульса по ЭКГ (ЧСС);
- данные тахоосциллограммы с плечевой артерии;
- частота дыхания (ЧД);
- данные электромиограммы с мышц грудной клетки, брюшной стенки и бедра;
- видеозапись лица.
Кроме перечисленных параметров, контроль за состоянием космонавтов выполнялся с помощью видеокамер.
Во время проведенного медицинского осмотра, до и во время воз-
действия перегрузки показатели частоты сердечных сокращений, артериального давления и температуры тела космонавтов находились в пределах физиологической нормы. Средние и максимальные значения ЧСС и ЧД не превышали показателей, которые отмечались в предполетных тренировках по графикам ручного управления спуском. По медицинским показателям выполнение эксперимента трудностей не вызывало.
Моделирование выхода космонавтов и типовые операции на поверхности Марса выполнялись теми же космонавтами в имитируемых условиях пониженной весомости на стенде «Выход-2», предназначенном для отработки задач внекорабельной деятельности.
Приближение условий работы космонавтов к планетным (марсианским) обеспечивалось следующим:
а) космонавт в скафандре типа «Орлан» «обезвешивался» до 0,38 g, с помощью специальной системы, что соответствовало марсианской гравитации (на данном стенде человека в скафандре можно «обезвешивать» и до лунной гравитации);
б) создавалась необходимая подвижность в скафандре за счет снижения избыточного давления в нем до 0,1...0,12 кг/см (при моделировании в подобных скафандрах орбитальной ВКД при полетах у Земли используется избыточное давление около 0,4 кг/см );
в) были выбраны типовые операции для напланетной деятельности космонавта;
г) обоснованно выбиралось время эксперимента - он проводился на 4-е сутки после приземления экипажей МКС, что можно сопоставить с моментом выхода космонавтов на поверхность планеты после посадки на Марс и их адаптации к гравитации 0,38 g.
Стенд «Выход-2» (рис. 2) оборудован силокомпенсирующей системой обезвешивания и системой автоматического регулирования, на вход которой подается сигнал с датчика усилия BQ, установленного в подвесе объекта обезвешивания [3].
Формирование необходимого усилия и его передача к объекту осуществляются с помощью электродвигателя постоянного тока М и передаточного устройства У, состоящего из барабана и редуктора. Реализуемые на стенде с помощью электропривода активные силовые воздействия, направленные на компенсацию статистических и динамических составляющих сил сопротивления движения при горизонтальных и вертикальных перемещениях космонавта в скафандре, позволяют достичь высокого качества моделирования. Стенд обеспечивает силу трогания 25.50 Н и ошибку воспроизведения ускорения 5.10 %.
В ходе эксперимента оценивались следующие операции: управление системами шлюзования; открытие-закрытие выходного люка; перемещение космонавта по типовым трассам перехода (с контейнером и без него); подъем и спуск по трапу; работа с инструментом; фиксация с
помощью лееров и карабинов; выполнение стыковки электроразъемов, установка и снятие антенн.
Общее время на проведение эксперимента без учета вспомогательных операций составило:
- для О.В. Новицкого - 37 мин 49 с;
- для Е.И. Тарелкина - 38 мин 11 с;
- для Р.Ю. Романенко - 23 мин 54 с.
При нахождении операторов в скафандрах типа «Орлан» осуществлялись постоянный врачебный контроль, мониторинг и регистрация следующих физиологических показателей:
- данные электрокардиограммы в отведении Б-Б;
- данные пневмограммы;
- температура тела заушная.
Осуществлялось взаимодействие космонавта с инструктором экипажа с выдачей ему рекомендаций по режиму двигательной активности и циклограмме деятельности.
Все перемещения по площадке оценивались как близкие к трудоемким операциям. Максимальные значения ЧСС и ЧД наблюдались при ходьбе по ступеням, а также при подъеме по трапу. В процессе проведения эксперимента отмечалась тенденция к нарастанию ЧСС и ЧД с увеличением длительности нахождения оператора в скафандре, а также увеличение времени восстановления физиологических параметров. Температура тела во время эксперимента оставалась в пределах нормы, однако наблюдалась
Рис. 2. Кинематическая схема стенда «Выход-2»
тенденция к ее небольшому повышению к концу циклограммы.
До настоящего времени экспериментальные исследования с участием космонавтов по оценке возможности выполнения сложной операторской деятельности (ключевых полетных операций) непосредственно после выполнения длительных космических полетов не проводились ни в интересах МКС, ни в интересах полетов в дальний космос. В данной работе впервые получены результаты, которые могут быть использованы как для повышения безопасности полетов экипажей МКС, так и для подготовки к будущим полетам на Марс.
В интересах МКС впервые получено предварительное экспериментальное подтверждение тому, что после длительного полета в условиях, близких к штатным, космонавты способны выполнить режим РУС на корабле типа «Союз», также показана возможность выполнения операторской деятельности космонавтами на поверхности планеты после осуществления длительного космического полета. Существующие технические средства уже сейчас позволяют моделировать некоторые условия деятельности экипажа при полетах к Луне и Марсу. В целом необходима дальнейшая проработка вопросов о создании и модернизации ТСПК, необходимых для подготовки космонавтов к выполнению межпланетных полетов.
В данной статье авторы пытались кратко представить идею и результаты проведения первых экспериментов с участием экипажей МКС в интересах осуществления полетов в дальний космос. Подобные подходы возможны и при исследовании деятельности экипажей, например, на лунных базах, при посадке на астероиды, при работе в точках Лагранжа и др. В настоящее время в НИИ ЦПК разрабатывается целая программа научных исследований с участием отряда космонавтов Роскосмоса, включающая различные дополетные и послеполетные эксперименты. В ходе них будут исследоваться операторские, физиологические, психологические и др. качества космонавтов при выполнении различных видов деятельности в космосе, в т.ч. с использованием самых разнообразных технических средств, например, роботов-манипуляторов, роботов-андроидов, транспортных на-планетных средств, средств ВКД и др.
Список литературы
1. Пилотируемая экспедиция на Марс / под ред. акад. РАН А.С. Ко-ротеева. М.: Рос. акад. косм. им. К.Э. Циолковского, 2006. С.318.
2. Человек в космическом полете. Сер. Космическая биология и медицина. Т. 3. Кн. 1 / под ред. О.А. Газенко, А.И. Григорьева, А.Е. Никого-сяна, С.Р. Молера. М.: Наука, 1997.
3. Барыльник Д.В., Пятибратов Г.Я., Кравченко О.А. Силокомпенсирующие системы с электроприводами переменного тока тренажерных комплексов подготовки космонавтов // Изв. вузов. Электромеханика. 2012.
Крикалев Сергей Константинович, летчик-космонавт СССР, Герой Советского Союза, Герой Российской Федерации, канд. психол. наук, начальник центра, in-fo@ectc.ru. Россия, Звездный городок, ФГБУ «НИИЦПК им. Ю.А. Гагарина»,
Крючков Борис Иванович, д-р техн. наук, зам. начальника центра по научной работе, info@ectc.ru, Россия, Звездный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина»,
Курицын Андрей Анатольевич, д-р техн. наук, доц., нач. отдела, info@ectc.ru, Россия, Звездный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина»,
Харламов Максим Михайлович, зам. начальника центра, info@ectc.ru, Россия, Звездный городок, ФГБУ «НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина»
EXPERIMENTS CARRIED OUT BY THE ISS’s CREWS IN THE INTERESTS OF PERFORMING AN EXPLORATION MISSION TO MARS
S.K. Krikalev, B.I. Kryuchkov, A.A. Kuritsyn, M.M. Kharlamov
It is shown, that one of its core components the State Program “Space activity of Russia for 2013-2020 ” is the statement on the use of the ISS to develop technologies of exploration missions to planets and cosmic bodies across the solar system. The purpose of unusual experiments that are conducted at Gagarin R&T CTC directly after long-duration spaceflight is to investigate man’s performance capabilities, ways to ensure the high level of performance and efficient activity of a man in deep space.
Key words: experimental studies, International Space Station, a cosmonaut, mission to Mars, manned spaceflight.
Кгikalev Sergey Konstantinovich, pilot-cosmonaut of the USSR, Hero of the Soviet Union, Hero of the Russian Federation, PhD (psychological sciences), head of the center, in-fo@gctc.ru, Russia, Star City, State Organization, “Gagarin Research&Test Cosmonaut Training Centre”,
Kryuchkov Boris Ivanovich, doctor of technical sciences, senior researcher, deputy head (for scientific work), info@gctc.ru, Russia, Star City, State Organization “Gagarin Research&Test Cosmonaut Training Center”,
Kuritsyn Аndrey Anatolyevich, doctor of technical sciences, associate professor, division head, info@gctc.ru, Russia, Star City, State Organization “Gagarin Research&Test Cosmonaut Training Center”,
Kharlamov Маksim Mikhaylovich, deputy head of the center, info@gctc.ru, Russia, Star City, State Organization “Gagarin Research&Test Cosmonaut Training Center”
