CC BY
2
УДК 629.78 ГРНТИ 55.49
DOI: 10.47501/ITNOU.202U.50-54
В.А. Акулов1, В.Н. Киршанов2
Самарский университет 2 НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина
2
ПАТТЕРН ТРЕНАЖЁРА ДЛЯ ЭКИПАЖЕЙ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ЭКСПЕДИЦИЙ
Изложены предложения по параметрической модернизации всемирно известной центрифуги ЦФ-18 (ФГБУ «НИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина») с целью создания на её платформе прототипа тренажёра для подготовки космонавтов (экипажей) межпланетных экспедиций и научных исследований по проблемам дальнего космоса. Ключевые слова: дальний космос, моделирование, центрифуга, гипогравитация Луны и Марса
PATTERN SIMULATOR FOR INTERPLANETARY CREWS EXPEDITIONS Proposals for the parametric modernization of the world famous centrifuge CF-18 (State Organization "Gagarin Research & Test Cosmonaut Training Center ") are presented in order to create on its platform a prototype simulator for training cosmonauts (crews) of interplanetary expeditions and scientific research on deep space problems. Key words: deep space, modeling, centrifuge, hypogravity of the Moon and Mars
Введение. Составной частью профессиональной подготовки космонавтов являются занятия на тренажёрах, имитирующих реальные условия полёта. В частности, на центрифугах моделируются перегрузки, возникающие при старте космических аппаратов и их возвращении на Землю, включая нештатные (аварийные) ситуации [1, с 38], [2 - 3], [4, с 205]. На рис. 1 в качестве типового примера представлена фотография всемирно известной центрифуги ЦФ-18, установленной в Центре подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина, которая далее выбрана в качестве объекта исследований.
«Подготовка к невесомости» (терминология космонавтов) осуществляется на ор-тостатических столах, вращающихся креслах, в специализированных водных бассейнах («иммерсия» и «гидроневесомость» как средство получения навыков для осуществления внекорабельной деятельности), самолетах-лабораториях, тросовых системах «обез-вешивания» [5, с. 11].
У.А. Akulov1, V.N. Kirshanov2
Samara University 2Gagarin Research &Test Cosmonaut Training Center
Рис. 1 Общий вид центрифуги ЦФ-18
В настоящее время особую актуальность приобретает проблема создания нового поколения тренажёров, обеспечивающих подготовку экипажей межпланетных экспедиций (освоение дальнего космоса) [1, с. 37], [4, с. 206], [5, с. 10]. В результате перехода от орбитальных полётов к межпланетным космонавт попадает в специфическую внешнюю среду, которая либо полностью отсутствует на Земле и на Международной космической станции (МКС), либо существенно от неё отличается. Именно такой внешней средой, которую необходимо воспроизвести на Земле для подготовки экипажей, является гипогравитация Луны и Марса.
Как известно, ускорение свободного падения на Луне существенно меньше земного (1,62 м/с2 против 9,81 м/с2), что сближает гипогравитацию с невесомостью по своему воздействию на человека, а оно - крайне отрицательно. Известный учёный-космонавт В.В. Лебедев следующим образом характеризует самочувствии в первые дни пребывания в невесомости. «...болит левая часть лба, надавишь на мозжечок - полегче. Настроение неплохое, но, если всё время жить с такой головной болью - измотает. Самочувствие в течение дня волнами: утром немного мутит, после завтрака полегче» [6, с. 394].
С точки зрения решения проблем освоения дальнего космоса особо значим ещё один побочный эффект от невесомости - потеря работоспособности и ортостатической устойчивости, что обусловлено расстройством опорно-двигательного и вестибулярного аппаратов. Указанный патологический эффект наиболее наглядно проявляется после возвращения космонавтов на Землю, т. е. в результате изменения внешней среды по схеме «невесомость - гравитация». Космонавты не в силах самостоятельно покинуть спускаемый аппарат и просто передвигаться (см., например, видео хронику). Впервые это явление было обнаружено в 1970 году после 18-суточного полёта А.Г. Николаева и В.И. Севастьянова (ТПК «Союз 9»).
Космонавт В.В. Лебедев следующим образом характеризует самочувствие в первые дни после приземления. «Лежишь на спине - тело прижимает к постели непонятной, неведомой силой, как будто во время нашего отсутствия увеличилась гравитация на Земле. А когда захотел лечь на бок, то это оказалось не так-то просто сделать. Ты, как грудной ребёнок сучишь руками и ногами в поисках опоры, совершая при этом нелепые движения». «Когда я впервые встал, то ощущение было, будто кто-то сидит на плечах, а ноги уходят в землю». «Ходить трудно, всё время бросает в сторону, если бы не держали, падал бы на каждом шагу» [6, с. 394, 395].
Совершенно очевидно, что подобное состояние космонавтов на поверхности планет недопустимо. Наиболее сложная ситуация ожидается для марсианской экспедиции, которая перед посадкой будет находится 250 дней в состоянии невесомости (полёт в прямом направлении). Следовательно, все негативные процессы, зарегистрированные на МКС и после возвращения экипажей на Землю, проявятся в полной мере.
Обобщая изложенное заключаем, что несмотря на интенсивную и разностороннюю подготовку к полётам, регулярным физическим упражнениям на МКС, водно-солевой диете, специальному снаряжению и другим мерам, окончательное решение проблемы противодействия невесомости ещё не найдено. Учитывая опыт пилотируемой космонавтики и значительные отличия в напряжённости гравитационных полей Земли и планет, особую актуальность приобретает проблема создания нового поколения тренажёров, имитирующих векторы гипогравитации Луны и Марса как по величине, так и по направлению воздействия, причём длительное время.
Вторым важным фактором, подлежащим моделированию наряду с гипогравита-цией, является атмосфера скафандров (РФ, США, Китай). Если на МКС пребывание в
скафандре эпизодическое, со значительными временными паузами (дни, недели), а перемещения осуществляются на короткие дистанции, причём с помощью рук или манипулятора (американский сегмент), то на поверхности планет ситуация существенно изменяется и усложняется. Прежде всего, необходимо ежедневное многочасовое пребывание в скафандре, атмосфера которого отличается от земной как по составу, так и по давлению. Кроме того, несмотря на пониженную работоспособность, вызванную гипо-гравитацией, необходимо приложение значительных физических усилий, что обусловлено переходами на значительные расстояния, преодолением сопротивления скафандра и выполнением научных исследований. Таким образом, освоение дальнего космоса требует существенной корректировки процессов подготовки экипажей с применением нового поколения тренажёров, имитирующих условия дальнего космоса.
Возможны два подхода к решению проблемы, отличающиеся, прежде всего материальными и временными затратами. Первый из них состоит в проектировании совершенно нового устройства с последующим его изготовлением, монтажом, отладкой и освоением специалистами-эксплуатационниками. Второй - модернизация существующих тренажёров без капитальных затрат за счёт имеющихся резервов, но с обязательным достижением необходимой эффективности. Далее излагается второй подход, который разработан специалистами Самарского университета и ЦПК имени Ю. А. Гагарина применительно к центрифуге ЦФ-18.
Цель исследований. Оценка технического и технологического потенциала длин-норадиусной центрифуги ЦФ-18 как прототипа тренажёра для экипажей межпланетных экспедиций и технического средства космической медицины.
Материалы и методы исследований. Для решения поставленных задач был выполнен инженерно-технический анализ конструкции центрифуги ЦФ-18, её системы управления, технологии применения управляемой искусственной силы тяжести при тренировках космонавтов с оценкой достаточности резервов для моделирования гипограви-тации Луны, Марса и газового состава скафандров произвольного изготовителя. Основные технические характеристики, необходимые для анализа, приведены в таблице 1.
Таблица 1. Технические характеристики центрифуги ЦФ-18 (фрагмент)
Радиус вращения, м Диапазон перегрузок, g Кол-во степ. свободы Кол-во мест Информационная система Управление атмосферой кабины
1 2 3 4 5 6
18 0 - 12 4 2 + +
Важно отметить, что ЦФ-18 представляет собой уникальную и весьма совершенную центробежную машину. Во-первых, она принадлежит к классу длиннорадиусных центрифуг. Её радиус вращения составляет 18 м (таблица 1, позиция 1), что придаёт ей ряд преимуществ по сравнению с центрифугами среднего и короткого радиуса (ЦСР и ЦКР) [4, с. 11], [7, с 115]. Во-вторых, система управления обеспечивает режим имитации гипогравитации Луны и Марса. Располагаемый диапазон перегрузок составляет 0 -12 единиц (таблица 1, позиция 2) при потребном, не превышающим 0,5 единиц. В-третьих, кабина обладает четырьмя степенями свободы (таблица 1, позиция 3): переносное вращение консоли с кабиной и собственное вращение кабины в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях. Благодаря этому осуществляется практически любая пространственная ориентация вектора искусственной силы тяжести. Для имитации ги-погравитации Луны и Марса достаточно развернуть кабину на 180 град в горизонталь-
ной плоскости (одна из степеней свободы) относительно исходного положения. В-четвёртых, кабина оснащена системой управления атмосферой, обеспечивающей широкий диапазон вариации газового состава и давления, что важно для тренировок космонавтов и выполнения медицинских исследований. В-пятых, двухместная конструкция кабины со смежным расположением рабочих мест космонавтов (рис. 2, таблица 1, позиция 4) существенно расширяет функции ЦФ-18. Предлагаются два варианта комплектования экипажей тренажёра: «космонавт + космонавт», «космонавт + врач». В первом варианте ускоряется процесс подготовки космонавтов и снижаются эксплуатационные расходы. Во втором - непосредственный контакт врача с испытуемым и наличие информационной системы (таблица 1, позиция 5) создают уникальные условия для исследования скрытых механизмов жизнедеятельности человека при имитации лунных и марсианских условий. В-шестых, предусмотрено исследование пульсовой волны в периферической системе кровообращения новой аппаратурой, построенной на основе теории распределённых четырёхполюсников, известной в гидромеханике.
л
V
Рис. 2. Общий вид двухместной кабины со стороны входа. Люки открыты.
Новизна предлагаемых решений
Разработан экономически и социально оправданный подход к созданию нового поколения тренажёров, ориентированных на задачи освоения дальнего космоса. Его основу составляет выявление и последующее применение технических и технологических резервов существующих тренажёров (параметрическая модернизация).
В качестве объекта модернизации выбрана известная длиннорадиусная центрифуга ЦФ-18. Показано, что резервов и средств параметрической модернизации достаточно для преобразования ЦФ-18 в уникальный тренажёр, создающий локальную среду, имитирующую гипогравитацию Луны, Марса и газовый состав скафандров произвольного изготовителя.
Основу параметрической модернизации составляет следующий комплекс процедур: коррекция режимов вращения; изменение пространственной ориентации кабины; управление её газовым составом; два варианта комплектования экипажей тренажёра: «космонавт + космонавт», «космонавт + врач»; расширенный вариант информационно-аналитической системы, построенный на принципах распределённого четырёхполюсника.
Заключение
Установлено, что технический и технологический потенциал центрифуги ЦФ-18 достаточен для создания прототипа тренажёра нового поколения, предназначенного для решения актуальных задач освоения дальнего космоса и не имеющего ближайших аналогов. Для этого достаточно выполнить параметрическую модернизацию.
Литература
1. Котовская А.Р., Виль - Вильямс И. Ф., Лукьянюк В. Ю. Проблема создания искусственной силы тяжести с помощью центрифуги короткого радиуса для медицинского обеспечения межпланетных пилотируемых полетов // Авиакосмическая и экологическая медицина. - М:, 2003. Т. 37. № 5. С. 36-39.
2. Падалка Г.И., Долгов П.П., Киршанов В.Н. Задачи подготовки космонавтов на центрифугах по перспективным космическим программам // Материалы «Космического форума 2011, посвященного 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина». - ФГБУ ниицпк, 18-19 октября 2011.
3. Долгов П.П., Киршанов В.Н., Чудинов А.П. Основные направления работ на центрифугах и их целевого применения // Материалы XI Международной научно-практической конференции «Пилотируемые полёты в космос», посвященной 55-летию ФГБУ НИИЦПК имени Ю. А. Гагарина, 10-12 ноября 2015. С. 267-268.
4. Долгов П.П., Киршанов В.Н., Гаврик И.Н. Направления исследований и задачи подготовки космонавтов на центрифугах в интересах перспективных космических программ // Материалы XII Международной научно-практической конференции «Пилотируемые полёты в космос» - ФГБУ НИИЦПК имени Ю.А. Гагарина, 13-15 ноября 2019. С.205-206.
5. Газенко О.Г., Григорьев А.И., Егоров А.Д. От 108 минут до 438 суток и далеек 40-летию полета Ю. А. Гагарина) // Авиакосмическая и экологическая медицина. -М:, 2001. Т. 35, №. С. 10-11.
6. Лебедев В.В. Моё измерение. Дневник космонавта // Наука. -М:, 1994. 429 с.
7. Акулов В.А. Анализ и синтез систем медицинского назначения с управляемой искусственной силой тяжести // Дисс. докт. наук, - Самара:, 2013. 252 с.
Сведения об авторах Владислав Алексеевич Акулов
Д. т. н., профессор Самарский университет Россия, Самара
Эл. почта: vladislav.a.akulov@gmail.com Владимир Николаевич Киршанов
начальник отдела центрифуг и динамических тренажеров
НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина Россия, Московская обл., Звездный городок Эл. почта: V.kirshanov@gctc.ru
Information about authors
Vladislav Alekseevich Akulov
Doctor of Technical Sciences, Professor Samara Universität Russia, Samara
E-mail: vladislav. a. akulov@gmail. com
Vladimir Nikolayevich Kirshanov
Head of the Department of Centrifuges and Dynamic
Simulators
Gagarin Research &Test Cosmonaut Training Center Russia, Moscow region, Star City E-mail: V.kirshanov@gctc.ru
