CC BY
38УДК 629.786.2.004.3-182.3:612+629.78.047.8
ПЯТИДЕСЯТИЛЕТИЕ ВНЕКОРАБЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
© 2015 г. Цыганков О.С.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
Статья посвящена 50-летию первого выхода человека в открытое космическое пространство, который был осуществлен Алексеем Леоновым 18 марта 1965 г. из космического корабля «Вос-ход-2». Рассматриваются сущностные научно-технические и гуманитарно-философские аспекты феномена внекорабельной деятельности. В кратком изложении представлены структура и функции, направления научной, конструкторской и экспериментальной поддержки внекорабельной деятельности, современное состояние защитного снаряжения — скафандра, средств фиксации в невесомости и адаптированных инструментов. Освещена роль и функции Ракетно-космической корпорации «Энергия» имени С.П. Королёва в становлении и развитии средств и методов обеспечения производительного труда экипажа за бортом орбитальной станции. Акцентируется внимание на индивидуальной деятельности человека в открытом космосе как субъекта-исполнителя космической деятельности человечества. Предпринята попытка наметить вектор оптимизации внекорабельной деятельности, направленный к концу XXI столетия.
Ключевые слова: внекорабельная деятельность, скафандр, защитное снаряжение, невесомость, средства фиксации, адаптированные инструменты, экспериментальная отработка, космонавт, субъект космической деятельности.
50 YEARS OF EXTRAVEHICULAR ACTIVITY Tsygankov O.S.
S.P. Korolev Rocket and Space Public Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin Street, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
The article is dedicated to the 50th anniversary of the first human egress into space, which was implemented by Alexey Leonov on March 18, 1965 from spacecraft Voskhod-2. Consideration is given to essential scientific and technical, humanitarian and philosophical aspects of the phenomenon of extravehicular activity. The paper summaries a structure and functions, areas of scientific, engineering and experimental support of the extravehicular activity, current state of protective equipment, i.e. spacesuit, restraint aids for weightlessness and adaptive tools. The role and functions of S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia in generation and development of measures and methods ensuring a productive work for the crew outside the orbital station are highlighted. An individual human activity in outer space executed as a mankind space activity is emphasized. An attempt is made to identify an optimization vector of extravehicular activity directed to the end of the twenty-first century.
Key words: extravehicular activity, spacesuit, protective equipment, weightlessness, restraint aids, adaptive tools, development tests, cosmonaut, subject of space activity.
ЦЫГАНКОВ Олег Семенович — доктор технических наук, главный научный сотрудник РКК «Энергия», e-mail: oleg.tsygankov@rsce.ru TSYGANKOV Oleg Semyonovich — Doctor of Science (Engineering), Chief Research Scientist at RSC Energia, e-mail: oleg.tsygankov@rsce.ru
Обоснование и сущность внекорабельной деятельности
С начала XXI века исследование объектов Солнечной системы в интересах их вовлечения в научный и хозяйственный оборот Земли декларируется научным сообществом как преобладающий тренд развития космической деятельности. Стремление человечества быть вписанным в структуру Вселенной, несомненно, не могло обойтись без осуществления выхода Homo sapiens в открытое космическое пространство. В научно-технической и гуманитарно-философской литературе этой проблеме всегда сопутствовал вопрос о целесообразности и необходимости деятельности индивида непосредственно вне корабля или станции.
Организм человека, как и всех живых земных существ, формировался и развивался в гравитационных, температурных и атмосферных условиях планеты Земля. И вот человек попадает в ситуацию, остроконфликтную по отношению к условиям его зарождения и существования. Нужно ли человеку стремиться в открытый космос? Подводит ли к этому логика освоения космоса, логика развития человеческой цивилизации?
Еще в 1896 г. К.Э. Циолковский, с присущей ему мощью ума и интуиции, в работе «Вне Земли» предугадал и описал выход из «ракеты» и работу в открытом космическом пространстве со всеми атрибутами: скафандрами, шлюзовой камерой, привязями, инструментами и т. п. [1].
Дальновидный и прогностический ответ на вопрос о необходимости деятельности в открытом космосе был дан академиком С.П. Королёвым в марте 1965 г. в беседе с корреспондентами, посвященной полету космического корабля «Восход-2»: «...летая в космосе, нельзя не выходить в космос, как, плавая, скажем в океане, нельзя бояться упасть за борт и не учиться плавать. Это связано с целым рядом операций, которые могут потребоваться при встрече кораблей, при необходимости проведения специальных наблюдений в космосе. Ну и, наконец, в тех случаях, когда нужно будет что-либо поправить на корабле. Мы, например, думаем всерьез над тем, что космонавт, вышедший в космос, должен уметь выполнить все необходимые ремонтно-производственные работы вплоть до того, что произвести нужную там сварку и т. д. Это не фантастика, это необходимость. Чем больше люди будут летать в космосе, тем больше эта необходимость будет проявляться» [2].
И предвидение К.Э. Циолковского, и научный прогноз С.П. Королёва осуществляются в наше время.
Пионерский эксперимент в открытом космосе был выполнен 18 марта 1965 г., когда космонавт
А. Леонов впервые в мире вышел из шлюза и пробыл вне корабля 23 мин, из них 12 мин в свободном плавании. Это был очередной значительный шаг в освоении космического пространства. Было показано, что человек может жить и активно действовать в открытом космосе. Применительно к внекорабельной деятельности (ВКД) сделан вывод о необходимости оснащения космических кораблей (КК) средствами перемещения и фиксации в условиях невесомости. Это было учтено при подготовке перехода через открытый космос из КК «Союз-5» в КК «Союз-4» в январе 1969 г. уже двух космонавтов, что способствовало появлению опыта для постановки и решения новых, более объемных задач.
Дальнейшая производительная деятельность космонавтов нашей страны в открытом космическом пространстве осуществлена на орбитальных станциях (ОС) «Салют-6», «Са-лют-7», орбитальном комплексе (ОК) «Мир», Международной космической станции (МКС).
К началу полета ОС «Салют-6» была сформирована рабочая концепция подготовки ВКД, продуктивность которой была подтверждена миссиями на этой станции (1977-1982 гг.). Работы, выполненные на ОС «Салют-7» (19821986 гг.), стали следующими шагами в развитии и утверждении теории и практики ВКД. Можно уверенно констатировать, что к началу эксплуатации ОК «Мир» (1986 г.) методы реализации и уровня эффективности ВКД, применительно к существующему защитному снаряжению, давали гарантированно положительные результаты. Работы, выполненные в процессе ВКД на О К «Мир», стали новым этапом в развитии этой концепции, а также — отечественной и мировой теории и практики ВКД. С началом сотрудничества по программам «Мир-Shuttle» и «Мир -NASA» стали очевидными существование, особенности и преимущества отечественной школы ВКД, сформировавшейся на базе теоретических разработок и практического опыта. Этот бесценный опыт умножается и накапливается в настоящее время при эксплуатации МКС, а также заимствуется зарубежными коллегами из NASA, ESA, JAXA.
Совершенно очевидно, что многомодульные космические станции не могут быть изготовлены полностью на Земле и выведены на орбиты в проектной конфигурации. Концепция их создания состоит в том, что продолжение и завершение их производства из заводских цехов и монтажно-испытательных корпусов выносится на монтажные орбиты и реализуется в процессе ВКД.
Длительное и надежное функционирование ОС достигается путем проведения операций техобслуживания и ремонта, в т. ч. и на внешней поверхности в процессе ВКД. Таким
же образом осуществлялись работы по интеграции новых модулей в ОС, дооснащению и даже модернизации и реконструкции ОС, расширению их научного потенциала в течение длительного срока эксплуатации.
Термином «ВКД» обозначается все более расширяющаяся сфера деятельности человека в открытом космическом пространстве: работы, выполняемые космонавтами на наружной поверхности космических объектов, в негерметичных отсеках, а в будущем — на поверхности иных планет и их спутников. ВКД определяется как реализация функциональных возможностей космонавта в скафандре за бортом космического объекта в рамках технологического процесса, включая его цели, средства и результаты.
Операционное управление подготовкой экипажа и станции к ВКД, шлюзованием и действием космонавтов за бортом ОС осуществляет в ЦУП главная оперативная группа управления (ГОГУ), в которую входят специалисты-представители разных предприятий. Продолжительность ВКД определяется как время от открытия до закрытия крышки люка шлюзового отсека.
Выход членов экипажа из обитаемых герметичных отсеков является одним из сложных, напряженных, связанных с повышенным риском участков полета как для космонавтов, так и для специалистов наземных служб, которые создавали и отрабатывали технику, готовили экипаж, обеспечивали управление станцией на этом участке. Обусловлено это экстремальными условиями среды, в которой разворачивается ВКД, и совокупностью специфических особенностей, присущих ВКД, а именно:
• использованием защитного снаряжения — скафандра, обеспечивающего жизнедеятельность, но изменяющего функциональные возможности человека (подвижность, силовые характеристики, тактильную чувствительность, поле зрения и др.);
• безопорным состоянием и изменением биомеханики человека;
• необходимостью фиксации космонавта и всей предметной среды;
• изменением поведения веществ и конструкционных материалов;
• особыми закономерностями протекания технологических процессов.
Движущими силами развития и совершенствования ВКД являлись как успешные технические и медицинские исследования и разработки, так и те проблемы и ситуации, которые ставила жизнь в процессе эксплуатации ОС (рис. 1).
Поскольку сроки функционирования космических станций могут исчисляться уже не единицами, а десятками лет, есть основания полагать, что нарастающая стоимость эксплуатации может превышать стоимость их разработки и изготовления. Такие объекты не могут существовать без четко организованной, технически и технологически обеспеченной высокоэффективной системы ВКД. В этих обстоятельствах проблема продуктивности реализуемых технологий ВКД приобрела первостепенное значение. Кроме того, несомненно уже начинает складываться международный рынок услуг, реализуемых в открытом космическом пространстве на коммерческой основе.
Техническим обоснованием осуществления ВКД является необходимость достижения следующих целей:
1. Проведение завершающих сборочно-монтажных работ при сооружении крупногабаритных и многомодульных объектов, межмодульные соединения и коммуникации которых могут быть выполнены космонавтами только в процессе ВКД.
2. Расширение научно-технических возможностей ОК, дооснащение, реконструкция, модернизация, реконфигурация в течение многолетнего полета посредством работ, выполнимых только в процессе ВКД.
3. Обеспечение длительного и надежного функционирования ОС путем проведения технического обслуживания и ремонта оборудования на внешней поверхности станции, что может быть выполнено космонавтами только в процессе ВКД.
4. Парирование нештатных ситуаций и ликвидация их последствий, аварийно-спасательные и восстановительные работы, утилизация объектов, выполнимые только в процессе ВКД.
Рис. 1. Структура внекорабельной деятельности
Параллельно с научно-техническими ставятся и достигаются народно-хозяйственные (экономическая эффективность), социальные (безопасность жизни и здоровья экипажа) и общественно-политические (престиж страны) цели.
Организация внекорабельной деятельности
Первый полет человека в космос, осуществление программы «Восток» (1961-63 гг.), полет пилотируемого КК «Восход-2» актуализировали образование в ОКБ-1 летно-испытательного отдела (1964 г.), руководителем которого стал легендарный летчик-испытатель СССР, Герой Советского Союза С.Н. Анохин. В задачи отдела входили испытания техники и отработка действий космонавтов в условиях, приближенных к реальным. Первый выход человека в открытый космос подтвердил необходимость развития области космонавтики по обеспечению ВКД. В полной мере эта необходимость проявилась в конце 1960-х гг. при подготовке пилотируемого космического корабля «Союз», лунной программы, а затем и ОС. Тогда в ЦКБЭМ по инициативе и обоснованию ведущего инженера, а впоследствии космонавта, В.В. Аксенова, это направление обрело свой организационный статус, а именно: 23 февраля 1970 г. был подписан приказ об образовании в структуре летно-испытательного отдела специализированной лаборатории, основной задачей которой стала отработка методики ВКД на самолетах в условиях моделированной микровесомости, а затем и лунной тяжести.
Новизна и сложность комплекса научно-технических проблем по обеспечению возможности человеку жить и продуктивно работать в условиях открытого космоса очевидна. Последовательное и корректное решение этой задачи потребовало постановки ее как общегосударственной, привлечения научного и инженерного потенциала, осуществления организационных мероприятий в масштабе страны. ВКД была реализована совокупностью организаций и предприятий, определенных постановлениями Правительства, и работающих под эгидой Совета главных конструкторов, а именно: Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва; Научно-производственное предприятие «Звезда» (скафандростроение); Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева (конструкция); Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем РАН; РНИИ Центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина (ЦПК) с привлечением большого круга организаций и предприятий различных отраслей промышленности и учреждений Российской академии наук.
Интегрирующие и координационные функции по всестороннему обеспечению ВКД — от проектной постановки задач до реализации в полете — осуществляет РКК «Энергия». Расширение спектра и объема эксплуатационных задач обусловили преобразование лаборатории, при поддержке космонавтов В.В. Рюмина и А.П. Александрова, в специализированный экспериментально-испытательный отдел, в функции которого входили:
• координация взаимодействия организаций-участников кооперации по обеспечению ВКД;
• организация разработки и изготовления экспериментальных установок для наземной отработки ВКД;
• эргономическое проектирование, технологическое и методическое обеспечение ВКД;
• создание инструментов, средств фиксации и приспособлений для ВКД;
• наземная экспериментальная отработка и испытания технических средств, технологии и методики ВКД в условиях моделированной микровесомости;
• разработка и верификация бортовых инструкций экипажу;
• техническое и методическое обеспечение тренировок космонавтов;
• информационное обеспечение экипажа;
• сопровождение и поддержка в ЦУП в процессе подготовки и реализации ВКД.
Коллектив отдела ответственно и инициативно выполняет свои обязанности и реализует возможности в процессе эксплуатации МКС. В разное время подразделением руководили: летчик-космонавт, к.т.н. В.В. Аксенов, д.т.н. О.С. Цыганков, летчик-космонавт А.Ф. Поле-щук. В отделе работали будущие космонавты: Г.М. Стрекалов, Ю.В. Усачев, А.И. Лазуткин, К.М. Козеев, М.Б. Корниенко, О.Г. Артемьев. В настоящее время в отряде космонавтов проходят подготовку бывшие сотрудники отдела Н.В. Тихонов и А.Н. Бабкин.
Есть концептуальное обстоятельство, которое способствует особо продуктивной и успешной работе отдела: инженеры и руководители отдела, наряду с исполнением должностных обязанностей, в качестве испытателей принимают физическое участие в экспериментах и испытаниях в условиях моделированной микровесомости в самолете-лаборатории и в гидросреде, для чего дополнительно проходят медицинское освидетельствование, парашютную и водолазную подготовку, владеют техникой и методикой работы в скафандре, накапливая значительный опыт. Все это возможно при личной хорошей переносимости специалистами физических условий испытаний.
пятидесятилетие внекорабельной деятельности
Отдел входит в структуру Летно-косми-ческого центра, руководители которого — А.П. Александров, А.С. Иванченков, А.Ю. Кале-ри, П.В. Виноградов — сами являются опытными космонавтами, выполнявшими работы за бортом ОС. Естественный вклад в успехи ВКД принадлежит руководителям полета — космонавтам А.С. Елисееву, В.В. Рюмину, В.А. Соловьеву, которые также работали в открытом космосе. ВКД, как особый вид полетных операций, всегда находилась под пристальным вниманием руководства РКК «Энергия» и Совета главных конструкторов. Результаты ВКД в целом являются продуктом коллективной деятельности подразделений и специалистов РКК «Энергия» по различным направлениям космической техники.
В результате проведенных мероприятий в стране была сформирована организационная структура обеспечения деятельности в открытом космическом пространстве.
Научно-исследовательская и конструкторско-экспериментальная основа внекорабельной деятельности
Тенденция к нарастанию сложности, увеличению габаритных размеров и сроков активного существования обитаемых космических объектов устойчиво сохраняется в мировой космонавтике. Так же устойчиво сохраняется необходимость в расширении возможностей ВКД. Отсутствие опережающих, целенаправленных, проблемно-ориентированных исследований, объективной и всесторонней информации о специфике ВКД являлось бы
серьезным препятствием для осуществления отечественных космических программ. Поэтому научно-техническое обеспечение работ в условиях открытого космического пространства стало одной из насущных и актуальных исследовательских и инженерных задач на этапе создания и эксплуатации ОС.
Сложность и уникальность ВКД обусловили необходимость ее репрезентации в виде целостной эргатической системы, одним из элементов которой является космонавт; проведения структурно-функционального анализа; применения комплексного подхода при эргономическом проектировании деятельности космонавтов и разработке технических средств ВКД; применения методов полунатурного физического и математического моделирования.
В связи с этим был выполнен обширный комплекс исследований и разработок, представленный на рис. 2.
Исследование функциональных возможностей человека, снаряженного в скафандр под избыточным давлением и находящегося в условиях невесомости. В режиме моделирования невесомости (в полетах самолета по параболической кривой) определены эргономические параметры рабочего места, степени и диапазоны подвижности частей скафандра, локомоторные и энергосиловые характеристики человека в скафандре, установлены оптимальные и досягаемые рабочие зоны, поля зрения, оценена возможность человека в скафандре выполнять рабочие движения, приемы, манипулировать предметами и их удерживать (рис. 3 и 4).
Рис. 2. Направление исследований и разработок в обеспечение внекорабельной деятельности (ВКД)
Примечание. ТОР — техническое обслуживание и ремонт; ШО — шлюзовой отсек; НА — научная аппаратура.
Рис. 3. Рабочие зоны испытателя в скафандре: 1 — максимальная зона; 2 — оптимальная зона
Рис. 4. Развиваемые усилия испытателем в скафандре. График тянущих и толкающих усилий: а — в горизонтальной плоскости; б — во фронтальной плоскости
Анализ конструкции орбитальной станции как объекта технического обслуживания, ремонта и сборочно-монтажных работ. На
основе статистической обработки данных о распределении отказов и неисправностей, имевших место как при наземных испытаниях, так и в космических полетах, в т. ч. и беспилотных аппаратов, определена номенклатура вероятных задач технического обслуживания и ремонта, технологических процессов и операций, что позволило провести их отработку и адаптацию применительно к условиям космического полета. В результате анализа установлено, что наиболее распространенным и характерным видом работ является выполнение сборочно-монтажных операций.
Создание специальных и специализированных космических инструментов и технологических приспособлений. Для реализации технологических процессов в космическом полете разработан набор инструментов, адаптированный к условиям среды, эксплуатационно-конструктивным особенностям скафандра и функциональным возможностям человека, снаряженного в скафандр (рис. 5) [3].
Рис. 5. Инструменты для внекорабельной деятельности
С учетом выявленных в исследованиях факторов были сформулированы технико-эргономические требования к инструментам и устройствам, которые изложены в отраслевых стандартах. Самым существенным и наиболее труднореализуемым определено требование об отсутствии или минимизации реактивного воздействия на руку космонавта.
Требование безреактивности наиболее существенно для инструментов с энергетическими приводами. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование динамики и кинематики безреактивного привода, разработана методика расчета и определения оптимальных параметров и характеристик (рис. 6). Разработаны приводы, которые снабжены комплектами разноцелевых насадок.
Рис. 6. Безреактивный привод: 1 — подшипник; 2 — планетарный механизм; 3 — пружина фрикционной полумуфты; 4 — наковальня; 5 — фрикционная полумуфта; 6 — боек; 7 — шарик; 8 — водило планетарного механизма; 9 — пружина ударного механизма; 10 — статор; 11 — корпус; 12 — ротор; 13 — подшипники; 14 — кулачок бойка; 15 — кулачок наковальни
Для производительного выполнения наиболее распространенных монтажно-демонтажных операций (замена блоков, дооснащение) разработана анкерная система крепления, отличительной особенностью которой является обеспечение оперативного жесткого механического соединения пары «винт-инструмент» (рис. 7).
Рис. 7. Анкерная система винт-инструмент: 1 — шарики; 2 — гильза; 3 — рукоятка фиксации; 4 — крестообразное лезвие; 5 — пружина; 6 — стержень
Это исключает образование стружки, снижает энергозатраты космонавта, повышает производительность труда космонавта при выполнении монтажа/демонтажа по сравнению с обычными крепежными элементами до 900%, а для работы одной рукой является единственно возможным способом [3]. Много лет в эксплуатации на борту ОС находится экологически безопасный капиллярный паяльник (рис. 8) [4]. Разрабатывается гидрорезак (рис. 9) с возможностью комбинирования с электроприводом.
Рис. 8. Экологически безопасный капиллярный паяльник:
1 — дозирующий элемент; 2 — сменный наконечник; 3 — стопорный винт; 4 — сменный нагревательный элемент; 5 — корпус; 6 — керамические трубчатые изоляторы; 7 — крепление корпуса к ручке; 8 — изолятор; 9 — ручка; 10 — сетевой шнур
Рис. 9. Гидрорезак
Бортовой набор содержит в себе инструменты для выполнения всего установленного спектра операций. Инструменты снабжены элементами фиксации от утери и для закрепления на скафандре. Концептуально космические инструменты компенсируют ограничения, которые накладывает на возможности космонавта применение скафандра.
Разработка методов и устройств фиксации в условиях невесомости. Один из наиболее специфичных факторов космического пространства — невесомость — оказывает существенное влияние на двигательную активность человека, лежащую в основе ручного труда. Обеспечение биомеханических условий эффективной работы путем исключения безопорного состояния достигается с помощью
средств фиксации. Для фиксации ботинок скафандра разработано устройство «Якорь», где используются элементы закрепления на ботинках и характерный для скафандра наддув. Устройство «Якорь» позволяет космонавту принять наклонную рабочую позу, благодаря чему размеры рабочей зоны увеличиваются до 300%. «Якорь» высвобождает космонавту обе руки для продуктивной работы (рис. 10) [5].
Рис. 10. Устройство фиксации «Якорь»
Разработан широкий спектр магнитных и магнито-механических фиксаторов с использованием магнитных материалов, содержащих редкоземельные элементы. Фиксаторы используются для закрепления блоков в диапазоне от научных приборов, телекамер до несущих ферм солнечных батарей и крупногабаритных грузов на грузовой стреле.
Решение проблемы фиксации предметной среды позволило обеспечить организацию, технологию и безопасность ВКД.
Разработка методики и вспомогательных средств для перехода космонавта по внешней поверхности станции и перемещения оборудования. Перемещение космонавта по поверхности ОС — неотъемлемая часть ВКД. На этапе, когда электропитание скафандров осуществлялось по кабелям из шлюзового отсека, конструктивными средствами была решена задача упорядоченного разворачивания/сворачивания кабеля-фала длиной 25 м и его фиксации по маршрутам перемещения.
С переводом скафандров на автономное электропитание мобильность космонавтов значительно увеличилась, но осложнилась задача обеспечения безопасности. Разработана методика безопасного перемещения космонавта по трассам поручней, которые проложены ко всем жизненно важным точкам на внешней поверхности станции, согласно которой к поручням должны быть постоянно присоединены карабинами два страховочных
фала скафандра. Принятая по результатам испытаний в условиях моделированной невесомости на самолете-лаборатории Ту-104 форма поперечного сечения поручня — квадрат со стороной 25 мм, оказалась пригодной и удобной для закрепления на поручнях в любой точке трассы научных приборов и образцов для экспонирования, что широко использовалось в течение всего срока эксплуатации ОК «Мир» и на Российском сегменте (РС) МКС.
Для переноса солнечных батарей непосредственно в полете ОК «Мир» с модуля «Кристалл» на модуль «Квант» первоначально рассматривался вопрос об использовании тросовой системы. Затем, по предложению специалистов ВКД, была разработана грузовая стрела в виде телескопической балки длиной 15 м и грузоподъемностью до 750 кг. Две такие стрелы были смонтированы и эксплуатировались на ОК «Мир» и две — на РС мКС. Однако более широко грузовые стрелы используются в другой функции — для перемещения экипажа в рабочие зоны комплекса.
Обеспечение жизнедеятельности ирабо-тоспособности человека в открытом космосе, систематическое совершенствование эксплуатационных характеристик защитного снаряжения — скафандров. На станциях «Салют-6», «Салют-7» и «Мир» впервые в мировой практике был применен скафандр полужесткого типа [6]. Его основная отличительная черта — жесткий алюминиевый корпус, выполненный заодно со шлемом, имеющий задний входной люк, крышкой которого служит ранец с системой жизнеобеспечения. Практика подтвердила бесспорные преимущества такого скафандра.
Базовой моделью являлся скафандр «Орлан» с избыточным давлением Риз = 394,4 гПа и парциальным давлением кислорода PO = 262,6 гПа, разработанный до 1969 г. для лу2нной программы. За время использования скафандров на станциях с 1977 г. по 1999 г. было разработано четыре модификации скафандра.
Модификация конструкции скафандра и его систем проводилась как в связи с расширением круга задач по ВКД, так и с учетом опыта эксплуатации, с целью повышения надежности, ресурса и эргономических характеристик: «Орлан-Д», «Орлан-ДМ» (1982 г.), «Орлан-ДМА» (1988 г.), «Орлан-М» (1997 г.). Во всех модификациях совершенствовались системы обеспечения жизнедеятельности, радиосвязи и радиотелеметрии (при постоянном увеличении числа контролируемых параметров). Обеспечивалось систематическое увеличение продолжительности работы в скафандре (с пяти до семи часов) и число выходов (с 6 до 12). «Орлан»
является скафандром орбитального базирования, что позволяет регулировать его составные части для космонавтов с различными антропологическими параметрами непосредственно в условиях полета.
Скафандр «Орлан» стал основным, естественно необходимым и достаточным инструментом осуществления ВКД.
Разработка математической модели эр -гатической системы «человек-скафандр -фиксация-инструмент-конструкция», теории и методики расчета и многоаспектного параметрического проектирования ВКД. Математическая модель системы ВКД описывает влияние уровня подготовки космонавта, типа инструмента и способа фиксации на изменчивость времени выполнения операции в большую или меньшую стороны (±) [7]. При этом установлена существенность влияния отдельного фактора на свойства системы, определено уравнение связи между факторами, а также степень влияния факторов и групп факторов на общую изменчивость времени выполнения операций:
• тип инструмента — 52%;
• режим фиксации — 32%;
• квалификация космонавта — 16%;
• инструмент + фиксация — 42%;
• инструмент + квалификация — 31%;
• фиксация + квалификация — 27%.
По результатам исследования сделан вывод о том, что создание и совершенствование космических инструментов является одним из основных путей обеспечения эффективности ВКД.
Разработка и совершенствование конструкции шлюзовых отсеков, систем и процедур шлюзования. Обеспечение безопасности экипажа при прямом и обратном шлюзовании — важнейшая функция систем и конструкции шлюзового отсека. Поэтому, наряду с резервированием отдельных структурных элементов в конструкции шлюзовых отсеков, в отечественных ОС было предусмотрено наличие дополнительного отсека, который может быть использован в качестве резервного шлюзового отсека в случае негерметичности первого при обратном шлюзовании. Такой подход гарантирует возвращение экипажа в станцию при любых отказах основного шлюзового отсека. Кроме того, это позволяет использовать объединенный объем двух отсеков при шлюзовании с крупногабаритным оборудованием. Этот же подход реализован на РС МКС.
Компоновка шлюзовых отсеков, детали интерьера, органы управления и люки выполнены в соответствии с технико-эргономическими требованиями применительно к
возможностям человека в скафандре под избыточным давлением, что было достигнуто предпроектным макетированием шлюзового отсека с участием испытателей, облаченных в скафандры.
Разработка стандартов. Разработаны следующие стандарты: ОСТ-В-92-8551-74 -«Элементы конструкции, расчетные нагрузки»; ОСТ 134-1003-95 — «Космические инструменты»; ОСТ 134-1004-95 — «Средства фиксации в невесомости».
Формирование требований к оборудованию и научной аппаратуре применительно к условиям, особенностям и задачам ВКД. Разработаны критерии эксплуатационной, монтажной и ремонтной технологичности, среди которых основными являются блоч-ность, доступность и легкосъемность оборудования, а также методика количественной аналитической и экспериментально-испытательной оценки подготовленности конструкции к технологическим воздействиям в процессе ВКД.
Разработка и реализация методов и средств моделирования, экспериментальной отработки, испытаний и тренировок космонавтов по задачам ВКД в наземных условиях. Наземная экспериментальная отработка, испытания, моделирование условий ВКД — факторы, определяющие успех операций ВКД. РКК «Энергия» располагала макетами модулей станций, изготовленными со степенью приближения, достаточной для решения плановых задач ВКД. При возникновении новых задач макеты оперативно до-оснащались оборудованием, размещаемым в функциональных зонах экипажа.
Для отработки применяется метод полунатурного физического моделирования, при котором система «человек-скафандр», конструкция отсеков и технические средства ВКД представлены в натуре, а невесомость моделируется при полете самолета по параболе, в условиях гидросреды или на стенде механического моделирования невесомости.
Стенд обезвешивания «Селен» РКК «Энергия» по существу является лабораторией и полигоном для активных опережающих поисковых работ, формирования технико-эргономических требований, предпроектного макетирования, оценки сопрягаемости оборудования со скафандром, испытаний оборудования, несовместимого с методами моделирования микровесомости в полете самолета и в гидросреде. В 2012-14 гг. осуществлена глубокая модернизация стенда «Селен», позволяющая имитировать условия 0,16^ и 0,38^ для лунных и марсианских программ (рис. 11).
б)
Рис. 11. Стенд «Селен: а — до реконструкции; б — после реконструкции
Условия невесомости на самолете-лаборатории наиболее близки к условиям реального космического полета и позволяют корректно отрабатывать операции внекорабельной деятельности. При полетах по параболе создается режим кратковременной невесомости продолжительностью до 30 с. Самолеты-лаборатории используются для испытаний космической техники, подготовки космонавтов, проведения технических и научных экспериментов. С 1967 до 1980 г. летающие лаборатории создавались на базе пассажирского самолета Ту-104А, а с 1980 г. — на базе серийных транспортных самолетов Ил-76.
Первые экспериментальные исследования возможности использования гидросреды для отработки деятельности и подготовки космонавтов были проведены в 1965 г. Для этой
цели был использован обычный плавательный бассейн. Начало работ по использованию скафандров в гидросреде было положено в 1966 г. В 1969 г. был опробован скафандр «Ястреб». В 1970 г. по техническому заданию РКК «Энергия» в НПП «Звезда» был изготовлен испытательный скафандр «Орлан». Впоследствии гидроаналог скафандра «Орлан» в различных модификациях стал основным инструментом для работ в гидроневесомости. В 1980 г. в ЦПК была введена в эксплуатацию специальная гидролаборатория.
Оборудование и операции, которые по своим физико-химическим особенностям наиболее подвержены влиянию вакуума, например, оборудование и аппаратура для электросварки и нанесения герметиков, отрабатываются испытателями в скафандрах в вакуумных камерах.
Тренировки экипажа согласно методике и объему, определенным на этапе экспериментальной отработки, успешно проводились на тех же технических средствах.
Адекватность разработанных методов отработки, испытаний и тренировок подтверждена продуктивностью и безопасностью ВКД в натурных условиях.
Разработка и реализация технологии управления системами и полетом ОС в процессе ВКД представляют собой задачу оптимального планирования с учетом большого количества ограничений и приоритетов. Главными критериями при этом являются [8]:
• безопасность экипажа;
• сохранение работоспособности станции;
• успешное решение целевой задачи ВКД.
В структуре ГО ГУ предусмотрена группа
обеспечения ВКД, включающая всех необходимых специалистов. Одним из определяющих факторов при планировании ВКД является количественный состав экипажа станции. Если на станции экипаж из двух человек, и эти два космонавта осуществляют выход в открытый космос, то создается ситуация беспилотного полета станции в течение нескольких часов. Разработана и апробирована методика изменения режимов работы бортовых систем на период ВКД с целью предотвращения нештатных ситуаций, выход из которых был бы невозможен при отсутствии космонавта в гер-моотсеках станции. Эта технология реализована на отечественных станциях, а опыт использован на МКС.
Отработка действий космонавтов на поверхности Луны — отдельное направление в развитии ВКД. В полетах на режимах 0,16^ были определены особенности пребывания в лунной тяжести: возможности перемещения, выполнение рабочих движений; отработаны
геологические инструменты и весь спектр задач, которые могли быть поставлены перед первой десантной экспедицией на Луну (1970 г.).
Реализация программы исследований, разработок и организационных мероприятий позволила создать в нашей стране научно-техническую базу обеспечения ВКД, успешно выполнить все задачи, которые были поставлены в проектах и программах или возникали в процессе полета.
Внекорабельная деятельность в действии
По целевым задачам выходы в открытый космос на отечественных ОС распределяются следующим образом:
• дооснащение и техническое обслуживание — 49%;
• работа с научной аппаратурой — 29%;
• парирование нештатных ситуаций и ремонт — 22%.
Ряд выполненных сборочно-монтажных работ, по их сложности и оригинальности решений, могут быть отнесены к уникальным в мировой космонавтике:
• работы по увеличению энергопотенциала станций — расширение эффективной площади солнечных батарей на станциях «Са-лют-7» и «Мир»;
• доставка на борт и установка устройства «грузовая стрела»;
• сборка и установка крупногабаритных ферменных конструкций; установка на ферме «Софора» (1992 г.) выносной двигательной установки;
• монтаж, раскрытие и отделение от станции «Мир» антенны «Рефлектор» (1999 г.);
• монтажи на РС МКС: кабельных трасс СМ-ФГБ (2000 г.), СМ-СО1 (2001 г.); грузовой стрелы (2001 г.); газозащитных устройств на двигателях ориентации (2001 г.); противоме-теоритных панелей (2002 г.); антенн, мишеней, научной аппаратуры;
• запуск микроспутника (в течение полета).
Наиболее значительные ремонтно-восста-
новительные работы, которые предотвратили прекращение полета станций и/или позволили продолжить полет в полном объеме их возможностей:
• инспекция стыковочного агрегата переходного отсека («Салют-6»); отсоединение зацепившейся антенны КРТ-10 и разблокирование стыковочного агрегата («Салют-6»);
• ремонт объединенной двигательной установки, сборка герметичных соединений («Салют-7»);
• обеспечение стыковки модуля «Квант» путем инспекции и очистки стыковочного агрегата («Мир»);
• ремонт телескопа ТТМ на модуле «Квант»;
• ремонт люка шлюзового отсека модуля «Квант-2» («Мир»);
• закрепление поврежденной СБ-2 на модуле «Спектр»;
• ликвидация препятствия для герметизации стыка ТГК-СМ из-за адгезии уплотнения на служебном модуле (МКС, 2001 г.);
• разделительная резка крепления антенны на ТГК, не отведенной механизмом в штатное положение при стыковке к служебному модулю (МКС, 2006 г.);
• предотвращение баллистического спуска путем разблокирования замка в соединении спускаемый аппарат - бытовой отсек корабля «Союз» в составе РС МКС (2008 г.).
Проведение научных экспериментов в сеансах ВКД, использование возможностей экипажа предоставляет широкое поле для естественнонаучных исследований. Такие неординарные результаты, как, например, управление расплавленным металлом и электронным лучом, искусственное северное сияние, открытие сверхновой в созвездии Лисички, плазменный кристалл, обнаружение микроорганизмов в жизнеспособном состоянии в открытом космосе (рис. 12) [9] и многие другие получены за счет возможностей и действий космонавтов в процессе ВКД. Здесь стоит отметить полноценное участие российских космонавтов в проведении экспериментов зарубежных исследователей, которые уже в постановке экспериментов планируют их помощь.
Рис. 12. Отбор проб в зоне иллюминатора для исследования космической пыли
ВКД стала неотъемлемой составляющей в практике эксплуатации ОС и позволила выйти на принципиально новые позиции по срокам активного существования и диапазону их научно-технического потенциала.
Тенденции развития и перспективы внекорабельной деятельности
Разработчики и испытатели оборудования и технологии ВКД, все те, кто отрабатывал и осуществлял на практике программы ВКД, осознавали определенную ответственность перед будущим. Ведь их трудом закладывались основы и выбирались векторы развития ВКД, которые могли определить ее уровень и состояние на годы вперед. Эффективные образцы оборудования и рациональные методические приемы ВКД, разработанные в 1970-80 гг., используются не один десяток лет.
Установившийся уровень эффективности ВКД, вполне удовлетворительный для минувших этапов развития космонавтики, включая строительство РС МКС, не является предельно достижимым и достаточным. Факторами, способствующими резкому повышению эффективности ВКД, могли бы стать следующие:
• качественный скачок в области скафан-дростроения, который приблизил бы функциональные возможности человека в скафандре к возможностям человека на Земле;
• прорыв в области космической робототехники, повышающий манипулятивные характеристики роботов-манипуляторов до уровня возможностей руки человека, и использование искусственного интеллекта;
• автоматизация технологических операций на внешней поверхности объектов.
По мнению автора, проявление указанных факторов в период осуществления среднесрочных программ вряд ли можно признать возможным, по крайней мере, не ранее, чем к концу текущего столетия. Следовательно, путь повышения эффективности ВКД в обозримые сроки — это эволюционное совершенствование тех существующих средств ВКД, которые могут быть качественно улучшены, а в случаях возникновения нетипичных полетных задач — созданы новые на доступном уровне техники и производства. Ярким образцом наличия и реализации модернизационного потенциала является система «Орлан», находящаяся в состоянии эволюции в течение 30 лет. Таким же примером может служить устройство фиксации «Якорь», которое трансформировано для применения не только с отечественным скафандром «Орлан», но и с американским скафандром EMU.
Каковы перспективы развития ключевого элемента системы ВКД — скафандра? В его составе может появиться бортовой компьютер для управления агрегатами жизнеобеспечения с функциями экспертной системы и интеллектуального партнера; криогенные
агрегаты, биоэлектронные органы зрения, экзо-скелетон, автономные средства перемещения, достаточные энергоресурсы.
Ввод информации предполагается осуществлять устными командами космонавту — речевым синтезатором, всю информацию отражать на остеклении гермошлема. Положено начало концептуальным и экспериментальным исследованиям в области создания новых видов защитного снаряжения, когда на базе новых материалов и технологий создается оболочка облегающего типа без газовой прослойки между телом и оболочкой, как это реализовано в существующих скафандрах. Такое решение позволит сохранить локомоторные возможности человека без значительных ограничений. При этом скафандр, как инженерное сооружение, может иметь модульно-сборную конструкцию, которую можно трансформировать в композицию для условий орбитального или межпланетного полета, для условий Луны, Марса, астероида или других инопланетных тел.
А что же человек? На взгляд автора, путь совершенствования человека будет связан с применением методов биоэлектроники, на-нохирургии, психотерапии, биотехнологии и, возможно, в будущем, генной инженерии.
Начало третьего тысячелетия отмечено актуализацией интереса мирового сообщества к экспедиции на Марс. Этот интерес не ограничивается приборными исследованиями Марса посредством беспилотных аппаратов, а воплощается в разработки концепций и аванпроектов пилотируемой экспедиции, а также в проведение наземных и экспериментальных работ. Исследования и разработки в интересах пилотируемой экспедиции на Марс станут очередным этапом в развитии ВКД. Опыт геоорбитальной ВКД является достаточным основанием для реализации ВКД в межпланетном полете или в полете по марсоцентрической орбите.
ВКД на поверхности Марса — новая сфера деятельности человека в космическом пространстве. Опережающие исследования работоспособности человека в защитном снаряжении на поверхности Марса являются необходимым условием проектирования пилотируемой экспедиции, заделом для отдаленных программ исследования тел Солнечной системы — астероидов или, может быть, даже Титана, Европы, Энцелада.
Получена аналитическая и модельно-экспериментальная оценка воздействия ветровых нагрузок на марсонавта на поверхности «красной» планеты, что так важно будет для десантной группы экипажа при полете на Марс (рис. 13) [10].
Рис. 13. Эксперимент по оценке ветровых нагрузок на поверхности Марса
В рамках известного эксперимента «Марс-500» участок экспедиции, на котором имитировались действия десантной группы экипажа на поверхности Марса, был оснащен макетами оборудования и ручными геологическими инструментами, которые удалось сохранить в РКК «Энергия» со времени подготовки программы Н1-Л3, дополненными современными автономными электроинструментами и макетом скального образования. Эта программа была обеспечена специалистами отдела ВКД (рис. 14) [10].
Рис. 14. Имитация ВКД на поверхности планеты в эксперименте «Марс-500»
Нужно ли оснащать Марсианский межпланетный комплекс средствами воспроизведения искусственной тяжести — один из многих вопросов для его создателей. Предложен когнитивно-эмпирический подход к определению работоспособности космонавта после полугодового полета, который должен дать ответ на поставленный вопрос [10]. В ЦПК проведен эксперимент по такой методике с многообещающими результатами.
Временным лагом, отделяющим историческое прошлое от современности, принято считать 50 лет. Для специалистов по ВКД — это не прошлое, а расширенное на всю трудовую жизнь настоящее. Так, относительно действий космонавта на поверхности Луны можно отметить, что в РКК «Энергия» сохранены не только
опыт и отчеты об отработке и испытаниях по этой тематике, но еще трудятся специалисты, которые были участниками этих работ.
За исторически короткий период ВКД из научно-технического прогноза стала инженерной реальностью современного этапа освоения космического пространства.
Заключение
Полувековой юбилей — весомый повод осветить и осмыслить такой феномен человеческой деятельности, как индивидуальная работа субъекта-исполнителя в открытом космосе. В кратком изложении представлены история становления и развития, сущность и структура, научное обеспечение и практические результаты, современный этап и тенденции развития внекорабельной деятельности. Можно полагать, что в рамках данной статьи поставленная цель достигнута.
Список литературы
1. Циолковский К.Э. Вне Земли. Калуга: Золотая аллея, 2008. 256 с.
2. Уникальная запись: академик С.П. Королёв. Кругозор. 1966 г. № 4. С. 5.
3. Олегов Ц. и Сергеев Г. Инструменты для космонавта // Наука и жизнь. 1976. № 9. С. 27.
4. Цыганков О.С. Пайка в гермообъеме орбитальной станции // Полет. 2003. № 8. С. 34-40.
5. Цыганков О.С. Трудовая деятельность в безопорном пространстве // Полет. 2012. № 3. С. 3-12.
6. Абрамов И.П. Космические скафандры России. Изд-во НПП «Звезда», 2005. 360 с.
7. Александров А.П., Цыганков О.С. Тенденции и перспективы деятельности в открытом космическом пространстве // Полет. 2000. № 11. С. 22-26.
8. Соловьев В.А., Лысенко Л.Н., Любинс-кий В.Е. Управление космическими полетами. Ч. 2. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 426 с.
9. Цыганков О.С., Гребенникова Т.В., Дешевая Е.А., Лапшин В.Б., Морозова М.А., Новикова Н.Д., Поликарпов Н.А., Сыроешкин А.В., Шубралова Е.В., Шувалов В.А. Исследование мелкодисперсной среды на внешней поверхности МКС в эксперименте «Тест»: обнаружены жизнеспособные микробиологические объекты // Космическая техника и технологии. 2015. № 1(8). С. 31-41.
10. Цыганков О.С. Когнитивно-эмпирический подход к прогнозированию дееспособности космонавтов на поверхности Марса // Полет. 2011. № 12. С. 15-22.
Статья поступила в редакцию 30.01.2015 г.
References
1. Tsiolkovskii K.E. Vne Zemli [Beyond Earth], Kaluga, Zolotaya alleyapubl., 2008.256p.
2. Unikal'naya zapis': akademik S.P. Korolev [Unique recording: academician S.P. Korolev], Krugozor, 1966, no. 4, p. 5.
3. Olegov Ts., Sergeev G. Instrumenty dlya kosmonavta [Tools for a cosmonaut], Nauka i zhizn', 1976, no. 9, p. 27.
4. Tsygankov O.S. Paika v germoof'eme orbital'noi stantsii [Soldering inside the pressurized volume of the orbital space station], Polet, 2003, no. 8, pp. 34-40.
5. Tsygankov O.S. Trudovaya deyatel'nost' v bezopornom prostranstve [Work in support-free environment], Polet, 2012, no. 3,pp. 3-12.
6. Abramov I.P. Kosmicheskie skafandry Rossii [Russian space suits], NPP «Zvezda»publ., 2005.360p.
7. Aleksandrov A.P., Tsygankov O.S. Tendentsii i perspektivy deyatel'nosti v otkrytom kosmicheskom prostranstve [Trends and outlook for activities in open space], Polet, 2000, no. 11,pp. 22-26.
8. Solov'ev V.A., Lysenko L.N., Lyubinskii V.E. Upravlenie kosmicheskimipoletami [Spaceflight control], Part 2. Moscow, MGTUim. N.E. Baumanapubl., 2010, 426p.
9. Tsygankov O.S., Grebennikova T.V., Deshevaya E.A., Lapshin V.B., Morozova M.A., Novikova N.D., Polikarpov N.A., Syroeshkin A.V., Shubralova E.V., Shuvalov V.A. Issledovanie melkodispersnoi sredy na vneshneipoverkhnosti MKS v eksperimente «Test»: obnaruzheny zhiznesposobnye mikrobiologicheskie ob"ekty [Study of the environment finely dispersed on the outer surface of the international space station and detection of microbiological objects in space experiment «Test»], Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2015, no. 1(8), pp. 31-41.
10. Tsygankov O.S. Kognitivno-empiricheskii podkhod k prognozirovaniyu deesposobnosti kosmonavtov na poverkhnosti Marsa [Cognitive empirical approach to predicting the efficiency of cosmonauts working on the Martian surface], Polet, 2011, no. 12, pp. 15-22.
