КОСМИЧЕСКИЙ СПОРТИВНЫЙ ТОРОИД Российский патент 1994 года по МПК B64G9/00 

Изобретение относится к космонавтике и касается средств для занятий спортом в космосе в условиях искусственной тяжести.

Известны спортивные снаряды, например бегущая дорожка, велоэргометр, специальный нагрузочный костюм и т.п.

Недостатками указанных спортивных снарядов являются невозможность создания искусственной тяжести, отрицательные психические нагрузки в силу противоестественных физических нагрузок, что ограничивает время пребывания космонавтов в космосе.

Известна вращающаяся космическая станция, подобная тороиду, корпус которой собран из жестких секций, доставляемых на орбиту космическими кораблями. За счет вращения в ней возникает искусственная тяжесть.

Однако подобное сооружение может служить в качестве орбитальной космической станции и не может быть использовано для дальних космических полетов, тем более в качестве спортивного агрегата.

Известны средства защиты от микрометеоритов, например специальная жидкость, которая вспенивается под действием вакуума, попадая в пробоину прежде устремляющегося из аппарата воздуха и образуя аварийную пробку из затвердевшей пены,
Недостатком указанного средства является то, что такой пеноматериал защищает только от микрометеоритов.

При более крупном метеорите вспенивающаяся жидкость не успевает заполнить все поперечное сечение пробоины из-за потока воздуха, который устремляется в отверстие с большой скоростью под давлением ≈ в 1 атм.

Кроме того, в случае надувного тороида метеорит может пробить оболочку на вылет, т.е., попадая во внутрь тороида, метеорит пробивает оболочку изнутри. В этом случае воздух устремляется в образовавшееся отверстие, препятствуя тем самым пенообразованию вспенивающейся жидкости.

Задачей изобретения является создание специального спортивного космического аппарата, обеспечивающего повышение эффективности спортивных занятий космонавтов в условиях, приближенных к земным. При этом должна быть обеспечена требуемая безопасность космонавтов при повреждении оболочки аппарата метеоритом, а также простота его стыковки и отстыковки с корпусом космического корабля.

Космический спортивный тороид, содержащий корпус тороидальной формы, установленный на оси, смонтированной на корпусе космического корабля, маневровые двигатели, стыковочное устройство с переходным люком, средства жизнеобеспечения, содержит кольцеобразную беговую дорожку, расположенную внутри тоннеля тороида на расстоянии от оси вращения, равном разности расстояния от этой оси до наиболее удаленной точки внутри оболочки и стрелки хорды окружности в поперечном сечении тоннеля корпуса при равенстве этой хорды ширине беговой дорожки.

Корпус тороида надувной и может быть изготовлен из прочной непроницаемой ткани в виде двух коаксиально расположенных оболочек, пространство между которыми заполнено вспенивающейся в вакууме жидкостью. Внутренняя оболочка корпуса тороида может содержат нормально прикрепленные к ней кольцеобразные пленочные элементы, внутренний край которых по длине не менее длины окружности, по которой наружный край пленочного элемента прикреплен к поверхности оболочки, при этом расстояние между этими элементами меньше его линейного размера по нормали к поверхности оболочки. Ось вращения тороида может быть закреплена на свободном конце консольной балки, жестко закрепленной на корпусе космического корабля, при этом указанная ось смонтирована с возможностью перемещения вдоль консольной балки и фиксирования в требуемом положении.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемые элементы космического спортивного тороида соответствуют критерию изобретения "новизна".

Изготовление спортивного тороида из прочной непроницаемой ткани позволяет уменьшить не только его вес, но и габариты в сложенном состоянии и тем самым снизить затраты на его вывод в космос. Так как надувная конструкция спортивного тороида не требует больших монтажных работ в космосе, то значительно уменьшается трудоемкость и время приведения его в рабочее состояние. Кроме того, спортивный тороид обладает и новыми преимуществами.

При поддержании постоянной угловой скорости вращения тороида вокруг его центральной оси космонавт на беговой дорожке по желанию может изменять нагрузку на свой организм путем изменения скорости движения по дорожке и изменения направления движения по дорожке, двигаясь в направлении вращения тороида или в противоположном направлении. На известном космическом спортивном снаряде "беговой дорожке" это делать невозможно. Кроме физического фактора, немаловажное значение имеет и психический фактор. Бег на стационарной дорожке в условиях невесомости и свободный бег на дорожке большой длины в окружении изменяющейся декорации из картин природы, деревьев, цветов и т. п. в условиях искусственной тяжести - это разные уровни, как в физическом, так и в психическом аспектах.

Предлагаемый космический тороид перспективен в своем развитии, имея в виду дальние и продолжительные космические полеты с многочисленным экипажем. Дорожка внутри кольцевого тоннеля тороида может быть использована не только как беговая дорожка для спорта, но и как место прогулок космонавтов в условиях, приближенных к земным. Успех экспедиции, например, на Марс в значительной степени зависит от физического и психического состояний экипажа.

Для повышения надежности защиты от метеоритов предлагается комплексное решение, состоящее из известного способа заполнения пространства между оболочками тороида специальной жидкостью, способной вспениваться в вакууме, и покрытия внутренней поверхности оболочки нормально прикрепленными к ней кольцеобразными пленочными элементами. При образовании крупной пробоины пленочные элементы под напором воздуха перекрывают отверстие, в связи с чем обеспечиваются благоприятные условия для вспенивания жидкости и закупорки пробоины. В результате за счет совместной работы вспенивающейся жидкости и пленочных элементов повышаются защитные свойства оболочки спортивного тороида. Так как пленочные элементы при совмещении с поверхностью оболочки перекрывают друг друга, то при повреждении одного из них пробоина перекрывается соседними пленочными элементами.

На фиг. 1 изображена схема космического корабля и смонтированного на нем космического спортивного тороида; на фиг.2 - конец консольной балки и схема механизма перемещения оси вращения спортивного тороида вдоль этой балки; на фиг. 3 - спортивный тороид, общий вид; на фиг.4 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг.5 изображена в изометрии часть корпуса тороида; на фиг.6 - часть оболочки тороида с пленочными элементами; на фиг.7 - схема присоединения пленочного элемента при помощи клея к внутренней поверхности оболочки тороида; на фиг.8 - схема заполнения пространства между коаксиально расположенными оболочками тороида вспенивающейся жидкостью; на фиг.9 - геометрическое положение беговой дорожки внутри тороида; на фиг.10 - расположение пленочных элементов в поперечном их сечении относительно предполагаемой пpобоины двойной оболочки тороида; на фиг.11 - схема закупорки пробоины.

Космический спортивный тороид содержит корпус 1, состоящий из двух коаксиально расположенных наружной 2 и внутренней 3 оболочек, выполненных из прочной непроницаемой ткани. Между собой оболочки 2 и 3 соединены последовательно расположенными вдоль центральной осевой окружности кольцевыми диафрагмами 4 с отверстиями 5 (см.фиг.4). Корпус тороида 1 закреплен на диаметральной балке ферменной конструкции 6 при помощи двух разъемных колец 7, каждое из которых состоит из двух половин 8, шарнирно присоединенных на концах диаметральной балки (см.фиг.1). В центре балки 6 вмонтирован подшипник 9, при помощи которого диаметральная балка с закрепленным на ней корпусом тороида смонтирована на неподвижной оси 10, вокруг которой вращается спортивный тороид во время тренировки космонавтов. Ось 10 расположена перпендикулярно плоскости вращения тороида и закреплена на ползуне 11, который может перемещаться вдоль направляющего элемента при помощи реверсивного электромотора с винтовым механизмом 12, что позволяет осуществлять стыковку и отстыковку космического корабля и спортивного тороида (см.фиг.2). Агрегат, состоящий из неподвижной оси 10, ползуна с направляющим элементом 11 и электромотора с винтовым механизмом 12, смонтирован на конце ферменной балки 13, присоединенной к корпусу космического корабля 14. На наружной стороне тороида по его периметру на разъемных кольцах 7 установлены маневровые двигатели 15. Входной люк со стыковочным устройством 16 вмонтирован в оболочку корпуса тороида в зоне разъемного кольца 7, при этом половина последнего, расположенная со стороны стыковочного устройства космического корабля, имеет отверстие по форме контура стыковочного устройства тороида. Стыковочные устройства корабля и тороида расположены на оси, направленной под углом около 40^о к плоскости вращения тороида и лежащей в его диаметральной плоскости (фиг.1), Крепление стыковочного устройства к оболочке из ткани не является проблемой. Современные материалы позволяют создать надежные переходные элементы конструкции между металлическими частями и элементами из ткани, обеспечивая при этом прочность и герметичность. Примерами являются скафандры для космонавтов или для подводных работ. Внутри корпуса тороида расположена беговая дорожка 17, смонтированная из отдельных элементов (планок) при помощи боковых элементов 18. Эта дорожка может быть достаточно жесткой кольцеобразной конструкцией, тем более под действием центробежной силы инерции. В условиях космоса (невесомости) опорность этой дорожки на тканевую поверхность оболочки весьма условна. К тому же между оболочкой и боковыми краями дорожки имеются опорные элементы 18, которые целесообразно изготовить из материала, подобного пенопласту, способного поглощать вибрации. Положение беговой дорожки относительно оси вращения тороида зависит от ширины с этой дорожки и определяется разностью R - f, где f = r (см.фиг.9).

Пространство между оболочками 2 и 3 заполнено специальной, вспенивающейся в вакууме жидкостью, а внутренняя поверхность оболочки 3 содержит нормально прикрепленные к ней кольцеобразные пленочные элементы 19, внутренний волнообразный край 20 которых по длине равен или несколько больше наружной окружности 21 (см.фиг.6), по которой наружный край элемента 19 прикреплен к поверхности оболочки 3. Благодаря волнообразности контура 20 пленочный элемент 19 может легко совместиться с внутренней поверхностью оболочки 3 и поэтому в случае пробоины 22 при таком совмещении надежно эту пробоину перекрывает (см.фиг.10 и 11). Расстояние между элементами 19 меньше линейного их размера по нормали, l < h (фиг.10).

Прикрепить пленочные элементы к оболочке тороида можно, например, при помощи клея. Любой пленочный элемент крепится к оболочке тороида в радиальном поперечном сечении, при этом его образующая, расположенная в среднем положении от отклоненных (фиг.7), направлена по нормали к поверхности оболочки в этом радиальном поперечном сечении. Сборка спортивного тороида и его работа совершаются следующим образом. Тороид выводится на орбиту в сложенном состоянии, а балки ферменной конструкции 6 и 13 - в разобранном. В открытом космосе возле космического корабля осуществляются сборка балок 6 и 13, монтаж агрегата, состоящего из оси 10, ползуна с направляющим элементом 11 и реверсивного электромотора с винтовым механизмом 12 на конце консольной балки 13. Балка 13 неподвижно присоединяется к космическому кораблю 14, а диаметральная ферма 6 при помощи центрального подшипника 9 тороида монтируется на оси 10.

По концам фермы 6 осуществляется шарнирное присоединение к ней половин 8 разъемных колец 7 (фиг.1 и 3), при этом шарниры позволяют этим половинам 8 находиться в откинутом положении, чтобы при дальнейшей сборке обхватить ими корпус тороида, закрепив его в кольцах 7. Затем сложенный для транспортировки на околоземную орбиту корпус тороида расправляется и стыкуется с корпусом корабля при помощи стыковочного устройства 16. После стыковки через входной люк посредством соответствующих трубопроводов и штуцеров емкость тороида и пространства между его оболочками заполняется воздухом до давления внутри тороида 0,8-1 атм и до 0,4-0,5 атм в пространстве между оболочками 2 и 3 тороида. Заполненный воздухом корпус тороида 1 (фиг.1) устанавливается на диаметральной балке 6 и при помощи половин 8 разъемных колец 7 закрепляется на этой балке. После этой операции устанавливаются маневровые двигатели 15 и приводятся в рабочее состояние. Через открытый люк стыковочного устройства 16 в кольцеобразный тоннель тороида подаются части беговой дорожки, средства жизнеобеспечения и элементы необходимых коммуникаций. После отстыковки тороида и некоторого его смещения относительно космического корабля посредством реверсивного электромотора с винтовым механизмом 12 для облегчения монтажных работ внутри тороида при помощи маневровых двигателей 15 тороиду сообщается вращательное движение вокруг оси 10 с некоторой угловой скоростью, чтобы эти работы выполнять в условиях небольшой искусственной тяжести. Включение и выключение маневровых двигателей осуществляются посредством известных дистанционных средств управления.

Сближение стыковочных устройств корабля и тороида для их стыковки выполняется регулировочным включением и выключением маневровых двигателей и тормоза 23. Спортивный тороид должен иметь достаточно большие размеры (длина окружности беговой дорожки порядка 100 м).

Для освещения и работы средств жизнеобеспечения подача электрического напряжения возможна через конструктивную ось 10, например, посредством изолированных токопроводящих колец на этой оси и соответственных контактных колец, вмонтированных в обойме осевого подшипника тороида.

Воздухопроводы, коммуникации, вентиляторная установка, регенеративные и обогревательные устройства монтируются на специальных панелях и рамах, закрепленных по бокам беговой дорожки 17, которая вместе с диаметральной фермой 6 и разъемными кольцами 8 может быть достаточно прочной и жесткой конструкцией.

Заполнение вспенивающейся жидкостью пространства между оболочками 2 и 3 тороида выполняется после перечисленных выше операций заполнения воздухом, сборки и оснастки спортивного тороида.

Благодаря искусственной тяжести (центробежной силе инерции) вспенивающаяся жидкость 25 из баллонов 26, установленных на беговой дорожке, поступает в пространство между оболочками, вытесняя воздух через редукционные клапаны 27 (фиг.8), способные поддерживать давление, не превышающее 0,4-0,5 атм, что снижает перепад давлений между оболочками тороида.

Механизм закупорки сравнительно крупной пробоины 22 изображен на фиг.10 и 11. Перекрытие пленочными элементами пробоины представляет собой вполне устойчивое явление. В зоне 1 между пленочными элементами при появлении здесь пробоины, сообщающей эту зону с вакуумом космоса, резко падает давление. Под действием сравнительно высокого давления со стороны зон II и III пленочные элементы мгновенно отгибаются в сторону пробоины и перекрывают ее. Вытекание воздуха прекращается, жидкость, сообщенная с вакуумом космоса, вспенивается, затвердевает, образуя пробку 24. Таким образом происходит закупорка пробоины.

Двойная оболочка тороида, пространство между оболочками которого заполнено вспенивающейся в вакууме жидкостью органического вещества, является хорошим термоизолятором. Кроме того, внутренняя поверхность оболочки покрыта бахромой пленочных элементов, препятствующих циркуляции воздуха у поверхности тороида, что снижает отвод тепла и, следовательно, повышает термоизоляционные свойства оболочки тороида.

Изобретение относится к космонавтике и касается средств для занятий спортом космонавтов в условиях искусственной тяжести. Космический спортивный тороид содержит корпус 1, состоящий из двух коаксиально расположенных оболочек и изготовленных из прочной непроницаемой ткани. Внутри кольцевого тоннеля корпуса смонтирована кольцеобразная беговая дорожка 17. Вращение тороида осуществляется посредством маневровых двигателей 15 вокруг неподвижной оси 10, смонтированной на ползуне, установленном на свободном конце консольной балки 13, жестко закрепленной на корпусе 14 космического корабля. За счет перемещения корпуса 1 тороида вдоль продольной оси консольной балки 13 осуществляются его стыковка и отстыковка с корпусом 14 космического корабля. Для повышения защиты от метеоритов пространство между оболочками заполняется специальной жидкостью, вспенивающейся в вакууме, а внутренняя поверхность оболочки тороида содержит нормально прикрепленные к ней кольцеобразные пленочные элементы, образующие сплошную бахрому на внутренней поверхности корпуса спортивного тороида. 3 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. КОСМИЧЕСКИЙ СПОРТИВНЫЙ ТОРОИД, содержащий корпус тороидальной формы, установленный на оси, смонтированной на корпусе космического корабля, маневровые двигатели, стыковочное устройство с переходным люком, средства жизнеобеспечения, отличающийся тем, что внутри кольцеобразного тоннеля корпуса установлена кольцеобразная беговая дорожка, расположенная от оси его вращения на расстоянии, равном разнице расстояний от этой оси наиболее удаленной точки внутри оболочки корпуса и стрелки хорды окружности в поперечном сечении тоннеля корпуса при равенстве этой хорды ширине беговой дорожки. 2. Тороид по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из прочной непроницаемой ткани в виде двух коаксиально расположенных оболочек, пространство между которыми заполнено вспенивающейся в вакууме жидкостью. 3. Тороид по п. 1, отличающийся тем, что ось вращения закреплена на свободном конце консольной балки, жестко закрепленной на корпусе космического корабля, при этом ось вращения установлена с возможностью перемещения вдоль оси консольной балки и фиксирования в требуемом положении. 4. Тороид по п.2, отличающийся тем, что к внутренней оболочке внутри корпуса прикреплены нормально к ее поверхности кольцеобразные пленочные элементы, свободный внутренний край которых по длине не менее длины окружности, по которой наружный край пленочного элемента прикреплен к поверхности оболочки, при этом расстояние между этими элементами меньше его линейного размера по нормали к поверхности оболочки.