УСТРОЙСТВО ДЛЯ НОРМАЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ВНУТРИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК B64G1/00 B25B11/00 

Изобретение относится к области освоения космоса, в частности к сфере улучшения бытовых и деловых условий для обитателей космического аппарата (КА) на околоземной орбите.

КА имеет систему ориентации, обеспечивающую ему необходимое положение относительно Земли и Солнца. Внутри КА для его обитателей создаются условия "невесомости", в которых они испытывают затруднения в ориентации относительно пола, стен и потолка, а также - в совершении определенных действий.

Известно устройство для нормализации положения человека внутри КА. Устройство для нормализации положения человека внутри КА, преимущественно в условиях "невесомости", обеспечивает силовую связь конечностей человека с внутренней поверхностью КА (см. книгу: Познание продолжается. М.: Просвещение, 1970, с. 319-321). Такое устройство не дает удовлетворительной компенсации эффекта невесомости.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для нормализации положения человека внутри КА, содержащее размещенные на обуви человека элементы (постоянные магниты) и взаимодействующие с ними металлические элементы пола на внутренней поверхности КА (см. Невесомость. Физические явления и биологические эффекты. М.: Мир, 1964, с. 218-220). Недостатком устройства является отмеченное специалистами неудобство его использования при передвижении человека.

Задачей изобретения является повышение удобства перемещения человека в невесомости при ходьбе, с обеспечением его нормального вертикального положения.

Указанная задача решается тем, что в известном устройстве постоянные магниты выполнены в виде пластинок, расположенных на подошве или каблуке обуви человека, а элементы пола - в виде рядов пластин, с расстоянием 0,5-0,6 м между пластинами в ряду и с расстоянием 0,3-0,4 м между рядами.

В другом варианте предлагаемого устройства, содержащего размещенные на обуви человека и в полу на внутренней поверхности КА магнитно взаимодействующие элементы, указанные элементы на обуви человека выполнены в виде расположенных на подошве или каблуке металлических пластин, а указанные элементы в полу - в виде последовательно расположенных в виде дорожки электромагнитов, снабженных системой управляемого электропитания.

Приведенные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием неразрывной совокупности существенных признаков, достаточной для достижения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение иллюстрируется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - схема действия силы, создающей нормальное ускорение на орбите;
на фиг. 2 - схема действия сил земного притяжения на орбите;
на фиг. 3 - схема общего действия сил на массу КА и на массу тела внутри КА;
на фиг. 4 - схема сил и деформаций для упругого стержня на орбите КА;
на фиг. 5 - схема сил и деформаций для упругого стержня на поверхности Земли:
на фиг. 6 - схема расположения пластин постоянных магнитов и металлических пластин у космонавта и КА;
на фиг. 7 - схема расположения металлических пластин на полу КА:
на фиг. 8 - схема источника электромагнитной силы в КА.

Определение условий и сил, возникающих у человека на борту КА.

Для определения условий, в которых находится человек внутри КА, необходимо определить ускорения или силы, действующие на КА после его вывода на орбиту искусственного спутника Земли, а также ускорения или силы, действующие на массы, свободно расположенные внутри КА.

Полагаем, что КА выведен ракетами на круговую орбиту, удаленную на расстоянии h от поверхности Земли или на расстоянии
R = R₀ + h (1)
от центра Земли, где (фиг. 1) R₀ - средний радиус земного шара (R₀ ≈ 6370 км).

При свободном (после отстыковки ракет) движении КА по круговой орбите с некоторой постоянной по величине скоростью V на массу m КА должно действовать только нормальное (центростремительное) ускорение величиной [1]
a = V²/R, (2)
ибо касательное ускорение здесь отсутствует.

Как известно, для создания ускорения материальному телу (например, КА), которое находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения, необходимо согласно первому закону Ньютона прилагать к телу "силу, которая заставит его изменить это состояние" [2].

Обозначим буквой F силу, которая создает необходимое ускорение a.

По второму закону Ньютона [3] сила должна быть пропорциональна ускорению, что как известно, выражается формулой
F = ma, (3)
где m - масса ускоряемого тела.

При этом сила F имеет направление по прямой в сторону действия ускорения, то есть по радиусу R к центру Земли.

В то же время масса m КА со стороны массы Земли подвергается гравитации (притяжению), которая создает ей (как и для любых масс, малых по сравнению с массой Земли) ускорение g вдоль линии, соединяющей центры масс (фиг. 2) и соответствующую силу веса
G = mg (4)
Для определения изменения g по мере удаления масс от поверхности Земли пользуются приближенной формулой [2]
g = g₀[R₀/(R₀+h)]², (5)
где g₀ - ускорение для масс, находящихся на поверхности Земли (g₀ = 9,81 м/сек²).

Сила веса G является единственным источником, который может создавать ускорение а или соответствующую силу F для постоянного движения массы m КА по его круговой орбите вокруг Земли, и поэтому необходимо равенство
F = G (6)
Согласно формулам (1)-(5) равенство (6) будет иметь место, если скорость

Отсюда следует, что скорость КА на круговой орбите не зависит от величины его массы m и определяется лишь расстоянием h от КА до поверхности Земли.

Например, для отношения h/R₀ = 0,1, согласно (7) и ранее указанным значениям g₀, R₀, получим V = 7537 м/сек.

При указанной в (7) орбитальной скорости на массу КА действует в направлении к центру Земли сила F, которая преодолевает инерцию массы, заставляя ее двигаться с ускорением, менять направление скорости своего движения.

Инерционное противодействие массы m можно оценить силой F_и, величина и направление которой определяются с помощью третьего закона Ньютона, согласно которому "для каждого действия существует равное и противоположное противодействие" [6].

Это означает, что сила F_и является противодействующей для силы F и, следовательно,
F_и = -F (8)
или учитывая равенство (6)
F_и + G = 0 (9)
Это равенство означает, что масса m в своем движении подвержена двум взаимно уравновешенным силам F_и и G (фиг. 3), которые создают так называемую "невесомость".

Причем обе силы (F_и и G) являются рассосредоточенными, то есть действующими по всему объему тела, в котором распределена масса m.

Например, тонкий стальной стержень, буксируемый КА на его круговой орбите, согласно (9) подвержен действию соответствующих сил F_и и G, но не будет изгибаться (фиг. 4), в то время как на земной поверхности, находясь на двух опорах, он изогнется под действием его уравновешивающих сил: веса G и реакций опор (фиг. 5).

Приведенный пример является аргументом для справедливости термина "невесомость", как свойства тела, после выхода его на орбиту спутника Земли, ибо материальное тело не деформируется, как будто оно ничем, даже собственным весом не нагружено.

В действительности, на КА, движущийся по своей круговой орбите, согласно (9) постоянно воздействуют два физических свойства масс: свойство гравитации и свойство инерционного противодействия, создающих соответствующие распределенные, взаимно уравновешенные силы, F_и и G.

Условие "невесомости" (9) относится в равной степени как к собственной массе m КА, так и к любой другой массе m₁, присоединенной к КА или находящейся внутри КА. Отличаются только величины этих сил, поскольку отличаются и массы тел.

Поэтому человек (космонавт) внутри КА, находясь в условиях "невесомости", может свободно плавать (как рыба в воде) или летать (как птица в воздухе), не ощущая своего веса, веса своих рук, ног, головы, но ощущая лишь силу инерции своих конечностей, при резком из движении с помощью своей мускулатуры, или силу инерции всей массы своего тела при отталкивании его руками или ногами от стенок или пола КА.

С целью устранения неудобств и трудностей, связанных с "невесомостью" на КА, целесообразно найти способ, согласно которому человек на борту КА находился бы в условиях, близких к земным, а именно: мог бы стоять на полу, ходить по полу КА, сидеть перед телевизором или прибором и т.д. Под понятием "нормализация положения" человека внутри КА в условиях "невесомости" подразумевается создание таких условий, при которых человек находился бы в естественных для него условиях: положение головы выше ног, передвижение при вертикальном положении тела, передвижение за счет движения ног, а не рук.

Для этой цели и предлагаются два варианта реализации устройства.

Согласно первому варианту в устройстве, содержащем размещенные на обуви человека постоянные магниты и взаимодействующие с ними металлические элементы пола на внутренней поверхности КА, указанные магниты выполнены в виде пластинок, расположенных на подошве или каблуке обуви человека, а элементы пола - в виде рядов пластин, с расстоянием 0,5-0,6 м между пластинами в ряду и с расстоянием 0,3-0,4 м между рядами.

Согласно другому варианту элементы в полу выполнены в виде последовательно расположенных в виде дорожки электромагнитов, снабженных системой управляемого электропитания.

Таким образом, предлагается оснастить космонавта средством магнитного притяжения (фиг. 6) путем прикрепления к его обуви 1 (к подошве или к каблуку) небольших постоянных магнитов в виде пластин 2. А также предварительно оснастить пол 3 на КА последовательно расположенными и скрепленными с полом металлическими пластинами 4.

Наступая на пластину пола, создается сила магнитного притяжения (≈ 0,5-1 кг), которая может быть достаточной для создания нормального (вертикального) положения человека в КА, и в то же время позволять ему достаточно легко отрывать ногу от пола при ходьбе.

Расположение пластин на полу КА должно соответствовать удобству наступать на них при ходьбе нормальным шагом, то есть в ряду на расстоянии примерно 0,5-0,6 м и с расстоянием между рядами примерно 0,3 - 0,4 м (фиг. 7).

Второй пример реализации способа нормализации положения человека в КА состоит в том, что кроме сил, создающих "невесомость" человеку в КА, осуществляется силовая связь ног и пола с помощью электромагнитных источников силы притяжения 5, расположенных заподлицо с полом 3 КА, образуя удобную дорожку островков силы притяжения, имеющих общую кабельную систему управляемого электропитания 6, устройство 7 его включения и выключения и регулятор 8 для регулирования величины электромагнитной силы (фиг. 8). При этом обувь 1 (подошва или каблук) оснащается металлической пластиной/ами 9 для контакта с торцем/ами последовательно расположенных электромагнитов 8.

Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его реализации используются хорошо отработанные известные элементы и узлы и не требуется создания новой специальной технологии, кроме той, что используется в настоящее время на производстве используемых в изобретении элементов и узлов.

Настоящее изобретение позволит человеку, находящемуся в условиях невесомости, сохранять свое естественное вертикальное положение и координировать свои действия при выполнении операций.

Список использованных источников
1. Элементарный учебник физики, т. 1, под ред. академика Г.С. Ландсберга. М.: Наука, 1968, с. 77, формула 27.1.

2. С. Тимошенко, А. Юнг. Инженерная механика. М.: Машгиз, 1960, с. 243.

3. С. Тимошенко, А. Юнг. Инженерная механика. М.: Машгиз, 1960, с. 244.

4. С. Тимошенко, А. Юнг. Инженерная механика. М.: Машгиз, 1960, с. 246, формула 98.

5. С. Тимошенко, А. Юнг. Инженерная механика. М.: Машгиз, 1960, с. 245.

[6] . Б. М. Яворский и А.А. Детлаф "Справочник по физике", М, "Наука", Машгиз, 1965, стр. 47.

Изобретение относится к осовоению космоса, в частности к улучшению условий обитания космического аппарата (КА). Согласно изобретению устройство содержит размещенные на обуви постоянные магниты и взаимодействующие с ними элементы пола на внутренней поверхности КА. Данные магниты могут быть выполнены в виде пластинок, расположенных на подошве или каблуке, а указанные элементы пола - в виде рядов пластин, с определенным расстоянием между пластинами в ряду. В другом варианте элементы пола могут быть выполнены в виде последовательно расположенных в виде дорожки электромагнитов, снабженных системой управляемого электропитания. Изобретение обеспечивает согласованное действие элементов пола и магнитно взаимодействующих с ними элементов на обуви. За счет этого может быть достигнуто повышение удобства перемещения человека при ходьбе в невесомости, с обеспечением его нормального вертикального положения. 2 с.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство для нормализации положения человека внутри космического аппарата преимущественно в условиях невесомости, содержащее размещенные на обуви человека постоянные магниты и взаимодействующие с ними металлические элементы пола на внутренней поверхности космического аппарата, отличающееся тем, что указанные постоянные магниты выполнены в виде пластинок, расположенных на подошве или каблуке обуви человека, а указанные элементы пола - в виде рядов пластин с расстоянием 0,5 - 0,6 м между пластинами в ряду и с расстоянием 0,3 - 0,4 м между рядами. 2. Устройство для нормализации положения человека внутри космического аппарата преимущественно в условиях невесомости, содержащее размещенные на обуви человека и в полу на внутренней поверхности космического аппарата магнитно взаимодействующие элементы, отличающееся тем, что указанные элементы на обуви человека выполнены в виде металлических пластин, расположенных на подошве или каблуке, а указанные элементы в полу - в виде последовательно расположенных в виде дорожки электромагнитов, снабженных системой управляемого электропитания.