НИЖНЯЯ ЧАСТЬ ОБОЛОЧКИ СКАФАНДРА Российский патент 2004 года по МПК B64G6/00 B64D10/00 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к скафандрам, предназначенным для работы в открытом космосе и на поверхности планет.

Известна нижняя часть оболочки скафандра, включающая в себя силовую и герметичную оболочки, одностепенные голеностопные шарниры и продольную силовую систему (см. Приложение: Системы выходного скафандра Спейс Шаттл EMU SYS 2102).

Недостатки данной конструкции:
- отсутствует возможность регулировки оболочки для фиксации ступни космонавта в оболочке скафандра, что необходимо во избежание травм и с целью повышения комфортности, так как при ходьбе по поверхности планет, в условиях пересеченной местности с обилием камней, особое внимание должно уделяться комфорту и соответствию размера обуви скафандра ноге космонавта;
- подошва оболочки скафандра прототипа негибкая, т.к. во всю длину подошвы расположена жесткая пластина, которая придает оболочке плоскую форму, но так как подошва негибкая, это повышает энерготраты при ходьбе космонавта в скафандре;
- жесткая пластина на подошве имеет габариты больше чем силовая оболочка на ширину петельной ленты для крепления тканевого верха защитной обуви, таким образом, такая жесткая пластина является самой большой деталью, определяющей габариты оболочки в этом месте;
- на голеностопном шарнире отсутствует вторая степень подвижности (на отведение-приведение), что приводит к неустойчивому положению космонавта в скафандре на склонах кратеров - положение "боком к склону";
- регулировка усилия изгиба голеностопного шарнира в зависимости от веса скафандра или силы тяжести отсутствует;
- внутренняя поверхность оболочки в зоне ступни жесткая, мягкий внутренний слой в оболочке отсутствует, мягкие прокладки на гермооболочке отсутствуют, что приводит к наминам и потертостям на ногах космонавта от нижней части оболочки скафандра;
- внутренний слой оболочки выполнен из материала не поглощающего влагу, т. к. гермооболочка прототипа выполнена из ткани, покрытой пленкой из полиуретана, при этом пленка обращена к ноге космонавта, комфортный впитывающий влагу слой отсутствует;
- амортизационный слой в стельках оболочки скафандра отсутствует, т.е. между ступнями космонавта и подошвами оболочки нет мягких гасящих удар слоев, что ухудшает переносимость космонавтом ударных нагрузок на ступни при ходьбе в скафандре.

Технической задачей заявляемого изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. улучшение эксплуатационных характеристик, подвижности и комфорта нижней части оболочки скафандра.

Указанная задача достигается тем, что в известной нижней части оболочки скафандра, содержащей силовую и герметичную оболочки, голеностопные шарниры и силовую систему, голеностопные шарниры выполнены двухстепенными, состоящими из двух одностепенных шарниров, верхнего - на приведение-отведение и нижнего - на сгибание-разгибание. Силовая система дополнительно снабжена установленными между указанными шарнирами изогнутыми кольцами симметричной формы, снабженными ограничителями сдвига продольных лент силовой системы, жесткими пластинами и поперечными шнурами на голеностопных шарнирах. Жесткие пластины размещены на подошве между силовой и герметичной оболочками. Пластины имеют длину, равную 0,67 длины подошвы, и расположены от пяток до линии, определяющей местоположение плюснефалангового сустава человека. Жесткие пластины имеют наружные контуры подошвы гермооболочки. Поперечные шнуры расположены на голеностопных шарнирах в тканевых направляющих, закрепленных на силовой оболочке поперек шарниров. В местах пересечения шнуров с продольными лентами шарниров направляющие прерываются, и шнуры расположены на поверхности оболочки вне направляющих. Продольные ленты ниже голеностопного шарнира выполнены в виде трапеции с основанием у подошвы, соединены с подошвой и огибают ее. Нижняя часть оболочки скафандра снабжена амортизационными стельками, расположенными внутри герметичной оболочки, шнуровками, размещенными на силовой оболочке в зонах подъема стоп, и языками, установленными на участках подъема стоп внутри гермооболочки.

На участке ниже голеностопных шарниров гермооболочка выполнена из трех слоев: эластичной резины, пористой мягкой резины и из мягкой обрезиненной ткани, обращенной тканевым слоем к телу человека. Языки гермооболочки выполнены из жесткой обрезиненной ткани, пористой мягкой резины и мягкой обрезиненной ткани, обращенной тканевой стороной к телу человека, и снабжены лентой из прорезиненной ткани. Языки крепятся к гермооболочке с помощью этих лент, которые приклеены обрезиненной стороной к гермооболочке и расположены по центру языков и вдоль подъема стопы.

Амортизационные стельки выполнены из трех слоев: нижний слой - из мягкой пористой резины, средний слой - из плотного нетканого материала типа войлока и верхний слой - из ткани с хорошей адсорбирующей способностью.

Продольные силовые ленты скреплены с силовой оболочкой по всей своей длине, на участке шарнира ленты сложены вдоль самих себя в три слоя и прошиты, а вне зоны шарнира, выше и ниже него, ленты развернуты в расправленное положение на всю свою ширину. Шнуры силовой системы выполнены с возможностью регулировки по периметру. Места изгиба изогнутых колец обращены к нижней части шарнира. Шнуровки в зоне подъема стопы выполнены из двух частей.

На фиг.1 показана нижняя часть оболочки скафандра,
На фиг.2 - силовая система оболочки,
На фиг.3 - сечение А-А,
На фиг.4 - жесткая пластина,
На фиг.5 - сечение Б-Б,
На фиг.6 - сечение В-В,
На фиг.7 - шарнир в согнутом положении.

Нижняя часть оболочки скафандра состоит из силовой 1 и герметичной 2 оболочек, двухстепенных голеностопных шарниров 3, состоящих из двух одностепенных шарниров, верхнего 4 - на приведение-отведение и нижнего 5 - на сгибание-разгибание, силовой системы, выполненной из силовых лент 6, изогнутых колец 7, установленных между верхними и нижними шарнирами, поперечных шнуров 8, расположенных на голеностопных шарнирах, жестких пластин 9, закрепленных на подошве между силовой и герметичной оболочками, и амортизационных стелек 10, размещенных внутри герметичной оболочки. Поперечные шнуры 8 расположены на голеностопных шарнирах в тканевых направляющих 11. К герметичной оболочке с помощью лент 12 прикреплены языки 13, поверх которых на силовой оболочке 1 расположены шнуровки 14. Наружный слой языка 13 выполнен из жесткой обрезиненной ткани 15, средний слой - из пористой мягкой резины 16 и внутренний слой - из мягкой обрезиненной ткани 17. Во избежание перемещения продольных силовых лент по кольцу при ходьбе космонавта на изогнутых кольцах 7 установлены ограничители их сдвига 18, выполненных в виде проволочных колец, прикрепленных к кольцам 7 с помощью сварки. Гермооболочка выполнена из трех слоев. Наружный слой 19 гермооболочки выполнен из эластичной резины, средний слой 20 - из пористой мягкой резины и служит мягкой прокладкой между ногой космонавта и оболочкой скафандра, а внутренний слой 21 выполнен из мягкой обрезиненной ткани и обращен тканевым слоем к телу человека, чтобы нога космонавта была окружена не резиной, а тканью. Средний слой расположен по бокам оболочки и в зоне пятки, кроме участка в зоне подъема ступни, где расположены шнуровки. Амортизационные стельки 10 состоят из трех слоев. Нижний слой 22 стелек выполнен из упругой пористой резины, служащей в качестве амортизирующего слоя при ходьбе в скафандре. Средний слой 23 - из плотного нетканого материала типа войлока. Этот "войлок" отформован для придания стельке антропоморфной формы. Верхний слой 24 стелек 10 выполнен из ткани марки Goretex. Эта ткань обладает хорошей адсорбирующей способностью и применена с целью поглощения выделений пота с ноги космонавта.

Нижняя часть оболочки скафандра работает следующим образом.

Когда космонавт надевает скафандр в первый раз, он затягивает шнуровку 14 на нижней части оболочки по размеру ноги. Регулировка шнуровки 14 производится, чтобы не было болевых ощущений в ступнях космонавта, и в то же время, чтобы не было излишней свободы для ноги в оболочке. Для более равномерного распределения давления оболочки скафандра на ноги космонавта регулировка с помощью шнуровки 14 производится на двух участках в зоне подъема ступней. После регулировки шнурки 14 завязываются.

При создании избыточного давления в скафандре силовые ленты 6 нижней части оболочки, ее кольца 7, жесткие пластины 9, шнуры 8 и шнуровка 14 воспринимают на себя нагрузку от давления. Благодаря наличию этих элементов оболочка не увеличивает свои размеры, сохраняет способность гнуться в голеностопном шарнире 3, кроме того, они позволяют предотвратить сдавливание ступни космонавта с боков и сохранить подошву оболочки плоской.

Космонавт выходит из космического корабля. При перемещении космонавта по поверхности планеты на нижней части оболочки при каждом шаге изгибаются подошвы силовой оболочки 1 и герметичной оболочки 2, гнутся голеностопные шарниры 3, перемещаются поперечные шнуры 8 относительно продольных лент 6. Двухстепенные голеностопные шарниры 3 служат для обеспечения подвижности ступней космонавта в голеностопных суставах на сгибание-разгибание и отведение-приведение при избыточном давлении в скафандре. Применение жесткого кольца на оболочке позволяет выполнить на оболочке два шарнира рядом работающих на изгиб во взаимно перпендикулярных плоскостях. Выполнение колец 7 изогнутой формы между шарнирами увеличивает диапазон движения в шарнире 3 по сравнению с прямым (плоским) кольцом. Силовые ленты 6 крепятся на кольцах 7 в четырех точках. При ходьбе боком к склону у скафандра гнутся голеностопные шарниры 4 предназначенные на отведение-приведение, благодаря ним космонавт сохраняет равновесие в скафандре.

Кольца 7 снабжены ограничителями 18 сдвига продольных силовых лент 6. Сдвиг силовых лент 6 по кольцу 7 при движениях (ходьбе) космонавта в скафандре приводит к потере первоначального (прямого) положения шарнира 3. Без фиксирования лент 6 от сдвига шарнир 3 может принять согнутое или разогнутое положение в зависимости от направления смещения этих лент.

На участке шарниров 3 на оболочке установлены ленты 6, сложенные и прошитые вдоль самих себя в три слоя. Такое конструктивное решение применено для того, чтобы уменьшить изгибающий момент голеностопных шарниров, так как узкие ленты оказывают меньшее сопротивление при изгибе шарнира по сравнению с широкими лентами. Вне зоны шарниров 3, выше и ниже них, ленты 6 развернуты в расправленное положение на всю свою ширину для равномерного распределения нагрузки на силовую оболочку 1. Ниже голеностопного шарнира 3 ленты 6 (фиг. 2) расположены на оболочке 1 в виде трапеции с основанием трапеции у подошвы оболочки, затем ленты огибают подошву, закреплены на ней и переходят в силовые ленты по обеим сторонам шарнира 3. Расположение лент в виде трапеции выполнено для равномерного распределения нагрузки от лент на подошву силовой оболочки 1. Огибание лентами подошвы позволяет соединить ленты по бокам оболочки в единую силовую систему без ее разрывов с целью обеспечения прочности.

С целью снижения усилий на изгиб в голеностопном шарнире 3 шнуры 8 имеют возможность перемещения относительно оболочки при движениях в шарнире 3 (см. фиг. 7). Шнуры 8 при создании избыточного давления в оболочке скафандра натягиваются и воспринимают на себя поперечные нагрузки, возникающие в оболочке. Рядом со шнурами 8 на оболочке образуются гофры. При изгибе шарниров 3 гофры с одной стороны сжимаются, а с другой стороны шарнира растягиваются. Поперечные силовые шнуры 8 в шарнирах 3 к оболочке в зоне продольных лент 6 не прикреплены, что позволяет им перемещаться и за счет сил трения, движения в шарнирах делаются плавными. Шнуры 8 также имеют возможность регулировки их периметра путем подтягивания из тканевых направляющих 11 и последующего завязывания узлом для фиксирования их новой длины. Регулируя длину периметра шнуров 8, изменяем степень "врезания" их в оболочку или, другими словами, изменяем диаметр шарнира 3 в этом месте. Чем меньше диаметр шарнира 3, а как известно, усилие на изгиб в пневматической нагруженной оболочке пропорционально квадрату ее диаметра, тем меньше усилие в нем на изгиб. Но усилие на изгиб в шарнире должно быть оптимальным, иначе при большом весе скафандра или при испытаниях в земных условиях скафандра, рассчитанного на силу тяжести, равную силе тяжести на Луне, голеностопный шарнир нижней части оболочки будет просто "раздавлен" весом скафандра. Возможность регулировки шарнира по периметру позволяет регулировать его жесткость для различного веса скафандра и тем самым находить баланс между усилиями от избыточного давления, действующего изнутри скафандра, весом скафандра и силой от внешнего гравитационного поля.

Жесткие пластины 9 расположены между силовой 1 и герметичной 2 оболочками внутри подошвы (см. фиг.6). Пластины 9 вложены между оболочками. Пластины 9 имеют длину от пятки до линии, находящейся от пятки на расстоянии 0,67 длины подошвы. Данное соотношение известно из литературы по антропометрии ступни человека, как определяющее местоположение плюснефаланговых суставов ступни. Здесь это соотношение было использовано для того, чтобы космонавт мог согнуть ступню по плюснефаланговым суставам. При использовании пластины 9 такой длины подошва оболочки сохраняет свою гибкость, в то же время, остается плоской, даже находясь под избыточным давлением. Пластина 9 имеет наружные контуры подошвы гермооболочки в средней ее зоне и в зоне пятки, что дает ей возможность быть размещенной внутри силовой оболочки 1. В отличие от прототипа размеры пластины 9 более компактные, т.к. ее размеры меньше размеров силовой оболочки.

В конструкции нижней части оболочки применены специальные мягкие прокладки для предотвращения наминов на ногах космонавта (см. фиг.3, 5 и 6): средний слой 20 гермооболочки из мягкой пористой резины, языки 13 на участках подъема стоп и амортизационные стельки 10 с упругим нижним слоем 22. Кроме применения мягких прокладок, уровень комфорта повышен за счет полного исключения контакта резины и пленочных материалов с ногой космонавта. Вся внутренняя поверхность гермооболочки 2 покрыта тканью, а амортизационная стелька - специальной тканью 24, применяющейся в обуви для впитывания пота с ноги космонавта. Средний слой 23 стельки 10 имеет форму, близкую форме ступни человека. Такая форма, повторяющая обводы ступни, названа антропоморфной. Цель применения стельки антропоморфной формы - создать наилучшие условия пребывания для ноги космонавта в скафандре.

Языки 13 гермооболочки также играют роль комфортных прокладок. При регулировке оболочки по размеру ступни с помощью шнуровки 14 язык 13 прижимается к подъему ступни космонавта и защищает подъем ступни человека от складок, образующихся на оболочках скафандра при затяжке шнуровки 14 по подъему. Крепление языка 13 по центральной ленте 12 позволяет складкам на силовой оболочке 1 и герметичной оболочке 2 равномерно размещаться вдоль языка (см. фиг.5).

После возвращения космонавта в космический корабль космонавт, сняв скафандр, может по результатам первого выхода скорректировать регулировку шнуровки 14 и затяжку поперечных шнуров 8. Длину шнуров 8 можно увеличить или наоборот уменьшить, тем самым отрегулировать работу голеностопных шарниров 3. Шнуровку 14 - затянуть или ослабить и тем самым отрегулировать зазор между подъемом ступни космонавта и языком 13.

Изобретение относится к космической технике, а именно к скафандрам, предназначенным для работы в открытом космосе. Нижняя часть оболочки скафандра содержит силовую и герметичную оболочки, двухстепенные голеностопные шарниры и силовую систему. Силовая система дополнительно снабжена изогнутыми кольцами симметричной формы, снабженными ограничителями сдвига продольных лент силовой системы, жесткими пластинами и поперечными шнурами на голеностопных шарнирах. Нижняя часть оболочки скафандра также снабжена амортизационными стельками, расположенными внутри герметичной оболочки, шнуровками, размещенными на силовой оболочке в зонах подъема стоп, и языками, установленными на участках подъема стоп внутри гермооболочки. Гермооболочка, языки гермооболочки и амортизационные стельки выполнены из трех слоев. Языки крепятся к гермооболочке с помощью лент, которые приклеены обрезиненной стороной к гермооболочке. Ленты расположены по центру языков и вдоль подъема стопы. Продольные силовые ленты скреплены с силовой оболочкой по всей своей длине, на участке шарнира эти ленты сложены вдоль в три сложения и прошиты. Шнуры силовой системы выполнены с возможностью регулировки по периметру. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик, подвижности и комфорта нижней части оболочки скафандра. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Нижняя часть оболочки скафандра, содержащая герметичную и силовую оболочки, силовую систему и голеностопные шарниры, отличающаяся тем, что голеностопные шарниры выполнены двухстепенными, состоящими из двух одностепенных шарниров, верхнего на приведение-отведение и нижнего на сгибание-разгибание, силовая система дополнительно снабжена кольцами, установленными между указанными шарнирами, жесткими пластинами, размещенными между силовой и герметичной оболочками внутри подошвы, и поперечными шнурами, расположенными на голеностопных шарнирах, ленты силовой системы соединены с подошвами и огибают их, кольца шарниров выполнены изогнутыми, имеют симметричную форму и снабжены ограничителями сдвига продольных лент силовой системы, жесткие пластины имеют длину от пятки до линии, находящейся от пятки на расстоянии 0,67 длины подошвы, ленты силовой системы ниже голеностопных шарниров выполнены в виде трапеций с основаниями у подошв, поперечные силовые шнуры на голеностопных шарнирах расположены в тканевых направляющих за исключением мест пересечения шнуров с продольными лентами, кроме того, нижняя часть оболочки снабжена амортизационными стельками, расположенными внутри герметичной оболочки, шнуровками, размещенными на силовой оболочке в зонах подъема стоп, и языками, установленными на участках шнуровки подъема стоп внутри гермооболочки.2. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что на участке ниже голеностопного шарнира гермооболочка, ее язык и амортизационная стелька выполнены из трех слоев.3. Нижняя часть оболочки скафандра по п.2, отличающаяся тем, что наружный слой гермооболочки выполнен из эластичной резины, средний слой из пористой мягкой резины, а внутренний слой из мягкой обрезиненной ткани, обращенной тканевым слоем к телу человека.4. Нижняя часть оболочки скафандра по п.2, отличающаяся тем, что наружный слой языка гермооболочки выполнен из жесткой обрезиненной ткани, средний слой из пористой мягкой резины, а внутренний слой из мягкой обрезиненной ткани, обращенной тканевой стороной к телу человека.5. Нижняя часть оболочки скафандра по п.2, отличающаяся тем, что нижний слой амортизационных стелек выполнен из упругой пористой резины, средний слой из плотного нетканого материала типа войлока, а верхний слой, обращенный к ноге человека, из ткани с хорошей адсорбирующей способностью.6. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что языки выполнены с лентой из прорезиненной ткани, которая приклеена обрезиненной стороной к внутренней поверхности гермооболочки, при этом она расположена по центру языка и вдоль подъема стопы.7. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что жесткие пластины повторяют наружные контуры подошвы гермооболочки от пятки до линии, находящейся от пятки на расстоянии 0,67 длины подошвы.8. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что на участке шарнира ленты сложены вдоль самих себя в три слоя и прошиты, а вне зоны шарнира ленты развернуты в расправленное положение, огибают подошву и закреплены на ней.9. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что поперечные шнуры выполнены с возможностью регулировки их длины по периметру.10. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что места перегиба изогнутых колец обращены к нижней части шарнира.11. Нижняя часть оболочки скафандра по п.1, отличающаяся тем, что шнуровки в зонах подъема стопы выполнены из двух частей.