СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ НАЗЕМНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА, МОДЕЛИРУЮЩЕГО ПИЛОТИРУЕМЫЙ ПОЛЕТ К МАРСУ Российский патент 2009 года по МПК B64G7/00 G09B9/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области наземного моделирования действующих факторов космического полета и может использоваться для подготовки экипажей пилотируемых космических аппаратов к длительным космическим перелетам на другие планеты, в частности на Марс.

Уровень техники

Осуществление пилотируемого полета с выходом и работой экспедиции на поверхности Марса связано с новизной и спецификой возникших проблем, обусловленных в первую очередь особенностью и условиями проведения марсианской экспедиции, основными факторами которой являются большая продолжительность, автономность, высокий уровень космической радиации, чередование разных уровней гравитации, ограниченного пространства и отрыва от земных условий жизни, отсутствие привычного магнитного поля.

Важнейшим условием для изучения и решения этой проблемы является организация и проведение наземных экспериментальных исследований в условиях изоляции с участием испытателей-добровольцев в гермообъемах, сходных с объемами обитаемых отсеков пилотируемых комплексов, в условиях искусственно регулируемой среды обитания.

К подобным исследованиям относятся следующие известные эксперименты «Модельный эксперимент с длительной изоляцией: проблемы и достижения». / Под общей редакцией В.М.Баринова. М.: «Слово», 2001, стр.5-32:

- HUBES-94, в котором моделировались условия 135-суточного полета астронавта Европейского космического агентства на орбитальном комплексе «Мир»; к недостаткам указанного эксперимента относится то, что в нем были смоделированы особенности только конкретного космического полета, условия которого хорошо известны заранее.

- ЭКОПСИ-95, направленный на исследование взаимодействия человека и высших растений с целью поиска средств повышения психофизиологической комфортности длительно пребывания человека в условиях изоляции; к недостаткам указанного эксперимента относится то, что он был направлен на изучение только механизмов воздействия на организм человека неблагоприятных факторов космического полета.

- SFINCSS-99, совмещающий в себе конкретную практическую направленность, учет существенных аспектов будущего космического полета с поиском фундаментальных закономерностей жизнедеятельности человека в новых условиях обитания. Продолжительность эксперимента составила 240 суток. Проводилось изучение 2 экипажей, одновременно функционирующих в автономных герметичных модулях. Эксперимент SFINCSS-99 взят за прототип. К недостаткам указанного эксперимента можно отнести продолжительность смоделированного эксперимента, недостаточную для полета на такую удаленную планету как Марс.

Технический результат предложенного изобретения заключается в следующем:

- возможность увеличения длительности эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, до 520 дней;

- возможность моделирования ситуаций, связанных с приземлением взлетно-посадочного модуля на поверхность планеты Марс;

- повышение надежности функционирования наземного экспериментального комплекса в условиях полной изоляции внутреннего объема модулей и большой длительности эксперимента, при этом участники эксперимента находятся в моделируемых в течение эксперимента условиях, максимально приближенных к условиям длительного реального космического полета на Марс, в том числе с переходом на марсианское время.

Преимущества данного изобретения обеспечиваются тем, что предлагается способ проведения наземного эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, который включает в себя стадию адаптации и ознакомления с летательным аппаратом - 1-е сутки; моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Земли, при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной первым значением информативного параметра - 2-50-е сутки; моделирование стадии полета по гелиоцентрической орбите до окрестности Марса, при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной вторым значением информативного параметра - 51-200-е сутки; моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Марса («скрутка»), при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной третьим значением информативного параметра - 201-246-е сутки; моделирование стадии полета по околомарсианской орбите со спуском взлетно-посадочного модуля на поверхность планеты и возвращением на летательный аппарат, при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной четвертым значением информативного параметра - 247-278-е сутки; моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Марса («раскрутка»), при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной третьим значением информативного параметра - 279-319-е сутки; моделирование стадии полета по гелиоцентрической орбите до окрестности Земли, при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной вторым значением информативного параметра - 320-470-е сутки; моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Земли, при котором участники эксперимента испытывают воздействие окружающей их среды, охарактеризованной первым значением информативного параметра - 471-520-е сутки.

При этом в качестве информативного параметра окружающей среды, воздействующей на участников эксперимента, может быть использовано ее давление.

Причем первое значение давления внутри модели летательного аппарата может составлять 0,9÷1,1 атмосфер, второе значение давления внутри модели летательного аппарата может составлять 0,6÷0,9 атмосфер, третье значение давления внутри модели летательного аппарата может составлять 0,8÷1,0 атмосфер, а четвертое значение давления внутри модели летательного аппарата может составлять 1,0÷1,2 атмосфер.

Переход к процедуре моделирования каждой новой стадии полета может сопровождаться моделированием операций по управлению летательным аппаратом - стыковка и расстыковка с орбитальной станцией, изменение траектории полета при переходе с одной орбиты на другую, стыковка и расстыковка взлетно-посадочного модуля (ВПМ) с комплексом, имитирующим поверхность Марса.

В период моделирования спуска взлетно-посадочного модуля на поверхность Марса может проводиться имитация трех выходов на поверхность планеты.

В период моделирования спуска взлетно-посадочного модуля на поверхность Марса может проводиться разделение экипажа на две группы, при этом члены экипажа первой группы имитируют выход на поверхность Марса и перед выходом подвергаются 21-суточному воздействию антиортостатической гипокинезии (АНОГ) для моделирования ситуации перехода к марсианской гравитации, а члены экипажа второй группы остаются внутри модели летательного аппарата.

В период моделирования полета по спиральной траектории в поле тяготения Марса («раскрутка») члены экипажа первой группы после возвращения внутрь модели летательного аппарата могут подвергаться режиму 5-суточной обсервации - 279-283-е сутки, а остальные члены экипажа осуществляют операции по управлению летательным аппаратом, имитирующие начало возвращения к Земле.

Осуществление изобретения

Проведение наземных экспериментов с длительной изоляцией, моделирующих пилотируемый полет, представляет собой сложный по структуре и протяженный по времени процесс.

При проведении наземного эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, используется наземный экспериментальный марсианский комплекс, включающий оснащенные системами жизнеобеспечения обитаемые автономные герметичные модули, корпусы которых рассчитаны на поддержание внутреннего давления 0,6-1,2 атмосфер и выполнены с возможностью обеспечения изоляции членов экипажа от внешней среды на заданную длительность эксперимента и исполнительные системы, моделирующие среду обитания автономных герметичных модулей. Кроме того, в наземный экспериментальный марсианский комплекс дополнительно введен модуль имитатор поверхности Марса, а обитаемые автономные герметичные модули представляют собой жилой модуль, медико-технический модуль, хозяйственный модуль и взлетно-посадочный модуль.

Взлетно-посадочный модуль, предназначенный для имитации спуска на поверхность Марса, соединяется переходным отсеком с жилым модулем и имеет выход в шлюз, ведущий в модуль-имитатор поверхности планеты. В шлюзе располагается хранилище скафандров и системы жизнеобеспечения для испытателей в скафандрах.

Модуль-имитатор поверхности Марса представляет собой временно сооружаемую негерметичную поверхность, площадью 223 кв.м, окруженную по периметру легкой темной перегородкой высотой 3 м и накрытой сверху полупрозрачной светопроницаемой тканью, с внешним освещением, системой теленаблюдения. Связь с испытателями осуществляется либо через систему связи скафандров, либо через систему связи, расположенную в шлюзе. Модуль-имитатор содержит компрессорную установку с ресивером для вентиляции скафандров для обеспечения деятельности на имитируемой поверхности Марса. Все модули выполнены функционально-независимыми друг от друга, а все обитаемые автономные герметичные модули оснащены часами, градуированными по марсианскому времени (1 час на циферблате включает 61,5 земных минут).

При проведении наземного эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, предполагается проведение исследований с участием экипажа из 6-ти человек в возрасте 25-50 лет. В ходе эксперимента предполагается моделирование основных условий марсианского полета (исключая невесомость): сверхдлительность - до 520 суток; автономность существования; деятельность на поверхности Марса; моделирование разных условий гравитации (за счет изменения давления внутри модели летательного аппарата - от 0,6 до 1,2 атмосфер); а также изоляция в ограниченном объеме; параметры регулируемой окружающей среды - газовый состав, температура, влажность, уровень шума и т.д.; отсутствие привычного магнитного поля. Также в ходе наземного эксперимента будут моделироваться основные стадии 520-суточного этого полета.

Участники пилотируемого марсианского полета будут подвергаться воздействию комплекса одновременно или последовательно действующих факторов, присущих динамике межпланетного полета, космической среде и условиям жизнедеятельности в замкнутом пространстве. Основным фактором, действующим на участников эксперимента в процессе реального космического полета, является условие гравитации, в которой они находятся на той или иной стадии полета. Однако в условиях наземного эксперимента моделировать различные уровни гравитации (т.е. силу притяжения участников эксперимента к той или иной планете) необычайно сложно, это требует использования очень сложной и соответственно дорогой аппаратуры. Поэтому в нашем случае уровни гравитации с некоторой степенью приближения могут быть заменены, например, на разные уровни действующих на участников эксперимента давлений. Процесс задания нужного давления внутри модели летательного аппарата достаточно легко реализовать при помощи известных средств. Для этой цели может быть использована достаточно широкая номенклатура насосов, нагнетающих или откачивающих воздух из модели летательного аппарата.

Наземный эксперимент, моделирующий пилотируемый полет к Марсу, разделен на три основных этапа. Начальный этап включает в себя четыре стадии. Первая стадия данного наземного эксперимента проходит 1-е сутки. На этой стадии члены экипажа адаптируются к новым жизненным условиям и знакомятся с летательным аппаратом. Вторая стадия данного наземного эксперимента проходит со 2-50-е сутки. Для моделирования указанной стадии полета наиболее оптимальным является давление, близкое к нормальному атмосферному давлению на поверхности Земли - порядка 0,9÷1,1 атмосфер. На этой стадии эксперимента происходит отстыковка летательного аппарата от орбитальной станции, после чего членам экипажа предстоит «совершить полет» по спиральной траектории в поле тяготения Земли для перехода на траекторию орбиты вокруг Солнца. Когда летательный аппарат перейдет на траекторию орбиты вокруг Солнца, по которой он и полетит к Марсу, начинается вторая стадия данного эксперимента, а именно полета по гелиоцентрической орбите до окрестности Марса, которая проходит с 51-200-е сутки. Для моделирования данной стадии полета наиболее оптимальным является пониженное давление - порядка 0,6÷0,9 атмосфер. С 201 суток начинается третья стадия эксперимента, которая продлиться до 246 суток. Это стадия полета по спиральной траектории в поле тяготения Марса («скрутка»), в ходе которой летательный аппарат совершит путь от окрестностей до самой планеты. Для моделирования этой стадии полета наиболее оптимальным является чуть более высокое давление, нежели на предыдущей стадии - порядка 0,8÷1,0 атмосфер. На всех трех стадиях эксперимента экипаж будет находиться в наземном экспериментальном комплексе в условиях искусственной атмосферной среды при указанных выше значениях барометрического давления.

По завершении начального этапа начинается центральный этап эксперимента, который продлится с 247-278-е сутки. На данной стадии предстоит полет по околомарсианской орбите со спуском взлетно-посадочного модуля на поверхность планеты и возвращением на летательный аппарат. Для моделирования этой стадии полета вследствие испытываемых перегрузок наиболее оптимальным является давление порядка 1,0÷1,2 атмосфер. На это время члены экипажа разделятся на две группы: три человека, включая командира, останутся в основном модуле летательного аппарата, где продолжат орбитальный полет, а три остальных участника эксперимента перейдут в модуль, имитирующий поверхность Марса, где проведут 21 день. В этом модуле им придется пройти условия антиортостатической гипокинезии (ограничение объема и количества произвольных движений), с помощью которых экспериментаторы планируют в земных условиях частично повторить эффект перехода от микрогравитации к перегрузкам. Также им предстоит перестроиться на марсианские сутки, которые приблизительно на 40 мин. длиннее земных, и совершить три выхода на поверхность планеты. По окончании спуска взлетно-посадочный модуль вновь соединится с летательным аппаратом. Три члена экипажа, «побывавших на поверхности Марса», пройдут пятидневную обсервацию - это ряд мероприятий, необходимых для соблюдения планетарного карантина, а члены экипажа, находящиеся в летательном аппарате, продолжат орбитальный полет, имитирующий возвращение на Землю.

По завершении центрального этапа начнется завершающий этап эксперимента, который так же, как и начальный этап, включает в себя три стадии. Первая стадия завершающего этапа проходит с 279-319-е сутки. На этой стадии членам экипажа летательного аппарата предстоит полет по спиральной траектории в поле тяготения Марса, т.е. так называемая «раскрутка», в ходе которой летательный аппарат совершит путь от самой планеты до ее окрестностей. Для моделирования этой стадии полета наиболее оптимальным является точно такое же давление, что и на стадии «скрутка» - порядка 0,8÷1,0 атмосфер. С 320-470-е сутки, проходит следующая стадия наземного эксперимента, а именно полет по гелиоцентрической орбите до окрестности Земли. На этой стадии летательному аппарату предстоит пройти путь от окрестностей Марса и перейти на траекторию орбиты вокруг Солнца. Для моделирования указанной стадии полета наиболее оптимальным является точно такое же давление, что и на второй стадии полета - порядка 0,6÷0,9 атмосфер. Перейдя на траекторию орбиты вокруг Солнца, членам экипажа предстоит «совершить полет» по спиральной траектории в поле тяготения Земли, который займет 50 суток, т.е. с 471-520-е сутки. Для моделирования данной стадии полета наиболее оптимальным является точно такое же давление, что и на самой первой стадии полета - порядка 0,9÷1,1 атмосфер. Завершая наземный эксперимент, моделирующий пилотируемый полет к Марсу, члены экипажа летательного аппарата совершат состыковку с орбитальной станцией. На всех трех стадиях завершающего этапа, также как и на стадиях начального этапа, экипаж будет находиться в наземном экспериментальном комплексе в условиях искусственной атмосферной среды при указанных выше значениях барометрического давления.

Конечно, полностью повторить марсианские условия невозможно. Так, например, в земных условиях невозможно использование настоящего космического скафандра. Нецелесообразно также проводить и наземные эксперименты по моделированию стартовых и посадочных перегрузок, для которых требуется центрифуга, так как они прервут течение главного эксперимента.

Кроме того, в ходе эксперимента, возможно, будет принято решение о моделировании некоторых экстренных случаев. В частности, солнечных вспышек, которые представляют серьезную угрозу здоровью космонавтов и сохранности техники в реальном космическом полете. При имитации такой вспышки экипаж должен самостоятельно принять решение о том, надо ли идти в убежище.

Таким образом, предложенный способ проведения наземного эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, позволяет с высокой степенью приближения моделировать процедуру сверхдлительных космических полетов, в частности полетов на такую отдаленную планету как Марс. При проведении наземного эксперимента учитывались те нюансы, которые будут сопутствовать настоящему космическому полету на Марс на пилотируемом космическом летательном аппарате.

Изобретение относится к моделированию действующих факторов длительного космического полета. Способ включает в себя стадию адаптации и ознакомления с летательным аппаратом (1 сутки), а также моделирование стадий полета: по спиральной траектории в поле тяготения Земли (2-50 сутки), по гелиоцентрической орбите до окрестности Марса (51-200 сутки), по спиральной траектории «скрутки» в поле тяготения Марса (201-246 сутки), по околомарсианской орбите со спуском взлетно-посадочного модуля на поверхность планеты и возвращением на летательный аппарат (247-278 сутки), по спиральной траектории «раскрутки» в поле тяготения Марса (279-319 сутки), по гелиоцентрической орбите до окрестности Земли (320-470 сутки), по спиральной траектории в поле тяготения Земли (471-520 сутки). На указанных моделируемых стадиях участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной соответственно первым, вторым, третьим, четвертым, а далее (с 279 суток) соответственно третьим, вторым и первым значениями информативного параметра. В качестве данного параметра используют давление окружающей среды. Предусмотрена возможность моделирования стыковки и расстыковки летательного аппарата с орбитальной станцией, а также взлетно-посадочного модуля с комплексом, имитирующим поверхность Марса, изменения траектории полета при переходе с одной орбиты на другую, выходов на поверхность планеты. Технический результат изобретения состоит в увеличении длительности эксперимента в условиях, близких к реальным, повышении надежности функционирования экспериментального комплекса при полной изоляции внутреннего объема модулей, в том числе при переходе на марсианское время. 6 з.п. ф-лы.

1. Способ проведения наземного эксперимента, моделирующего пилотируемый полет к Марсу, включающий в себя стадию адаптации и ознакомления с летательным аппаратом в 1 сутки, моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Земли, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной первым значением информативного параметра, с 2 по 50 сутки, моделирование стадии полета по гелиоцентрической орбите до окрестности Марса, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной вторым значением информативного параметра, с 51 по 200 сутки, моделирование стадии полета по спиральной траектории «скрутки» в поле тяготения Марса, на которой участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной третьим значением информативного параметра, с 201 по 246 сутки, моделирование стадии полета по околомарсианской орбите со спуском взлетно-посадочного модуля на поверхность планеты и возвращением на летательный аппарат, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной четвертым значением информативного параметра, с 247 по 278 сутки, моделирование стадии полета по спиральной траектории «раскрутки» в поле тяготения Марса, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной третьим значением информативного параметра, с 279 по 319 сутки, моделирование стадии полета по гелиоцентрической орбите до окрестности Земли, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной вторым значением информативного параметра, с 320 по 470 сутки, моделирование стадии полета по спиральной траектории в поле тяготения Земли, при котором участников эксперимента подвергают воздействию окружающей их среды, охарактеризованной первым значением информативного параметра, с 471 по 520 сутки.2. Способ по п.1, в котором в качестве информативного параметра окружающей среды, воздействующей на участников эксперимента, используют ее давление.3. Способ по п.2, в котором первое значение давления внутри модели летательного аппарата составляет 0,9÷1,1 атм, второе значение давления внутри модели летательного аппарата составляет 0,6÷0,9 атм, третье значение давления внутри модели летательного аппарата составляет 0,8÷1,0 атм, а четвертое значение давления внутри модели летательного аппарата составляет 1,0÷1,2 атм.4. Способ по п.1, в котором переход к моделированию каждой новой стадии полета сопровождается моделированием операций по управлению летательным аппаратом: стыковкой и расстыковкой с орбитальной станцией, изменением траектории полета при переходе с одной орбиты на другую, стыковкой и расстыковкой взлетно-посадочного модуля с комплексом, имитирующим поверхность Марса.5. Способ по п.1, в котором в период моделирования спуска взлетно-посадочного модуля на поверхность Марса проводится имитация трех выходов на поверхность планеты.6. Способ по п.5, в котором в период моделирования спуска взлетно-посадочного модуля на поверхность Марса проводится разделение экипажа на две группы, при этом члены экипажа первой группы имитируют выход на поверхность Марса, и перед выходом их подвергают в течение 21 суток воздействию антиортостатической гипокинезии для моделирования ситуации перехода к марсианской гравитации, а члены экипажа второй группы остаются внутри модели летательного аппарата.7. Способ по п.6, в котором в период моделирования полета по спиральной траектории «раскрутки» в поле тяготения Марса члены экипажа первой группы после возвращения внутрь модели летательного аппарата подвергаются режиму пятисуточной обсервации с 279 по 283 сутки, а остальные члены экипажа осуществляют операции по управлению летательным аппаратом, имитирующие начало возвращения к Земле.