УСТРОЙСТВО ДЛЯ НОРМАЛИЗАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА В КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ Российский патент 2013 года по МПК B64G1/60 B64G99/00 

Изобретение относится к космической технике, в частности предназначенной для обеспечения нормальной жизнедеятельности в космических условиях невесомости, включая перемещение и фиксацию человека на поверхностях в космическом аппарате.

Известно устройство для обеспечения фиксации и перемещения человека в космическом пространстве, принятое за аналог, содержащее ряд механических устройств типа ремней, упругих элементов, опор и скоб, закрепленных на поверхности помещений аппарата (Н.Н.Гуровский и др. Проектирование условий жизни и работы космонавтов. - М.: Машиностроение, 1985, с.35, 95).

Такое устройство широко применяется в космических аппаратах для обеспечения фиксации или перемещения в невесомости космонавтов.

Однако такое устройство требует закрепления большого количества, многих сотен и даже тысяч штук, таких механических устройств на поверхностях помещений аппарата, что усложняет конструкцию и повышает трудоемкость изготовления такого аппарата. Также, здесь требуются определенные физические усилия и выработка специальных навыков у человека для фиксации или перемещения по таким рядам скоб, опор и т.п.

Известна рабочая обувь, принятая за аналог, содержащая обувь, в объеме которой помещено средство сцепления с поверхностью, выполненное в виде электростатической жидкости, помещенной в резервуар, и источник питания (авт.св. СССР 1227157, МКИ А43В 3/00, опубл. 30.04.1986).

Здесь при движении из резервуара электростатическая жидкость выходит под подошву обуви на поверхность помещения, после чего включается источник питания благодаря которому появляется электрическое поле в жидкости, и эта электростатическая жидкость прочно сцепляет подошву рабочей обуви с поверхностью помещения. Такая рабочая обувь обеспечивает надежное крепление человека к поверхности помещения, в том числе и в космических условиях.

Однако в космических условиях невесомости выходящая из резервуара в обуви электростатическая жидкость будет - до включения источника питания, в невесомости разлетаться, что недопустимо. Возникают сложности и с обеспечением перемещения человека в такой обуви по поверхности помещения. Кроме того, здесь человек должен таскать на обуви или на ноге высоковольтный источник питания, что плохо с точки зрения техники безопасности для человека или человек должен таскать за собой по помещениям аппарата кабели от стационарного источника питания, что очень неудобно в эксплуатации.

Известно устройство для нормализации положения человека внутри космического аппарата, принятое за прототип, содержащее размещенный на обуви человека источник поля в виде постоянного магнита и взаимодействующие с ним металлические элементы пола на внутренней поверхности космического аппарата, а также возможно и размещение на обуви человека металлических пластин с помещением на полу поверхности ряда последовательно расположенных дорожек электромагнитов, снабженных системой управляемого электропитания (патент РФ 2158701, МКИ В64G 1/00, опубл. 10.11.2000).

Такое устройство обеспечивает надежную фиксацию человека относительно металлической поверхности помещения космического аппарата и может найти применение в космической технике для обеспечения фиксации и перемещения человека.

Однако в современных космических аппаратах широко используют композиционные материалы или металлические сплавы на основе алюминия и магния, которые не чувствительны к магнитному полю и не взаимодействуют с постоянными магнитами на обуви космонавта. А при использовании дорожки из ряда электромагнитов возникает проблема энергии, так как на космических аппаратах острой проблемой является дефицит электроэнергии и тратить ее еще и на организацию фиксации космонавтов сейчас неоптимально, хотя и технически возможно.

Предлагаемое изобретение решает задачу по улучшению условий жизни людей в космическом аппарате, что приводит к техническому результату в виде получения простого устройства, не требующего источника питания на борту такого аппарата, и обеспечивающего нормализацию положения человека - его фиксацию и перемещения на поверхностях космического аппарата в условиях невесомости.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для нормализации положения человека в космическом аппарате, содержащем поверхности помещения, обувь с ее элементами конструкции и источник поля для создания силы, фиксирующей человека относительно поверхности помещения, внутри космического аппарата имеется источник постоянного электрического поля, выполненный в виде слоя электрета, изготовленного в виде пленки, или пластины, или ткани, или иных форм и типа слоя электрета, толщиной от 10^-6 м до 10^-2 м.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен ко всей или части поверхности помещения, оптимально - на поверхности, выбранной в качестве пола помещения.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен на обуви, оптимально на элементе конструкции обуви в виде подошвы и/или каблука.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен на носках человека.

На слой электрета дополнительно наложен слой из электропроводящего материала, толщиной от 10^-6 м до 10^-3 м, оптимально - из алюминия, контактирующий с поверхностью помещения.

В обуви имеется слой из электропроводящего материала, расположенный между ногой человека и слоем электрета, оптимально - элемент конструкции обуви в виде стельки, покрытой слоем металла с толщиной от 10^-6 м до 10^-3 м.

Слой электрета выполнен в виде съемной подошвы, прикрепляемой механически к поверхности обуви.

Поверхность помещения из электропроводящего материала частично или полностью покрыта слоем из диэлектрического материала толщиной от 10^-4 м до 10^-1 м, оптимально - из пленки полимеров или ткани.

В обуви имеется слой из постоянного магнита, толщиной от 10^-4 м до 10^-1 м, расположенный между ногой человека и слоем электрета.

Внутри космического аппарата использован источник постоянного электрического поля, который своим электрическим полем притягивает диэлектрики, взаимодействует с диэлектриками. А обувь и носки традиционно выполняют из кожи, ткани, полимеров и т.п. - это все диэлектрики, сильно взаимодействующие с электрическим полем. И это обеспечивает силу притяжения обуви или носков, а тем самым - и человека, к поверхности источника электрического поля, что позволяет нормализовать положение человека в помещениях аппарата - фиксацию человека на поверхности помещения или упростить его перемещение по поверхности помещения в условиях невесомости. Причем электрическое поле создают слоем электрета, так как электрет позволяет создать постоянное электрическое поле без подвода энергии от источника высокого напряжения, а сам электрет безопасен в обращении, и общий электрический заряд слоя равен нулю относительно внешней среды, что обеспечивает воздействие на ноги и обувь человека вблизи слоя электрета, и одновременно - минимальное воздействие на элементы корабля вдали от слоя электрета. При этом использованы самые разные типы и формы электретов - пленка, пластины, ткани и иные, с толщиной слоя от 10^-6 до 10^-1 м, и их выбор зависит от требований к подобным устройствам со стороны разработчиков космического аппарата.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен (приклеен с помощью клея или механически прикреплен винтами и т.п.) ко всей или только части поверхности помещения, например, в виде длинной дорожки по длине помещения. При этом в общем случае все поверхности помещения могут быть покрыты слоями электрета. Однако оптимально крепить слой электрета только на части поверхности - на одной стене помещения, выбранной в качестве пола помещения, что облегчает ориентацию человека, да и психологически более удобно для длительной жизни в космосе. При этом человек в обуви из диэлектрика фиксируется на поверхности слоя электрета, а при необходимости человек перемещается по поверхности этого слоя электрета - шагает, поочередно переставляя ноги. Причем сила от электрического поля, пусть и слабая вдали от слоя электрета (микрогравитация), будет в условиях невесомости притягивать к поверхности этого слоя электрета.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен (приклеен или механически прикреплен винтами и т.п.) на обуви, оптимально - на подошве или каблуке, а также совместно на подошве и каблуке. Такая обувь позволяет фиксироваться человеку на поверхности помещения из диэлектрического материала (композиты и т.п.), а также перемещаться, шагать, по этой поверхности.

Источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен (приклеен с помощью клея и т.п.) на носках человека, например, на основу из ткани крепят слой электрета. Такие носки также позволяют, как и обувь, фиксироваться и перемещаться на поверхности помещения из диэлектрического материала.

На слой электрета дополнительно наложен слой из электропроводящего материала, толщиной от 10^-6 м до 10^-3 м, оптимально - из алюминия, контактирующий с поверхностью помещения. Такой слой металла накладывается для экранирования электрического поля электрета от возможности проникновения и воздействия поля через диэлектрическую стену помещения на соседнее помещение космического аппарата.

В обуви имеется слой из электропроводящего материала, расположенный между ногой человека и слоем электрета, оптимально - стелька обуви покрыта слоем металла с толщиной от 10^-6 м до 10^-4 м. Это обеспечивает экранирование - защиту ноги человека от воздействия электрического поля слоя электрета.

Слой электрета выполнен в виде съемной подошвы, прикрепляемой механически к поверхности обуви, например, с помощью кнопочного соединения или винтов. Этот вариант конструкции удобен тем, что человек может использовать электрическое поле слоя электрета для фиксации и перемещения по поверхности помещения, а в случае необходимости человек отстегнет съемную подошву со слоем электрета и будет перемещаться в условиях невесомости в объеме помещения в обычной обуви.

Поверхность помещения из электропроводящего материала частично или полностью покрыта слоем из диэлектрического материала толщиной от 10^-6 м до 10^-2 м, оптимально - из пленки полимеров или ткани. Это связано с тем, что стена помещения из электропроводящего материала - металла типа алюминия, магния и т.п.не взаимодействует с электрическим полем. И для обеспечения взаимодействия и притяжения обуви и стены помещения необходимо покрыть поверхность помещения слоем из диэлектрика, который сильно взаимодействует с электрическим полем от электрета обуви.

В обуви имеется слой из постоянного магнита, толщиной от 10^-4 м до 10^-1 м, расположенный между ногой человека и слоем электрета. При этом обеспечивается комбинированное воздействие электрического и магнитного полей на стенки помещения аппарата, при этом электрическое поле эффективно взаимодействует со стенками помещения из диэлектрического материала, а магнитное поле эффективно взаимодействует с металлической ферромагнитной стенкой помещения. Это повышает универсальность применения такой обуви и удобно в случае применения на космическом аппарате различных материалов для изготовления стенок различных помещений.

Предложенное устройство для нормализации положения человека в космическом аппарате поясняется рисунками на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

На фиг.1 изображено помещение космического аппарата 1, на поверхности стены 3 которого закреплен источник электрического поля 5, включающий слой электрета 2 и слой из электропроводящего материала 4.

На фиг.2 изображена поверхность помещения 3 с носком 6, имеющим слой электрета 2.

На фиг.3 изображена обувь 7, в которой слой электрета 2 закреплен на подошве 8 и каблуке 9, также имеется стелька 10 со слоем металла 11, при этом верх обуви 12 крепится с помощью соединения 13, и расположенные на поверхности стены помещения 3 из диэлектрического материала.

На фиг.4 изображена обувь 7 со слоем электрета 2, расположенная на слое из диэлектрического материала 14, закрепленного на поверхности помещения 3 из электропроводящего материала.

На фиг.5 изображена обувь 7 со слоем электрета 2, закрепленного на поверхности слоя из постоянного магнита 15 и расположенная на поверхности стены помещения 3.

Таким образом, при работе человек для нормализации положения использует силу притяжения электрического поля от слоя электрета 2.

При этом на фиг.1 изображен вариант, в котором в помещении космического аппарата 1 слой электрета 2 закреплен на поверхности стены помещения 3, а также имеется слой из электропроводящего материала 4, обеспечивающий экранирование поля от слоя электрета 2 в помещении 1 от проникновения этого поля в другие помещения космического аппарата. При этом слой электрета 2 и слой из электропроводящего материала 4 и образуют источник электрического поля 5, чье электрическое поле обеспечивает фиксацию человека на поверхности стены помещения 3.

На фиг.2 изображен вариант, в котором носок 6 снабжен слоем электрета 2, при этом электрическое поле от слоя электрета 2 взаимодействует с поверхностью помещения 3, обеспечивая фиксацию носка 6, в том числе и с человеком, на поверхности помещения 3.

На фиг.3 изображен вариант, в котором обувь 7 снабжена слоем электрета 2, при этом электрическое поле от слоя электрета 2 взаимодействует с поверхностью помещения 3 из диэлектрического материала, а стелька 10 со слоем металла 11 дает экранирование поля от слоя электрета 2 в объеме обуви 7 и верха обуви (там, где размещается нога человека) 12. При этом человек опирается на поверхность помещения 3 с помощью подошвы 8 и каблука 9, которые прикреплены к верху обуви 12 с помощью соединения 13. Тем самым, электрическое поле от слоя электрета 2 обеспечивает притяжение и фиксацию обуви 7, в том числе и с человеком, на поверхности помещения 3.

На фиг.4 изображен вариант, в котором обувь 7 со слоем электрета 2 расположена на слое из диэлектрического материала 14, закрепляемого на поверхности помещения 3 из электропроводящего материала. Это связано с тем, что электрическое поле от слоя электрета 2 взаимодействует только с диэлектрическими материалами, что вынуждает к тому, что на поверхность помещения 3 из электропроводящего материала дополнительно крепят слой из диэлектрика 14, активно взаимодействующего с электрическим полем слоя электрета 2, обеспечивая при работе фиксацию обуви 7 на поверхности помещения 3 и слое 14.

На фиг.5 изображен вариант, в котором обувь 7 имеет слой из постоянного магнита 15 и одновременно - слой электрета 2, при этом такая обувь 7 обеспечивает притяжение и фиксацию к поверхности помещения 3 за счет электрического поля слоя электрета 2 при выполнении поверхности помещения 3 из диэлектрического материала; а за счет магнитного поля постоянного магнита 15 обувь 7 притягивается и фиксируется при выполнении поверхности помещения 3 из электропроводящего ферромагнитного материала, что дает универсальность такой обуви и удобно при выполнении помещений 3 космического аппарата из различных материалов.

Таким образом, использование электрического поля от слоя электрета 2 в различных вариантах закрепления: на поверхности помещения 3 согласно фиг.1; или на носке 6 согласно фиг, 2; или на обуви 7 в разных исполнениях согласно фиг.3, 4, 5; обеспечивает при работе силу притяжения между слоем электрета 2 и различными поверхностями согласно фиг.1, 2, 3, 4, 5, что обеспечивает фиксацию обуви и носка, в том числе и с человеком, на поверхности помещения, а это и дает нормализацию положения человека относительно поверхностей космического аппарата. Причем сила притяжения от электрического поля слоя электрета 2 мала, что позволяет при необходимости человеку свободно отрывать поочередно ноги, в обуви или носках, от поверхности помещения и переставлять ноги - то есть шагать по этой поверхности со слоем электрета 2.

Таким образом, такое устройство нормализации положения человека на основе использования слоя электрета обеспечивает простую и надежную фиксацию человека, а при необходимости - и перемещение человека относительно поверхностей помещений в космическом аппарате в условиях невесомости.

При этом для варианта согласно фиг.1 и вдали от слоя электрета 2 действует электрическое поле в помещении 1, пусть и с малой силой, обеспечивая микрогравитацию, что дает притяжение к слою электрета 2 и человека, находящегося в невесомости в объеме помещения 1, обеспечивая его постепенный спуск к слою электрета 2, закрепленного на поверхности помещения 3. Это обеспечивает нормализацию положения человека относительно поверхности помещения 3 в объеме помещения 1.

Пример 1

Рассмотрим вариант, в котором источник электрического поля - слой электрета расположен на поверхности помещения космического аппарата (станции и т.п.).

Сначала рассмотрим условия жизни в космических условиях и сопоставим с земными условиями.

Известно, что у поверхности Земли отрицательный заряд, а средняя поверхностная плотность заряда Земли равна 1,15·10^-13 Кл/см², при полном заряде Земли 5,7·10⁵ Кл, при этом средний вертикальный градиент электрического потенциала у земной поверхности равен 130 В/м. Причем частицы всех видов осадков несут на себе электрические заряды, при среднем заряде на одну каплю 1,3·10^-12 Кл, а капли грозового ливня - до 300 В при среднем значения 40 В. А средний ток для дождя или снега равен ~5·10^-15…10^-14 А (Физические величины: Справочник. / А.П.Бабичев и др. - М.: Энергоатомиздат, 1991, с.1196). Таким образом, человек на поверхности Земли все время находится в электрическом поле Земли.

В космических условиях на аппаратах - кораблях и станциях, нет подобного электрического поля, хотя и есть лишь отдельная электризация некоторых вещей, доставляющая неудобство космонавтам и требующая снятия и отвода избыточного электростатического заряда с таких вещей. Поэтому создание электрического поля в космических аппаратах вполне допустимо и даже необходимо - при условии общей нейтральности и отсутствия общего заряда аппарата. Однако получение электрического поля в ограниченных объемах полностью реально, а это позволяет использовать такое поле для фиксации и перемещения человека по поверхности помещения.

Здесь источник электрического поля - слой электрета, закрепленный на поверхности помещения аппарата, воздействующий своим полем на диэлектрические материалы и притягивающий их к поверхности слоя электрета.

Подчеркнем, что ноги человека (в том числе пятки и подошвы) сами по себе - диэлектрики, поэтому и босые ноги будут с электрическим полем слоя электрета взаимодействовать, притягиваясь к слою электрета. При этом босой человек может быть зафиксирован - стоять на слое электрета, а также может шагать - перемещаться по слою электрета на поверхности помещения. Причем человек может надеть и носки из диэлектрического материала (хлопок, лен, синтетика и т.п.), при этом также обеспечивается притяжение и перемещение человека по слою электрета на поверхности помещения.

Однако практически в большинстве стран мира и культур принято ходить в обуви, будь то туфли, домашние тапочки, кроссовки и т.п. Поэтому в примере рассмотрим перемещение по слою электрета человека в обуви. Это объясняется и тем, что любая обувь человека обычно состоит из диэлектрического материала - кожа, синтетика, ткани и т.п., которые активно взаимодействуют с электрическим полем. При этом от слоя электрета в пространстве помещения возникает электрическое поле и под его воздействием в обуви человека (особенно сильно - в подошве и каблуке - из-за близости к слою электрета) происходит поляризация, что и обеспечивает притяжение обуви к источнику электрического поля - слою электрета. А это позволяет обеспечить фиксацию обуви вместе с человеком на поверхности слоя электрета и поверхности помещения в условиях невесомости, а также перемещаться по этой поверхности.

Подчеркнем, что при длительном воздействии на человека необходимо соблюдение требования - воздействующее на человека электрическое поле должно иметь напряженность одного порядка с электрическим полем на поверхности Земли. Поэтому здесь речь идет о небольших силах притяжения, обеспечиваемых прежде всего за счет близкого (в том числе и непосредственного) контакта подошвы и/или каблука обуви со слоем электрета. При этом в условиях невесомости даже небольшого притяжения достаточно для надежной фиксации обуви с человеком на поверхности слоя электрета.

Заметим, что в общем случае все поверхности помещения - все стены помещения могут быть покрыты слоями электрета. Однако оптимально снабжать слоем электрета только одну поверхность помещения, которую разработчики аппарата выбрали в качестве пола помещения. Это позволяет космонавтам психологически легче приспосабливаться к жизни на станции, аппарате, легче ориентироваться в помещении. Кроме того, даже если человек оттолкнется от поверхности помещения и повиснет в невесомости в объеме помещения, то даже небольшое притяжение от слоя электрета, микрогравитация, в условиях невесомости заставит человека вернуться и спуститься на поверхность слоя электрета и помещения.

Отметим, что в общем случае электрическое поле получают различными конструкциями источников поля. Например, широко известны источники электрического поля на основе электродов высокого напряжения. Такие источники достаточно удобны в земных условиях, но однако плохо смотрятся в космических условиях, так как требуют источников питания высокого напряжения и специальных электродов, причем это высокое напряжение, опасное для человека и требующее соблюдения серьезных мер по технике безопасности. То есть, это достаточно серьезная и сложная техническая система, причем требующая подвода энергии, которой в космических условиях обычно не хватает.

Поэтому здесь применены электреты, которые получают за счет поляризации диэлектрического материала, в результате которой на поверхностях диэлектрика образуют разноименные электрические заряды. И благодаря диэлектрическим свойствам материала эти два разноименных полюса могут сохраняться многие годы, создавая вокруг себя постоянное электрическое поле (электрический аналог постоянного магнита). Причем общий электрический заряд слоя электрета равен нулю относительно внешней среды, а заряды на поверхности связаны в структуре слоя, поэтому электреты безопасны в обращении, и при соприкосновении с ним человек не испытывает электрического удара и через него не идет электрический заряд (в отличие от устройств с электродами высокого напряжения). И методы изготовления электретов, например, с помощью коронного разряда и многих других, известны и хорошо отработаны (А.Н.Губкин. Электреты. - М.: Наука, 1978, с.55-64).

Отметим, что поверхности диэлектрика - электрета могут быть как однополюсными, так и многополюсными. Причем электретами могут быть многие диэлектрики, например, интересны пластины из керамических электретов, на основе титанита кальция СаТiO₃, у которого в течение 5 лет заряд почти не изменяется, и даже через 10 лет величина заряда равна до 5·10^-9 Кл/см². Это и пленки из фторопласта, марка Ф-4, или поликарбоната ПК, имеющие наиболее стабильные свойства в течение нескольких лет, с поверхностной плотностью заряда ~10^-8 Кл/см², при толщине пленки 5…100 мкм (см. там же, с.127-131, 168). Отметим, что для пленок майлара (толщиной 25 мкм), тефлона, SiO₂, получают плотность заряда до 10^-6 Кл/см² (Электреты ./ Под ред. Г.Сесслер. - М.: Мир, 1983, с.47, 77-78), что обеспечивает резкое повышение силы воздействия от электрета.

Очень интересны электреты на основе алюминия, при этом за счет химического воздействия на фольгу или лист из алюминия на поверхности получают окисный слой, пленку, являющуюся диэлектриком, а затем за счет известной электрофизической обработки (как для пленки Ф-4 или ПК) в этой окисной пленке получают электрет, при этом сама основа - фольга или лист, остается электропроводящей (патент РФ 2110863, МКИ Н01G 7/02, опубл. 10.05.98). Также очень интересны и электретные ткани, содержащие множество ориентированных параллельных армирующих нитей, несущие электрический заряд разной полярности на внешней и внутренней поверхностях (патент США 5429848, МКИ G11С 13/02, НКИ 428/36.2, опубл. 04.07.95).

Отметим известные конструкции электретных фильтров, в которых заряженные частицы притягиваются к поверхности электрета, причем и нейтральные частицы приобретают наведенный полем электрета заряд и также притягиваются к электрету. Существуют волокнистые электретные фильтры с разными материалами волокон, обычно полимерные, длиной до нескольких метров (Ю.И.Воронежцев и др. Электрические и магнитные поля в технологии полимерных композитов. - Минск: Наука и техника, 1990, с.229-234).

Таким образом, для получения электрического поля применяют различные типы электретов. Причем по мере развития техники появляются новые типы и марки электретов, которые также найдут применение в данной конструкции. Соответственно, здесь возможны различные варианты получения слоя электрета на поверхности помещения - пола, и их выбор зависит лишь от требований и желания разработчиков космического аппарата.

Отличным вариантом данной конструкции является изготовление слоя электрета в виде длинной дорожки из пленки, например из фторопласта Ф-4 или поликарбоната ПК, толщиной 5…100 мкм, которую подготавливают на Земле, делают из нее рулон, сматывая дорожку. А после доставки рулона па аппарат, космическую станцию, его разматывают по длине поверхности помещения - пола, затем эту дорожку из пленки фиксируют на поверхности, например, приклеивают края пленки к поверхности помещения или фиксируют механически края пленки к поверхности с помощью прижимов, винтов и т.п.

Также отличным вариантом является изготовление слоя электрета в виде длинной "ковровой" дорожки из электретных тканей. Такая ковровая дорожка сматывается в рулон, который и доставляют с Земли на аппарат, где рулон разматывают по длине поверхности помещения - пола, а затем фиксируют на этой поверхности - механически (прижимами, винтами и т.п.) или приклеивают края дорожки. Такая дорожка аналогична известным фильтрам, которые имеют длину электретных волокон до нескольких метров (см. там же).

Хорошим вариантом конструкции является изготовление слоя электрета в виде длинной дорожки из фольги алюминия, на поверхности которого химическим путем получают окисный слой с электретными свойствами, а затем получают после физической обработки (коронным разрядом и т.п.) и слой электрета. И фольгу алюминия со слоем электрета также сматывают в рулон, затем доставляют с Земли на аппарат, станцию, где его разматывают и крепят по поверхности помещения - пола.

Хорошим вариантом конструкции является изготовление слоя электрета в виде множества пластин из керамического электрета. При этом ящик с отдельными пластинами из керамического электрета с Земли доставляется на аппарат, и затем эти пластины крепят механически (прижимами, винтами и т.п.) или приклеивают к поверхности помещения, образуя слой электрета. Достоинство такой конструкции - простота получения любой конфигурации размещения пластин на поверхности, и, соответственно, оптимальное электрическое поле для взаимодействия, при этом отношение площади электретов к общей площади поверхности легко регулируется, от 1% до 50-100%, недостаток такой конструкции - керамический электрет имеет высокую твердость и его невозможно свернуть в рулон, что неудобно для транспортировки и повышает трудоемкость получения такой электретной поверхности помещения.

Плохой вариант конструкции, однако технически осуществимый, состоит в получении слоя электрета за счет сочетания химического и электрофизического воздействия непосредственно на поверхность помещения аппарата, выполненного из алюминия и его сплавов или иных материалов, обладающих электретными свойствами, и после такой обработки получают слой электрета в поверхностном слое помещения. Этот вариант имеет большой недостаток - требует доставки с Земли на космический аппарат специального оборудования для получения химического и электрофизического воздействия на поверхности помещений или проведения такой обработки помещений еще на Земле, на стадии изготовления такой станции, что не позволит в дальнейшем выбирать - какие поверхности помещений использовать в качестве пола, или изменять по мере необходимости выбор поверхности.

Предельный вариант - использование электретной ткани в качестве элемента конструкции - перегородки или стены между различными помещениями аппарата.

Таким образом, с помощью различных типов электретов обеспечивают получение длинного слоя электрета на выбранных поверхностях помещений. При этом площадь электретов. составляет от 1% до 100% площади дорожки или поверхности помещения, оптимально - 10-50%. Это достигается технологически при изготовлении электретов на дорожке, и электреты выполнены в виде полос, квадратов, кругов и т.п. (по желанию разработчиков) на дорожке, (в том числе и в варианте однополюсных или многополюсных электретов). И этот слой электрета обеспечивает получение постоянного электрического поля и взаимодействие - притяжение на ноги человека (в обуви, в носках или босые ноги), при этом человек фиксируется к поверхности слоя электрета на поверхности помещения - пола аппарата, станции. При перемещении человек поднимает одну ногу и переставляет ее, ставя и фиксируя ее дальше на поверхности слоя электрета. И так человек переставляет одну ногу за другой, шагает, при этом одна нога - поочередно - находится в контакте со слоем электрета, обеспечивая фиксацию человека на поверхности.

Подчеркнем, что сила взаимодействия между слоем электрета и ногой человека соответствует малой величине гравитации. Однако при эксплуатации аппарата, станции в течение многих лет даже при микрогравитации возможен постепенный износ поверхности слоя электрета из-за длительного постоянного контакта с ногами человека. Поэтому в качестве основного варианта конструкции слоя электрета можно пренебречь износом этого слоя и использовать такой слой электрета непосредственно, с контактом с ногами человека, что вполне оправданно при использовании дорожки из электретной ткани или пластин из твердых керамических электретов. Однако в дальнейшем возможно усложнение конструкции - на внешнюю поверхность слоя электрета наносят дополнительное износостойкое покрытие из диэлектрического материала, толщиной 1…100 мкм, из кевлара, лавсана и т.п., наносимого на Земле после получения дорожки из слоя электрета. И здесь ноги человека непосредственно контактируют с износостойким покрытием, которое обеспечивает защиту слоя электрета от истирания.

Еще одним аспектом эксплуатации слоя электрета является необходимость обеспечения экранирования электрического поля в помещении от других помещений. Это связано с тем, что в конструкции космических аппаратов и станций используют различные материалы. В случае применения в качестве материала стены помещения электропроводящего материала (металл - сплавы магния, алюминия и т.п.) задача экранирования: решается автоматически - за счет материала стены помещения.

В случае выполнения стены помещения из диэлектрического материала (композит и т.п.) благодаря поляризации под действием электрического поля от слоя электрета возможно проникновение электрического поля и в соседнее помещение, где нет слоя электрета, и для ограждения соседнего помещения от воздействия слоя электрета, если это недопустимо (с точки зрения разработчиков аппарата), и требуется экранирование с помощью электропроводящего материала. Это достигается нанесением слоя металла, толщиной 1…20 мкм, на одну сторону слоя электрета. Такая металлизация поверхности слоя электрета с помощью алюминия и других металлов обеспечивает экранирование соседнего помещения от возможности проникновения в него электрического поля от слоя электрета. Причем в этом случае слой электрета на поверхность помещения кладется своим металлизированным покрытием. Отметим, что в случае применения в качестве электрета фольги из алюминия с окисным электретным слоем не требуется металлизированного покрытия, так как его роль выполняет сама основа фольги.

Таким образом, возможны различные варианты конструкции слоя электрета.

Для варианта стены помещения из электропроводящего материала интересным является изготовление двухслойной электретной дорожки, в которой основа - слой электрета из мягкого материала (фторопласт Ф-4 и т.п.), а внешний слой - износостойкое покрытие из прочного диэлектрика. А для тканевого электрета и электрета из керамики достаточно только одного слоя - самого электрета, без дополнительных покрытий.

Отметим, что в случае, когда не требуется экранировать соседнее помещение, даже в случае стены из диэлектрика, то достаточно лишь слоя электрета, без других покрытий.

Заметим, что из-за малой толщины всех возможных слоев электретной дорожки масса такой дорожки всего порядка 0,1…1 кг на 1 м² площади дорожки.

Сама конструкция обуви человека (тапочки, туфли, и т.п.) аналогична применяемым на Земле, так как применяют обычно диэлектрические материалы - кожа, ткани, синтетика и т.п., а они отлично взаимодействуют с электрическим полем, обеспечивая притягивание, прилипание к поверхности слоя электрета. При этом малая величина силы притяжения позволяет пользоваться непосредственно традиционной обувью, крепящейся на ноге с помощью известных шнурков, застежек и т.п.

Возможен и вариант конструкции обуви, обеспечивающий экранирование ног человека даже от слабого поля электрета. Здесь для экранирования используют слой из электропроводящего материала, металла, толщиной 1…10 мкм из алюминия и т.п. Такой слой располагают, где угодно по объему обуви, однако оптимально - стелька внутри обуви выполнена металлизированной, то есть двухслойной - на слой ткани нанесено металлическое электропроводящее покрытие, которое и экранирует ноги от электрического поля слоя электрета. Возможны и иные конструкторские варианты размещения электропроводящего слоя. Отметим смешанный вариант - обувь традиционная, а сами носки выполнены металлизированными, двухслойными - внутренний слой выполнен из ткани (традиционные материалы - хлопок и т.п.), а внешний слой - из электропроводящего материала, металла типа алюминия и т.п., толщиной 1…10 мкм.

Таким образом, электрическое поле от слоя электрета обеспечивает притягивание и фиксацию человека, его ног (обуви, носков, босые ноги) к поверхности слоя электрета, закрепленного на выбранной поверхности помещения - пола, а также обеспечивает перемещение человека по поверхности слоя электрета.

Пример 2.

Рассмотрим вариант, при котором источник электрического поля - слой электрета расположен на обуви человека.

Принципиально в общем случае слой электрета располагают в любом месте в обуви. Однако оптимально помещать слой электрета в подошве или на каблуке обуви, или вместе и на каблуке и на подошве обуви, что обеспечивает непосредственный контакт с поверхностью помещения аппарата и максимальную силу взаимодействия. При этом здесь используют практически все типы электретов, приведенные в примере 1, а также и возможные новые типы электретов, которые появятся по мере развития техники, в качестве обуви используют различные известные виды - туфли, тапочки, кроссовки и т.п. И здесь пленка из фторопласта Ф-4 и т.п., или керамические пластины, или электретная ткань, крепятся на поверхности каблука и/или подошвы с помощью склеивания или механически, с помощью винтов.

В качестве одного из вариантов такой обуви применена съемная электретная подошва (подошва со слоем электрета), прикрепляемая механически к поверхности обуви, например, с помощью винтов, или кнопочного соединения, или иных конструкций крепления.

Интересным вариантом изготовления такой обуви является использование готового слоя электрета в качестве элемента конструкции обуви. Например, оптимально использование электретной ткани в качестве подошвы обуви, типа тапочек, или просто сшить из этой ткани туфли или тапочки.

Более сложным и худшим вариантом обуви, однако технически вполне осуществимый и реальный, является электрофизическая обработка подошвы или каблука или совместно подошвы и каблука с получением слоя электрета в объеме подошвы или каблука. Это возможно технически, так как подошва и каблук выполнены из диэлектрических материалов, которые после электрофизической обработки (коронным разрядом и т.п.) получают электретные свойства.

Сама конструкция обуви человека аналогична применяемым на Земле. Отметим, что достаточно малая величина электрического поля от слоя электрета позволяет пользоваться непосредственно традиционной обувью, крепящейся на ноге с помощью шнурков, застежек и т.п. Однако в идеале можно исключить воздействие электрического поля на ноги человека, что достигается экранированием с помощью электропроводящего материала, металла типа алюминия с толщиной 1…10 мкм. В принципе это достигается различным конструкторским вариантом размещения слоя металла в объеме обуви в зависимости от конструкции обуви и места расположения слоя электрета. А самый простой и оптимальный - стелька внутри обуви выполнена металлизированной, двухслойной - на слой ткани нанесено металлическое покрытие, которое и экранирует ноги человека от поля.

Отметим и смешанный вариант, как в примере 1, - обувь со слоем электрета, а носки выполнены металлизированными, двухслойными - внутренний слой ткани покрыт внешнем слоем металла, толщиной 1…10 мкм, из алюминия и т.п.

Таким образом, электрическое поле от слоя электрета на поверхности подошвы и каблука обуви обеспечивает притягивание и фиксацию ног человека на поверхности помещения, выполненной из диэлектрического материала, типа композит и т.п., а также обеспечивает перемещение человека по этой поверхности помещения, ходьбу человека.

В случае применения помещений со стенами из электропроводящих материалов, металлов такая обувь с электретом не позволяет проводить фиксацию ног человека на поверхности помещения. Это вынуждает вводить и крепить на металлических поверхностях дополнительное покрытие из диэлектрического материала, например, оптимально на металлическую поверхность крепить (склеивание или механически - винтами и т.п.) дорожку из диэлектрического материала (полимерная пленка, ткани и т.п.) толщиной 1…10⁴ мкм, оптимально - 10²…10³ мкм. И это покрытие обеспечивает надежную фиксацию обуви с электретом (вместе с человеком) на поверхности помещения с диэлектрическим покрытием. Отметим, что если в помещении только одна металлическая стена снабжена диэлектрическим покрытием, то эта стена может служить в качестве пола.

Отметим, что пример 1 и пример 2 могут быть объединены. Тогда на космическом аппарате, станции одновременно используют и обувь со слоем электрета и электретную дорожку на поверхности помещения, по крайней мере - в части помещений аппарата. При этом электреты на обуви и на дорожке имеют разные знаки, заряжены на (+) и (-), что обеспечивает большую силу притяжения электретов и надежнейшую фиксацию на поверхности такого помещения человека.

Также отметим, что прототип - обувь с постоянным магнитом, тоже может использовать как вариант конструкции, дополнительный слой электрета, накладываемый на поверхность такого постоянного магнита. При этом толщина магнита от 0,1 мм до 100 мм, оптимально - 5…30 мм, а толщина слоя электрета от 0,01 мм до 1 мм; при этом такой тонкий слой электрета никак не влияет и не мешает пространственному магнитному полю от магнита. Отметим, что магнит - электропроводящий материал, экранирующий электрическое поле, поэтому слой электрета нанесен на поверхность обуви - подошвы и/или каблука, непосредственно контактирующей с поверхностью помещения. При этом слой постоянного магнита оказывается расположенным между ногой человека и слоем электрета на поверхности обуви. Такая комбинированная обувь более универсальна и удобна в эксплуатации в том случае, когда стены, разных помещений аппарата выполнены из различных материалов - композиты, металлы и т.п., что позволяет на разных стенах помещений эффективно использовать или магнит или электрет, находящиеся на одной и той же обуви.

Итак, использование электрического поля слоя электрета обеспечивает в условиях невесомости фиксацию и перемещение человека по поверхности помещения космического аппарата, будь то межпланетный корабль, или орбитальная станция на орбите вокруг Земли, или иной аппарат. Таким образом, предложенное устройство нормализации положения человека в космическом аппарате обеспечивает простую и практически автоматическую фиксации и перемещение человека улучшает пространственную ориентацию положения человека в помещениях. И это простое устройство, не требующее источника питания на борту такого аппарата, и это устройство служит много лет. Причем подчеркнем, что у электретов общий электрический заряд слоя электрета равен нулю относительно внешней среды, то есть эта система не дает электризации, не дает электрического заряда для космического аппарата; а сами заряды на поверхности слоя электрета связаны в структуре слоя, поэтому электреты безопасны в эксплуатации. Такое устройство улучшает условия жизни людей в космическом аппарате.

Итак, предложенное устройство нормализации положения человека в космическом аппарате в условиях невесомости обеспечивает необходимые фиксацию и перемещение человека в помещениях аппарата. Это устройство полностью соответствует современному уровню техники и критерию "промышленной применимости". При этом достигается улучшение условий жизни людей, работы и отдыха, в условиях невесомости. Данное изобретение найдет применение в космической технике на космических аппаратах различного назначения, будь то орбитальные станции, или межпланетные корабли, или иные аппараты.

Изобретение относится к устройствам для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей в условиях невесомости и может использоваться в космической технике. Устройство для нормализации положения человека в космическом аппарате содержит поверхности помещения, обувь с ее элементами конструкции и источник поля для создания силы, фиксирующей человека относительно поверхности помещения. Внутри космического аппарата имеется источник постоянного электрического поля, выполненный в виде слоя электрета, изготовленного в виде пленки или пластины, или ткани, толщиной от 10^-6 м до 10^-6 м. Достигается повышение надежности и упрощение фиксации человека на поверхности помещения в невесомости. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для нормализации положения человека в космическом аппарате, содержащее поверхности помещения, обувь с ее элементами конструкции и источник поля для создания силы, фиксирующей человека относительно поверхности помещения, отличающееся тем, что внутри космического аппарата имеется источник постоянного электрического поля, выполненный в виде слоя электрета, изготовленного в виде пленки или пластины, или ткани, или иных форм и типа слоя электрета, толщиной от 10^-6 м до 10^-2 м.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен ко всей или части поверхности помещения, оптимально - на поверхности, выбранной в качестве пола помещения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен на обуви, оптимально - на элементе конструкции обуви в виде подошвы и/или каблука.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электрического поля в виде слоя электрета прикреплен на носках человека.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на слой электрета дополнительно наложен слой из электропроводящего материала, толщиной от 10^-6 м до 10^-3 м, оптимально - из алюминия, контактирующий с поверхностью помещения.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в обуви имеется слой из электропроводящего материала, расположенный между ногой человека и слоем электрета, оптимально - стелька обуви покрыта слоем металла с толщиной от 10^-6 м до 10^-3 м.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что слой электрета выполнен в виде съемной подошвы, прикрепляемой механически к поверхности обуви.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поверхность помещения из электропроводящего материала частично или полностью покрыта слоем из диэлектрического материала, толщиной от 10^-4 м до 10^-1 м, оптимально - из пленки полимеров или ткани.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в обуви имеется слой из постоянного магнита, толщиной от 10^-4 м до 10^-1 м, расположенный между ногой человека и слоем электрета.