ГЕРМОБОКС ДЛЯ АППАРАТУРЫ НАБЛЮДЕНИЯ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ Российский патент 2015 года по МПК B64D47/08 

Предлагаемое техническое решение относится к области космической техники и может быть использовано для размещения аппаратуры наблюдения при проведении съемки космонавтом с рук в открытом космическом пространстве.

Известен гермобокс производства ООО «Тахион», Россия, г. Санкт-Петербург (www.tahion.spb.ru), предназначенный для размещения аппаратуры наблюдения - видеокамеры, который содержит корпус с задней и передней крышками, теплоизолятор, расположенный по внутренней боковой поверхности корпуса, систему обогрева видеокамеры, включающую два полупроводниковых транзистора, один из которых служит для обогрева стекла гермобокса, а второй обеспечивает подогрев непосредственно видеокамеры, внутренний кронштейн для крепления видеокамеры и гермовводы, установленные на задней крышке гермобокса. Гермобокс предназначен для установки и защиты видеокамер от воздействия окружающей среды - влаги и отрицательных температур. К недостаткам данного устройства относится то, что данный гермобокс не обладает герметичностью.

Известен гермобокс Nexus (Anthis в Японии) для камеры Nikon D800 (http://marinecamera.com/slr/nexusanthis/ - прототип), содержащий корпус, выполненный из двух соединенных через герметизирующую прокладку частей, элементы разъемного соединения частей корпуса, элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса, электрический разъем, герметично установленный в корпусе и выходящий на внутреннюю и внешнюю поверхности корпуса, электрический провод, соединяющий спусковое гнездо аппаратуры наблюдения с внутренней частью электрического разъема, ручной выключатель, установленный на внешней части электрического разъема, две рукоятки, установленные на корпусе гермобокса, при этом одна из частей корпуса содержит оптический порт под объектив аппаратуры наблюдения, выполненный в виде цилиндрического элемента, в торце которого выполнено отверстие, закрытое стеклом, диаметр которого соответствует диаметру объектива аппаратуры наблюдения.

Гермобокс предназначен для защиты аппаратуры наблюдения от воздействия водной среды в условиях подводной съемки, когда внешнее давление на гермобокс превышает давление внутри корпуса гермобокса. Гермобокс используется оператором, оператор удерживает гермобокс за рукоятки и включает/выключает аппаратуру наблюдения посредством выключателя.

Недостатком гермобокса-прототипа является то, что он не обеспечивает необходимую защиту аппаратуры наблюдения в условиях открытого космического пространства, а именно, в условиях, когда внешнее давление на гермобокс меньше, чем давление внутри корпуса гермобокса, когда присутствуют разрушающие факторы открытого космического пространства, в том числе ультрафиолетовое излучение, и когда имеют место большие перепады мощности теплового потока, поступающего на внешнюю поверхность гермобокса. Мощность теплового потока, поступающего на внешнюю поверхность гермобокса, колеблется от максимальной, соответствующей потоку прямого солнечного излучения, освещающего гермобокс на световой части орбиты пилотируемого космического аппарата (КА), до нулевой в моменты нахождения КА на теневой части орбиты КА. Элементы разъемного соединения частей корпуса гермобокса предназначено для соединения частей корпуса в условиях, когда внешнее давление на гермобокс больше, чем давление внутри корпуса гермобокса (т.е. когда разность внешнего и внутреннего давлений способствует соединению/удержанию частей корпуса вместе) и не предназначено для соединения частей корпуса в условиях, когда внешнее давление на гермобокс меньше, чем давление внутри корпуса гермобокса (т.е. когда разность внешнего и внутреннего давлений способствует разъединению частей корпуса) - в этом случае возможно разрушение средства разъемного соединения частей корпуса, не предназначенного для работы в таких условиях (в условиях внешнего вакуума).

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение использования ручной аппаратуры наблюдения космонавтом в открытом космическом пространстве.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в обеспечении герметичности гермобокса при положительной разности давлений внутри и вне его корпуса, а также в обеспечении защиты аппаратуры наблюдения от разрушающих факторов открытого космического пространства.

Технический результат достигается тем, что в гермобокс для аппаратуры наблюдения в космическом пространстве, содержащий корпус, выполненный из частей, соединенных через герметизирующую прокладку, элементы разъемного соединения частей корпуса, элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса, герметично установленный в корпусе электрический разъем, внутренняя часть которого соединена посредством первого электрического провода с аппаратурой наблюдения, выключатель и две установленные на корпусе рукоятки, при этом в корпусе перед объективом аппаратуры наблюдения герметично установлено стекло, отличающийся тем, что дополнительно введены запорный клапан, герметично закрепленный в корпусе, чехол, выполненный в виде стационарной и откидной частей из экранно-вакуумной термоизоляции, средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом, средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении, при этом выключатель размещен на рукоятке и соединен с внешней частью электрического разъема дополнительно введенным вторым электрическим проводом, а стекло снабжено ультрафиолетовым фильтром, причем элементы разъемного соединения частей корпуса выполнены в виде болтового соединения, характеристики которого соответствуют положительной разности давлений внутри и вне корпуса гермобокса.

Суть предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1-3.

На фиг.1 и 2 представлены схемы гермобокса при закрытом и откинутом положениях откидной части чехла, соответственно.

На фиг.3 представлена одна из возможных схем выполнения рукоятки и выключателя.

На фиг.1÷3 введены следующие обозначения:

1 - аппаратура наблюдения;

2 - корпус;

3 - герметизирующая прокладка;

4 - паз;

5 - элементы разъемного соединения частей корпуса;

6 - элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса;

7 - электрический разъем;

8, 9 - первый и второй электрические провода;

10 - выключатель;

11, 12 - рукоятки;

13 - запорный клапан;

14 - чехол;

15 - объектив;

16 - отверстие под установку стекла;

17 - стекло;

18 - ультрафиолетовый фильтр;

19 - отверстие под установку электрического разъема;

20 - отверстие под установку клапана;

21 - стационарная часть чехла;

22 - откидная часть чехла;

23 - средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом;

24 - средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении;

25 - рычаг выключателя;

26 - палец перчатки космонавта.

Гермобокс для аппаратуры наблюдения 1 содержит корпус 2, состоящий из двух частей, герметизирующую прокладку 3, вложенную в паз 4, выполненный в торце одной из частей корпуса 2, элементы разъемного соединения частей корпуса 5, элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса 6, электрический разъем 7, два электрических провода 8, 9, выключатель 10, две рукоятки 11, 12, установленные на корпусе 2, запорный клапан 13, чехол 14 на корпус 2.

В корпусе 2 над объективом 15 аппаратуры наблюдения 1 выполнено отверстие под установку стекла 16, в котором герметично установлено ударопрочное стекло 17, диаметр которого соответствует диаметру объектива 15. Стекло 17 снабжено ультрафиолетовым фильтром 18.

Электрический разъем 7 герметично установлен в корпусе 2 в отверстии под установку электрического разъема 19. Электрический разъем 7 имеет внутреннюю и внешнюю части, которые выходят, соответственно, на внутреннюю и внешнюю поверхности корпуса 2.

Запорный клапан 13 герметично установлен в корпусе 2 в отверстии под установку клапана 20.

Чехол 14 выполнен из экранно-вакуумной термоизоляции (ЭВТИ). Чехол 14 содержит «стационарную» часть чехла 21, «откидную» часть чехла 22, средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом 23 и средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении 24. Средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом 23 и средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении 24 могут быть выполнены, например, в виде соединений велкро, при этом одни части соединений велкро размещены на стационарной части чехла 21, а другие части соединений велкро размещены на откидной части чехла 22.

Первый электрический провод 8 соединяет управляющий вход аппаратуры наблюдения с внутренней частью электрического разъема 7. Второй электрический провод 9 соединяет внешнюю часть электрического разъема 7 с выключателем 10.

Выключатель 10 размещен на рукоятке 11 и может быть выполнен в виде тумблера, длина рычага 25 которого соответствует ширине пальца перчатки космонавта 26.

Элементы разъемного соединения частей корпуса 5 выполнены в виде болтового соединения. Характеристики данного болтового соединения наряду с характеристиками герметизирующей прокладки 3 соответствуют положительной разности давлений внутри и вне корпуса 2 гермобокса.

Гермобокс предназначен для размещения ручной аппаратуры наблюдения (например, съемочной фото/видео аппаратуры) при ее использовании в условиях в открытого космического пространства. При этом во время эксплуатации аппаратуры внутри гермобокса сохраняется воздушная среда с нормальным атмосферным давлением, необходимая для штатного функционирования аппаратуры.

Размер корпуса гермобокса соответствует размерам размещаемой в нем аппаратуры. Требуемый уровень сохранения прочности конструкции гермобокса в месте стыка частей корпуса и герметичность стыка обеспечивается путем выполнения элементов разъемного соединения частей корпуса в виде болтового соединения.

Болтовое соединение частей корпуса содержит болты и элементы болтового соединения (проушины, гайки), размещенные по периметру соединяемых краев частей корпуса. Количество болтов и диаметр болтов в болтовом соединении частей корпуса выбираются из условия сохранения прочности болтовых соединений от действия нагрузок, возникающих за счет разности давлений внутри и снаружи гермобокса после выполнения его шлюзования (при помещении гемобокса в вакуум). При этом болтовые соединения работают на растяжение. Исходя из того, что стандартное давление внутри обитаемых отсеков составляет 1 атмосферу, а вакуум вблизи обитаемых отсеков КА составляет 1.0·10^-6÷0.1·10^-6 атмосферы, то можно принять, что разность давлений составляет 1 атмосферу (1 кгс/кв.см).

В качестве примера рассмотрим гермобокс, выполненный из алюминиевого сплава с болтовыми соединениями из стали и предусматривающий размещением в нем фотоаппарата Nikon D3. Площадь поперечного сечения стыка частей корпуса гермобокса составляет примерно 20 см*20 см=400 кв.см, периметр стыка составляет 20 см*4=80 см. Для обеспечения равномерной нагрузки по стыку при давлении в 1 атмосферу рекомендуемый шаг между болтовыми соединениями выбирается ≤15 см (Справочник конструктора-машиностроителя под ред. Анурьева В.И. Том 2), при этом минимальное необходимое количество болтов определяется отношением периметра стыка к шагу между болтовыми соединениями и равно 80 см/15 см=5,333≈6 болтам. На один болт действует растягивающее усилие, определяемое соотношением

Ближайшее рекомендуемое значение номинального диаметра резьбы для стали 35 составляет 6 мм (Справочник конструктора-машиностроителя под ред. Анурьева В.И. Том 2). Таким образом, 6 болтовых соединений с болтами с резьбой диаметром 6 мм, расположенные по периметру гермобокса, обеспечивают необходимый уровень сохранения прочности соединения частей корпуса гермобокса.

Для обеспечения герметичности стыка части корпуса соединены с использованием уплотнения, которое представляет собой, например, замкнутый резиновый шнур квадратного сечения, уложенный в паз, расположенный по периметру одной из частей корпуса гермобокса.

В соответствии с требованиями ОСТ В 38.0525-85 для обеспечения герметичности стыка при избыточном давлении в 1 атмосферу необходимо, чтобы минимальный объем паза превышал объем уплотнителя на величину от 3 до 10% и деформация сжатия резинового шнура находилась в диапазоне 15÷50%. Например, в рассмотренном примере гермобокса периметр стыка равен 80 см. В качестве уплотнителя используем резиновый шнур квадратного сечения со стороной 0,35 см и паз прямоугольного сечения шириной 0,44 см и глубиной 0,29 см. Определим величину соотношения объемов и деформацию сжатия данного уплотнителя. Величина отношения объема паза к объему уплотнителя определяется соотношением

где S=0,35 см - ширина уплотнителя,

H=0,35 см - высота уплотнителя,

L=80 см - длина шнура и паза (принимается одинаковой),

S₁=0,44 см - ширина паза,

H₁=0,29 см - глубина паза.

Деформация сжатия для уплотнителей определяется соотношением

где H₂ - высота уплотнителя в сжатом состоянии (принимаем H₂=H₁).

Значения B (2) и E (3) соответствуют вышеприведенным требованиям ОСТ В 38.0525-85.

Таким образом, выбранные конструкция болтового соединения и уплотнение обеспечивает уровень герметичности, при котором сохраняется воздушная среда с атмосферным давлением внутри гермобокса. На настоящем этапе развития практической космонавтики длительность выходов космонавтов в открытый космос составляет единицы часов и приведенные параметры разъемного соединения частей корпуса гермобокса обеспечивают необходимый уровень герметичности соединения в течение данного времени.

В гермобокс введен запорный клапан, который может быть выполнен, например, в виде штуцерного стяжного соединения с ввертным штуцером с накидной гайкой и заглушкой с ниппелем. Заглушка с ниппелем закреплена на накидной гайке (ОСТ 92-8500-80) стопорным кольцом (ОСТ 92-8516-80). Усилие затяжки накидной гайки регулируется динамометрическим ключом. Клапан предназначен для обеспечения контроля герметичности соединения частей корпуса гермобокса и обеспечения плавного выравнивания давления внутри гермобокса.

После установки внутрь гермобокса аппаратуры наблюдения и соединения двух частей гермобокса на борту КА внутри гермобокса создается воздушная среда с давлением, равным атмосферному давлению внутри КА. При помощи клапана осуществляется проверка герметичности соединения частей корпуса гермобокса. Для этого накидная гайка отворачивается и на ее место подсоединяется компрессор, нагнетающий внутрь корпуса воздух под давлением 2 атмосферы. После этого с помощью манометра, встроенного в компрессор, измеряется текущее давление воздуха внутри гермобокса в течение заданного интервала времени, в течение которого гермобокс будет находиться в открытом космосе. Если измеряемое текущее давление внутри гермобокса падает, то соединение частей корпуса гермобокса негерметично. Негерметичность устраняется подтяжкой болтов разъемного соединения, соединяющего части корпуса гермобокса, до устранения падения измеряемого давления (на практике может допускаться некоторое падение давления за определенное время - в общем случае контролируется, чтобы за интервал времени заданной продолжительности падение давления не превышало заданную величину). По завершении контроля герметичности компрессор отсоединяют и накидную гайку устанавливают на место. Для сохранения герметичности завернутого клапана в клапан предварительно устанавливают предусмотренную прокладку из мягкого алюминиевого сплава.

После того, как гермобокс с аппаратурой наблюдения был использован в открытом космосе, гермобокс открывают внутри КА. При этом за время работы с гермобоксом в открытом космосе давление внутри гермобокса и/или давление внутри КА могут незначительно измениться. Для того, чтобы исключить наличие перепада давлений в момент раскрытия частей корпуса (данный перепад может негативно повлиять на сохранность гермобокса и съемочной аппаратуры) космонавт выполняет плавное выравнивание давлений внутри и вне гермобокса. Выравнивание давления осуществляется отвертыванием накидной гайки клапана.

Таким образом, предложенный клапан обеспечивает необходимые контроль герметичности соединения частей корпуса гермобокса и плавное выравнивание давления внутри гермобокса после его использования в открытом космосе, при этом использование предложенного клапана в гермобоксе удобно и эргономично для космонавта.

Ультрафиолетовый фильтр, которым снабжено стекло оптического порта, защищает аппаратуру наблюдения от жесткого ультрафиолетового излучения, присутствующего в открытом космическом пространстве.

Корпус гермобокса покрыт съемным чехлом из ЭВТИ. ЭВТИ обеспечивает термостатирующие свойства чехла. Чехол имеет «стационарную» и «откидную» части и средства разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом и в отведенном от стекла положении - данные положения являются, соответственно, «закрытым» и «откинутым» положениями откидной части чехла. В моменты, когда гермобокс находится в открытом космосе, но съемка не производится, откидная часть чехла переводится космонавтом в закрытое положение и фиксируется в этом положении посредством соответствующего средства фиксации (например, соединения велкро). В моменты выполнения съемки откидная часть чехла переводится космонавтом в откинутое положение и фиксируется в этом положении посредством соответствующего средства фиксации (например, соединения велкро). Откидная часть чехла может иметь металлическую вставку между слоями ЭВТИ, что обеспечивает защиту ультрафиолетового фильтра и стекла в транспортном положении при перемещении гермобокса. Предложенное выполнение чехла обеспечивает необходимый температурный режим внутри гермобокса, при этом предложенные средства фиксации откидной части чехла в закрытом и откинутом положениях обеспечивают надежную разъемную фиксацию откидной части чехла в описанных положениях, что исключает самопроизвольное перемещение откидной части чехла и обеспечивает удобство использования гермобокса космонавтом.

В предложенном гермобоксе выключатель размещен на одной из рукояток, установленных на корпусе гермобокса. Например, выключатель может быть выполнен в виде тумблера, длина рычага которого соответствует ширине пальца перчатки космонавта. Это обеспечивает удобное управление аппаратурой наблюдения: космонавт имеет возможность держать гермобокс в перчатке скафандра и одновременно управлять аппаратурой путем нажатия на выключатель пальцем перчатки. При этом возможны разные схемы управления аппаратурой посредством рычага выключателя - например, покадровая съемка при каждом переводе рычага в новое положение, включение/выключение режима непрерывной съемки при каждом переводе рычага в новое положение, покадровая съемка или включение/выключение аппаратуры при переводе рычага в фиксированные положения и т.д.

Например, в предложенном гермобоксе рукоятка может быть выполнена в виде замкнутого элемента, образующего в рукоятке отверстие, высота и ширина которого соответствуют, соответственно, ширине перчатки космонавта и длине вытянутого пальца перчатки космонавта (фиг.3). При этом выключатель установлен на верхней внутренней стороне данного отверстия и рычаг выключателя размещается внутри данного отверстия. Такое исполнение рукоятки и выключателя обеспечивает космонавту наиболее удобную возможность управлять рычагом выключателя путем сгибания и разгибания указательного пальца перчатки.

Опишем технический эффект предлагаемого изобретения.

Предлагаемое устройство обеспечивает использование ручной аппаратуры наблюдения космонавтом в открытом космическом пространстве. Предлагаемое устройство расширяет функциональные характеристики устройства-прототипа, повышает удобство и эргономичность.

Настоящее изобретение позволяет проводить наблюдение, в том числе фото/видео съемку в открытом космосе, обеспечивая герметичную защиту аппаратуры наблюдения в условиях открытого космического пространства, когда внешнее давление на гермобокс меньше, чем давление внутри корпуса гермобокса, а также обеспечивает защиту аппаратуры наблюдения от разрушающих факторов открытого космического пространства, в том числе от попадания ультрафиолетового излучения в объектив аппаратуры, и от перепадов мощности теплового потока, поступающего на внешнюю поверхность гермобокса, возникающих между состояниями, когда гермобокс освещен и затенен от солнечного излучения. При этом предложенный гермобокс обеспечивает возможность плавного выравнивания давления внутри гермобокса и возможность контроля герметичности соединения частей корпуса гермобокса. В то же время предложенный гермобокс обеспечивает эргономичность как на этапе подготовки гермобокса к использованию, так и на этапе эксплуатации гермобокса в условиях внекорабельной деятельности космонавта. Достижение технического результата в предложенном устройстве обеспечивается введением предложенных элементов устройства, также введением предложенных функциональных связей между элементами устройства и предложенным исполнением уже известных элементов устройства.

В настоящее время технически все готово для реализации предложенного способа. Промышленное исполнение существенных признаков, характеризующих изобретение, не является сложным и может быть выполнено с использованием существующих технических средств.

Изобретение относится к космической технике, а именно к герметичным контейнерам для аппаратуры наблюдения в космическом пространстве. Гермобокс содержит корпус, выполненный из частей, соединенных через герметизирующую прокладку, элементы разъемного соединения частей корпуса, элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса, герметично установленный в корпусе электрический разъем, внутренняя часть которого соединена посредством первого электрического провода с аппаратурой наблюдения, выключатель и две установленные на корпусе рукоятки. В корпусе перед объективом аппаратуры наблюдения герметично установлено стекло. Дополнительно введены запорный клапан, герметично закрепленный в корпусе, чехол, выполненный в виде стационарной и откидной частей из экранно-вакуумной термоизоляции, средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом, средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении. Выключатель размещен на рукоятке и соединен с внешней частью электрического разъема дополнительно введенным вторым электрическим проводом. Стекло снабжено ультрафиолетовым фильтром. Элементы разъемного соединения частей корпуса выполнены в виде болтового соединения, характеристики которого соответствуют положительной разности давлений внутри и вне корпуса гермобокса. Технический результат изобретения заключается в обеспечении герметичности и защиты аппаратуры наблюдения в открытом космосе. 3 ил.

Гермобокс для аппаратуры наблюдения в космическом пространстве, содержащий корпус, выполненный из частей, соединенных через герметизирующую прокладку, элементы разъемного соединения частей корпуса, элементы крепления аппаратуры наблюдения внутри корпуса, герметично установленный в корпусе электрический разъем, внутренняя часть которого соединена посредством первого электрического провода с аппаратурой наблюдения, выключатель и две установленные на корпусе рукоятки, при этом в корпусе перед объективом аппаратуры наблюдения герметично установлено стекло, отличающийся тем, что дополнительно введены запорный клапан, герметично закрепленный в корпусе, чехол, выполненный в виде стационарной и откидной частей из экранно-вакуумной термоизоляции, средство разъемной фиксации откидной части чехла в положении перед стеклом, средство разъемной фиксации откидной части чехла в отведенном от стекла положении, при этом выключатель размещен на рукоятке и соединен с внешней частью электрического разъема дополнительно введенным вторым электрическим проводом, а упомянутое стекло снабжено ультрафиолетовым фильтром, причем элементы разъемного соединения частей корпуса выполнены в виде болтового соединения, характеристики которого соответствуют положительной разности давлений внутри и вне корпуса гермобокса.