Бортовая экспериментально-испытательная установка и способ её эксплуатации Российский патент 2020 года по МПК B64G1/16 

Группа изобретений относится к космической технике, в частности, к средствам и способам исследования и оптимизации внекорабельной деятельности космонавта.

Установка может использоваться для исследований, экспериментальной отработки и испытаний широкого круга приборов и устройств, предназначенных для эксплуатации в космических условиях.

Конструкция и методика применения приборов, аппаратов и инструментов, особенно индивидуального использования, требует особо тщательной инженерно-эргономической и технологической отработки как на совместимость с конструктивными и эксплуатационными особенностями скафандра, так и с функциональными возможностями космонавта с учетом длительного негативного влияния факторов космического полета на физиологию и биомеханику человека. Для отработки и испытаний оборудования космического назначения широкого практикуется имитация в наземных условиях физических факторов космического пространства: вакуума, микрогравитации, термических воздействий и облучения, а также участие испытателя в скафандре при штатном уровне избыточного давления. Для получения более достоверных результатов ставится проблема моделирования совокупного и синхронного воздействия двух и более факторов, свойственных открытому космосу. Решение проблемы вызывает необходимость создания специальных установок и особых условий их эксплуатации.

Известно страховочное устройство для условий невесомости, патент RU 2528504 (опубл. 27.03.2014, бюл. №9, МПК: B64G 1/66 (2006.01), представляющее собой тканевый фал, помещенный внутрь пружины растяжения, навитой касательно виток к витку. Многолетнее успешное применение устройства, которым оснащены все отечественные скафандры «Орлан» для работы в открытом космосе, подтвердило эффективность внутреннего фала при изгибах и изменении длины пружинной оболочки в процессе внекорабельной деятельности (аналог).

Известен стенд-тренажер и способ комплексирования условий космического полета (Б.Е. Патон, Д.А. Дудко, О.С. Цыганков. Стенд-тренажер для имитации сварочных работ в космосе. // Космические исследования на Украине. Издательство «Наукова думка», Киев - 1975. С. 18-21; О.С. Цыганков. Моделирование условий для отработки космических инструментов. // Полет - 11. 2001. С. 41-44) (прототип).

Стенд-тренажер содержит герметичную рабочую камеру с вакуумно-откачной системой, с иллюминаторами, на передней стенке рабочей камеры установлен фрагмент космического скафандра таким образом, что может быть обеспечен любой требуемый перепад давлений газа между камерой и окружающей средой для имитации фактических условий работы космонавта, на стенке камеры расположен набор электрических гермовводов и натекателей для заполнения камеры воздухом или другим рабочим газом, а также люк для смены образцов. Передняя стенка закрывается герметичной крышкой с быстродействующими зажимами.

Недостатком устройства - прототипа является ограниченность операционного поля ввиду жесткого крепления фрагмента скафандра.

Способ эксплуатации стенда-тренажера заключается в моделировании условий отработки операций следующими действиями (прототип):

- ограничения, которые скафандр налагает на двигательные возможности испытателя, достигаются путем понижения давления в камере до разности с давлением окружающей среды, равной штатному избыточному

давлению в скафандре, при этом камера может быть заполнена остаточным воздухом или, после вакуумирования, - инертным газом;

- совокупное воздействие ограничений скафандра и микрогравитации достигается установкой стенда с откачной системой в салоне самолета-лаборатории, выполняющего маневр по параболе, с заполнением камеры остаточным воздухом или инертным газом;

- совокупное воздействие ограничений скафандра и вакуума достигается размещением стенда в локальном гермообъеме с давлением, равным штатному наддуву скафандра, для данного способа моделирования используется кислородная маска (О.С. Цыганков. Моделирование условий для отработки космических инструментов. // Полет - 11. 2001. С. 41-44).

Для отработки технологий и экспериментов в открытом космосе по плавлению, сварке, пайке, восстановлению покрытий, кристаллизации, адгезии, трибологии, а также для манипуляций и наблюдений, доступных космонавту в скафандре, требуются отрезки времени, намного превышающие режимы искусственного воспроизведения гравитации в полете самолета (~ 30 сек). Существенным и невосполнимым на Земле недостатком способа-прототипа является кратковременность режимов микрогравитации.

Со времени создания рассмотренного стенда-тренажера (1973 г.) и проведения ручной электронно-лучевой сварки вне орбитальной станции (1984 г.) многое изменилось в организации и техническом обеспечении экспериментов на борту орбитальных станций. Накоплен опыт использования геоорбитальных станций в качестве космических лабораторий, возросла насыщенность бортовыми экспериментальными установками, например, печи для плавления, напыления покрытий, выращивания монокристаллов, центрифуги и др. В настоящее время актуализируется тренд на использование орбитальной станции в качестве полигона для отработки новых технологий и оборудования для перспективных программ. Космическая станция предоставляет неограниченные возможности использования состояния микрогравитации и вакуума, но при этом строго ограничена продолжительность сеанса внекорабельной деятельности экипажа, количество которых также ограничено, при этом ВКД сопряжена с уровнем риска, повышенным относительно полета экипажа внутри гермоотсеков.

Задачей группы изобретений является создание бортовой экспериментально-испытательной установки (БЭИУ) и способа ее эксплуатации, формирующих условия, максимально приближенные к окружающей среде и состоянию организма космонавта, обеспечивающих повышение безопасности, надежности и эффективности средств и методов внекорабельной деятельности космонавта.

Техническим результатом группы изобретений является повышение безопасности, надежности и эффективности средств и методов внекорабельной деятельности космонавта.

Технический результат достигается тем, что бортовая экспериментально-испытательная установка содержит гермокрышку с иллюминатором и быстродействующими зажимами, установленные на днище гермокамеры электрический гермоввод, вакуумно-откачная система, натекатель для подачи инертного газа, индикатор давления, фрагмент скафандра, установленные в гермокамере средства освещения, ТВ-регистратор и устройства фиксации исследуемых объектов, фрагмент скафандра герметично присоединен к днищу гермокамеры фланцевым соединением через структуру в виде сильфона, выполненного из двух фланцев с цилиндрическими отростками, в пазах между которыми установлена винтовая цилиндрическая пружина растяжения, навитая касательно виток к витку и формирующая внутреннее пространство упомянутого сильфона, закрываемое гермокрышкой, причем внутренняя поверхность сильфона покрыта тканевой оболочкой, а внешняя поверхность - трехслойной оболочкой, выполненной из герметичной, силовой и защитной оболочек, прикрепленные к упомянутым цилиндрическим отросткам, при этом гермокамера выполнена как отсек, входящий в гермоконтур оболочки модуля орбитальной станции, в состав вакуумно-откачной системы входит насос для откачки газа из гермокамеры в атмосферу модуля, клапан сброса давления газа в забортное пространство, клапан выравнивания давления с давлением атмосферы в модуле.

Технический результат достигается способом эксплуатации бортовой экспериментально-испытательной установки, заключающимся в том, что в гермокамере размещают и фиксируют исследуемые объекты, устанавливают на днище гермокамеры фрагмент скафандра, причем перед установкой на днище гермокамеры фрагмента скафандра выполняют его сборку с сильфоном, космонавт-испытатель размещается во фрагменте скафандра, в зависимости от поставленных задач перед космонавтом-испытателем реализуют следующие режимы эксплуатации установки: для выполнения целевых операций в воздушной среде насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля или через клапан сброса давления сбрасывают давление газа в гермокамере до установления разности с давлением атмосферы в модуле, равной штатному наддуву скафандра; для выполнения целевых операций в нейтральной среде насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 10^-1 мм рт.ст., через клапан сброса давления сбрасывают остаточный газ, вакуумируют гермокамеру и заполняют ее инертным газом для достижения разницы давлений в гермокамере и в модуле до штатного наддува скафандра; для выполнения целевых операций при давлении в гермокамере, равному забортному давлению, насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 10^-1 мм рт.ст., вакуумируют гермокамеру через клапан сброса давления, после завершения цикла вышеперечисленных операций гермокамеру заполняют газом из атмосферы модуля; для исследования объектов и процессов, функционирующих в автоматическом режиме или управляемых дистанционно, демонтируют сборку сильфона с фрагментом скафандра, затем размещают и фиксируют в гермокамере исследуемые объекты, устанавливают гермокрышку, откачивают насосом газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 10^-1 мм рт.ст., затем через клапан сброса давления вакуумируют гермокамеру и ведут визуальные наблюдения через иллюминатор в гермокрышке, с помощью клапана выравнивания давления заполняют гермокамеру газом из атмосферы модуля, снимают гермокрышку и извлекают объекты исследования.

Техническое обоснование изобретения бортовой экспериментально-испытательной установки заключается в следующем.

1. Выявлено и используется уникальное свойство навитой касательно виток к витку цилиндрической пружины растяжения: сохранение формы и объема пространства внутри пружины при изгибах и изменении длины; указанное свойство позволяет испытателю выполнять наклоны вперед-назад и в стороны, расширяя, таким образом, операционное поле внутри гермокамеры.

2. Практически неограниченное время для выполнения целевых задач.

3. Неограниченный ресурс состояния микрогравитации.

4. Неограниченные возможности вакуумирования гермокамеры.

5. Адекватное состояние организма испытателя.

6. Бережное расходование запасов газа на борту путем откачки газа из гермокамеры перед вакуумированием в атмосферу модуля насосом.

7. Постоянная готовность к работе.

Изобретение поясняется фиг. 1 и фиг. 2.

Фиг. 1 - конструкция БЭИУ.

Фиг. 2 - конструкция сильфона.

На фигурах приняты обозначения:

1 - гермокамера;

2 - модуль орбитальной станции;

3 - днище гермокамеры;

4 - фрагмент скафандра;

5, 6 - осветитель;

7 - ТВ - регистратор;

8 - насос;

9 - электрогермоввод;

10 - клапан сброса давления (КСД);

11 - клапан выравнивания давления (КВД);

12 - натекатель для подачи инертного газа;

13 - фланец фрагмента скафандра;

14, 15 - фланец сильфона;

16, 17, 33, 34 - цилиндрический отросток;

18 - тканевая оболочка;

19 - герметичная оболочка;

20 - силовая оболочка;

21 - защитная оболочка;

22, 23 - бандаж;

24, 25 - клей;

26, 27, 28 - устройство фиксации;

29 - сильфон;

30 - гермокрышка;

31 - иллюминатор;

32 - пружина;

35 - индикатор давления.

Бортовая экспериментально-испытательная установка (фиг. 1) состоит из гермокамеры 1, которая является составной частью гермооболочки модуля 2 орбитальной станции, в гермокамере 1 размещены средства освещения (осветители 5 и 6), ТВ-регистратор 7, устройства фиксации 26, 27, 28, в днище 3 гермокамеры 1 установлены электрогермоввод 9, вакуумно-откачная система, а также натекатель для подачи инертного газа 12, индикатор давления 35. Гермокамера 1 содержит клапан2 сброса давления 10 в забортное пространство. В состав вакуумно-откачной системы входит насос 8 для откачки газа из гермокамеры в атмосферу модуля, клапан2 сброса давления газа 10 в забортное пространство, клапан3 выравнивания давления 11 с давлением атмосферы в модуле 2 орбитальной станции. На днище 3 гермокамеры (фиг. 2) установлен сильфон 29, выполненный из фланцев сильфона 14 и 15, которые имеют цилиндрические отростки 16, 17, 33, 34, в пазах между которыми установлена винтовая цилиндрическая пружина растяжения 32 (например, из проволоки 2-Т-12Х18Н10Т, ГОСТ 18143-72), навитая касательно виток к витку и формирующая внутреннее пространство сильфона, внутренняя поверхность сильфона 29 покрыта тканевой оболочкой 18 (например, ткань техническая ТУ 8378-153-35227510-2007), прикрепленной клеем 25, 24 (например, СВ2а ТУ 38-5-390-69) к цилиндрическим отросткам 16, 17. Внешняя поверхность сильфона 29 покрыта трехслойной оболочкой, выполненной из герметичной 19 (например, латекс синтетический БСЗО ГОСТ 11808-88), силовой 20 (например, ткань техническая полиэфирная ТУ 8378-144-352275-10-2007), защитной 21 (например, ткань техническая ТУ 8378-143-352275-10-07) оболочек, прикрепленных к цилиндрическим отросткам 34, 33 бандажами 22, 23 (например, лента техническая ГОСТ 13939-90). Внутреннее пространство сильфона 29 закрывается гермокрышкой 30 с иллюминатором 31 и быстродействующими зажимами (на фигурах не показаны). На фланце 14 сильфона 29 закреплен фрагмент скафандра 4 посредством соединения фланца фрагмента скафандра 13 и фланца сильфона 14.

1 - например, насосный агрегат откачки воздуха из объема 1,55 м³ с начальным давлением не более 770 мм рт.ст. до давления 462 мм рт.ст. (0,6 кгс/см2) в объем не более 100 м³ с давлением 770 мм рт.ст. за время 4 мин.

2 - например, КСД - клапан сброса давления с эквивалентным диаметром 20 мм.

3 - например, КВД (клапан выравнивания давления с эквивалентным диаметром 20 мм) в объеме 1,5 м³ с давлением 462 мм рт.ст. и в объеме 100 м³ с давлением 770 мм рт.ст. за время не более 8 мин.

Эксплуатация бортовой экспериментально-испытательной установки осуществляется следующим образом.

1. Отработка целевых задач непосредственно космонавтом-испытателем, для чего устанавливают сборку фрагмента скафандра 4 и сильфона 29 на днище 3 гермокамеры 1.

1.1. Имитация штатного наддува скафандра, для чего создают разницу давлений в гермокамере 1 и в модуле 2 орбитальной станции путем откачки из гермокамеры 1 газа посредством насоса1 8 (в целях экономии запасов газа) в атмосферу модуля или сбросом через КСД2 10 в забортное пространство. Целевые операции космонавт-испытатель выполняет, используя наклоны сильфона 29 путем изгибания пружины 32, в воздушной, инертной среде или в вакууме.

1.2. Создание в гермокамере 1 нейтральной среды, для чего из гермокамеры 1 откачивают газ посредством насоса 8 в атмосферу модуля 2 орбитальной станции до давления, по меньшей мере 10^-1 мм рт.ст., сбрасывают остаточный газ через КСД2 10 и вакуумируют гермокамеру, затем заполняют гермокамеру 1 через натекатель 12 инертным газом для достижения разницы давлений в гермокамере 1 и в модуле 2 до штатного наддува скафандра. Целевые операции космонавт-испытатель выполняет в нейтральной среде.

1.3. Создание в гермокамере 1 давления, равного забортному, для чего откачивают из гермокамеры 1 газ посредством насоса 8 в атмосферу модуля до давления не менее 10^-1 мм рт.ст., вакуумируют гермокамеру 1 через КСД2 10, чем устанавливается наддув фрагмента скафандра величиной 1 ат., что критично ограничивает подвижность рук и возможность изменять положение фрагмента скафандра 4 использованием сильфона 29. При необходимости, допустимо выполнение ограниченных движений пальцами

рук для воздействия на органы управления, например, кнопки, клавиши, тумблеры, а также непосредственное наблюдение за реализуемыми процессами. После завершения цикла операций гермокамеру 1 посредством КВД3 11 заполняют газом из атмосферы модуля 2.

2. Исследование объектов и процессов, функционирующих в автоматическом режиме или управляемых дистанционно.

Размещают и фиксируют в гермокамере 1 исследуемые объекты посредством устройств 26, 27, 28, устанавливают гермокрышку 30, откачивают из гермокамеры 1 газ насосом 8 в атмосферу модуля до давления не менее 10^-1 мм рт.ст., вакуумируют гермокамеру 1 через КСД2 10 и выполняют целевые операции, ведут визуальные наблюдения через иллюминатор 31 в гермокрышке 30. Посредством КВД3 11 заполняют гермокамеру 1 газом из атмосферы модуля 2, снимают гермокрышку 30, извлекают объекты исследований.

Меры безопасности. При подготовке гермокамеры 1 к работе перед использованием КСД2 10 должна быть установлена гермокрышка 30, которая снимается после фиксации стабильно установившегося состояния герметичности. Между периодами использования установки гермокрышка 30 должна быть постоянно установлена, все краны перекрыты, электропотребители обесточены.

Группа изобретений относится к внекорабельной деятельности (ВКД) космонавта. Предлагаемая установка содержит гермокамеру, гермокрышку с иллюминатором, вакуумно-откачную система (ВОС), натекатель для подачи инертного газа, индикатор давления, фрагмент скафандра (ФС), ТВ-регистратор и устройства фиксации исследуемых объектов. Гермокамера выполнена как отсек гермоконтура оболочки модуля орбитальной станции. ФС герметично присоединен к днищу гермокамеры через структуру в виде сильфона. ВОС содержит насос для откачки газа из гермокамеры в атмосферу модуля, клапаны сброса давления в забортное пространство и выравнивания давления с давлением в модуле. При эксплуатации установки в гермокамере фиксируют исследуемые объекты и устанавливают ФС, собранный с сильфоном. Космонавт во ФС реализует операции: в воздушной среде – при откачке газа из гермокамеры в атмосферу модуля до создания штатного наддува скафандра; в нейтральной среде - при полной откачке и заполнении гермокамеры инертным газом; при забортном давлении - путём вакуумирования гермокамеры через клапан сброса. Исследования объектов и процессов м. б. проведено в автоматическом режиме или дистанционно. При этом демонтируют сильфон с ФС, устанавливают гермокрышку и после вакуумирования гермокамеры визуальные наблюдения ведут через иллюминатор в гермокрышке. Техническим результатом является повышение безопасности, надежности и эффективности средств и методов ВКД. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Бортовая экспериментально-испытательная установка, содержащая гермокамеру, гермокрышку с иллюминатором и быстродействующими зажимами, установленные на днище гермокамеры электрический гермоввод, вакуумно-откачную систему, натекатель для подачи инертного газа, индикатор давления, фрагмент скафандра, установленные в гермокамере средства освещения, ТВ-регистратор и устройства фиксации исследуемых объектов, отличающаяся тем, что фрагмент скафандра герметично присоединен к днищу гермокамеры фланцевым соединением через структуру в виде сильфона, выполненного из двух фланцев с цилиндрическими отростками, в пазах между которыми установлена винтовая цилиндрическая пружина растяжения, навитая касательно виток к витку и формирующая внутреннее пространство упомянутого сильфона, закрываемое гермокрышкой, причем внутренняя поверхность сильфона покрыта тканевой оболочкой, а внешняя поверхность - трехслойной оболочкой, выполненной из герметичной, силовой и защитной оболочек, прикрепленных к упомянутым цилиндрическим отросткам, при этом гермокамера выполнена как отсек, входящий в гермоконтур оболочки модуля орбитальной станции, в состав вакуумно-откачной системы входит насос для откачки газа из гермокамеры в атмосферу модуля, клапан сброса давления газа в забортное пространство, клапан выравнивания давления с давлением атмосферы в модуле.

2. Способ эксплуатации бортовой экспериментально-испытательной установки, заключающийся в том, что в гермокамере размещают и фиксируют исследуемые объекты, устанавливают на днище гермокамеры фрагмент скафандра, отличающийся тем, что перед установкой на днище гермокамеры фрагмента скафандра выполняют его сборку с сильфоном, космонавт-испытатель размещается во фрагменте скафандра, и, в зависимости от поставленных перед космонавтом-испытателем задач, реализуют следующие режимы эксплуатации установки: для выполнения целевых операций в воздушной среде насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля или через клапан сброса давления сбрасывают давление газа в гермокамере до установления разности с давлением атмосферы в модуле, равной штатному наддуву скафандра; для выполнения целевых операций в нейтральной среде насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 0,1 мм рт. ст., через клапан сброса давления сбрасывают остаточный газ, вакуумируют гермокамеру и заполняют ее инертным газом для достижения разницы давлений в гермокамере и в модуле до штатного наддува скафандра; для выполнения целевых операций при давлении в гермокамере, равном забортному давлению, насосом откачивают газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 0,1 мм рт. ст., вакуумируют гермокамеру через клапан сброса давления, после завершения цикла вышеперечисленных операций гермокамеру заполняют газом из атмосферы модуля; для исследования процессов и объектов, функционирующих в автоматическом режиме или управляемых дистанционно, демонтируют сборку сильфона с фрагментом скафандра, затем размещают и фиксируют в гермокамере исследуемые объекты, устанавливают гермокрышку, откачивают насосом газ из гермокамеры в атмосферу модуля до давления не менее 0,1 мм рт. ст., затем через клапан сброса давления вакуумируют гермокамеру и ведут визуальные наблюдения через иллюминатор в гермокрышке, с помощью клапана выравнивания давления заполняют гермокамеру газом из атмосферы модуля, снимают гермокрышку и извлекают объекты исследования.