Шлем космического скафандра Российский патент 2024 года по МПК B64G6/00 

Изобретение относится к космической технике, к средствам повышения безопасности и продуктивности деятельности космонавта в скафандре на поверхности Луны, Марса и других астрономических объектов.

Изобретение предполагает установку «гарды»¹ (¹Гарда (фр. garde охрана), выпуклая дужка на рукоятке холодного оружия для защиты кисти руки от удара / Новейший словарь иностранных слов и выражений. Москва. ACT. Мине Харвест.2002. С. 192.) - механической защиты остекления шлема от контактов с объектным окружением в случае падения космонавта на грунт лицом к поверхности.

Действия космонавта на грунтах небесных тел, в условиях гипогравитации, будут иметь свои особенности и отличия от действий в микрогравитации на орбитальных станциях. Например, «при нарушении равновесия возможны падения. Скорость падения мала, и для человека в скафандре она не является травмоопасной, но повреждения внешних элементов скафандра при контакте со скальными обломками исключить нельзя». (Армстронг Н. Исследование лунной поверхности // Земля и Вселенная. 1970. №5. С. 30-36).

Поверхность лунных морей слабоволнистая, с неровностями до 1 м и уклоном 0,05 до 0,1, представляет собой щебеночно-каменистую россыпь с валунными включениями. Крупные фракции и обломки частично погружены в толщу пылевато-песчаного и пылевого слоя. Это камни размером от 1 см до 10 м. (О.С. Цыганков. Технологическая деятельность на начальном этапе освоения недр Луны. Полет. №7. 2006. С. 3-10). В горных районах Луны ожидается более сложная геологическая обстановка. Характерными элементами лунного рельефа являются кратеры. Диаметры кратеров достигают 80-200 км, а превышение вала над дном крупных кратеров доходит до 6 км. Рассмотрение кратерной формации выявляет следующие особенности: внутренние стены в виде уступов, террас имеют наклон 20°…30°; внешний откос имеет угол наклона до 15°.

По имеющимся данным, рельеф в зоне посадки на Марс может представлять собой каменистую равнину (камни занимают до 20% площади): определяется округлая калька, булыжники, валуны с поперечным размером от 0,5 до 1,0 м. Встречаются нагромождения камней, а также глыбы, блоки и скальные образования. Различаются камни с плоской поверхностью, а также камни с острыми кромками, занимающие иногда наклонное положение, встречаются поверхности в виде застывшей лавы. На Земле породы под названием «вулканическое стекло» имеют режущие изломы или игольчатые образования, например, обсидиан obsidianus lapis (О.С. Цыганков. Десант на Марс». Полет №4. 2004. С. 7-16). Вопросом безопасности при падении на Марсе следует уделять особое внимание, учитывая при этом массу системы «человек-скафандр» (0,38g) и марсианское ускорение силы тяжести 4,02 м/сек2, почти в 2,4 раза больше по сравнению с лунным 1,62 м/сек². Ставится вопрос о введении защиты органов управления и чувствительных к повреждениям элементов скафандра, к каковым можно отнести и остекление шлема.

Сущность статической задачи удержания равновесия человека в скафандре, стоящим как на склоне, так и на ровной поверхности, сводится к приведению проекции центра тяжести (ЦТ) тела на площадь опоры, определяемую площадью стоп и поверхностью между ними. Лимитирующими факторами в процессе удержания равновесия являются анатомо-физиологические возможности человека: объем угловых движений в суставах, сила мышц, координация движения.

По результатам исследований, проведенных в рамках отечественной программы Н1-ЛЗ в условиях моделирования 0,16g в полете самолета, устойчивость испытателя в скафандре «Кречет-94» сохранялась без дополнительных усилий на склонах до 14°. Более крутые склоны требовали от испытателя осторожных действий, на склонах более 20° могла потребоваться страховка с помощью фала другим испытателем (О.С. Цыганков. Луна в ракурсе человеческого фактора. Полет 11. 2007. С. 16-23).

В процессе испытаний с обезвешиванием системы «человек-скафандр» до 0,16g фиксировались падения испытателя остеклением к поверхности при спотыкании о камень, при ходьбе по косогору, при попытке перешагнуть через преграду > 300 мм, при подъеме и спуске по склону более 20°.

Материалы для остекления шлема должны быть прочными к воздействию статической и динамической нагрузки, обладать теплостойкостью, морозостойкостью и неизменностью оптических характеристик при нагревании. Для изготовления остекления (иллюминатора) шлемов скафандров и светофильтров для них применяются светопрозрачные полимерные материалы и силикатное стекло.

Полиакрилаты (органическое стекло) хорошо формуются, свариваются, склеиваются и механически обрабатываются.

Поликарбонаты имеют высокую ударную прочность, теплостойкость и морозостойкость. Хорошо обрабатываются литьем, прессованием, свариваются, склеиваются и поддаются механической обработке.

Высоким уровнем показателей обладает силикатное секло. В связи с высокой твердостью, силикатное стекло хорошо противостоит царапанью. К недостаткам силикатного стекла следует отнести сравнительно большой вес и малую ударную прочность.

Испытания ударной прочности стекла следует производить на готовых объектах с учетом особенностей заделки. (С.М. Алексеев, С.П. Уманский. Высотные и космические скафандры. Москва. Машиностроение. 1973. С. 260-264).

Из силикатного стекла изготавливается весьма прочная триплексная конструкция, которая состоит из двух или более сфер, склеенных органической прозрачной прокладкой. Триплексная конструкция сочетает в себе механическую прочность, безосколочность при ударе и высокие оптические свойства.

Отечественный скафандр полужесткого типа прекрасно зарекомендовал себя в течение нескольких десятков лет эксплуатации в условиях орбитального полета. Вполне представимо, что учитывая его высокий модернизационный потенциал, орбитальный скафандр может стать прототипом будущих напланетных скафандров, тем более, что он конструктивно подобен отечественному лунному скафандру "Кречет-94".

Стремление избежать причины и случайности, способные вызвать нарушение целостности, герметичности заделки и оптических характеристик остекления при деятельности на небезопасной, каменистой поверхности побуждает к принятию мер предотвращения контактов остекления с окружающими объектами, в том числе при падении космонавта на грунт лицом к поверхности.

Для поддержания равновесия можно использовать один или два альпенштока-посоха по примеру "скандинавской ходьбы", что может дать положительный эффект. Однако, руки космонавта оказываются несвободны для подбора геологических образцов и укладки их в тару, для переноса и применения инструментов, приборов и других продуктивных действий.

В культуре человеческого общества известны средства защиты лицевой части головы от механических повреждений.

Забрало - подвижная часть шлема, опускаемая на лицо для защиты от ударов холодным оружием (Большая советская энциклопедия. Москва. Издательство "Советская энциклопедия". 1978. Т. 29. С. 433).

Защитные маски разных конструкций для хоккейных вратарей (https://by.tribuna.com/tribuna/blogs/hockey/2805063.html).

Защитные решетки на шлемах игроков в американский футбол (https://yandex.ru/images/search?text=%D0%B7%D0%B0%D1%89%D0%B8%D1%82%D0%BD%D 1%8B%D0%B5%20%D0%BC%D0%B0%D1%81%D0%BА%D0%B8%20%D0%B8%20%D1%80%D0%B5%D1%88%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8%20%D1%85%D0%BE%D0%BA%D0%BA%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B2%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%B0%Dl%80%D0%B5%D0°/oB9&stype=image&lr=20728&source=wiz&p=2&pos=64&rpt=simage&img_url=https%3A%2F%2Fmsk.qlaster.ru%2Fpublic%2Fimage2%2F1%2F751%2F1751891_0x0.jpg).

Однако, перечисленные примеры конструкций не содержат цели защитить остекление. Наиболее близкой по функции, с учетом необычной среды, можно принять защиту иллюминаторов в шлемах глубоководного водолазного трехболтового снаряжения (https://yandex.ru/images/search?text=%D0%B3%D0%BB%D1%83%D0%B1%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B5%20%D1%82%D1%80%D0%B5%D1%85%D0%B1%D0%BE%D0%BB%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5%20%D1%81%D0%BD%D0%B0%Dl%80%Dl%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5&stype=image&lr=20728&source=wiz&pos=13&img_url=https%3A%2F%2Fpbs.twimg.com%2Fmedia%2FESbhvJkWAAAbAWw.jpg&φt=sima).

Принимая во внимание сферическую конфигурацию остекления шлема космического скафандра, очевидно, что такого типа конструктив неприемлем.

Задачей изобретения является создание шлема космического скафандра, в котором обеспечена механическая защита остекления от непосредственных контактов с объектами окружающей среды путем образования гарантированного зазора между остеклением и элементом защиты.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности космонавта и надежности предотвращения остекления шлема космического скафандра от механического повреждения, в том числе, в случае падения космонавта остеклением на небезопасную поверхность.

Технический результат достигается тем, что шлем космического скафандра, содержит каску с остеклением, при этом в него введена дугообразная гарда, расположенная эквидистантно с зазором 20-25 мм относительно сферической поверхности остекления и снабженная опорой в середине дуги, причем гарда и опора выполнены в виде полигональных ферм с двумя поясами и раскосами типа треугольной решетки, а оконечности гарды и опоры выполнены в форме U-образных проушин, посредством которых крепятся к каске и корпусу скафандра с возможностью многократного монтажа и демонтажа, при этом каска и корпус скафандра оснащены ответными элементами соединения для вышеупомянутых проушин, выполненными в виде бобышек с глухими резьбовыми отверстиями, в которые ввернуты шпильки под проушины, закрепляемые гайками-барашками.

Предлагаемое решение задачи поясняется следующим образом.

Скафандры линейки Орланов имеют жесткий корпус, объединенный со шлемом, выполненный из листового алюминиевого листа, задний входной люк, крышкой которого является ранец с помещенным в нем агрегатами системы жизнеобеспечения, и мягкую конструкцию рукавов, нижней части корпус и штанин. 54 года со времени разработки для отечественной лунной программы и опыт 44 лет эксплуатации на ОС "Салют", "Мир", МКС полностью подтвердили, как уже упоминалось выше, преимущества Орланов. С уверенностью можно утверждать, что для будущих планетарных скафандров может быть использован скафандр именно такого, полужесткого типа с сохранением основных элементов внешней конфигурации.

В процессе перманентной модификации наряду с другими, предпринимались и защитные меры по повышению безопасности головы оператора, а именно: в 1985 г. в модификацию "Орлан-ДМ" введена защитная каска; в 1995 г. в модификацию "Орлан-М" введено защитное стекло на основной иллюминатор и дополнительный иллюминатор в лобно-теменной области головы (Абрамов И.П. и др. Космические скафандры России. ОАО НПП «Звезда». 2005. С. 340, 342).

Копровые и прочностные испытания в составе скафандра и ударные автономные испытания остекления обеспечивают необходимый в настоящее время уровень надежности.

Однако, усматриваются две группы факторов, которые могли бы влиять на прочность и целостность остекления шлема.

Природные факторы. Влияние на материалы пространства за пределами радиационных поясов, на Луне и Марсе, досконально не исследовано. Попадание микрометеоритов, дисперсных частиц кометного и иного происхождения зафиксировано в виде микрокаверн на иллюминаторах модулей Российского сегмента (PC) Международной космической станции (МКС). Абразивное воздействие лунной пыли отмечено в результатах программы «Аполлон». Слишком мало опубликовано данных о химическом воздействии на материалы пылеобразования. Можно предположить, что накопление каверн на локальном участке, объявление поверхности стекла, может снизить его механическую прочность и увеличить уязвимость от удара.

Человеческий фактор. С полной очевидностью можно сказать, что освоение Луны, Марса без транспортных систем невозможно: на Луне -грунтовые луномобили и суборбитальные ракетные аппараты, на Марсе -уже упомянутые средства плюс, по-видимому, аэродинамические аппараты. Не исключено, что некоторые транспортные машины не будут содержать гермокабину, а водители и пилоты будут облачены в скафандры. Управлять транспортными средствами будут земляне, представители человеческой популяции. Несмотря на все виды автоматизации и искусственного разума, нельзя избавиться от транспортных нагрузок: езда по сильно пересеченной местности со скоростью до 10…20 км/час для грунтовых машин, посадочные нагрузки для лунолетов и марсолетов, а также от того, что мы называем дорожно-транспортными происшествиями. Все это может вызвать сверхнормативные сосредоточенные нагрузки и напряжения. В перспективе, в таких ситуациях защита остекления будет дополнительной гарантией предупреждения опасных ситуаций. Кроме того, мы, люди нашей цивилизации, психологически наделяем прозрачные объекты свойством хрупкости, несмотря на все уверения (пример: при переходе людей по стеклянному мосту над пропастью!). Поэтому гарда будет оказывать психотерапевтическое воздействие, вселяя уверенность и спокойствие в человека в скафандре.

Крепление в 3-х точках жесткой гарды, выполненной в виде ферменной конструкции, решает задачу защиты остекления от несанкционированных контактов с объектным окружением, а величина зазора 20-25 мм исключает попадание и заклинивание более крупных камней между остеклением и гардой.

Предлагаемое решение поясняется фиг: 1, 2, 3:

На фиг. 1 - шлем скафандра с гардой (анфас).

На фиг. 2 - вид по стрелке А, шлем скафандра с гардой (профиль).

На фиг. 3 - гарда (прямоугольная изометрия).

На фигурах приняты обозначения:

1, 2 - пояс дугообразный;

3, 4 - пояс опоры;

5, 6 - раскос;

7, 8, 9 - бобышка;

10, 11, 12 - проушина;

13, 14, 15 - шпилька;

16, 17, 18 - гайка-барашек;

19 - каска с остеклением;

20 - корпус скафандра;

21 - гарда;

22 - опора;

23 - зазор.

Предложенный шлем космического скафандра, содержит каску с остеклением 19, при этом в шлем введена дугообразная гарда 21, расположенная эквидистантно с зазором 23 относительно сферической поверхности остекления 20-25 мм и снабженная опорой 22 в середине дуги, причем гарда 21 и опора 22 выполнены в виде полигональных ферм с двумя поясами 1, 2, 3, 4 и раскосами 5, 6 типа треугольной решетки, а оконечности гарды 21 и опоры 22 выполнены в форме U-образных проушин 10, 11, 12, посредством которых крепятся к каске и корпусу скафандра с возможностью многократного монтажа и демонтажа, при этом каска 19 и корпус скафандра 20 оснащены ответными элементами соединения для вышеупомянутых проушин 10, 11, 12, выполненными в виде бобышек 7, 8, 9 с глухими резьбовыми отверстиями, в которые ввернуты шпильки 13, 14, 15 под проушины 10, 11, 12, закрепляемые гайками-барашками 16, 17, 18.

Гарда 21 и опора 22 представляют собой сварные ферменные конструкции, состоящие из поясов 1, 2, 3, 4, раскосов 5, 6 и проушин 10, 11, 12. Составные части ферм выполнены из стали 12ХН10Т-В, круг 2 и лист 2 (ГОСТ 2590-88); шпилька 13, 14, 15 - сталь 12ХН10Т-В, круг 10; гайка-барашек 16, 17, 18 - сталь 45 380-2005.

Использование гарды 21 осуществляют в составе шлема космического скафандра (фиг. 1, 2), при этом гарду 21 и опору 22 монтируют на шлеме путем установки проушин 10, 11, 12 на шпильки 13, 14, 15, ввернутые в бобышки 7, 8, 9, и затягивают гайками-барашками 16, 17, 18. Монтаж гарды 21 для предстоящей внекорабельной деятельности (ВКД) в опасной зоне выполняется внутри гермоотсека оператором в полетном костюме; при отсутствии необходимости гарду 21 демонтируют внутри гермоотсека и переводят в режим хранения.

Изобретение относится к средствам внекорабельной деятельности космонавта в скафандре, преимущественно на поверхности Луны, Марса и других небесных тел. Предлагаемый шлем содержит каску с остеклением и дугообразную гарду, расположенную эквидистантно с зазором 20-25 мм относительно сферической поверхности остекления. Гарда снабжена опорой в середине дуги, причем гарда и опора выполнены в виде полигональных ферм типа треугольной решетки, а их оконечности - в форме U-образных проушин, которыми они крепятся к каске и корпусу скафандра с возможностью многократного монтажа и демонтажа. Ответные элементы на каске и корпусе скафандра выполнены в виде бобышек с глухими резьбовыми отверстиями, в которые ввернуты шпильки под проушины, закрепляемые гайками-барашками. Техническим результатом является повышение безопасности космонавта и надежности защиты остекления шлема от механического повреждения, в том числе при падении космонавта остеклением на небезопасную поверхность. 3 ил.

Шлем космического скафандра, содержащий каску с остеклением, отличающийся тем, что в него введена дугообразная гарда, расположенная эквидистантно с зазором 20-25 мм относительно сферической поверхности остекления и снабженная опорой в середине дуги, причем гарда и опора выполнены в виде полигональных ферм с двумя поясами и раскосами типа треугольной решетки, а оконечности гарды и опоры выполнены в форме U-образных проушин, посредством которых они крепятся к каске и корпусу скафандра с возможностью многократного монтажа и демонтажа, при этом каска и корпус скафандра оснащены ответными элементами соединения для вышеупомянутых проушин, выполненными в виде бобышек с глухими резьбовыми отверстиями, в которые ввернуты шпильки под проушины, закрепляемые гайками-барашками.