Устройство ограничения отклонения космонавта в скафандре от вертикали на поверхности Луны Российский патент 2024 года по МПК B64G6/00 B64D10/00 

Изобретение относится к космической технике, а именно к устройствам, повышающим безопасность и продуктивность деятельности космонавта в скафандре на поверхности Луны и других астрономических объектах.

Действия космонавта в скафандре на грунтах небесных тел, в условиях Луны имеют свои особенности и отличия от действий в микрогравитации на орбитальных станциях. По мнению астронавта Н. Армстронга: «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 … При падении лицом к поверхности, оттолкнувшись руками, можно встать на ноги самостоятельно, при падении на спину такой возможности нет, необходима помощь другого космонавта или применение специальных приемов и средств … Неровности горизонта в сочетании с небольшой силой тяжести затрудняли определение вертикали (точность не превышала 5°)» (Армстронг Н. Исследование лунной поверхности // Земля и Вселенная. 1970. №5. С. 30-36).

Из докладов членов экипажа программы «Аполлон».

«Аполлон-14» … «Ботинки утопали в пыли и скользили на крутом склоне. Перебираясь через небольшой холм, Алан не устоял на ногах, поскользнулся и упал, с минуту барахтался в толстом слое пыли, но так и не смог подняться без помощи Эда». «Аполлон-15»:… «Ноги скользили, надо было наклоняться, компенсируя перевес ранцевой системы …» (Мировая пилотируемая космонавтика. Под редакцией Ю.М. Батурина. Москва. Издательство РТСофт. 2005. С. 137, 142).

Астронавт Юджин Сернан вспоминает: «Грязь мягкая, как измельченный снег, но прилипает ко всему: скафандру, оборудованию внутри модуля, коже и прочему… Было так грязно, что мы не могли читать карты для работы вне корабля… Под пылью прятались камни, на которых было легко споткнуться и упасть… …Мы были черны, как если бы работали в растолченном в порошок графите» (naked-science.ru).

Падения значительно увеличивают количество лунной пыли, которая и без падений обильно налипает на скафандр. При падении на спину появляется угроза засорения и выхода из строя сублиматора, находящегося на задней стенке ранца.

Устройство предусматривает поддержание вертикального положения тела и снижение вероятности падения космонавта на спину при перемещении и работах на грунте.

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 В горных районах Луны ожидается более сложная геологическая обстановка. (О.С. Цыганков. Технологическая деятельность на начальном этапе освоения недр Луны. Полет. № 7. 2006. С. 3-10).

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° (И.И. Черкасов, В.В. Шварев. Грунтоведение Луны. Издательство «Наука». Москва. 1979. С. 7).

Сущность статической задачи удержания равновесия человеком 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 движений.

По результатам исследований, проведенных в рамках отечественной программы Н1-Л3 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.

В процессе испытаний по отечественной лунной программе Н1-Л3 установлен и исследован феномен «падения на спину» испытателя в скафандре при приседании, опускании на одно колено, при попытке переступить через препятствие высотой более 300 мм. Кроме того, для увеличения верхнего обзора, в 1997 г. в шлем скафандра модификации «Орлан-М» был встроен иллюминатор в лобно-теменной области головы. Для того, чтобы направить линию взора в указанный иллюминатор, оператору нужно запрокинуть голову назад-вверх (фиг. 1, 2), но при этом происходит инстинктивное, непроизвольное отклонение тела назад. По имеющимся данным, диапазон движения головы по отношению к туловищу при сгибании шеи назад составляет 39,4…93,2° (А.С. Аруин, В.М. Зациорский. Эргономическая биомеханика. Москва «Машиностроение». 1989. С. 202). Масса головы в среднем составляет 6,940 ± 0,707% массы тела. При массе тела 70 и массе головы ≈ 5 кг, наклон головы назад на 40° перемещает ее центр тяжести (ЦТ) не менее, чем на 702 мм. Естественно, что ЦТ системы также перемещается назад, и таким образом проекция ЦТ на поверхность может выйти из площади опоры, что инициирует падение, особенно при неблагоприятном микрорельефе под подошвами обуви (фиг. 3) (О.С. Цыганков. Луна в ракурсе человеческого фактора. Полет 11. 2007. С. 16-23).

В системе «человек-скафандр» ЦТ смещен назад и вверх из-за массы ранца с системами жизнеобеспечения. Космонавту в скафандре, находящемуся на ровной поверхности, чтобы сохранять равновесие, необходим некоторый наклон вперед как в покое, так и в движении. При закрое оболочек скафандров учитывается эта необходимость, но, тем не менее, падение на спину является вероятным эпизодом при действиях на грунте. (О.С. Цыганков. Луна в ракурсе человеческого фактора. Полет. 11. 2007. С. 16-23).

Известно устройство для крепления ботинок к горным лыжам с удержанием пятки ботинка, обеспечивающее крепление при нормальном спуске и освобождающее ботинок при падении лыжника или перегрузке (RU 2033830, опубликован 30.07.1995; RU 2026105, опубликован 09.06.1995).

Известна защитная обувь скафандра (патент RU 2225334, опубликован 10.03.2004), содержащая подошву и тканевый верх. Подошвы выполнены съемными и гибкими. Обувь соединяется с оболочкой скафандра по внутренней стороне подошвы с помощью ворсовой молнии, петельных лент и шнуров по верхнему краю бортиков подошв и по верхнему заднему краю тканевого верха с помощью петельных лент и шнуров.

Недостатками известных технических решений является то обстоятельство, что свойство освобождать ботинок при перегрузке противоположно цели, которая ставится перед предполагаемым изобретением, а именно: выдерживать нагрузки, в том числе и при падении, противодействуя падению.

Известны обувь скафандров «Кречет» и «Орлан», снабженная выступающей за контур каблука металлической деталью специальной формы - «шпоры», которая прочно прикреплена к каблуку и используется для закрепления обуви в устройстве фиксации в условиях микрогравитации (Абрамов И.М. и др. Космические скафандры России. М. 2005. ОАО НПО «Звезда». С. 181. Рис. 8. 3-4. Узел А). Недостатками данного технического решения является отсутствие противодействия падению космонавта на спину при деятельности на поверхности ввиду существующих размеров и формы «шпоры».

Задачей изобретения является создание устройства ограничения отклонения космонавта в скафандре от вертикали на поверхности Луны, обеспечивающего повышение безопасности и продуктивности деятельности космонавта в скафандре на поверхности Луны.

Техническим результатом изобретения является повышение безопасности (снижения вероятности падения на спину), а также повышение продуктивности деятельности космонавта в скафандре на поверхности Луны.

Технический результат достигается тем, что в устройстве ограничения отклонения космонавта в скафандре от вертикали на поверхности Луны, содержащем обувь, включающую каблук, подошву, стельку и верх, соединенный с силовой и герметичной оболочками скафандра, а также запятник, причем запятник шириной b и толщиной t прикреплен посредством винтов и гаек с глухими резьбовыми отверстиями к нижней поверхности каблука и выполнен в виде пластины из жесткого материала, длина выступающей части которого l₂ за внешний контур каблука в пяточной области в продольном направлении составляет 50 ÷ 100 мм, при этом ширина запятника b равна ширине каблука и составляет 80 ÷ 100 мм при соблюдении соотношения b:t=10:1.

Предложенное решение обосновано следующим образом.

Скафандр под наддувом рассматривается как тонкостенная балка, обладающая достаточной общей прочностью, установленная на шарнирно-неподвижной опоре. Падения, а точнее, опрокидывание эквивалентной балки и выход из устойчивого положения происходит через пяточную грань каблука обуви, т.е. аналогично падению костяшки домино.

Ранее указано, что поверхность морей Луны, на которой, по всей видимости, начнется развернутое освоение Луны, имеет уклон от 0,55 до 0,1, т.е. 3-6°. Возможность сохранять устойчивость человеку в скафандре имеется на склонах до 14°, то есть при отклонении от вертикали до 14°. Ставится вопрос, какую длину l должна иметь выступающая часть запятника, чтобы способствовать сохранению устойчивости при наклоне назад до указанных пределов?

Ответ вытекает из построений на фиг. 3. Полагаем, что опрокидывающая сила F условно прилагается по поперечной оси X проходящей через ЦТ системы в точке О. Продольная ось системы Y проходит через ЦТ в точке О и пяточную грань каблука ботинка в точке

При наклоне продольных осей 3°, 6° и 14° из точек их пересечения О₁, О₂, О₃ с линией приложения опрокидывающей силы F опускаем перпендикуляры на плоскость поверхности в точки

При высоте ЦТ точки О над поверхностью 1000 мм, получаем искомое:

Полученные результаты оцениваются следующим образом:

l₃ = 249,3 мм неприемлемо по условиям биомеханики пешего перемещения по пересеченной местности.

Длина l₁ ÷ l₂ = 50 ÷ 100 мм может уточняться в процессе экспериментальной отработки и варьироваться в зависимости от роста оператора, длины шага и высоты поднятия стопы при шаге. Такая длина не затруднит выполнение других задач на поверхности Луны, а также при проходе через люки и перемещениях в шлюзовом отсеке.

Рассмотрим, как формируется сопротивление опрокидыванию скафандра на спину (фиг. 4). Опрокидывающий момент M возникает при приложении силы F к ЦТ системы в точке О на плече h - высоте ЦТ над поверхностью - При наличии запятника, для опрокидывания системы должен действовать M₁=F⋅h₁ который превышает момент М₁>М в силу той очевидности, что плечо h₁>h при равной силе F. Это означает, что запятник до определенного момента препятствует переходу системы через грань запятника, т.е. через точку или Это подтверждается картиной перехода через точку опрокидывания на фиг. 5, 6, 7.

При изначальном состоянии обуви, опрокидывание происходит через заднюю грань каблука, лежащую непосредственно на грунте (фиг. 5). При наличии запятника опрокидывание происходит:

- на плотном грунте - через ребро запятника, при этом выполняется подъем всей системы на длину запятника, что увеличивает энергию, потребную для опрокидывания (фиг. 6), что свидетельствует о соответствии запятника своему предназначению;

- на песчаном грунте происходит погружение запятника, сопротивление грунта увеличивает энергию, потребную для опрокидывания, что свидетельствует о соответствии запятника своему предназначению (фиг. 7).

Выбор конфигурации и способа крепления запятника к ботинку. Обувь для скафандров изготовляется в виде негерметичных ботинок или сапог, надеваемых сверху на герметичную и силовую оболочку скафандра. Защитный наружный ботинок пришнуровывается к силовой оболочке (A.M. Алексеев, С.П. Уманский. Высотные и космические скафандры. Москва. «Машиностроение». 1973. С. 181).

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-11), на которых представлено:

На фигуре 1 - положение головы оператора при линии взгляда вперед.

На фигуре 2 - положение головы оператора при линии взгляда вверх.

На фигуре 3 - построение по определению длины выступающей части запятника.

На фигуре 4 - построение по определению плеча опрокидывающего момента.

На фигуре 5 - положение обуви при падении без запятника.

На фигуре 6 - положение обуви при падении с запятником на твердом грунте.

На фигуре 7 - положение обуви при падении с запятником на песчаном грунте.

На фигуре 8 - вид обуви сбоку по стрелке Г.

На фигуре 9 - вид обуви сверху по стрелке А.

На фигуре 10 - конфигурация запятника и расположение винтов крепления.

На фигуре 11 - вид по ВВ. Конструкция крепления запятника.

Обозначения на фигурах:

1 - обувь скафандра;

2 - подошва;

3 - каблук;

4 - верх;

5 - силовая оболочка скафандра, на которую одевается обувь;

6 - гермооблочка скафандра, на которую одевается обувь;

7 - стелька;

8 - запятник;

9 - гайка;

10 - винт;

ЦТ - центр тяжести;

F - опрокидывающая сила;

l₀ - длина части запятника, покрывающей каблук (длина каблука);

l₁ - абцисса точка ;

l₃- абцисса точки

l₂- абцисса точки длина выступающей части запятника (50÷100);

L - l₀+l₂=l₀+(50÷100), длина запятника;

h, h₁, h₂, h₃ - плечо опрокидывающего момента;

M, M₁, M₂, M₃ - опрокидывающий момент;

b - ширина запятника (ширина каблука);

t - толщина запятника.

Устройство ограничения отклонения космонавта в скафандре от вертикали на поверхности Луны (фиг. 3), содержащее обувь 1, включающую стельку 7, каблук 3, подошву 2 и верх 4, соединенный с силовой 5 и герметичной 6 оболочками скафандра, а также запятник 8 шириной b и толщиной прикрепленный посредством винтов 10 и гаек 9 с глухими резьбовыми отверстиями к нижней поверхности каблука 3 и выполненный в виде пластины из жесткого материала (фиг. 11), длина выступающей части которого l2 за внешний контур каблука 3 в пяточной области в продольном направлении составляет 50÷100 мм (фиг. 9), при этом ширина запятника 8 (b) равна ширине каблука 3 и составляет 80÷100 мм (фиг. 10) при соблюдении соотношения b:t=10:1.

Гайки 9 и винты 10 изготовлены из стали 12ХН10Т-В, ГОСТ 2590-88. Запятник 8 выполнен из материала поликарбонат дифлон марки К, ТУ П7-66.

Способ изготовления и эксплуатация предложенного устройства заключается в следующем.

Запятник 8 рассматривается как сменная деталь обуви 1.

В целом при изготовлении обуви 1, технологию и материалы (фиг. 8, 11) используют без отступления от принятой практики (A.M. Алексеев, С.П. Уманский. Высотные и космические скафандры. Москва. «Машиностроение». 1973. С. 181).

В каблуке 3 выполняют углубления под закладные гайки 9 с глухими резьбовыми отверстиями. В запятнике 8 выполняют ответные углубления под головки винтов 10, после чего устанавливают запятник 8, например на четырех винтах 9 (фиг. 10). Обувь 1 одевают на силовую и герметичную оболочки скафандра 5, 6 соответственно и верх 4 обуви 1 соединяют (например, пришнуровывают) с этими оболочками 5, 6.

В период эксплуатации, при отсутствии необходимости, запятник 8 демонтируют, но при этом резьбовые отверстия в гайках 9 защищают резьбовыми пробками (на фиг. не показаны).

В период эксплуатации, при необходимости, извлекают резьбовые пробки из гаек 9 и устанавливают запятник 8 на винтах 10.

Изобретение относится к снаряжению космонавта для пребывания на поверхности Луны и подобных небесных тел. Обувь (1) скафандра включает каблук (3), подошву (2), стельку (7) и верх (4), соединенный с силовой (5) и герметичной (6) оболочками скафандра. Запятник (8) шириной b и толщиной t прикреплен посредством винтов (10) и гаек (9) с глухими резьбовыми отверстиями к нижней поверхности каблука (3). Запятник выполнен в виде жесткой пластины, выступающей за внешний контур каблука на длину l₂ = 50-100 мм. Ширина запятника b равна ширине каблука (3) и составляет 80-100 мм, при соблюдении соотношения b:t = 10:1. Предлагаемое исполнение обуви скафандра снижает вероятность падения космонавта, стоящего и ступающего по лунному грунту, на спину. Техническим результатом является повышение безопасности и продуктивности деятельности космонавта в скафандре на поверхности Луны. 11 ил.

Устройство ограничения отклонения космонавта в скафандре от вертикали на поверхности Луны, содержащее обувь, включающую каблук, подошву, стельку и верх, соединенный с силовой и герметичной оболочками скафандра, а также запятник, отличающееся тем, что запятник шириной b и толщиной t прикреплен посредством винтов и гаек с глухими резьбовыми отверстиями к нижней поверхности каблука и выполнен в виде пластины из жесткого материала, длина выступающей части которой l₂ за внешний контур каблука в пяточной области в продольном направлении составляет 50÷100 мм, при этом ширина запятника b равна ширине каблука и составляет 80÷100 мм при соблюдении соотношения b:t=10:1.