Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлен из космического костюма )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Костюм космической деятельности, разработанный Полом Уэббом и построенный по проекту НАСА. На изображении показан полный многослойный костюм и каска с положительным давлением, без рюкзака. (взято ~ 1971 г.)

Механическое противодавление (МСР) костюм, частичный скафандр, прямой костюм сжатия, или космическая деятельность костюм ( САС ) является экспериментальным скафандром , который применяется стабильное давлением по отношению к коже при помощи эластичной одежды плотно прилегающей. SAS не надувается, как обычный скафандр: он использует механическое давление, а не давление воздуха, чтобы сжимать человеческое тело в условиях низкого давления. Разработка была начата НАСА и ВВС в конце 1950-х, а затем снова в конце 1960-х, но ни один из них не использовался. В Массачусетском технологическом институте (MIT) ведутся исследования системы «Биокостюм», основанной на оригинальной концепции SAS. [1]

Фон [ править ]

Человеческое тело может ненадолго пережить воздействие жесткого вакуума космоса без защиты [2], несмотря на противоположные описания в некоторых научно- популярных фантастических произведениях . Кожа человека не нуждается в защите от вакуума и сама по себе является газонепроницаемой. Человеческая плоть в таких условиях увеличивается примерно вдвое, создавая визуальный эффект строителя тела, а не переполненного воздушного шара. Этому можно противодействовать за счет механического противодавления от одежды подходящей конструкции. Сознание сохраняется до 15 секунд, так как наступает эффект кислородного голодания . Чтобы противодействовать этому, необходим шлем, содержащий газы для дыхания и защищающий уши и глаза. [3]Эти эффекты были подтверждены в ходе различных аварий на очень большой высоте, в открытом космосе и в учебных вакуумных камерах. [4] [5]

Охлаждение [ править ]

Охлаждение космонавта с помощью SAS обычно достигается за счет испарения пота тела, который выходит из скафандра во всех направлениях. Вода, соли и белки могут откладываться на оптике и других чувствительных поверхностях, вызывая повреждение или деградацию. Это может ограничить полезность SAS. Для надутых скафандров, используемых на космических кораблях , Международной космической станции и программе « Аполлон» , охлаждение было достигнуто в основной системе жизнеобеспечения путем сублимации воды в вакууме.

Дизайн [ править ]

Mauch [ править ]

В 1959 году Ханс Маух работал над «дышащим» нижним бельем для скафандра « Меркурий», когда ему пришла в голову идея создания конструкции с механическим противодавлением. Команда Mauch заметила, что пена с закрытыми порами , которая удерживает газ внутри своей структуры, расширяется при понижении внешнего давления. Если пену удерживать в нерасширяющемся внешнем слое, она будет оказывать увеличивающееся давление на тело при понижении давления. Похоже, это позволило создать конструкцию, которая предлагала бы гораздо лучшую мобильность, чем почти жесткий дизайн Mercury. [6]

В конце 1959 года Mauch Laboratories получила контракт от ВВС США на разработку рабочей модели в рамках секретных усилий ВВС по созданию X-20 Dynasoar . Программа действовала до 1962 года, когда к ней присоединилось НАСА . Костюм был построен со слоем пены, зажатым между двумя слоями ткани: внутренний прилегает к коже пользователя (или нижнему белью) для обеспечения механической поддержки, а внешний - к сдерживанию. Отдельный и громоздкий шлем обеспечивал давление и дыхательные газы. Подобно нижнему белью, которое Маух разрабатывал для Mercury, терморегулирование обеспечивалось прямым испарением пота через ткань. Получившийся в результате костюм был примерно таким же громоздким, как и оригинальный дизайн Меркурия, за исключением большого шлема. [6]

Расширенные вакуумные испытания были проведены успешно, но оказалось, что костюм оказался менее подвижным, чем ожидалось, и дальнейшие разработки были прекращены. [6]

Уэбб [ править ]

Введение улучшенных тканей привело к концепции Пола Уэбба о новом способе построения SAS. [7] Был заключен контракт на дальнейшую работу для проверки различных концепций дизайна. В период с 1968 по 1971 год было построено десять проектов все большей сложности, что в конечном итоге привело к серии успешных испытаний в вакуумных камерах. Самый длинный тест длился два часа сорок пять минут.

Испытания прошли успешно: убедительно продемонстрирована практичность скафандра с механическим противодавлением. Энергия, необходимая для передвижения, была значительно меньше, чем у обычных конструкций, что было большим усовершенствованием для длительных выходов в открытый космос. Испытания проколов показали, что до квадратного миллиметра кожи можно подвергать прямому воздействию вакуума в течение продолжительных периодов времени без постоянного эффекта. Подобный прокол в обычном костюме приведет к потере давления и потере воздуха для дыхания. Он весил вдвое меньше, чем основной скафандр, который носили астронавты НАСА для проекта Apollo , A7L .

Также возник ряд проблем, в первую очередь связанных с проблемой удержания скафандра в прочном механическом контакте в каждой точке тела. Вогнутости или небольшие складки на ткани могут привести к скоплению жидкости в промежутках; паховая область оказалась чрезвычайно сложной для успешного приспособления. Чтобы исправить это, в углубления были вставлены небольшие прокладки из пенополиуретана, которые успешно справились с большинством проблемных участков. Костюмы нужно было подбирать индивидуально для каждого, хотя то же самое относилось ко всем скафандрам той эпохи. Самой большой трудностью было надевание и снятие костюма. Для того , чтобы эффективно обеспечить минимальное давление 29,6 кПа (220  мм ртутного столба ; 4,3  фунтов на квадратный дюйм) Необходимый для физиологии человека костюм должен был быть чрезвычайно плотно прилегающим, поэтому надевание и снятие костюма было очень трудоемкой задачей.

В 1971 году Уэбб вместе с Джеймсом Ф. Аннисом опубликовали свои выводы в отчете. [8] Отчет оставался положительным, и исследователи полагали, что возможны дальнейшие улучшения. Цитата из отчета:

В заключение, SAS на нынешнем этапе развития будет защищать человека от воздействия вакуума в одежде, что позволяет улучшить подвижность и естественные движения тела. С физиологической точки зрения это разумный подход, и хотя еще предстоит решить множество проблем, они в основном механические по своей природе. Было высказано предположение, что решение механических проблем в сочетании с тщательной подгонкой, основанной на биомеханическом анализе, а также разработкой конкретных эластичных тканей, может в конечном итоге привести к созданию космической версии SAS.

Первоначальный дизайн SAS был основан на двух новых тканях: тип «powernet» (или «поясная ткань») для областей с высоким напряжением и эластичное переплетение шпульки для областей с более низким напряжением. Оба были основаны на тяжелой эластичной нити основы с гораздо менее эластичной уточной нитью для образования сетки. Термины «основа» и «уток» используются здесь свободно, так как материал не был соткан с использованием традиционных средств. Powernet использовал шнур Spandex в качестве основы с нейлоновым шнуром в качестве утка, что позволяло движение в основном вдоль оси основы. Шпулька использовала резиновую основу с хлопковой оберткой и нейлон или дакрон.уток и был гибким в обоих направлениях. Хлопковая обертка ограничивала максимальное растяжение до 200% от остальной длины. Сумма избыточного давления, которую могла создать бобина, составляла около 2,0 килопаскалей (15 мм рт.ст .; 0,29 фунта на квадратный дюйм) над туловищем, самый большой объем, и до 5,3 килопаскалей (40 мм рт. Powernet может производить около 6,7 килопаскалей (50 мм рт. Ст., 0,97 фунта на кв. Дюйм) даже на торсе. Для нормального дыхания требуется минимум 17,3 кПа (130 мм рт. Ст.; 2,5 фунта на квадратный дюйм).

Несколько слоев и участков из двух материалов использовались для контроля общего механического давления вокруг тела. Начиная с кожи, использовался «скользящий слой» из легкой сети, чтобы позволить внешним слоям скользить по коже без связывания. Под этим слоем на различных выемках на теле помещали несколько подушечек из пеноматериала, чтобы поддерживать их контакт с костюмом. Вдобавок к этому находился баллон с противодавлением, часть дыхательной системы. Вдобавок к этому было до шести дополнительных слоев сетки над туловищем с руками и ногами на коклюшках или полностью покрывающей туловище одеждой, полностью покрывающей коклюшку. Одежда была одета как обычное боди с большой застежкой-молнией, закрывающей перед, с дополнительными завязками в некоторых местах, чтобы помочь закрыть одежду. Застежки-молнии на чередующихся слоях были офсетными.

Дыхательная система с положительным давлением состояла из трех основных частей: герметичного шлема, дыхательного пузыря и системы резервуаров в рюкзаке. Мочевой пузырь и шлем были соединены вместе, чтобы откачивать воздух из мочевого пузыря через туловище, когда пользователь вдыхал, уменьшая давление на грудь пользователя. Шлем был закреплен с помощью неэластичной одежды из ткани Номекс, которая оборачивалась вокруг груди и под руками, а также с помощью эластичных слоев над и под ней.

Биокостюм Массачусетского технологического института [ править ]

Биокостюм Массачусетского технологического института рядом с жестким планетарным костюмом Mars Mark III.

Биокостюм - это экспериментальный космический костюм, который строится в Массачусетском технологическом институте под руководством профессора Дэвы Ньюмана при поддержке Института перспективных концепций НАСА . Подобно концепции SAS, в BioSuit используются достижения в инженерии и измерениях [ что? ] для создания упрощенной версии дизайна SAS. [9]

Ньюман много работал в области биомеханики , особенно в области компьютерного измерения движений человека. Как и в случае с газонаполненными костюмами, Ньюман использовал принцип « нерастягивающихся линий », концепцию, придуманную Артуром Ибераллом в работе, относящейся к концу 1940-х годов, чтобы разместить элементы натяжения вдоль линий тела, где находится кожа. не растягиваться во время большинства обычных движений.

Первичная структура биокостюма построена путем размещения эластичных шнуров по линиям без удлинения. Таким образом, любое давление, которое они оказывают, будет постоянным даже во время движения пользователя. Таким образом, они могут контролировать механическое противодавление, которое прикладывает костюм. Остальная часть костюма затем создается из спандекса, лежащего между первичными шнурами давления. Команда Биокостюмов пока что [ когда? ] сконструировал ряд [ требуется пояснение ] прототипов голени с использованием различных материалов, включая нейлон-спандекс, эластичный материал и пенопласт с уретановой краской. [10] В одной экспериментальной конструкции, кевларткань использовалась между шнурами для областей, где расширение было ограничено. По крайней мере, один костюм для всего тела был изготовлен для Ньюман, который она носила во время многочисленных фотосессий; неизвестно, соответствует ли весь костюм тем же стандартам противодавления, для которых были разработаны прототипы голени. Каждый костюм должен быть адаптирован для пользователя, но сложность этой задачи снижается за счет использования лазерного сканирования всего тела.

Результатом является однослойная версия SAS; он легче оригинала и более гибкий, что обеспечивает более естественное движение и снижает затраты энергии на движение. Варианты частей биокостюма постоянно достигают 25 килопаскалей (190 мм рт. Ст .; 3,6 фунта на квадратный дюйм), и команда в настоящее время [ когда? ] с целью достижения 30 килопаскалей (230 мм рт. ст.; 4,4 фунта на кв. дюйм). Поскольку механическое противодавление оказалось затруднительным для небольших суставов, таких как суставы рук, в базовой конструкции BioSuit используются газонаполненные перчатки и ботинки в дополнение к газонаполненному шлему. [11]

В более позднем варианте биокостюма используются катушки из термоактивированного сплава с памятью формы (SMA) . [12] В этом дизайне костюм свободно сидит на теле при первоначальном надевании. Когда прикреплен силовой модуль, пружинящие витки в костюме сжимаются, чтобы приспособить костюм к телу. Конструкция катушки была дополнительно определена в статье в журнале IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics. [13] По данным на 2008 год, биокостюм потенциально мог быть готов к использованию в марсианских миссиях в ближайшем будущем. [14] [15]

Начиная с 2019 года, было внесено дополнительное улучшение с добавлением трубок с ядросодержащим бором [ требуется уточнение ] , которые могут защитить владельца костюма от излучения, присутствующего в космосе и на поверхности Луны и Марса. По словам Кэти Льюис из Национального музея авиации и космонавтики , «это может быть не следующий костюм, но это будет один из последующих», что указывает на то, что разработка остается активной и сосредоточена на будущих миссиях на Луну и Марс. [16]

В художественной литературе [ править ]

См. Также: Скафандры в художественной литературе: Облегающие скафандры

Писатели, в том числе Дэн Симмонс , Стивен Бакстер , Ларри Нивен , Паук и Джин Робинсон , использовали в своих рассказах космические костюмы. Возможность большей мобильности и упрощения работы с космическим скафандром делает его привлекательным выбором для художественной литературы, где гибкость использования может быть благом для развития сюжета. Эстетические качества гладкого, облегающего космического костюма также контрастируют с традиционным образом жестких скафандров в стиле водолазного костюма, придавая костюмам футуристический вид. Большинство аниме с футуристической тематикой включают в себя обтягивающий скафандр (за заметным исключением Planetes и, в меньшей степени,Франшизы Gundam ). В « Трилогии Марса» Кима Стэнли Робинсона подобный ему костюм называется «ходок» и предназначен исключительно для использования в марсианской среде. В четвертой книге Стивена Гулда из серии « Джемпер » разработка костюма с механическим противодавлением является неотъемлемой частью основного сюжета. [17]

См. Также [ править ]

  • Одноместный космический корабль

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Дэвид, Леонард (26 января 2005 г.). «Высокотехнологичные скафандры для« экстремальных исследований » » . Space.com . Проверено 8 апреля 2007 .
  2. ^ "Воздействие космического пространства" .
  3. ^ Космический костюм , Astronautics.com
  4. ^ «Спросите астрофизика, человеческое тело в вакууме» . Представьте себе Вселенную НАСА . Проверено 14 декабря 2008 .
  5. ^ "Воздействие космического пространства" . Чертовски интересно . Проверено 14 декабря 2008 .
  6. ^ a b c Кеннет Томас и Гарольд МакМанн, «Скафандры США» , Springer, 2012, стр. 209-211
  7. ^ Уэбб, Пол (апрель 1968). «Космический костюм: эластичный трико для работы в открытом космосе» . Аэрокосмическая медицина : 376–382 . Проверено 22 декабря 2016 .
  8. ^ Аннис, Джеймс Ф .; Уэбб, Пол (ноябрь 1971). "Разработка космического костюма" (PDF) . НАСА . CR-1892 . Проверено 22 декабря 2016 .
  9. ^ Биокостюм астронавта для миссий исследовательского класса: NIAC Phase I Report, 2001 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.111.7588&rep=rep1&type=pdf
  10. Перейти ↑ Patel, Samir S (20 октября 2005 г.). «Этот костюм создан для прогулок (по Марсу)» . Монитор христианской науки . Проверено 14 октября 2006 .
  11. ^ "Биокостюм - Обзор (в архиве)" . Исследование внетранспортной активности (EVA) в лаборатории «Человек-машина» . Массачусетский технологический институт . Архивировано 27 марта 2013 года . Проверено 24 ноября 2011 года .CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  12. ^ Чу, Дженнифер (2014-09-18). «Скафандры в термоусадочную пленку» . MIT News . Проверено 19 февраля 2018 .
  13. ^ Holschuh, B .; Obropta, E .; Ньюман, Д. (01.06.2015). "Приводы с катушкой NiTi с низким индексом пружины для использования в одежде активного сжатия" (PDF) . Транзакции IEEE / ASME по мехатронике . 20 (3): 1264–1277. DOI : 10,1109 / TMECH.2014.2328519 . ЛВП : 1721,1 / 88470 . ISSN 1083-4435 .  
  14. ^ Thilmany, J. (2008). «КОСМИЧЕСКАЯ МОДА». Машиностроение .
  15. ^ Ньюман, Дава (2009). «Смягчение травм в открытом космосе, улучшение мобильности, полевые испытания при планировании миссии и расследование противодействующих костюмов IVA для миссий исследовательского класса» (PDF) . Dsls.usra.edu . Архивировано из оригинального (PDF) 13 мая 2016 года . Проверено 20 августа 2017 .
  16. ^ "Скафандры были громоздкими еще до Аполлона 11. Обтягивающий дизайн может это изменить" . USA Today . Дата обращения 3 октября 2020 .
  17. ↑ Гулд, Стивен (9 сентября 2014 г.). Exo . Tor Books. ISBN 978-0-7653-3654-5.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уэбб, Пол. «Космический костюм: эластичный трико для работы в открытом космосе». Аэрокосмическая медицина , апрель 1968 г., стр. 376–383.

Внешние ссылки [ править ]

  • Один гигантский скачок в космической моде: команда Массачусетского технологического института создает изящный облегающий скафандр
  • Костюм космической деятельности: эластичный купальник для работы в открытом космосе , оригинал документа 1968 года (формат Microsoft DOC)
  • Разработка космического костюма , отчет подрядчика НАСА 1971 года, НАСА CR-1892, в виде файла PDF
  • Физиологические эффекты костюма с механическим противодавлением , файл PDF