Какое давление в космическом скафандре

Содержание статьи

Скафандр

Космический скафандр «Сокол»

Скафа́ндр (от греч. σκάφος — лодка, судно + ανδρός — родительный падеж от ανήρ — человек, буквально — «лодкочеловек») — специальное снаряжение, предназначенное для изоляции человека (или животного) от внешней среды.

Части снаряжения образуют оболочку, непроницаемую для компонентов внешней среды (жидкостей, газов, излучений). Скафандры в основном подразделяются на водолазные, авиационные и космические.

Этимология[править | править код]

Гравюра изображает водолазный костюм Ла Шапеля (1775)

В Древней Греции «скафандрами» называли хороших пловцов и ныряльщиков.[источник не указан 3184 дня]

В современное время термин «скафандр» был в первый раз предложен в 1775 году аббатом Ла Шапелем в своей книге Traité de la construction théorique et pratique du scaphandre ou du bateau de l’homme. Аббат Ла Шапель назвал так предложенный им костюм из пробки, который бы позволял солдатам пересекать реки.

Водолазные[править | править код]

Нормобарический скафандр — снаряжение, предназначенное для глубоководных (до 600 метров) водолазных работ, во время которых пилот скафандра продолжает находиться при обычном атмосферном давлении, что, соответственно, снимает заботу о декомпрессии, исключает азотное, кислородное и иные отравления.

Авиационные[править | править код]

Скафандр авиационный. Самолёт-разведчик Локхид У-2

Стратосферные полёты[править | править код]

В 1959-1962 годах было построено несколько стратостатов, предназначенных для испытания космических и авиационных скафандров и парашютных систем для приземления с большой высоты. Такие стратостаты были, как правило, оборудованы открытыми гондолами, от разрежённой атмосферы стратонавтов защищали скафандры. Эти испытания оказались предельно опасны. Из шести стратонавтов трое погибли, а один потерял сознание во время свободного падения.

Американский проект «Excelsior» (1959/1960) включал три высотных прыжка из стратостатов объёмом 85 000 м3 с открытой гондолой, которые выполнил Джозеф Киттингер в 1959-1960 годах. Полёты в рамках проекта «Excelsior» дали важные результаты для разработки авиационных гермокостюмов и систем спасения.

Проект «StratoLab» (1961) включал четыре субстратосферных полёта и пять стратосферных, из которых четыре — с герметичной гондолой и один (StratoLab V) с открытой. В ходе полётов была выполнена обширная научная программа, включающая исследование состава воздуха в стратосфере, космических лучей и атмосферного электричества, а также астрономические наблюдения. Полёт StratoLab V «Lee Lewis» состоялся 4 мая 1961 года. Стратостат объёмом свыше 283 000 м3 был запущен с авианосца «Antietam» в Мексиканском заливе и через 2 часа 11 минут после старта достиг рекордной высоты 34 668 м. Стратонавты Малколм Росс и Виктор Претер были одеты в космические скафандры. После успешного приводнения Претер погиб, не удержавшись на трапе во время подъёма на вертолёт и захлебнувшись. Он раньше времени разгерметизировал скафандр, так как был уверен, что опасность миновала.

Проект «Red Bull Stratos» (2012), в котором австриец Феликс Баумгартнер совершил самый высотный 39-километровый прыжок с парашютом, в небе над Нью-Мексико (США), установив, тем самым, два уникальных мировых рекорда, по высоте прыжка и скорости падения. Прыжок был осуществлен в высокотехнологичном скафандре со специальной капсулы, поднятой в воздух аэростатом, выполнив свободное падение с последующим раскрытием парашюта.

Стратосферный скафандр содержал в себе сотни разных датчиков и множество сложных технических устройств. Инженеры скафандра сказали, что управление им имеет столько же технических нюансов, сколько управление самолетом.[уточнить]

Космические[править | править код]

Базз Олдрин на поверхности Луны. Скафандр Apollo A7L

Советский скафандр «Кречет» для выхода на поверхность Луны

Космические скафандры предназначены для осуществления безопасного пребывания и работы космонавта в космическом корабле и в открытом космосе.

Существуют два основных вида:

скафандр мягкого типа
скафандр жёсткого типа

советские

СК-1 — скафандр для осуществления космического полёта без выхода в открытый космос (1960 год)
СК-2 — скафандр для осуществления космического полёта без выхода в открытый космос (1962 год)
«Беркут» — универсальный скафандр для обеспечения безопасного выхода человека в открытый космос и спасения при разгерметизации космического корабля (1964 год).
«Ястреб» — скафандр для осуществления космонавтами выходов в открытый космос (1967 год).
«Кречет» — скафандр для осуществления экспедиции на Луну (1969 год).
«Сокол» — скафандр для осуществления космического полёта без выхода в открытый космос (1973 год).
«Орлан» — скафандр для осуществления космонавтами внекорабельной деятельности (1977).
«Стриж» — скафандр для осуществления космического полёта на многоразовом космическом корабле «Буран» (1981 год).

американские

y Mark IV
G3C
G4C
G5C
A7L
SEES
LES
ACES
EMU

История[править | править код]

Первые образцы космических скафандров были созданы в конце 1950-х гг. в СССР. Вначале они были созданы для первых живых существ в космосе — собак, Рыжик и Лиса (впервые испытаны 24 июня 1954).

Для высадки на поверхность Луны по программе «Аполлон» в 1969-1972 гг. был создан скафандр Apollo A7L. Это был скафандр мягкого типа. Он состоял из 17 слоев различных прочных материалов. Под внешний скафандр надевали терморегулирующий комбинезон, пронизанный сетью трубочек с циркулирующей по ним водой. Масса лунного скафандра составляла порядка 90 кг. Автономная система жизнеобеспечения была рассчитана на шесть часов работы на поверхности Луны плюс 30 минут аварийного резерва.

Скафандры для выхода в открытый космос совершили значительную эволюцию со времен «Беркута». Космонавтами и астронавтами собрано множество конструкций (антенны, фермы, солнечные батареи и т. д.). Доказана возможность успешной работы человека в открытом космосе.

В настоящее время (в 2020 г.) совершены сотни выходов в открытый космос. Решены многие научные задачи, произведены ремонты космических кораблей, станций и спутников (наиболее известен ремонт телескопа «Хаббл», который отремонтировали астронавты).

Опасности выходов в открытый космос[править | править код]

Выходы в открытый космос опасны по множеству различных причин. Глубокий вакуум, экстремальные температуры от минус 150 °С до плюс 150 °С, излучение Солнца, вероятность столкновения с частицами космического мусора или микрометеоритами. В условиях открытого космоса космонавта защищает скафандр. Потенциальную опасность несёт возможность потери или недопустимого удаления от космического корабля, грозящая гибелью из-за израсходования запаса дыхательной смеси. Опасны также возможные повреждения или проколы скафандров, разгерметизация которых грозит декомпрессией и быстрой смертью, если космонавты не успеют вовремя вернуться в корабль. Инцидент с повреждением скафандра произошёл во время полёта «Атлантиса» STS-37, маленький прут проколол перчатку одного из астронавтов. По счастливой случайности разгерметизации не произошло, поскольку прут застрял и блокировал собою образовавшееся отверстие. Прокол даже не был замечен до тех пор, пока астронавты не вернулись в корабль и не начали проверку скафандров.[1]

Показательно, что самый первый достаточно опасный инцидент случился во время первого выхода космонавта в открытый космос в 1965 г. Выполнив программу первого выхода, Алексей Архипович Леонов испытал трудности с возвращением на корабль, поскольку отпустив поручень, он в условиях невесомости не мог войти ногами в люк шлюзовой камеры космического корабля «Восход». Это произошло из-за того, что скафандр Леонова был мягкого типа. Его скафандр раздулся. Также шарниры скафандра «Беркут» имели недостаточную подвижность, которая напрямую зависит от уровня давления в скафандре. Совершив несколько попыток войти в шлюз ногами вперед, космонавт решил войти в него головой вперед, что категорически запрещалось инструкцией. Повернув регулятор давления, космонавт снизил уровень избыточного давления в скафандре с режима 0,4 атм на режим 0,27 атм, что позволило ему вернуться в шлюзовую камеру. Возможность снижения давления была предусмотрена конструкцией скафандра. Внутри камеры космонавт с большим трудом развернулся и закрыл за собой люк. Затем шлюзовая камера была надута, давление в ней сравнялось с давлением в кабине корабля. Космонавт Леонов вернулся в корабль.

Ещё один потенциально опасный случай произошёл во время второго выхода в открытый космос астронавтов космического корабля «Дискавери» (полёт STS-121). От скафандра Пирса Селлерса отсоединилась специальная лебёдка, которая помогает вернуться на станцию и не даёт астронавту улететь в открытый космос. Вовремя заметив проблему, Селлерс с напарником смогли прикрепить устройство обратно и выход был завершён благополучно.

РадиоСкаф[править | править код]

Списанные скафандры «Орлан-М» в 2006 и 2011 годах стали оболочкой для экспериментальных миниспутников, запущенных с борта МКС (см. проект «РадиоСкаф»)[2].

См. также[править | править код]

Установка для перемещения и маневрирования космонавта
Гермошлем
Экзоскелет — устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса.
Выход в открытый космос

Литература[править | править код]

Алексеев С. М., Уманский С. П. Высотные и космические скафандры, Машиностроение, 1973, 282 с.

Документалистика[править | править код]

Скафандр Чертовского. Документальный фильм из цикла «Первые в мире». ООО «Голд Медиум» по заказу ГТРК «Культура». 2019 г. ГТРК «Культура». 09.06.2019. 20 минут.

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Статья про скафандры в журнале «Вокруг света»
Как долго можно находиться в космосе без скафандра? // Популярная механика, 17 апреля 2017
Эволюция скафандров // Hi-Tech Mail.ru, апр 2020

Источник

Как регулируется давление в космическом скафандре

Космический скафандр представляет собой костюм космонавта в виде герметичной оболочки, внутри которой поддерживается постоянное давление и газовый состав пригодные не только для жизни, но и длительной работоспособности человека. В настоящее время все отечественные и зарубежные скафандры в рабочем режиме используют 100% кислородную среду, а вот стандарт режима рабочего давления в отечественных и американских скафандрах имеет свои отличия на подобие разницы ширины колеи на западноевропейских и отечественных железных дорогах — они просто разные: в отечественных скафандрах поддерживается давление на уровне 280-320 мм.рт.ст., а в американских 180-200 мм.рт.ст.

Узнать более подробно о газовом составе и давлении внутри скафандра можно прочитав отдельную статью перейдя по данной ссылке.

Регулятор давления

Регулирование давления в скафандре достигается установкой на гермооболочку регулятора давления, автоматически поддерживающего в скафандре заданное давление, достаточное для обеспечения нормальной жизнедеятельности космонавта в случае падения давления в космическом корабле. Регулятор давления состоит из корпуса, клапана выпуска воздуха, пакета анероидных коробок и крышки регулятора.

Принципиальная схема регулятора давления в скафандре с сильфоном:

Принципиальная схема регулятора давления в скафандре

1, 2 — клапаны; 3 — сильфон; 4 — пружина клапана; 5 — резиновый клапан; 6 — пружина сильфона; 7 — крышка клапана; 8 — корпус; 9 — оболочка скафандра; 10 — прижимная гайка

Чувствительным элементом, реагирующим на изменения абсолютного давления, является пакет анероидов. При подъеме на высоту пакет анероидов расширяется тем самым препятствуя свободному выходу воздуха из скафандра и поддерживая в скафандре заданное абсолютное давление. Поворотом верхней крышки регулятора можно принудительно создать в скафандре избыточное давление на всех высотах, начиная с поверхности Земли.

Предохранительный клапан

Принципиальная схема предохранительного клапана

1-корпус; 2-пружина; 3-тарелка клапана; 4-крышка; 5-защитная сетка; 6-донная часть; 7-регулировочная шайба; 8-регулировочная пружина; 9-сетка; 10-11-шайбы для крепления клапана к скафандру.

Для понижения избыточного давления предназначен предохранительный клапан в скафандре. Клапан открывается тогда, когда это давление будет превышать усилия предварительно сжатых пружин 2 и 8 . Благодаря предохранительному клапану даже при неконтролируемом увеличении подачи газовой смеси внутрь скафандра, рабочее давление в скафандре сохранится на заданном уровне (0,4 кгс/см2), а излишки будут стравливаться исключая увеличения нагрузки на оболочку скафандра.

Визуальный контроль давления внутри скафандра.

Визуальный контроль давления внутри скафандра осуществляется при помощи встроенного в оболочку скафандра манометра, расположенного на рукаве спасательного скафандра «Сокол».

Клапан давления и манометр на рукаве скафандра «Стриж» (см. статью о скафандре «Стриж»)

На более сложных, с технологической точки зрения автономных скафандрах типа «Орлан» для выхода в открытый космос, механических манометр, расположенный на груди дублируется цифровым, показатели которого отображаются в одном из меню бортового компьютера скафандра.

«Игра с давлением в скафандре»: автор блога «Прогулки в стратосфере» во время определения сочетаемости скафандра «Сокол-КВ2» с перспективным изделием.

Управляя регулятором давления, космонавт может самостоятельно определять скорость изменения нарастания/снижения давления, а также устанавливать промежуточные (технические) режимы (площадки) внутри скафандра с учетом индивидуальных особенностей барофункций.

Научный сотрудник АО «НПП «Звезда», испытатель авиационного и космического снаряжения С.М. Дворников.

Ставьте лайк, подписывайтесь на канал «Прогулки в стратосфере» и одноименные сообщества в социальных сетях «ВК» и «ОК».

Источник

Космические скафандры: личная Земля

Чтобы понять, как устроены космические скафандры, инженером быть необязательно. Здесь все подчинено понятной логике выживания: температура, кислород, давление и… прочный привязной ремень.

Открытый космос — малоподходящее место для таких нежных существ, как люди. В отличие от каких-нибудь тихоходок или лишайника, мы не переносим отсутствие кислорода, почти нулевое давление вакуума, температуру, которая поднимается на сотни градусов, стоит только Солнцу выйти из тени, и, конечно, потоков солнечных и космических лучей и частиц. Но, как когда-то, осваивая северные широты, люди научились «брать юг с собой» и заворачиваться в теплую одежду, так и здесь людьми была сконструирована одежда, которая защищает от опасных факторов космической среды, воссоздавая на орбите «микроскопическую Землю».

Каждый скафандр — это, по сути, индивидуальный, защищенный от радиации космический корабль, в котором поддерживаются нужное давление и температура, стабилизируется состав дыхательной смеси и работают десятки других систем жизнеобеспечения и защиты, энергии и связи. И все это втиснуто в минимальный объем, формы и материалы, позволяющие человеку двигаться, работать и общаться.

Давление

Создать в скафандре нужное давление можно двумя способами, и оба они используются. Легкие компенсационные костюмы нужны военным летчикам и космонавтам на этапах взлета и посадки. В них тело человека оплетают ленточные кольца, связанные с системой резиновых трубок. По команде в трубки быстро нагнетается воздух, они увеличиваются в объеме и сжимают тело. Однако таким способом вряд ли можно создать равномерное давление, это лишь временная мера, и во «включенном» компенсационном скафандре провести можно считанные минуты.

Скафандры водолазов-глубоководников или космонавтов, проводящих в открытом космосе целый рабочий день, делают герметичными, поддерживая в них нужное давление самой дыхательной смесью. Как правило, это давление равно 1 атм, хотя, например, в скафандрах астронавтов американских кораблей Space Shuttle использовалось всего 0,29 атм.

Космонавты находятся в них, как внутри плотно надутой шины, что, кстати, серьезно затрудняет их движения. Для поддержания нормального давления в глубоком вакууме космоса скафандры обязательно имеют две оболочки. И если уж продолжать аналогию с надутым колесом, то роль шины здесь играет герметичный внутренний слой из высококачественной резины, а защитную роль покрышки — слой нейлона или капрона.

Жизнеобеспечение

Система жизнеобеспечения первых скафандров была незамкнутой и негерметичной: отработанный воздух, наполненный паром и углекислым газом, просто выводился наружу. Однако уже вскоре на смену им пришли скафандры с замкнутой регенерационной системой, в которой наряду с поддержанием нужной концентрации кислорода работают встроенные средства для удаления лишней воды, связывания углекислоты и регулирования температуры.

Удаление накопившегося углекислого газа производится химически, при прокачке дыхательной смеси через гидроксид лития (с образованием углекислого лития). Кислород подается из запасов, хранящихся в баллонах под большим давлением. Почти всегда в скафандре поддерживается атмосфера с повышенным содержанием кислорода. Чтобы не испытать опасное опьянение, космонавты, надев специальную маску, предварительно дышат кислородом, насыщая им кровь.

Температура

Для поддержания комфортной температуры современные скафандры изолируют от космической среды с помощью многих слоев ультрасовременных материалов, включая неопрен, Gore-Tex. Несколько слоев тонкой терефталатной пленки с алюминиевым напылением практически полностью блокируют теплообмен. Кроме того, внешний слой (например, майларовый) белого цвета эффективно отражает солнечные лучи, не давая скафандру перегреваться.

Впрочем, человеческое тело само достаточно нагревает внутренние объемы, и температура внутри скафандра во время работы стоит вполне тропическая. Охлаждение и выведение влаги, которая появляется с потом космонавта и быстро наполняет внутренний объем, — главная проблема скафандров. Для этого через него проходит густая система наполненных жидкостью трубочек, которые отводят излишки тепла прямо в космос.

«Лунный» скафандр астронавтов — участников миссий Apollo. Иллюстрация Стивена Бисти

Важные детали

Для защиты от микрометеоритов остается добавить еще один прочный слой — например, кевларовый, — и в целом наш скафандр будет готов. При этом мы уже набрали изрядное количество слоев, которые сами по себе служат неплохим экраном и от радиации, так что дополнительные меры защиты не понадобятся. Стоит лишь запомнить, что при особенно мощных потоках — например, во время солнечной вспышки — они не помогут, и в космос все-таки лучше не выходить.

Осталось дополнить скафандр небольшими, но важными деталями. Прозрачным куполом шлема из сверхпрочного поликарбоната — «бронестекла». Сдвижной полупрозрачной «шторкой» с густым отражающим напылением из золота, которое задержит больше трети солнечных лучей и позволит не ослепнуть под их светом. С внутренней стороны шлема не забыть нанести на стекло покрытие, препятствующее осаждению пара. Добавим лишь наушники и микрофон, связанные с радиоприемником, и можно выходить в открытый космос. Главное — не забыть привязаться к кораблю.

Движение и защита

Работать в условиях микрогравитации — совсем не то, что на Земле. Многие наши привычные движения и полезные рефлексы здесь только мешают. Не весящий ничего космонавт, пытаясь закрутить небольшую гайку, сам начнет вращаться в противоположном направлении. Первые люди, работавшие в открытом космосе, сообщали, что немало усилий уходит просто на поддержание своего положения в пространстве. Поэтому уже много лет у космонавтов и астронавтов вырабатывают специальные навыки работы в таких условиях, а на внешней обшивке МКС проложены целые «тропинки» из рукоятей и поручней, за которые можно удерживаться.

В остальном же человек, заключенный в многослойную, плотно надутую оболочку, оказывается почти беспомощен. Существовали проекты создания реактивных систем, которые обеспечивали бы скафандры хотя бы минимальной самостоятельностью и маневренностью на орбите. В космосе был даже испытан американский модуль MMU, похожий на стул с небольшими реактивными двигателями, управляющимися джойстиком. Скафандры астронавтов, работавших на Space Shuttle, оснащались спасательным модулем SAFER (Simplified Aid For EVA Rescue): 1400 г сжатого азота позволяли развить скорость до 3 м/с и вернуться в случае аварийной потери контакта с космическим кораблем.

Однако главной защитой космонавтов остается… обычная привязь. Если не считать испытаний модуля MMU в 1984 г. и модуля SAFET в 1994-м, все до сих пор прошедшие выходы в открытый космос производятся со страховкой. Кадры Евгения Леонова — первого человека, вышедшего за пределы космического корабля, — парящего на 15-метровой ленте, как на фантастической пуповине, облетели весь мир. Во времена Леонова эта «пуповина» также включала трубки для перекачки воздуха, провода и другие элементы. Сегодня это простая, легкая и прочная лента с карабинами, но именно она остается лучшим другом и защитником космонавта.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Источник