background image
вторник
k
110, 2 октября 2012 г.
Выпуск 87
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ
Опосредованное воздействие умень
шенной в миллион раз силы тяжести на
технологическую деятельность космо
навта в первую очередь проявляется в
виде феномена безопорного состоя
ния
, при котором законы механики не
позволяют выполнять работу. Возмож
ности человеческого организма имеют
пределы. Поэтому наряду с совершен
ствованием медико биологических
средств защиты от вредного влияния
микротяжести большое внимание
уделяется оснащению рабочих мест
средствами закрепления космонавта в
функционально продуктивной рабочей
позе, предотвращающими его бескон
трольный дрейф в пространстве или
отделение от обитаемого объекта, то
есть средствами фиксации, которые
обеспечивают одновременно и безо
пасность космонавта, особенно при
работах вне гермоотсеков.
Каковы же роль и значение фикса
ции в жизни и работе современного
космонавта?
Во первых, как подтверждает ана
лиз данных о двигательных расстрой
ствах в условиях микротяжести, фик
сация является средством ограниче
ния влияния микротяжести на орга
низм человека. Во вторых, наличие
фиксации есть необходимое условие
равенства нулю суммы всех взаимо
действующих сил и моментов в систе
ме космонавт инструмент объект
труда, то есть условие равновесия этой
системы, исключающего проявление
феномена безопорного состояния.
Как поддерживается работоспособ
ность космонавта в условиях микрове
сомости?
Отсутствие гравитационной
нагрузки на костно мышечный аппа
рат и снижение тонуса антигравитаци
онных мышц компенсируются с помо
щью физических упражнений, нагру
Трудовая деятельность в безопорном пространстве
Может ли отсутствие тяжести не повредить здоровью человека?
Тут необходимо прибегнуть к возбуждению искусственной тяжести.
К.Э. Циолковский
Прошло полвека с тех пор, как человек впервые ощутил состояние
микротяжести непосредственно в космическом полте. В процес
се полта космонавт защищн полтным техническим комплек
сом или скафандром от вакуума, экстремальных температур,
повышенной радиации, микрометеоритов. Необходима также за
щита от микротяжести, поскольку е длительное отрицательное
воздействие сказывается и на организме человека, и на резуль
татах его трудовой деятельности.
зочного костюма, биоэлектростимуля
ции и фармакологических препаратов.
Против снятия гидростатического дав
ления работают
физупражнения, на
грузочный костюм, препараты и баро
устройства. Нарушение согласованно
сти работы анализаторов снимают уп
ражнения, костюм, препараты и сред
ства фиксации. А вот эффект безопор
ного состояния устраня
ется с помощью только
одного средства фик
сации.
Фиксация. Целесооб
разно рассматривать
состояние микротяжес
ти как технологическую
среду, а устройства фик
сации в качестве приспо
соблений и оснастки,
тесно и неразрывно свя
занных с технологичес
ким процессом, инстру
ментом и характером
выполняемых действий.
Объясняется это тем, что
ведущей и основной на
грузкой на устройства
фиксации являются ре
акции на рабочие уси
лия космонавта и/или
реакции на взаимодей
ствие инструмента и
предмета труда.
Какой же физический смысл вкла
дывается в термин фиксация? Под
фиксацией в условиях микротяжести
понимается искусственное ограниче
ние числа степеней свободы одного
объекта по отношению к другому (ба
зовому) путм наложения связей раз
личной жсткости. Фиксация космо
навта в производственно оперативной
зоне обеспечивает ему стабильность
рабочей позы, снимает необходимость
удерживаться руками и освобождает
руки для непосредственного выполне
ния целевых действий, дат возмож
ность сосредоточить внимание на ра
боте, а не на сохранении положения
тела, обеспечивает передачу рабочих и
восприятие реактивных усилий и мо
ментов. Наджная фиксация является
залогом безопасной и безаварийной
работы космонавта как вне космиче
ского объекта, так и внутри него.
Организационно технологические
варианты применения фиксации в прак
тике показаны на схеме в виде своего
рода дерева фиксации, приведн
ной на рис. 1.
Перемещение. Первостепенный и
непременный элемент фиксации
страховочный фал, который во избе
жание отделения космонавта от борта
соединяет его с космическим кораб
лм. Таким образом была обеспечена
безопасность космонавта при первом
выходе в открытый космос из корабля
Восход 2 (1965 год), а
также при
переходе двух космонавтов из корабля
Союз 5 в Союз 4 по поверхности
состыкованных кораблей (1969 год). В
обоих этих случаях фал служил также
кабелем электропитания.
В дальнейшем лунный скафандр
Кречет 94 (1967 год), а затем и ор
битальный скафандр Орлан Д (1977
год) были оснащены страховочным
фалом длиной 0,6 м с карабином, кото
рый космонавт мог присоединять к
поручням на поверхности орбитальной
станции. Кроме того, к скафандру был
присоединн электрофал длиной 20 м
с встроенным в него тросом, что явля
лось вторым барьером защиты от опас
ности несанкционированного отделе
ния космонавта от станции. Прокладка
20 метрового фала кабеля по трассе
перехода осуществлялась с использо
ванием фиксаторов улиток, установ
ленных с заданным шагом.
При переводе скафандра Орлан
ДМ на автономное электропитание
(1983 год) он был оснащн уже двумя
страховочными фалами длиной по 1 м
каждый. Перемещение космонавта вне
космического корабля сопровождает
ся скольжением или строго попере
менной перецепкой карабинов по по
ручням, при этом в любой момент вре
мени один из двух карабинов должен
оставаться присоединнным к поруч
ню.
Два параллельных поручня на орби
тальной станции также являются базо
вым элементом фиксации и обеспе
чивают подходы к жизненно важным
зонам на внешней поверхности стан
ции. Поручни пригодны не только для
перемещения по ним космонавта, но и
для установки дополнительных средств
фиксации, для экспонирования науч
ной аппаратуры и многого другого.
Стационарная фиксация. В програм
ме Н1 ЛЗ ввиду необходимости сохра
нения центровки лунного корабля (ЛК)
требовалось обеспечить постоянное
положение центра масс связки космо
навт скафандр в определнной расчт
ной точке относительно продольной
оси и вектора тяги двигателей ЛК при
посадке. Для этого была разработана
система амортизации и фиксации
(САФ) в составе ЛК, а в конструкцию
скафандра введн силовой поясной
шпангоут с силовыми элементами для
подстыковки скафандра к ответным
узлам САФ (рис. 2). Такая конструкция
позволяла космонавту в скафандре
самостоятельно зафиксироваться на
рабочем месте, а также переносить
перегрузки прилунения.
Фиксация при внекорабельной дея
тельности. В дальнейшем первоочеред
ное внимание было сосредоточено на
создании устройства для са
мостоятельной и оперативной фикса
ции космонавта в скафандре на внеш
ней поверхности орбитальной станции.
К такому устройству предъявляются
жсткие требования по безопасности,
наджности, удобству и простоте при
менения, быстродействию как при
фиксации, так и при самостоятельном,
без помощи другого члена экипажа,
освобождении от фиксации, по мини
мизации вероятности непроизвольной
расфиксации.
В результате поисково конструктор
ских и экспериментально испытатель
ных работ в условиях моделирования
микротяжести с участием испытателя,
одетого в скафандр Орлан, было
создано механическое устройство для
жсткой фиксации ступней, получив
шее наименование Якорь (1978 год).
Устройство содержит пространствен
но изогнутую скобу с уклоном к е
краям, высота которой над поверхно
стью в средней части равна высоте
ботинка, и Г образные упоры для пя
точной части ботинка (рис. 3, а). При
фиксации используется характерный
для скафандра наддув ботинка и сило
вой элемент на каблуке. Конфигурация
скобы исключает непроизвольную рас
фиксацию обеих ступней одновремен
но. Устройство Якорь не содержит
движущихся частей, не подвергается
разрушающим нагрузкам, его на
джность приближается к единице.
Успех фиксации/расфиксации зависит
только от уровня подготовки космо
навта.
Таким образом, применение косми
ческого якоря обеспечивает космо
навту возможность реализовать гео
гравитационный стереотип локомоций
с приложением широкого спектра
разнохарактерных усилий: тянущих,
толкающих, кручения; длительных,
импульсных; одной и двумя руками; на
разных уровнях относительно плоско
сти опоры. Именно это позволяет кос
монавту использовать руки для про
дуктивного труда.
В процессе экспериментальных ис
следований устройства Якорь в ус
ловиях моделированной микротяжес
ти при полте самолта по параболе
была выявлена возможность принятия
и сохранения испытателем наклонной
рабочей позы по отношению к исход
ной с углами наклона в пределах под
вижности голеностопных суставов. При
этом аэробалки ног скафандра мо
гут быть легко деформированы космо
навтом, и это состояние поддержива
ется без сколько нибудь значительного
напряжения мышц. Данный способ
фиксации позволил расширить рабо
чие зоны на 300% относительно услов
но вертикального положения космо
навта (рис. 4).
Специалисты НАСА разработали свой
способ фиксации ног и соответствую
щее конструктивное решение. Но для
МКС требовалось устройство, одина
ково пригодное для ботинок и россий
ских, и американских скафандров. По
согласованию сторон на базе российс
кой конструкции с некоторыми изме
нениями был разработан используемый
на МКС гибридный Якорь (рис. 5).
Фиксация оператора внутри косми
ческой станции в традиционном для
него положении сидя посредством
привязных ремней достаточно удобна,
однако применима лишь для ограни
ченного круга операций. Оснащать все
рабочие зоны сиденьями нецелесооб
разно, во первых, из за массо габарит
ных характеристик сидений, во вторых,
в силу того, что в условиях микротяже
сти отсутствует различие в затратах
энергии на поддержание поз стоя и
сидя, а моторное поле космонавта в
положении стоя значительно шире.
Одно из устройств для фиксации
космонавта внутри космического
объекта было разработано на основе
применения специальной обуви, снаб
жнной элементами закрепления. От
ветные части устройства фиксации, к
которым прикрепляется обувь, могут
быть установлены на рабочих местах в
различных точках космического объек
та. Устройство позволяет занимать и
сохранять рабочую позу с наклонами
от продольно вертикальной оси тела
(в пределах подвижности голеносто
па) на пространственный угол до
70...80 и воспринимает реактивные
усилия с любых направлений.
Нельзя не отметить, что приспосаб
ливаемость человека оказалась весь
ма высокой. Космонавт фиксирует себя
находчиво, ловко, порой удивительно
для нас на Земле, даже не используя
специальных средств, а только бли
жайший поручень.
Фиксация элементов предметной
среды является обязательным услови
ем по обеспечению трудовой деятель
ности и быта космонавтов. Остро стоит
вопрос о предотвращении утери инстру
ментов, выносимых за борт, и монти
руемых, а также демонтируемых и воз
вращаемых в гермоотсек приборов и
оборудования. Бесконтрольный дрейф
предметов может стать причиной трав
мирования космонавтов и поврежде
ний интерьера и внешней поверхности
космического аппарата.
Средства фиксации по физическо
му принципу прикрепления или удер
жания объекта, от элементарных до
технически непростых, можно класси
фицировать следующим образом: ме
ханические, магнитные, элек
тромагнитные, электростатические,
пневматические, адгезионные, термо
адгезионные и другие подобные уст
ройства.
Микротяжесть зачастую ставит за
дачи, решение которых возможно толь
ко на уровне изобретений. Например,
для предотвращения разлетания струж
ки при сверлении отверстий разработа
ны приспособления с наполнителем из
вязкой пластмассы на основе каучука;
для исключения отделения капли рас
плавленного припоя от стержня паяль
ника и минимизации выделения в ат
мосферу орбитальной станции вред
ных аэрозолей разработана уникаль
ная конструкция паяльника Пеликан;
простота моментального соединения
сборочных единиц обеспечивается но
вым классом магнитосодержащих уст
ройств (Город науки 72, 2010 г.) и
тому подобное по всему производ
ственному и бытовому циклу.
Таким образом, на данном этапе ос
воения безопорного пространства кос
монавт может, перефразируя слова
Архимеда, заявить: Дайте мне точку
опоры и я выполню любую работу.
Предполагается, что воспроизведе
ние геогравитационной обстановки
позволит исключить неблагоприятное
влияние микротяжести на функциони
рование организма человека в целом и
обеспечить локомоторику космонавта
в производственно трудовых и быто
вых процессах.
Уже сегодня не будет преждевре
менным изучение потребности в ис
кусственной тяжести для осуществле
ния полта к Марсу. Вызывает озабо
ченность вопрос о работоспособности
членов десантной группы экипажа на
поверхности Марса после перелта Зем
ля Марс. Опираясь на опыт 437 су
точного непрерывного геоорбитально
го полта и мнение врача космонавта
В.В. Полякова, можно предположить,
что имеющихся в арсенале космичес
кой медицины средств и методов про
тивостояния микротяжести может быть
достаточно для сохранения марсонав
тами приемлемого уровня работоспо
собности. Экспериментальное подтвер
ждение этого предположения позволи
ло бы с большей уверенностью прогно
зировать положительный результат эк
спедиции, а также не усложнять марси
анский экспедиционный комплекс.
Олег ЦЫГАНКОВ,
главный научный сотрудник РКК
Энергия, доктор технических наук,
профессор МАИ, академик РАКЦ
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.