Костюм с механическим противодавлением - Mechanical counterpressure suit

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.)

А костюм механического противодавления (MCP) или же костюм космической деятельности (SAS) является экспериментальным скафандр который оказывает стабильное давление на кожу с помощью плотно прилегающей эластичной одежды. 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. Исследования ведутся в Массачусетский Институт Технологий (MIT) по системе «Биокостюм», основанной на оригинальной концепции SAS.[1]

Фон

Человеческое тело может ненадолго выжить контакт к тяжелому вакуум незащищенного пространства,[2] несмотря на противоположные изображения в некоторых популярных научная фантастика. Кожа человека не нуждается в защите от вакуума и сама по себе газонепроницаема. В таких условиях человеческая плоть 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 в результате воздействия кислородное голодание Для противодействия этому необходим шлем, содержащий газы для дыхания и защищающий уши и глаза.[3] Эти эффекты были подтверждены при различных авариях в условиях очень большой высоты, в открытом космосе и в учебных вакуумных камерах.[4][5]

Охлаждение

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 разрушение. Это может ограничить полезность SAS. Для надутых скафандров, используемых на космический шатл,Международная космическая станция, а Программа Аполлон, охлаждение достигалось в Первичная система жизнеобеспечения к сублимация воды в вакууме.

Дизайн

Маух

В 1959 г. Ганс Маух работал над "дышащим" нижним бельем для Скафандр Меркурий когда он натолкнулся на идею создания конструкции с механическим противодавлением. Команда Mauch заметила, что закрытые ячейки пены, которые удерживают газ внутри своей структуры, расширяются при понижении внешнего давления. Если пена будет удерживаться внутри нерасширяющегося внешнего слоя, 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 разработать рабочую модель, как часть секрета ВВС X-20 Динасоар усилия. Программа действовала до 1962 года, в течение которого НАСА присоединился к усилиям. Костюм был построен со слоем пены, зажатым между двумя слоями ткани: внутренний прилегает к коже пользователя (или нижнему белью), чтобы обеспечить механическую поддержку, 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

Введение улучшенных тканей привело к концепции Пола Уэбба о новом способе построения SAS.[7] Был заключен контракт на дальнейшую работу по тестированию 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 движения, была значительно меньше, чем у обычных конструкций, что было большим улучшением для длительных выходов в открытый космос. Испытания проколов показали, что до квадратного миллиметра кожи можно подвергать воздействию вакуума в течение продолжительного времени без постоянного эффекта. Подобный прокол в обычном костюме приведет к потере давления и потере воздуха для дыхания. Он весил вдвое меньше основного скафандр носил НАСА космонавтов для Проект Аполлон, то A7L.

Также возник ряд проблем, в первую очередь связанных с проблемой удержания костюма в сильном механическом контакте в каждой точке тела. Вогнутости или небольшие складки на ткани могут привести к скоплению жидкости в промежутках; паховую область оказалось чрезвычайно сложно адаптировать. Чтобы исправить это, в углубления были вставлены небольшие подушечки из пенополиуретана, которые успешно справились с большинством проблемных участков. Костюмы должны были быть адаптированы для каждого человека, хотя то же самое относилось ко всем скафандрам того времени. Самой большой трудностью было надевание и снятие костюма. Чтобы эффективно обеспечить минимальное давление 29,6 килопаскали (220 мм рт. ст.; 4.3 psi ) Необходимый для физиологии человека костюм должен был быть очень 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: типе «powernet» (или «поясной ткани») для областей с высоким напряжением и эластичной тюль плетение для областей с низким натяжением. Оба были основаны на тяжелой резинке. деформация нить с гораздо менее эластичной уток нить, чтобы сформировать сетку. Термины «основа» и «уток» используются здесь свободно, поскольку материал не был сотканный традиционными средствами. Используется Powernet Спандекс шнур в качестве основы с нейлоновым шнуром в качестве утка, позволяющий перемещаться в основном вдоль оси основы. Шпулька использовала резиновую основу с хлопковой оберткой и нейлон или же Дакрон уток и был гибким в обоих направлениях. Хлопковая обертка ограничивала максимальное растяжение до 200% от остальной длины. Сумма избыточного давления, которую может создать бобина, составляла около 2,0 килопаскалей (15 мм рт. Powernet может производить около 6,7 килопаскалей (50 мм рт. Ст., 0,97 фунта на квадратный дюйм) даже на торсе. Для нормального дыхания требуется минимум 17,3 килопаскалей (130 мм рт. Ст.; 2,5 фунта на кв. 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 в различные углубления на теле помещали несколько подушечек из пенопласта, 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 поверх туловища с руками и ногами коклюшек или полностью покрывающей туловище одеждой, полностью покрывающей коклюшки. Одежда была одета как обычное боди с большой застежкой-молнией, закрывающей перед, с дополнительными завязками в некоторых местах, чтобы 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, что уменьшало давление на грудь пользователя. Шлем был закреплен с помощью неэластичной одежды из Номекс ткань, которая оборачивается вокруг груди и под руками, а также эластичными слоями над и под ней.

Биокостюм MIT

Биокостюм MIT рядом с жестким планетарным костюмом Mars Mark III.

Биокостюм - это экспериментальный скафандр, который строится в Массачусетский Институт Технологий по указанию профессора Дава Ньюман при поддержке Институт передовых концепций НАСА. Подобно концепции SAS, в BioSuit используются достижения в области инженерии и измерений.[который? ] для создания упрощенной версии проекта SAS.[9]

Ньюман много работал в биомеханика, особенно в области компьютеризированного измерения движений человека. Как и в случае с газонаполненными костюмами, Ньюман использовал принцип "линии нерасширения ", концепция, созданная Артур Иберал в работе, относящейся к концу 1940-х годов, чтобы расположить элементы натяжения вдоль линий тела, где кожа не растягивается 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, создаваемое костюмом. Остальная часть костюма состоит из спандекс лежащий между первичными шнурами давления. Команда Биокостюмов пока что[когда? ] построил номер[требуется разъяснение ] прототипов голени с использованием различных материалов, в том числе нейлона и спандекса, резинки и пены с уретановой краской.[10] В одном экспериментальном дизайне кевлар ткань использовалась между шнурами для участков, где расширение было ограничено. Для Ньюман был изготовлен по крайней мере один полный костюм, 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 стабильно достигают 25 килопаскалей (190 мм рт. Ст .; 3,6 фунта на квадратный дюйм), и в настоящее время команда разработчиков[когда? ] стремясь к 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 используется термоактивируемый сплав с памятью формы (SMA) катушки.[12] В этом дизайне костюм свободно сидит на теле при первоначальном надевании. Когда силовой модуль присоединен, пружинные витки в костюме сжимаются, чтобы подогнать костюм к телу. Конструкция катушки была дополнительно определена в статье в журнале IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics.[13] По сообщениям, в 2008 году биокостюм мог быть готов к использованию в марсианских миссиях в ближайшем будущем.[14][15]

С 2019 года было внесено дополнительное улучшение с добавлением трубок с ядрышками из бора.[требуется разъяснение ], который может защитить владельца костюма от излучения, присутствующего в космосе и на поверхности Луны и Марса. По словам Кэти Льюис из Национальный музей 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

Смотрите также: Скафандры в художественной литературе: Облегающие скафандры

Писатели, в том числе Дэн Симмонс, Стивен Бакстер, Ларри Нивен, и Паук и Жанна Робинсон, использовали в своих рассказах скафандры. 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. Наиболее аниме с футуристической тематикой включают в себя облегающий скафандр (с заметным исключением Planetes и, в меньшей степени, Гандам франшиза). в Марс Трилогия Ким Стэнли Робинсон, костюм, подобный этому, называется «ходок» и предназначен исключительно для использования в марсианской среде. В четвертой книге Джемпер В сериале Стивена Гулда разработка костюма с механическим противодавлением является неотъемлемой частью основного сюжета.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дэвид, Леонард (26 января 2005 г.). "Высокотехнологичные скафандры для экстремальных исследований'". Space.com. Получено 2007-04-08.
  2. ^ "Открытие космоса".
  3. ^ Костюм космической деятельности, Astronautics.com
  4. ^ "Спросите астрофизика, человеческое тело в вакууме". Представьте себе Вселенную НАСА. Получено 2008-12-14.
  5. ^ "Открытие космоса". Чертовски интересно. Получено 2008-12-14.
  6. ^ а б 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. Получено 22 декабря 2016.
  8. ^ Аннис, Джеймс Ф .; Уэбб, Пол (ноябрь 1971). «Разработка скафандра» (PDF). НАСА. CR-1892. Получено 22 декабря 2016.
  9. ^ Биокостюм астронавта для миссий исследовательского класса: отчет NIAC Phase I, 2001 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.111.7588&rep=rep1&type=pdf
  10. ^ Патель, Самир С. (20 октября 2005 г.). «Этот костюм создан для прогулок (по Марсу)». The Christian Science Monitor. Получено 2006-10-14.
  11. ^ "Биокостюм - Обзор (в архиве)". Исследование внетранспортной активности (EVA) в лаборатории человеко-транспортных средств. Массачусетский Институт Технологий. Архивировано 27 марта 2013 года.. Получено 24 ноября 2011.CS1 maint: неподходящий URL (связь)
  12. ^ Чу, Дженнифер (18.09.2014). "Термоусадочные скафандры". Новости MIT. Получено 2018-02-19.
  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. Дои:10.1109 / TMECH.2014.2328519. HDL:1721.1/88470. ISSN  1083-4435.
  14. ^ Тилмани, Дж. (2008). «КОСМИЧЕСКАЯ МОДА». Машиностроение.
  15. ^ Ньюман, Дава (2009). «Смягчение травм в открытом космосе, улучшение мобильности, полевые испытания при планировании миссий и расследование противодействующих костюмов IVA для миссий исследовательского класса» (PDF). Dsls.usra.edu. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-05-13. Получено 2017-08-20.
  16. ^ «Космические костюмы были громоздкими еще до« Аполлона-11 ». Облегающий дизайн может это изменить». USA Today. Получено 3 октября 2020.
  17. ^ Гулд, Стивен (9 сентября 2014 г.). Экзо. Tor Books. ISBN  978-0-7653-3654-5.

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка