способ обеспечения переносимости космонавтами эксплуатационных и аварийных перегрузок в космическом летательном аппарате

Формула изобретения

Способ обеспечения переносимости космонавтами эксплуатационных и аварийных перегрузок в космическом летательном аппарате, включающий определение оптимальной позы космонавта, размещение его в этой позе в кресле при помощи ложемента, соответствующего его антропометрическим данным, и снижение перегрузок, действующих на космонавта в направлении «грудь-спина», при помощи регулируемого амортизатора, соединяющего кресло с летательным аппаратом, отличающийся тем, что кресло изготавливают в виде набора локальных ложементов изменяемой геометрии и изменяемого взаимного расположения, закрепляют на амортизируемом основании и настраивают по индивидуальным антропометрическим данным космонавта, при этом используют для каждого кресла дополнительно один или более амортизаторов, снижающих нагрузки в направлении «голова-таз».

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области пилотируемой космонавтики и служит для создания достаточной физиологической переносимости перегрузок, действующих на космонавтов на динамических участках полета корабля, при штатной посадке и в расчетных нештатных ситуациях, вероятных при выводе корабля на орбиту и при возвращении на Землю.

Известен способ обеспечения переносимости космонавтами эксплуатационных и аварийных перегрузок в космическом летательном аппарате, применяемый в настоящее время на спускаемых аппаратах кораблей типа «Союз» с использованием амортизационных кресел космонавтов типа «Казбек» (1. Сайт ОАО «НИИ «Звезда» npp.ru/kasbek.html; 2. Изделие «Казбек-У». Техническое описание и инструкция по эксплуатации 115-7500-0 ТО, ОАО «НЛП «Звезда» (п.я. 3927), 1985 г.; 3. Барер А.С. Предел переносимости. Т.1. М.: БЛОК-Информ-Экспресс, 2012). Способ заключается в том, что с тела космонавта, одетого в полетный скафандр, изготавливают гипсовый слепок, по которому отливают из полимерного материала персональный ложемент, плотно вкладываемый в каркас кресла, и оснащают каждое кресло регулируемым амортизатором, через который оно соединяется с корпусом спускаемого аппарата (СА). При этом взаимное расположение кресла, амортизатора и корпуса СА выбирают таким, чтобы угол между направлением перегрузки и продольной осью тела (так называемый «физиологический угол») составлял величину, равную 78°, обеспечивающую максимальную переносимость перегрузок человеком («Космонавтика». Энциклопедия под ред. В.П. Глушко. М.: «Советская энциклопедия», 1985). В этом положении космонавт фиксируется привязной системой.

Известный способ обладает рядом недостатков:

1. Персональный ложемент воспроизводит обводы тела космонавта в скафандре, в котором нет избыточного давления, что соответствует штатным условиям полета. Однако в одной из расчетных аварийных ситуаций, а именно при разгерметизации CA, скафандр наполняется кислородом под избыточным давлением, которое может поддерживаться в течение 125 минут. В этих условиях у космонавта, плотно зафиксированного в кресле привязной системой, может возникать существенный дискомфорт в области коленного сустава, когда естественная складка от скафандра под действием избыточного давления резко давит на область подколенной ямки и нижнюю поверхность голени. Это имеет место и в условиях наземных примерок кресел космонавтов, особенно тех, у кого угол в коленном суставе существенно ниже 70°.

По данным обмеров 178 космонавтов и астронавтов за последние 12 лет, только 1% приближается по этому показателю к оптимальному значению, а у 80% контингента этот угол составляет всего 40° 50°. Космонавты, как правило, успешно переносят этот дискомфорт в наземных условиях, наряду с прочими трудностями подготовки к полету, но в условиях невесомости дискомфорт может стать неприемлемым, так как ухудшение кровотока в нижних конечностях создает предпосылки для появления декомпрессионных расстройств.

2. Известно также, что после длительного пребывания в условиях невесомости происходит удлинение позвоночного столба космонавта, т.е. увеличение «роста сидя», достигающее в некоторых случаях 30 мм, что заставляет изготавливать ложемент с соответствующим зазором, снижающим плотность прилегания тела космонавта к ложементу на начальной фазе полета.

3. Использование в составе кресла одного амортизатора, ориентированного в направлении действия перегрузок «грудь-спина», не позволяет в достаточной степени ослабить перегрузки в направлении «голова-таз», возникающие при приземлении на наклонную поверхность грунта в пересеченной местности или при наличии ветрового сноса парашютирующего CA.

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, а именно: повышение переносимости космонавтом перегрузок, возникающих в расчетных аварийных ситуациях, при сохранении достаточной переносимости перегрузок штатного полета, за счет обеспечения возможности самостоятельного регулирования (корректировки) позы космонавта в кресле и дополнительной амортизации ударных перегрузок в направлении «грудь-спина».

Поставленная задача решается следующим образом:

1. Кресло изготавливают в виде набора локальных ложементов для головы, торса, таза, бедер, голеней и ступней. Ложементы выполняют сборными и раздвижными в пределах реального диапазона антропометрических размеров соответствующих частей тела предполагаемого контингента космонавтов женского и мужского полов. Ложементы размещают на наклонном жестком основании с помощью подвижных соединений так, чтобы взаимное расположение ложементов воспроизводило позу человека «сидя с согнутыми коленями». Это позволяет настроить оптимальное положение космонавта в соответствии с его индивидуальными антропометрическими параметрами и корректировать геометрию кресла при изменении этих параметров в таких расчетных ситуациях, как наличие давления в полетном скафандре или удлинение позвоночного столба космонавта после длительного пребывания в условиях невесомости.

2. Основание кресла снабжают как минимум двумя амортизаторами, один из которых, как и в прототипе, соединяет кресло с корпусом СА со стороны головы и воспринимает нагрузки в направлении «грудь-спина», а второй устанавливают внутри кресла так, чтобы он воспринимал нагрузки в направлении «голова-таз», возникающие в случае приземления CA под острыми углами к поверхности грунта, что имеет место при ветровом сносе CA и/или в условиях пересеченной местности.

Ниже излагается реализация предлагаемого способа применительно к CA, близкому по эксплуатационным характеристикам к CA космического транспортного корабля типа «Союз».

При выборе оптимальной позы учитываются физиологические особенности человеческого организма, а также ограничения, налагаемые стесненными условиями внутри CA, ориентацией CA относительно вектора перегрузок на активных участках полета и относительно направления силы тяжести на этапе приземления.

Учитывая, что на динамических участках полета угол между осью аппарата и вектором перегрузки составляет 5°, для создания оптимальной позы с «физиологическим углом» 78° необходимо, чтобы плоскость, на которой устанавливаются ложементы для головы, торса и таза, была наклонена к плоскости пола СА под углом 90°+5°-78°=17° (фиг.1).

Оптимизация позы космонавта в отношении величины углов в суставах ног с физиологической точки зрения должна идти в направлении приближения их величины по крайней мере к 90°. В пределах интерьера CA этого нельзя добиться за счет выпрямления ног вдоль оси тела. Применяя регулировки ложементов по предлагаемому способу (фиг.2), можно увеличить углы в коленном и голеностопном суставах за счет подъема подножки стопы вверх для любого сочетания антропометрических параметров (роста, полной длины ноги, длины бедра, голени, обхвата бедер и др.) в контингенте космонавтов.

Приемлемая поза для испытателей минимальной и максимальной антропометрии достигается при углах в коленном и тазобедренном суставах 70° и 62° соответственно. Приемлемость подтверждается результатами трехчасового нахождения в данной позе пяти испытателей, из которых никто не отмечал прилива крови к голове или охлаждения ног в области стоп и существенного дискомфорта от давления складок скафандра, в т.ч. с расчетным избыточным давлением 0,4 кгс/см².

Выбранная оптимальная поза, в которой фиксируется космонавт, обеспечивает ему без каких-либо дополнительных мероприятий достаточную переносимость перегрузок относительно стабильного направления и величины, создаваемых силой тяги или силой аэродинамического торможения на динамических участках полета. Однако на этапе приземления CA находится под действием сил тяжести и инерции, и в момент контакта с землей имеют место случайные факторы (ветер, неровности грунта), что приводит к перегрузкам ударного типа в направлениях, существенно отличных от направления «спина-грудь». Из практики приземления CA космических кораблей типа «Союз» известен диапазон наиболее вероятных условий соударения CA с Землей. В частности, углы отклонения продольной оси CA от нормали к грунту находятся в пределах 15°, а горизонтальная составляющая скорости CA в аварийном случае отказа двигателей мягкой посадки может достигать 15 м/с. С учетом этой статистики и расположения каждого кресла в CA определяют составляющие силы динамической реакции, создающей ударные перегрузки на кресло.

Исходя из допустимого уровня травмоопасности космонавтов и используя известные критерии травмоопасности (например, по стандарту NASA-STD-3000 или по OCT B1 02652-88), определяют значения максимально допустимых динамических реакций модели человека (мужской и женской соответственно) на возникающие перегрузки при трехосном нагружении. Сравнивая эти значения с ударными перегрузками, действующими на кресло в случае аварийного приземления, расчетным путем определяют величину и направление импульса ударных перегрузок, который подлежит амортизации. Соответственно определяется номинальная длина хода каждого амортизатора, на основании чего выбирается конструкция амортизатора, его размеры, способы установки на кресле и регулировки по индивидуальным антропометрическим параметрам космонавта. При этом может быть применен четырехрежимный способ регулировки в зависимости от статического момента, создаваемого весом космонавта :

Индекс режима нагружения	Диапазон статического момента, кгс*·м	Название режима
Л	41,5 46,9	Легкий
С	46,9 53,1	Средний
ПТ	53,1 60,1	Полутяжелый
Т	60,1 68	Тяжелый

Потребный режим выбирается в зависимости от статического момента, получаемого для каждого космонавта по результатам центровки.

В качестве примера исполнения амортизационной схемы кресла по предлагаемому способу на фиг.3. приведена модель распределения усилий между амортизаторами, на фиг.4 - график, иллюстрирующий снижение перегрузок приземления на кресле за счет вертикального амортизатора, на фиг.5 - график, иллюстрирующий снижение перегрузок приземления на кресле за счет горизонтального амортизатора.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет настраивать кресло космонавта в соответствии с его индивидуальными антропометрическими данными по состоянию на любой момент времени для любого расчетного режима полета и расширить диапазон амортизируемых аварийных перегрузок, тем самым обеспечивая переносимость перегрузок как в условиях штатной эксплуатации, так и при вероятных аварийных ситуациях.