Учебный стенд для моделирования магнитной обстановки при межпланетных полетах

Изобретение относится к научным моделям, приборам для демонстрации в натуральную величину, учебно-тренировочным устройствам, в частности, для моделирования магнитной обстановки в отсеках космического корабля. Учебный стенд для моделирования магнитной обстановки при межпланетных полетах включает модель модуля пилотируемого летательного аппарата с размещенным снаружи нее магнитным экраном, длина которого превышает длину модели модуля, выполненным по меньшей мере из одного слоя магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью в геомагнитном поле, превосходящей 10³. Благодаря изобретению можно моделировать межпланетное магнитное поле и исследовать воздействие его условий на человека и биорегенеративные системы жизнеобеспечения, таким образом изобретение расширят арсенал средств заявленного назначения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к научным моделям, приборам для демонстрации в натуральную величину, учебно-тренировочным устройствам, которые вызывают ощущения, идентичные ощущениям, возникающим при обращении с реальными устройствами, в частности, для моделирования магнитной обстановки в отсеках космического корабля, обусловленной окружающей средой в условиях дальнего пилотируемого космического полета.

Проблема актуальна в связи с тем, что при подготовке к дальним полетам, в отличие от околоземных полетов, человек и биорегенеративные системы жизнеобеспечения будут находиться, во-первых, вне привычного геомагнитного поля, что неблагоприятно, и, во-вторых, подвергаться колебаниям слабого межпланетного магнитного поля, что, как недавно выяснилось, также не исключает нежелательных последствий. Такое положение характерно для полетов, например, к планетам солнечной системы или при работах на Луне.

Известен учебный стенд для моделирования условий невесомости в космическом полете (Aerospace Medicine, 1966, v.37, № 2, p.144, 154) путем вращения человека вокруг продольной оси тела в горизонтальной плоскости. В таком устройстве процесс моделирования крайне ограничен, в нем не имитируется комплексная оптовестибулярная стимуляция и гемодинамические сдвиги, характерные для невесомости.

Известен учебный стенд, содержащий модули летательного аппарата, блок модулей отображения информации в закабинном пространстве, блок модулей, реализующих имитацию акселерационных ощущений, а также взаимосвязанные блоки программных модулей системы объективного контроля, имеющие соответствующие соединения со всеми перечисленными блоками функциональных модулей (RU 2087037 С1, G09B 23/00, 10.08.1997). Недостаток указанного стенда связан с неточностью воспроизводимой обстановки, обусловленной тем, что не предусмотрена система моделирования отсутствия в условиях дальнего пилотируемого космического полета геомагнитного поля и наличия межпланетного магнитного поля, и, следовательно, недостаточной полнотой исследований, проводимых на таком стенде.

Известен учебный стенд для моделирования внеземной обстановки, в том числе в отсеках космического корабля, для выявления полиэффекторных реакций организма - вестибуловегетативных, вестибулосенсорных, оптовестибулярных и ликворогемодинамических (RU 2072955 C1, G09B 23/00, 10.02.1997). Такой стенд используется при изучении устойчивости организма к воздействию невесомости, в частности к адаптационному синдрому невесомости, и может быть использован для лиц, деятельность которых связана с воздействием разнонаправленных ускорений, а именно у космонавтов, летчиков, моряков, спортсменов и т.д., для повышения устойчивости организма человека к болезни движения. Этот стенд моделирует только часть отсутствующих на Земле воздействий на космонавтов и не предназначен для моделирования магнитной обстановки, создаваемой окружающей средой, в отсеках космического корабля в дальнем пилотируемом космическом полете.

В США при подготовке программы «Аполлон» астронавтов подвергали воздействию пониженного геомагнитного поля (см., например, Копанев В.И. и Шакула А.Б. Влияние гипомагнитного поля на биологические объекты. Л.: Наука. 1985, с.44), но их пребывание в космическом корабле (модуле) и работа в этих условиях не моделировались. Сам эксперимент продолжался не более 10 суток, что несопоставимо с временем межпланетного полета, например, к Марсу и обратно, длительность которого будет составлять, по меньшей мере, несколько сот суток.

Стендов для моделирования магнитной обстановки в отсеках космического корабля, обусловленной окружающей средой в условиях дальнего пилотируемого космического полета, на уровне техники не выявлено.

Таким образом задачей настоящего изобретения является создание стенда для моделирования отсутствия в отсеках космического корабля в условиях дальнего пилотируемого космического полета привычного геомагнитного поля и наличия межпланетного магнитного поля и его колебаний применительно к задаче исследования воздействия этих условий на человека (экипаж) и биорегенеративные системы жизнеобеспечения.

Актуальность моделирования такой обстановки определяется несовершенством имеющихся средств моделирования условий, отсутствующих на Земле.

Техническим результатом заявленного изобретения является расширение арсенала средств заявленного назначения.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что учебный стенд для моделирования магнитной обстановки при межпланетных полетах, включающий модель модуля пилотируемого летательного аппарата с размещенным снаружи нее магнитным экраном, длина которого превышает длину модели модуля, и выполненным по меньшей мере из одного слоя магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью в геомагнитном поле, превосходящей 10³.

Достижению технического результата способствуют частные существенные признаки изобретения, а именно:

- магнитный экран выполнен в виде цилиндра, угол отклонения оси которого от вектора индукции геомагнитного поля в месте установки стенда находится в диапазоне от 60° до 90°,

- магнитный экран выполнен в виде тора,

- торцы цилиндра снабжены крышками из магнитомягкого материала,

- в качестве магнитомягкого материала используют ленту из магнитомягкого сплава,

- стенд дополнительно содержит электромагнитные катушки, расположенные внутри модуля.

Модель модуля может содержать системы жизнеобеспечения испытателей, элементы систем наблюдения за их состоянием, системы имитации их деятельности во время имитации полета и другие системы.

Таким образом, в изобретении предложена новая совокупность существенных признаков. Все предложенные признаки существенны, так как влияют на достигаемый технический результат, т.е. находятся в причинно-следственной связи с указанным результатом.

Совокупность указанных признаков обеспечивает решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата - создание стенда для моделирования магнитной обстановки в отсеках космического корабля, обусловленной окружающей средой в условиях дальнего пилотируемого космического полета с получением условий, приближенных к реальным.

На одном из возможных видов используемых материалов для экрана в качестве примера можно пояснить, что представляют собой такие материалы, например лента из магнитомягкого сплава марки 84КХСР на основе кобальта (CoBSiCrFe). По структуре сплав напоминает стекло, т.е. не имеет кристаллической решетки. Лента производится методом сверхбыстрого затвердевания струи расплавленного металла на движущейся охлаждающей поверхности.

Изделия из ленты сплава 84КХСР могут изготавливаться в виде кольцевых, овальных или прямоугольных витых магнитопроводов, подвергаемых специальной термомагнитной обработке. Магнитопроводы из этого сплава имеют следующие преимущества перед магнитопроводами из других магнитомягких материалов:

высокое электросопротивление,

сверхвысокая магнитная проницаемость,

низкая коэрцитивная сила,

близкая к нулю магнитострикция,

малые потери при перемагничивании в широком диапазоне частот,

стойкость к ударам и вибрациям,

высокая коррозионная стойкость,

радиационная стойкость,

максимальная прямоугольность и наивысшая максимальная магнитная проницаемость для типа П,

наивысшая магнитная проницаемость в слабых полях для типа В,

минимальные потери, самая малая остаточная индукция, постоянство магнитной проницаемости в малых полях и хорошая линейность для типа Т.

Их типичные магнитные и физические характеристики таковы.

Характеристики	Тип В	Тип П	Тип Т
Магнитная индукция при напряженности магнитного поля 800 А/м	0.58 Тл	0,58 Тл	0,58 Тл
Магнитная индукция при напряженности магнитного поля 100 А/м	-	0.55 Тл	0.55 Тл
Магнитная проницаемость при напряженности магнитного поля 0,1 А/м	50000	-	50000
Однополярное приращение индукции	-	-	0,5 Тл
Относительная магнитная проницаемость при подмагничивании постоянным магнитным полем величиной 0,5 А/м	-	-	50000
Плотность		7,7 г/см3
Твердость Н		12 ГПа
Удельное электрическое сопротивление		1,25 мОм·м
Константа магнитострикции, ppm		0,1·10-6

Расположение стенда с магнитным экраном в виде цилиндра таким образом, чтобы угол отклонения оси цилиндра от вектора индукции геомагнитного поля в месте установки стенда находился в диапазоне от 60° до 90°, позволяет эффективно экранировать горизонтальный компонент геомагнитного поля и подводить с торцов коммуникации для жизнеобеспечения экипажа и контроля необходимых параметров в эксперименте.

Магнитный экран в виде тора позволит моделировать некоторые предлагаемые конструкции модулей межпланетных кораблей, в которых предусматривается создание искусственной гравитации.

Крышки из магнитомягкого материала на торцах цилиндра предназначены для повышения эффективности экранировки горизонтального компонента геомагнитного поля.

Преимущества использования в качестве магнитомягкого материала ленты из магнитомягкого сплава описаны выше.

Электромагнитные катушки торообразные или подковообразные, а также в виде рамок и колец по типу соленоидальных систем или, например, известных систем Гельмгольца и др., размещенные внутри стенда, предназначены для моделирования межпланетного поля и его колебаний, компенсации остаточного геомагнитного поля и создания в случае необходимости искусственного геомагнитного поля.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен стенд с магнитным экраном в виде цилиндра, где 1 - модель пилотируемого модуля, 2 - экран в виде цилиндра, 3 - его ось, 4 - вектор магнитной индукции геомагнитного поля.

На фиг.2 изображен стенд с магнитным экраном в виде цилиндра и со съемными крышками на торцах, где 1 - модуль, 2 - магнитный экран, 3 - крышки на торцах (одна в виде полусферы, другая в виде конуса).

На фиг.3 изображен стенд с электромагнитными катушками по п.6, где 1 - модель модуля, 2 - экран в виде цилиндра, 3 - электромагнитные катушки, образующие соленоидальную магнитную систему для моделирования межпланетного поля и его колебаний, компенсации остаточного геомагнитного поля и для создания в случае необходимости в модели модуля искусственного геомагнитного поля, 4 - питание катушек.

На модели экрана (короб из 6 слоев магнитомягкого сплава) с помощью аппаратуры для замера и контроля уровня поля (трехкомпонентный магнитометр НВ0204.4А производства ЭНТ, СПб) установлено, что ослабление магнитного поля Земли внутри короба достигает в зависимости от ориентации модели нескольких сотен раз.

Учитывая уже накопленные знания о неблагоприятном воздействии на человека пониженного геомагнитного поля (например, в ГОСТ Р 51724-2001 «Поле гипомагнитное» гипомагнитные условия считаются неблагоприятными в наземных экранированных объектах, помещениях), очевидно, что при имитации длительного (сотни суток) пилотируемого межпланетного полета требуется моделировать также и этот фактор.

Так что очевидна важность решаемой с помощью совокупности указанных существенных признаков задачи - создания стенда, моделирующего в отсеках космического корабля магнитную обстановку, обусловленную окружающей средой в условиях дальнего пилотируемого космического полета, с получением условий, приближенных к реальным.

1. Учебный стенд для моделирования магнитной обстановки при межпланетных полетах, включающий модель модуля пилотируемого летательного аппарата с размещенным снаружи нее магнитным экраном, длина которого превышает длину модели модуля, и выполненным по меньшей мере из одного слоя магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью в геомагнитном поле, превосходящей 10³.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что магнитный экран выполнен в виде цилиндра, угол отклонения оси которого от вектора индукции геомагнитного поля в месте установки стенда находится в диапазоне от 60 до 90°.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что магнитный экран выполнен в виде тора.

4. Стенд по п.2, отличающийся тем, что торцы цилиндра снабжены крышками из магнитомягкого материала.

5. Стенд по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитомягкого материала используют ленту из магнитомягкого сплава.

6. Стенд по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит электромагнитные катушки, расположенные внутри модуля.