Система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (варианты) и способ её эксплуатации (варианты)
Владельцы патента RU 2624895:
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" (RU)
Группа изобретений относится к космической технике, а именно к средствам обеспечения безопасной деятельности на внешней поверхности космического объекта (КО), например орбитальной станции (ОС). Система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности КО включает поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса КО, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободным концом зафиксированным на внешней поверхности КО. В систему введены кронштейны с плоскими спиралями, каждая из которых выполнена из сопряженных между собой концентрических витков, или с жесткими пластинами, в каждой из которых выполнено центральное отверстие, переходящее в кольцевой участок в виде сквозного паза с прорезью наружного контура пластины. В способе эксплуатации системы страховочный трос по мере разматывания вводят между витками спирали или через прорезь наружного контура пластины с протяжкой троса в направлении движения космонавта. Техническим результатом группы изобретений является повышение безопасности, надежности и быстродействия фиксации космонавта. 4 н.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Изобретения относятся к космической технике, в частности к средствам обеспечения деятельности и безопасности космонавта в открытом космическом пространстве, в том числе на внешней поверхности космического объекта, например орбитальной станции (ОС), а также могут быть использованы в различных видах монтажных работ в иных средах для прокладки гибких протяженных по длине изделий: кабелей, шлангов и т.п.
Под фиксацией в условиях невесомости понимается искусственное ограничение числа степеней свободы одного объекта по отношению к другому - базовому, путем наложения связей различной жесткости. (О.С. Цыганков. Трудовая деятельность в безопорном пространстве. // Полет. №2. 2002, с. 6).
Надежная связь космонавта с ОС при работах на ее внешней поверхности, исключение возможности несанкционированного отделения космонавта от станции является доминирующей задачей при организации и техническом обеспечении внекорабельной деятельности (ВКД). С этой целью поверхность ОС оснащена поручнями, установленными на стойках, расположенных по трассе исходя из конструктивных соображений.
Известен отечественный скафандр для ВКД "Орлан-Д" (1977-1984 гг.), снабженный страховочным фалом с карабином (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. // ОАО "Научно-производственное предприятие "Звезда". Москва. 2005. С. 339, рис. 8.1-1). Космонавт передвигается по поручням с помощью рук, перемещая при этом скольжением карабин страховочного фала, зафиксированный за поручень, от стойки до стойки. Обеспечивая связь с ОС, такой способ фиксации требует выполнения большого количества перецепок карабина у стоек, что вызывает чрезмерную утомляемость мышц-сгибателей кистей и пальцев космонавта в наддутых перчатках.
В состав скафандра "Орлан-ДМА" (1988-1997 гг.), с переходом на автономное электропитание и беспроводную связь, был введен второй страховочный фал для параллельного применения (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. // ОАО "Научно-производственное предприятие "Звезда". Москва. 2005, с. 341). Это повысило надежность фиксации космонавта к ОС, но еще в большей степени увеличило нагрузку на руки космонавта, т.к. требовалось для каждого шага при передвижении перецеплять уже два карабина.
В скафандре "Орлан-М" (для орбитальной станции "Мир" и МКС с 1998 г.), один из 2-х страховочных фалов выполнен переменной длины (И.П. Абрамов и др. Космические скафандры России. // ОАО "Научно-производственное предприятие "Звезда". Москва. 2005, с. 342, рис. 8. 2-1; Патент RU 2528504, опубл. 20.09.2014, МПК: B64G 1/66 (2006.01)). Такое решение снижало количество перецепок в рабочей зоне с радиусом 2,5-3 м, но при передвижении по поручням необходимость в выполнении перецепок 2-х карабинов осталась, что мало способствует снижению энергозатрат космонавта в процессе ВКД.
Известно средство фиксации космонавта на корпусе космического аппарата (патент RU 2053942, опубл. 10.02.1996, МПК: B64G 1/66 (2006.01)), содержащее поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического аппарата, и снабженное фалами и упругими элементами, расположенными вдоль трассы поручней, один конец каждого фала жестко закреплен на одном из поручней, а второй конец снабжен кольцом и закреплен с возможностью скольжения на соответствующем упругом элементе, жестко связанном с поручнем. Предлагаемое средство могло бы несколько снизить количество перецепок карабина страховочного фала, однако фал, входящий в состав данного средства, по своей длине может перекрыть не более 2-3 интервалов между стойками. Необходимость перецепок сохраняется, при этом зацепление карабина за кольцо на конце мягкого фала одной рукой невозможно, в то время как вторая рука космонавта должна находиться в захвате за поручень. Кроме того, вся конструкция в целом загромождает пространство вдоль трассы поручней и неоправданно увеличивает общую массу объекта.
В качестве прототипа системы выбран (IAC-02-IAA.10.1.02. Russian-American Cooperation in EVA Area (from Russian Perspective). O.S. Tsygankov // 53rd International Astronautical Congress. The Word Space Congress-2002 10-19 Oct 2002 / Houston, Texas, p. 4). Известная система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта включает поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции, расположенном на внешней поверхности космического объекта. При передвижении космонавта, по мере удаления от точки закрепления карабина, трос вытравливается, при возвращении - наматывается на барабан.
В качестве прототипа способа эксплуатации данной системы выбран (О.С. Цыганков. Начало сотрудничества России и США в области внекорабельной деятельности. // Пилотируемые полеты в космос. Научно-технический журнал №1, 2014, ФГБУ "НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина", с. 111). Известный способ эксплуатации данной системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта включает прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки со страховочным тросом, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции на внешней поверхности космического объекта (фиг. 5).
Данная система и способ ее эксплуатации исключает перецепки карабина по трассе поручней. Однако поверхность ОС содержит во множестве выступающие элементы: мишени, датчики, антенны, привода солнечных батарей, дренажные клапаны, кабельные трассы, научную аппаратуру и мн. др. Невозможно исключить заматывание, зацеплении вытравленного троса за выступающие элементы при передвижении космонавта, при изменении направления движения на углы вплоть до 90°, при передвижении по дуге цилиндрических поверхностей, при переходе с одного модуля на другой, пристыкованный перпендикулярно к оси x ОС и т.п. Зацепление троса представляет опасность как для космонавта, так и для внешнего оборудования, особенно при возвращении в шлюзовой отсек. Кроме того, при случайном отделении космонавта от станции, существует опасность его удаления на всю длину вытравленного троса с неизбежным рывком в точке закрепления троса, что категорически неприемлемо.
Задачей предлагаемых изобретений является обеспечение надежности и быстродействия фиксации космонавтов, освобождение от необходимости выполнять перецепки карабинов страховочных фалов при передвижении, исключение несанкционированного отделения космонавта от космического объекта, экономия времени в сеансах ВКД для целевых операций, предотвращение неконтролируемой миграции страховочного троса по поверхности космического объекта.
Техническим результатом изобретений является повышение безопасности, надежности, эргономичности и быстродействия фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта, а также предотвращение неконтролируемой миграции страховочного троса по поверхности космического объекта.
Технический результат достигается тем, что в систему фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (вариант 1), включающую поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции, расположенном на внешней поверхности космического объекта, введены кронштейны с плоскими спиралями, каждая из которых выполнена из сопряженных между собой концентрических витков по схеме: 0,75 внутреннего витка +0,75 внешнего витка и жестко закреплена на поручнях через кронштейн (фиг. 2, 3, 4), при этом учитывают выполнение следующих условий:
L - расстояние между витками спирали, мм;
D - внутренний диаметр спирали, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем спирали установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта (фиг. 6).
Технический результат достигается также и тем, что в способе эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (вариант 1), включающем прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки со страховочным тросом, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции на внешней поверхности космического объекта, по мере разматывания страховочного троса вводят его между витками спирали, заправляют его внутрь спирали и производят протяжку страховочного троса в направлении передвижения космонавта.
Технический результат достигается тем, что в систему фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (вариант 2), включающую поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции, расположенном на внешней поверхности космического объекта, введены кронштейны с жесткими пластинами, в каждой из которых выполнено центральное отверстие, переходящее в кольцевой участок в виде сквозного паза протяженностью 270° по окружности и имеющий прорезь наружного контура жесткой пластины шириной, равной ширине сквозного паза, выполненного концентрически с центральным отверстием (фиг. 7, 8, 9), при этом учитывают выполнение следующих условий:
L - ширина сквозного паза или прорези наружного контура жесткой пластины, мм;
D - диаметр центрального отверстия, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем пластины жестко закреплены на поручнях через кронштейны и установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней, с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта (фиг. 6).
Технический результат достигается также и тем, что в способе эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (вариант 2), включающем прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки со страховочным тросом, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции на внешней поверхности космического объекта, по мере разматывания страховочного троса вводят его через прорезь наружного контура пластины в сквозной паз, затем проводят страховочный трос по сквозному пазу, заправляют его в центральное отверстие и производят протяжку страховочного троса в направлении передвижения космонавта.
Формулы (1)-(4) обоснованы следующим образом.
Зависимости (1,2÷1,4)d и (1,4÷1,6)d определяют зазоры, обеспечивающие свободное введение троса между витками или в сквозные пазы и проводку троса внутри спирали или паза, что подтверждено экспериментально в условиях моделирования невесомости при полетах на самолете.
С позиций эргономики внекорабельной деятельности, расстояние между витками спирали и ширина паза L должны находиться в пределах разрешающей способности космонавта в скафандре работать с мелкими объектами, то есть не менее 12 мм.
Внутренний диаметр спирали и центральное отверстие в жесткой пластине D должны соответствовать "Отраслевому стандарту ОСТ 134-1004-95. Средства фиксации для внекорабельной деятельности. Общие технические требования", п. 4.1.6.9: «Отверстия (круглые или другой формы) должны иметь поперечный размер не менее 30 мм». Это требование предъявляется во избежание защемления в отверстии пальца, диаметр которого в наддутой перчатке равен 30 мм, а также для обеспечения возможности выполнения космонавтом ручных манипуляций в наддутых перчатках.
Было проведено определение L (мм) и D (мм) по предложенным формулам (1), (2) или (3), (4) для некоторых точек в диапазоне d=3÷50 мм (таблица).
Из таблицы следует, что в отдельных ситуациях, при малых диаметрах троса, например, в диапазоне d=3÷8 мм, расстояние L, определенное по формуле (1), не является достаточным для работы космонавта в скафандре, поэтому выполняют L=12 мм.
Аналогично, при диаметре троса в диапазоне d=3÷18 мм, диаметр D, полученный по формуле (2), является эргономически неприемлемым, поэтому выполняют D=30 мм.
При диаметре троса d>8 мм для определения L и d>10 мм для определения D предложенные формулы справедливы с учетом правых частей неравенств, указывающих на минимально допустимые размеры L и D.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами: таблицей и фиг. 1-9.
В таблице приведены результаты определения L и D по предложенным формулам (1), (2) или (3), (4) для некоторых точек в диапазоне d=3÷50 мм.
На фиг. 1 представлена схема системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (варианты).
На фиг. 2 - пример крепления кронштейна с плоской спиралью к поручню (вид спереди).
На фиг. 3 - пример крепления кронштейна с плоской спиралью к поручню (вид сбоку).
На фиг. 4 - плоская спираль.
На фиг. 5 - крепление страховочной лебедки на скафандре и свободного конца страховочного троса на неподвижном элементе конструкции на внешней поверхности космического объекта.
На фиг. 6 - пример возможной схемы размещения кронштейнов с плоскими спиралями или жесткими пластинами с пазами на внешней поверхности космического объекта.
На фиг. 7 - пример крепления кронштейна и жесткой пластины с пазом к поручню (вид спереди).
На фиг. 8 - пример крепления кронштейна и жесткой пластины с пазом к поручню (вид сбоку).
На фиг. 9 - жесткая пластина с пазом.
На фигурах введены следующие обозначения:
1 - страховочная лебедка;
2 - страховочный трос;
3 - неподвижный элемент конструкции на внешней поверхности космического объекта;
4 - кронштейн;
5 - плоская спираль;
6 - элемент крепления (замок) кронштейна к поручню;
7 - поручень;
8 - стойка;
9 - внутренний виток;
10 - внешний виток;
11 - сквозной паз;
12 - жесткая пластина.
Предусматривается два варианта системы фиксации: с плоскими спиралями из пруткового материала (вариант 1); с жесткими пластинами со сквозными пазами и центральными отверстиями (вариант 2).
Система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта по первому варианту (фиг. 1) включает поручни 7, жестко закрепленные на стойках 8 внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку 1 со страховочным тросом 2, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции 3, расположенном на внешней поверхности космического объекта, в нее введены кронштейны 4 с плоскими спиралями 5, каждая из которых выполнена из сопряженных между собой концентрических витков по схеме: 0,75 внутреннего витка 9+0,75 внешнего витка 10 и жестко закреплена на поручнях 7 через кронштейн 4, например, замком 6, при этом учитывают выполнение следующих условий:
L - расстояние между витками спирали, мм;
D - внутренний диаметр спирали, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем спирали установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней, с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта (фиг. 7).
Способ эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта по первому варианту включает прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки 1 со страховочным тросом 2, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции 3 на внешней поверхности космического объекта (фиг. 6), по мере разматывания страховочного троса 2 вводят его между витками 9 и 10 спирали 5, заправляют его внутрь спирали 5 и производят протяжку страховочного троса 2 в направлении передвижения космонавта.
По второму варианту система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта (фиг. 1), включающая поручни 7, жестко закрепленные на стойках 8 внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку 1 со страховочным тросом 2, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции 3, расположенном на внешней поверхности космического объекта, в нее введены кронштейны 4 с жесткими пластинами 12, в каждой из которых выполнено центральное отверстие, переходящее в кольцевой участок в виде сквозного паза 11 протяженностью 270° по окружности и имеющего прорезь наружного контура жесткой пластины 12 шириной, равной ширине сквозного паза 11, выполненного концентрически с центральным отверстием, при этом учитывают выполнение следующих условий:
L - ширина сквозного паза и прорези наружного контура жесткой пластины, мм;
D - диаметр центрального отверстия, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем пластины 12 жестко закреплены на поручнях 7 через кронштейны 4, например, замком 6, и установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней 7, с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта (фиг. 7).
Способ эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта по второму варианту включает прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки 1 со страховочным тросом 2, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции 3 на внешней поверхности космического объекта (фиг. 5), по мере разматывания страховочного троса 2 вводят его через прорезь наружного контура пластины 12 в сквозной паз 11, затем проводят страховочный трос 2 по сквозному пазу 11, заправляют его в центральное отверстие и производят протяжку страховочного троса 2 в направлении передвижения космонавта.
Изобретение может быть использовано для прокладки различных гибких, протяженных по длине изделий разного диаметра: тросов, кабелей, шлангов и др.
Обеспечивается выбор материалов и технологий изготовления: по первому варианту - навивка из прутковых и трубчатых заготовок; по второму варианту - механическая обработка, штамповка, литье.
1. Система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта, включающая поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции, расположенном на внешней поверхности космического объекта, отличающаяся тем, что в нее введены кронштейны с плоскими спиралями, каждая из которых выполнена из сопряженных между собой концентрических витков по схеме: 0,75 внутреннего витка + 0,75 внешнего витка и жестко закреплена на поручнях через кронштейн, при этом учитывают выполнение следующих условий:
L=[(1,2÷1,4)d]≥(12±2) мм;
D=[(1,4÷1,6)d]≥(30±2) мм, где
L - расстояние между витками спирали, мм;
D - внутренний диаметр спирали, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем плоские спирали установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней, с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта.
2. Способ эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта, включающий прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки со страховочным тросом, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции на внешней поверхности космического объекта, отличающийся тем, что по мере разматывания страховочного троса вводят его между витками спирали, заправляют его внутрь спирали и производят протяжку страховочного троса в направлении передвижения космонавта.
3. Система фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта, включающая поручни, жестко закрепленные на внешней поверхности корпуса космического объекта, закрепленную на скафандре космонавта страховочную лебедку со страховочным тросом, свободный конец которого зафиксирован на неподвижном элементе конструкции, расположенном на внешней поверхности космического объекта, отличающаяся тем, что в нее введены кронштейны с жесткими пластинами, в каждой из которых выполнено центральное отверстие, переходящее в кольцевой участок в виде сквозного паза протяженностью 270° по окружности и имеющий прорезь наружного контура жесткой пластины шириной, равной ширине сквозного паза, выполненного концентрически с центральным отверстием, при этом учитывают выполнение следующих условий:
L=[(1,2÷1,4)d]≥(12±2) мм;
D=[(1,4÷1,6)d]≥(30±2) мм, где
L - ширина сквозного паза или прорези наружного контура жесткой платины, мм;
D - диаметр центрального отверстия, мм;
d - диаметр страховочного троса, мм,
причем пластины жестко закреплены на поручнях через кронштейны и установлены в начале и конце прямолинейных участков, на поворотах и изломах трассы поручней, с шагом, сопоставимым с функциональной досягаемостью вытянутой руки космонавта.
4. Способ эксплуатации системы фиксации космонавта при передвижении по внешней поверхности космического объекта, включающий прикрепление на скафандре космонавта страховочной лебедки со страховочным тросом, свободный конец которого фиксируют к неподвижному элементу конструкции на внешней поверхности космического объекта, отличающийся тем, что по мере разматывания страховочного троса вводят его через прорезь наружного контура пластины в сквозной паз, затем проводят страховочный трос по сквозному пазу, заправляют его в центральное отверстие и производят протяжку страховочного троса в направлении передвижения космонавта.
