Механический костюм противодавления

Костюм механического противодавления (MCP) , костюм частичного давления , костюм прямого сжатия или костюм для космической деятельности ( SAS ) — это экспериментальный 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, для сжатия человеческого тела в условиях низкого давления. Разработка была начата НАСА и ВВС в конце 1950-х, а затем снова в конце 1960-х, но ни одна из конструкций не использовалась. (MIT) проводятся исследования В Массачусетском технологическом институте системы «биокостюм», основанной на оригинальной концепции SAS. ^[1]

Фон

Человеческое тело может кратковременно пережить воздействие жесткого вакуума без защиты. космического ^[2] несмотря на противоположные изображения в некоторых популярных научно-фантастических произведениях . Кожа человека не нуждается в защите от вакуума и сама по себе газонепроницаема. В таких условиях человеческая плоть увеличивается примерно в два раза, создавая визуальный эффект бодибилдера, а не переполненного воздушного шара. Этому можно противодействовать посредством механического противодавления со стороны специально сконструированной одежды. Сознание сохраняется до 15 секунд, поскольку наступают последствия кислородного голодания . Чтобы противодействовать этому, необходим шлем, удерживающий дыхательные газы и защищающий уши и глаза. ^[3] Эти эффекты были подтверждены различными авариями в условиях очень большой высоты, в космическом пространстве и в учебных вакуумных камерах. ^[4]^[2]

Охлаждение

Охлаждение космонавта с помощью SAS обычно достигается за счет испарения пота тела, который выделяется из скафандра во всех направлениях. Вода, соли и белки могут откладываться на оптике и других чувствительных поверхностях, вызывая повреждение или деградацию. Это может ограничить полезность SAS. Для надутых скафандров, используемых на космических кораблях «Шаттл» , Международной космической станции и программе «Аполлон» , охлаждение достигалось в первичной системе жизнеобеспечения путём сублимации воды в вакууме.

Дизайны

Маух

В 1959 году Ганс Маух работал над «дышащим» нижним бельем для скафандра «Меркурий» , когда ему пришла в голову идея создать конструкцию механического противодавления. Команда Мауха заметила, что пенопласты с закрытыми порами , которые удерживают газ внутри своей структуры, расширяются при понижении внешнего давления. Удерживая пену внутри нерасширяющегося внешнего слоя, она будет оказывать все большее давление на тело по мере снижения давления. Похоже, это позволило создать конструкцию, обеспечивающую гораздо лучшую мобильность, чем почти жесткая конструкция «Меркурия». ^[5]

В конце 1959 года компания Mauch Laboratories получила контракт от ВВС США на разработку рабочей модели в рамках секретного проекта ВВС X-20 Dynasoar . Программа действовала до 1962 года, когда к НАСА усилиям присоединилось . Костюм был построен из слоя пены, зажатого между двумя слоями ткани: внутренний прилегал к коже пользователя (или нижнему белью) для обеспечения механической поддержки, а внешний обеспечивал сдерживание. Отдельный и громоздкий шлем обеспечивал давление и дыхательные газы. Как и в нижнем белье, которое Маух разработал для Mercury, терморегуляция обеспечивалась за счет прямого испарения пота через ткань. Получившийся костюм был примерно таким же громоздким, как и первоначальный дизайн Меркурия, за исключением большого шлема. ^[5]

Расширенные вакуумные испытания были проведены успешно, но оказалось, что костюм обладает меньшей мобильностью, чем ожидалось, и дальнейшая разработка была прекращена. ^[5]

Уэбб

Внедрение улучшенных фабрик привело к появлению концепции Пола Уэбба нового способа построения SAS. ^[6] Дальнейшие работы были заключены для проверки различных концепций конструкции. Между 1968 и 1971 годами было построено десять конструкций все более сложной конструкции, что в конечном итоге привело к серии успешных испытаний в вакуумных камерах. Самый длинный тест длился два часа сорок пять минут.

Испытания прошли успешно: практичность механического скафандра противодавления была убедительно продемонстрирована. Энергия, необходимая для перемещения, была значительно меньше, чем у традиционных конструкций, что было серьезным улучшением для длительных выходов в открытый космос. Испытания на проколы показали, что до квадратного миллиметра кожи можно подвергать прямому воздействию вакуума в течение длительного времени без какого-либо постоянного эффекта. Подобный прокол в обычном костюме привел бы к потере давления и воздуха для дыхания. Он весил вдвое меньше основного скафандра , который носили астронавты НАСА для проекта «Аполлон A7L » .

Обнаружился и ряд проблем, в первую очередь связанных с проблемой удержания костюма в прочном механическом контакте в каждой точке тела. Вогнутости или небольшие складки на ткани могут привести к скоплению жидкости в зазорах; область паха оказалось чрезвычайно трудно адаптировать. Чтобы исправить это, в вогнутости были вставлены небольшие подушечки из пенополиуретана, которые оказались успешными в большинстве проблемных мест. Скафандры приходилось подгонять под каждого человека, хотя то же самое касалось всех скафандров той эпохи. Самой большой трудностью было надевание и снятие костюма. Чтобы эффективно обеспечить минимальное давление в 0,3 бара (4,4 фунта на квадратный дюйм ), необходимое для физиологии человека, костюм должен был быть чрезвычайно плотно прилегающим, что делало надевание и снятие очень трудной задачей.

В 1971 году Уэбб вместе с Джеймсом Ф. Аннисом опубликовали свои выводы в отчете. ^[7] Отчет остался положительным, и исследователи посчитали, что дальнейшие улучшения возможны. Цитирую отчет:

В заключение отметим, что САС на нынешнем этапе развития защитит человека от воздействия вакуумной среды в одежде, позволяющей улучшить подвижность и естественные движения тела. С физиологической точки зрения этот подход обоснован, и хотя остается еще много проблем, которые предстоит решить, они носят преимущественно механический характер. Было высказано предположение, что решение механических проблем в сочетании с тщательной подгонкой на основе биомеханического анализа, а также разработкой специальных эластичных тканей может в конечном итоге привести к созданию версии SAS, пригодной для использования в космосе.

Первоначальный дизайн SAS был основан на двух новых тканях: типе «силовой сети» (или «поясной ткани») для зон с высоким напряжением и эластичном бобинном переплетении для зон с низким напряжением. Оба были основаны на тяжелой эластичной основной нити с гораздо менее эластичной уточной нитью, образующей сетку. Термины основа и уток используются здесь широко, поскольку материал не был соткан традиционными способами. Powernet использовала шнур из спандекса в качестве основы и нейлоновый шнур в качестве утка, что позволяло перемещаться преимущественно вдоль оси основы. В боббинете использовалась резиновая основа, обернутая хлопком, и уток из нейлона или дакрона , и он был гибким в обоих направлениях. Хлопчатобумажная обертка ограничивала максимальное растяжение до 200% остальной длины. Величина избыточного давления, которую могла создать шпулька, составляла около 0,02 бара (0,29 фунтов на квадратный дюйм) на туловище, самом большом объеме, и до 0,053 бара (0,77 фунтов на квадратный дюйм) на изгибах меньшего радиуса на запястьях и лодыжках. Powernet может производить давление около 0,067 бар (0,97 фунтов на квадратный дюйм) даже на туловище. Для нормального дыхания необходимо минимум 0,17 бар (2,5 фунта на квадратный дюйм).

Несколько слоев и заплаток из двух материалов использовались для контроля общего механического давления вокруг тела. Начиная с кожи, использовался «скользящий слой» легкой силовой сетки, позволяющий внешним слоям скользить по коже без прилипания. Под этим слоем в различных углублениях тела было размещено несколько подушечек из пенопласта, обеспечивающих контакт с костюмом. Наверху располагался баллон противодавления, часть дыхательной системы. Вдобавок к этому находилось до шести дополнительных слоев силовой сетки поверх туловища с коклюшными руками и ногами или полностью коклюшной одеждой, закрывающей только туловище. Одежда надевалась как обычное боди с большой застежкой-молнией спереди и дополнительными завязками в некоторых местах, помогающими застегнуть одежду. Молнии на чередующихся слоях были смещены.

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 выкачивать воздух из мочевого пузыря и через туловище, когда пользователь вдыхает, уменьшая давление на грудь пользователя. Шлем крепился с помощью неэластичного материала из ткани номекс , который оборачивался вокруг груди и под мышками, а также с помощью эластичных слоев выше и ниже него.

С органическим костюмом

Био-костюм — это экспериментальный костюм для космической деятельности, который создается в Массачусетском технологическом институте под руководством профессора Давы Ньюмана при поддержке Института перспективных концепций НАСА . Подобно концепции SAS, BioSuit использует достижения в области проектирования и измерений. ^{[ который? ]} создать упрощенную версию конструкции SAS. ^[8]

Ньюман много работал в области биомеханики , особенно в области компьютерного измерения движений человека. Как и в случае с газонаполненными костюмами, Ньюман использовал принцип « линий нерастяжения », концепцию, выдвинутую Артуром Ибераллом в работе, датируемой концом 1940-х годов, для размещения элементов натяжения вдоль линий тела, где кожа не растягиваться во время большинства обычных движений.

Основная структура биокостюма построена путем размещения эластичных шнуров по линиям нерастяжения. Таким образом, какое бы давление они ни оказывали, оно будет постоянным даже при движении пользователя. Таким образом, они могут контролировать механическое противодавление, оказываемое костюмом. Остальная часть костюма затем строится из спандекса, лежащего между основными шнурами давления. По состоянию на 2005 год команда Bio-Suit сконструировала как минимум три прототипа голени с использованием различных материалов, включая нейлон-спандекс, резинку и пенопласт, окрашенный уретаном. ^[9] В одном экспериментальном проекте кевларовая между шнурами в местах, где расширение было ограничено, использовалась ткань. Для Ньюман был сконструирован по крайней мере один полный костюм, который она носила для многочисленных фотоопераций; неизвестно, соответствует ли весь костюм тем же стандартам противодавления, для которых были разработаны прототипы голени. Каждый костюм должен быть сшит индивидуально для владельца, но сложность этой задачи снижается за счет использования лазерного сканирования всего тела.

Результатом является одноуровневая версия SAS; он легче оригинала и более гибкий, что обеспечивает более естественное движение и снижает затраты энергии на движение. Версии частей биокостюма постоянно достигают давления 0,25 бар (3,6 фунтов на квадратный дюйм), и в настоящее время команда ^{[ когда? ]} стремясь к давлению 0,3 бар (4,4 фунта на квадратный дюйм). Поскольку механическое противодавление оказалось затруднительным для мелких суставов, например суставов рук, в базовой конструкции BioSuit в дополнение к газонаполненному шлему используются газонаполненные перчатки и ботинки. ^[10]

В более позднем варианте биокостюма используются катушки из термоактивируемого сплава с памятью формы (SMA). ^[11] В этом дизайне костюм при первом надевании свободно прилегает к телу. Когда подсоединяется силовой модуль, пружинные витки костюма сжимаются, плотно прилегая к телу. Конструкция катушки была дополнительно описана в статье журнала IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. ^[12] Сообщается, что по состоянию на 2008 год биокостюм потенциально мог быть готов к использованию в миссиях на Марс в ближайшем будущем. ^[13]^[14]

По состоянию на 2019 год было внесено дополнительное улучшение за счет добавления трубок из зародышевого бора. ^{[ нужны разъяснения ]} который может защитить владельца костюма от радиации, присутствующей в космосе и на поверхностях Луны и Марса. По словам Кэти Льюис из Национального музея авиации и космонавтики : «Возможно, это не следующий костюм, но это будет один из последующих костюмов», что указывает на то, что разработка остается активной и сосредоточена на будущих миссиях на Луну и Марс. ^[15]

В художественной литературе

Писатели, в том числе Дэн Симмонс , Стивен Бакстер , Ларри Нивен , а также Спайдер и Джинн Робинсон, использовали в своих рассказах скафандры для космических полетов. Потенциал большей мобильности и более простое управление космическим скафандром делают его привлекательным выбором для художественной литературы, где гибкость использования может быть благом для развития сюжета. Эстетические качества гладкого, облегающего космического скафандра также контрастируют с традиционным образом жестких скафандров в стиле водолазного скафандра, придавая костюмам футуристический вид. Большинство аниме с футуристическими темами включают в себя обтягивающий скафандр (за заметным исключением Planetes и, в меньшей степени, франшизы Gundam ). В марсианской трилогии Кима Стэнли Робинсона подобный костюм называется «ходоком» и предназначен исключительно для использования в марсианской среде. В четвертой книге Стивена Гулда из серии «Джемпер » разработка механического костюма противодавления является неотъемлемой частью основного сюжета. ^[16]

См. также

Одноместный космический корабль

Ссылки

^ Дэвид, Леонард (26 января 2005 г.). «Высокотехнологичные скафандры предназначены для «экстремальных исследований» » . Space.com . Проверено 8 апреля 2007 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б «Обзор космического пространства» . Чертовски интересно . Проверено 11 августа 2021 г.
^ Костюм для космической деятельности , Энциклопедия Astronautica
^ «Как незащищенное человеческое тело отреагирует на вакуум космического пространства?» . НАСА «Представьте Вселенную» . Проверено 11 августа 2021 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кеннет Томас и Гарольд Макманн, «Скафандры США» , Springer, 2012, стр. 209–211.
^ Уэбб, Пол (апрель 1968 г.). «Костюм для космических занятий: эластичный купальник для выхода в открытый космос» . Аэрокосмическая медицина . 39 (4): 376–382. ПМИД 4872696 . Проверено 22 декабря 2016 г.
^ Аннис, Джеймс Ф.; Уэбб, Пол (ноябрь 1971 г.). «Разработка костюма для космической деятельности» . НАСА . CR-1892 . Проверено 22 декабря 2016 г.
^ Биокостюм астронавта для миссий исследовательского класса: отчет NIAC, фаза I, 2001 г.
^ Патель, Самир С. (20 октября 2005 г.). «Этот костюм создан для прогулок (по Марсу)» . Христианский научный монитор . Проверено 14 октября 2006 г.
^ "Биокостюм - Обзор (в архиве)" . Исследования внекорабельной активности (ВКД) в Лаборатории человеко-транспортных средств . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 27 марта 2013 года . Проверено 24 ноября 2011 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ Чу, Дженнифер (18 сентября 2014 г.). «Скафандры термоусадочные» . Новости МТИ . Проверено 19 февраля 2018 г.
^ Холшух, Б.; Обропта, Э.; Ньюман, Д. (01 июня 2015 г.). «Нититановые спиральные приводы с низким индексом пружины для использования в одежде с активной компрессией» (PDF) . Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 20 (3): 1264–1277. дои : 10.1109/TMECH.2014.2328519 . hdl : 1721.1/88470 . ISSN 1083-4435 . S2CID 16186197 .
^ Тилмани, Дж. (2008). «КОСМИЧЕСКАЯ МОДА». Машиностроение .
^ Ньюман, Дава (2009). «Снижение травм при выходе в открытый космос, улучшение мобильности, полевые испытания планирования миссий и исследования костюмов противодействия IVA для миссий исследовательского класса» (PDF) . Dsls.usra.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2016 г. Проверено 20 августа 2017 г.
^ Ботэ, Джошуа (19 июля 2019 г.). «Скафандры были громоздкими еще до Аполлона-11. Плотно прилегающая конструкция может изменить это» . США сегодня . Проверено 3 октября 2020 г. .
^ Гулд, Стивен (9 сентября 2014 г.). Экзо . Книги Тор. ISBN 978-0-7653-3654-5 .

Дальнейшее чтение

Уэбб, Пол. «Костюм для космонавтики: эластичный купальник для выхода в открытый космос». Аэрокосмическая медицина , апрель 1968 г., стр. 376–383.

Внешние ссылки

Трафтон, Энн (16 июля 2007 г.). «Гигантский скачок в космической моде: команда Массачусетского технологического института разработала гладкий, плотно прилегающий скафандр» . Новости МТИ . Архивировано из оригинала 9 августа 2007 г.
Костюм для космической деятельности: эластичный купальник для внекорабельной деятельности , оригинальная статья 1968 года (формат Microsoft DOC)
Разработка костюма для космической деятельности , отчет подрядчика НАСА 1971 года, NASA CR-1892, в формате . PDF
Физиологические эффекты механического костюма противодавления , PDF-файл

[Bio-Suit-1] Дэвид, Леонард (26 января 2005 г.). «Высокотехнологичные скафандры предназначены для «экстремальных исследований» » . Space.com . Проверено 8 апреля 2007 г.

[damninteresting-2] Перейти обратно: ^а ^б «Обзор космического пространства» . Чертовски интересно . Проверено 11 августа 2021 г.

[astro-3] Костюм для космической деятельности , Энциклопедия Astronautica

[4] «Как незащищенное человеческое тело отреагирует на вакуум космического пространства?» . НАСА «Представьте Вселенную» . Проверено 11 августа 2021 г.

[mauch-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кеннет Томас и Гарольд Макманн, «Скафандры США» , Springer, 2012, стр. 209–211.

[PaulWebb-6] Уэбб, Пол (апрель 1968 г.). «Костюм для космических занятий: эластичный купальник для выхода в открытый космос» . Аэрокосмическая медицина . 39 (4): 376–382. ПМИД 4872696 . Проверено 22 декабря 2016 г.

[AnnisWebb-7] Аннис, Джеймс Ф.; Уэбб, Пол (ноябрь 1971 г.). «Разработка костюма для космической деятельности» . НАСА . CR-1892 . Проверено 22 декабря 2016 г.

[8] Биокостюм астронавта для миссий исследовательского класса: отчет NIAC, фаза I, 2001 г.

[9] Патель, Самир С. (20 октября 2005 г.). «Этот костюм создан для прогулок (по Марсу)» . Христианский научный монитор . Проверено 14 октября 2006 г.

[10] "Биокостюм - Обзор (в архиве)" . Исследования внекорабельной активности (ВКД) в Лаборатории человеко-транспортных средств . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 27 марта 2013 года . Проверено 24 ноября 2011 г. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[11] Чу, Дженнифер (18 сентября 2014 г.). «Скафандры термоусадочные» . Новости МТИ . Проверено 19 февраля 2018 г.

[12] Холшух, Б.; Обропта, Э.; Ньюман, Д. (01 июня 2015 г.). «Нититановые спиральные приводы с низким индексом пружины для использования в одежде с активной компрессией» (PDF) . Транзакции IEEE/ASME по мехатронике . 20 (3): 1264–1277. дои : 10.1109/TMECH.2014.2328519 . hdl : 1721.1/88470 . ISSN 1083-4435 . S2CID 16186197 .

[13] Тилмани, Дж. (2008). «КОСМИЧЕСКАЯ МОДА». Машиностроение .

[14] Ньюман, Дава (2009). «Снижение травм при выходе в открытый космос, улучшение мобильности, полевые испытания планирования миссий и исследования костюмов противодействия IVA для миссий исследовательского класса» (PDF) . Dsls.usra.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 13 мая 2016 г. Проверено 20 августа 2017 г.

[15] Ботэ, Джошуа (19 июля 2019 г.). «Скафандры были громоздкими еще до Аполлона-11. Плотно прилегающая конструкция может изменить это» . США сегодня . Проверено 3 октября 2020 г. .

[16] Гулд, Стивен (9 сентября 2014 г.). Экзо . Книги Тор. ISBN 978-0-7653-3654-5 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]