15 секретов дизайна скафандров

1 Апреля 2014 в 13:00, Илья Хель 7 009 просмотров 2

Скафандры

Ни для кого не секрет, что астронавты не смогли бы выжить в суровых условиях космоса без своих костюмов. Но есть многое, чего вы не знаете о том, как эти скафандры переходили от идеи к реализации. В нашем распоряжении есть разговор с Линдси Эйчисон, инженером скафандров в Космическом центре Джонсона при NASA.

1. Разработка космического скафандра требует определенного набора навыков

И они могут быть совсем не тем, о чем вы подумали. Эйчисон говорит, что в этой работе одинаково важны критическое мышление и креативность. «Вы должны быть ориентированы на детали и соблюдать крайне точный план испытаний, — говорит она. — Когда вы работаете с околочеловеческими объектами, вам нужно разработать тест, в ходе которого вы получите конструктивный фидбек о таких субъективных вещах, как удобство, например. Как бы вы определили удобство? Вам нужно подумать об этом и с инженерной точки зрения, и с точки зрения удобства». Творческое мышление, говорит Эйчисон, позволило ей увидеть, какие технологии из различных областей можно было бы применить в дизайне скафандров.

2. Скафандры создаются для миссий

При создании нового скафандра инженеры NASA должны ответить на два вопроса, которые помогут определить структуру костюма: куда вы собираетесь и что будете делать?

Инженеры начинают с того, куда собираются астронавты, что, в свою очередь, делится на две категории: условия невесомости или планетарная среда, чтобы определить необходимую мобильность скафандра. Также инженеры учитывают такие вещи, как возможное наличие высокого уровня радиации, колебаний температуры и риски попадания микрометеоритов.

Затем инженерам нужно подумать о том, что будут делать астронавты в ходе своей миссии. Будут ли они ходить на своих ногах в условиях невесомости или же по планете? Будут ли они оснащены дополнительным инструментарием или же все инструменты будут крепиться к поясу? Нужно ли им быть автономными?

«Если вы находитесь на поверхности планеты, которая довольно далеко от Земли, вам понадобится автономный скафандр для работы в открытом космосе [так называемый EVA, Extra-Vehicular Automate], — отмечает Эйчисон. — В то же время на космической станции у вас есть постоянный контакт с центром управления полетами, поэтому часть работы с информацией можно возложить и на него».

3. Новые костюмы требуют новой обуви

emu

Скафандр, с которым знакомы многие люди, это Extravehicular Mobility Unit. Поскольку он предназначен для использования в условиях невесомости (когда астронавты используют руки для перемещения) для починки и усовершенствования Международной космической станции, телескопов и других процессов с выходом в открытый космос, ему нужна мобильность в плечах, руках и кистях.

Однако новые скафандры, в том числе новый Z-2, разрабатываются и для выхода в условия планетарной среды, поэтому Эйчисон и другие проводят много времени, проектируя талию, таз и обувь костюма. В таких условиях астронавтам необходима стабильная нижняя часть костюма.

«Впервые со времен «Аполлона» нам нужна обувь для прогулки, а когда вы ходите в разных гравитационных условиях, способ вашего передвижения меняется, — отмечает Эйчисон. — Поэтому мы сосредоточились на том, как спроектировать обувь для работы и для прогулки одновременно, скажем, в марсианских и лунных гравитациях. Она крайне отличается от EMU, обувь которого представляет собой просто ботинки с твердой подошвой».

Чтобы определить, какой тип обуви нужен в новых костюмах, Эйчисон провела ряд прогулочных испытаний с разными костюмами в 2008 году.

«У нас были костюмы с весом для разных гравитаций, поэтому когда вы идете по беговой дорожке, вам кажется, что вы идете при 3/8 или 1/6 гравитации, поскольку установка поддерживает костюм, — говорит она. — Команда размещает маркеры движения на нижней половине костюма, чтобы проанализировать как ноги, колени и лодыжки двигаются при разной гравитации. Мы заметили, что люди, как правило, качают бедрами и «скачут галопом» в разных гравитациях, поэтому если уделить этому внимание, можно выяснить, когда вам нужна гибкость, а не жесткость в подошве обуви, чтобы облегчить движение».

Хотя команда все еще оценивает проекты, Эйчисон говорит, что в настоящее время она занимается подошвой. «В передней части стопы она достаточно жесткая, но в середине она гибкая, поэтому способствует выполнению разных задач».

4. Новые костюмы должны быть легче

apollo

Вес EMU составляет около 136 килограммов (астронавты этого, конечно, не ощущают в условиях невесомости). Костюм «Аполлон», включая рюкзаки, весил 80 килограммов на Земле и всего 13 на Луне, но особой мобильностью не отличался. Цель дизайнеров — сделать новые костюмы легкими и мобильными.

«Когда мы добавляем мобильности, мы добавляем тяжелые элементы вроде подшипников, которые упрощают работу в костюме под давлением, но дополняют нагрузку по массе, — говорит Эйчисон. — Поэтому мы пытаемся найти решения с небольшим весом для тяжелых элементов. Мы, например, поглядываем на титан, поскольку он экономит 30 % массы в подшипниках. Также мы разглядываем новые композитные материалы для торса и бедер».

Новые Z-2 будут на 7 килограммов легче, чем EMU, «что не так много» — признает Эйчисон. «Но опять же, мы добавили нижней части костюма много способностей, которых не было ранее».

5. Дизайн начинается с рассмотрения старых прототипов

После того как определяются «куда» и «что», начинается, собственно, проектирование. Advanced Space Suit Group имеет в наличии прототипы скафандров последних 30 лет, в том числе с космических шаттлов и эпохи «Аполлона».

«Мы начинаем с тестирования этих скафандров и понимания различий, — говорит Эйчисон. — Какой тип плеч лучше работает с какими задачами, разные дизайны бедер и обуви, и общий стиль. Нужна ли молния? И так далее. Работа с этими функциями позволяет инженерам набросать план того, как разные элементы костюмов работают в конкретных условиях».

6. Ученые NASA проектируют костюмы, но делают их частные компании

Скафандры

Испытание костюмов и наброски дизайна делаются силами ученых. Но когда речь заходит о создании, NASA отдает дизайны частным компаниям.

«Мы пишем требования и предоставляем общий концепт того, что нам нужно создать, компаниям, которые сделают нам эти костюмы с нужными нам спецификациями», — отмечает Эйчисон. Инженеры работают над одним костюмом одновременно, но с началом работы Constellation в 2005 году, им приходится предоставлять прототипы каждые три-пять лет.

7. Определенные части костюма сшиты вручную

В эпоху «Аполлона» космические костюмы сшивались вручную. Вы могли бы подумать, что с развитием технологий эта практику постигла участь птицы Додо, но нет.

Немного анатомии скафандра: внутренний слой скафандра, который называют пузырем — «представьте его себе как шар, в котором держится воздух» — герметизируют и сваривают машинным путем. Над ним находится сдерживающий слой, который придает пузырю силу и форму. «Он предотвращает чрезмерную нагрузку на пузырь, когда вы сгибаете руку в локте или ногу в колене, там ведь все под давлением».

Сдерживающий слой костюма все еще шьется вручную. «Есть комната, полная швей и швейных машин разных типов, в зависимости от части костюма, которые шьются на них, и они крайне точно шьют вручную, — говорит Эйчисон. — С точностью до миллиметра». Швеи используют определенные типы шитья для разных зон, в зависимости от того, чего требуется больше — прочности или эластичности».

8. Но они все еще на острие технологий

Инженеры использовали лазерные 3D-сканеры и 3D-принтеры для разработки костюма Z-2 — и это впервые.

9. Костюмам свойственны утечки

Но не сильные. По словам Эйчисон, в костюме допускается утечка максимум в 100 СКСМ (стандартных кубических сантиметров в минуту). Чтобы убедиться, что костюм не протекает и отвечает требованиям, отдельные части подвергаются ужасным пыткам в процессе создания. Образцы и целые части уничтожаются. Испытатели смотрят, сколько потребуется сил, чтобы сорвать швы или разорвать ткань.

Когда дизайнеры получают весь костюм, они также занимаются экспериментами. Мы проводим структурные испытания и проверяем связь, надувая костюм до полуторного объема, чтобы убедиться, что его структура прочна, утечек нет, а швы крепки. После проверки структуры, мы возвращаем обычное давление и проверяем герметичность.

10. Скафандров на заказ не бывает

Весьма неэффективно по бюджету создавать скафандр под каждого отдельного члена команды. Напротив, костюмы создаются с использованием модульной системы, что частично определяет их громоздкость.

«Когда мы подбираем и собираем компоненты, мы делаем их чуть больше, чтобы они подошли абсолютному большинству людей, — говорит Эйчисон. — У нас есть различные компоненты — небольшие, средние, крупные, поэтому мы можем заменять их для каждого отдельного члена экипажа. Это способствует логистике и резервированию на МКС».

Сегодня на космической станции достаточно компонентов для четырех полных комплектов EMU, каждой детали которых найдется замена. Модульная система также упрощает починку вещей: если одна часть сломается, инженеры просто могут заменить ее вместо того, чтобы создавать новый скафандр.

11. Дизайнеры сосредоточены на одном костюме одновременно

Учитывая все требования и эксперименты с дизайном, неудивительно, что инженеры делают только один костюм за раз. «Мы ходим понять, что работает, а что не работает, прежде чем переходить к новой версии, — говорит Эйчисон. От разработки концепции к прототипу и тестированию «проходит много времени, чтобы сделать новый костюм». Больше года.

12. Астронавты надевают несколько слоев, прежде чем облачаются в скафандры

В фильме «Гравитация» Сандра Буллок надевает свой EMU прямо на майку и белье. Но это чушь. Настоящие астронавты надевают несколько слоев одежды перед скафандром.

Сначала идет одежда с максимальной впитываемостью (MAG), которая представляет собой своеобразные пеленки, говорит Эйчисон. Это система управления отходами. На эти пеленки надеваются облегающие кальсоны, которые сохраняют комфорт, пока астронавт носит одежду с жидким охлаждением. Этот слой обеспечивает охлаждение кожи, когда вы находитесь в костюме и тяжело трудитесь. Чтобы космонавт не доходил до седьмого пота, холодная вода постоянно ходит по трубам по всему телу, охлаждая его, забирая тепло у кожи и возвращая его космосу.

13. Существуют способы сделать костюм под давлением

Биокостюм

Любой космонавт должен испытывать давление на тело, которое помогает ему функционировать нормально. Для этого астронавту нужен либо костюм под давлением газа (что и использует NASA), либо костюм, который использует механический счетчик давления (MCP), разработанный в MIT. «Вы можете представить MCP как очень плотный мокрый костюм. Он создает такое же давление, как и газ вокруг нас, просто сдавливая кожу при помощи самого костюма».

NASA рассматривало костюм с механическим давлением, разработанный доктором Полом Уэббом в 1970-х годах; назывался он Space Activity Suit. Хотя работал он хорошо, чтобы его надеть — при помощи нескольких человек — нужно было несколько часов. И это не единственный его недостаток. Сложно было убедиться в том, что давление одинаково приходится на все частички вашего тела. На ладонях, лопатках, в коленях и паху при перемещении оно могло измениться. Нужны были материалы, которые точно повторяют контуры тела и изменяются при движении. Костюмы с газовым давлением все же посчитали более удобными.

14. Скафандр Z-2 будет довольно небольшим

Z-2

Скорее всего, этот скафандр будет самым небольшим из всех. Предыдущая его версия, Z-1, обладала большим 13-дюймовым куполом. Для больших мужчин — самое то, но для небольших женщин — не очень. Ученые наблюдают за современным поколением астронавтов и пытаются спроектировать костюм, который подойдет 5 % женщин и 99 % мужчин — и это довольно большой диапазон. Также он на 40 % уменьшит привычные размеры скафандров.

15. За внешний вид скафандра можно будет проголосовать

Скафандры

Последний скафандр NASA, Z-1, сделан по образу и подобию скафандра Базза Лайтера из «Истории игрушек», хотя говорят, что это совпадение. Однако когда люди заговорили об этой «случайной» связи, NASA намеренно использовала известный образ Базза. Но для внешнего вида следующего скафандра было учреждено интернет-голосование.

Инженеры работали со студентами из области моды Филадельфийского университета, пытаясь придумать разные варианты костюма, что было не совсем обычной практикой.

«Они определенно используют иной подход, опираясь на модный фон, — говорит Эйчисон. — Мы заполнили список различными характеристиками, например патриотичной тематикой или традиционной научной и технологичной тематиками. Начали с 12 и сузили до нескольких вариантов. Студенты и инженеры определили основные направления: биомимикрия, технологии и общественные тенденции. За каждый из этих вариантов можно проголосовать».

В настоящее время проекты сугубо эстетические, но Эйчисон считает, что костюм с уклоном в биомимикрию может использовать биолюминисценцию. На поверхности планеты было бы неплохо сделать идентификаторы членам экипажа именно с помощью такого метода.

15 секретов дизайна скафандров

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

2 комментария

  1. storm X

    А скафандр с реактивным ранцем, который Джордж Клуни испытывал в Гравитации, можно назвать автономным? (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.