Костюм с механическим противодавлением (MCP) , костюм с частичным давлением , костюм с прямым сжатием или костюм для космической деятельности ( SAS ) — это экспериментальный скафандр , который оказывает стабильное давление на кожу с помощью обтягивающей 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 NASA и ВВС в конце 1950-х годов, а затем снова в конце 1960-х годов, но ни одна из конструкций не была использована. В Массачусетском технологическом институте (MIT) ведутся исследования по системе «Биокостюм», которая основана на оригинальной концепции SAS. [1]
Человеческое тело может кратковременно выдерживать воздействие жесткого вакуума космоса без защиты, [2] несмотря на противоположные изображения в некоторых популярных научных произведениях . Человеческая кожа не нуждается в защите от вакуума и сама по себе является газонепроницаемой. Человеческая плоть расширяется примерно в два раза по сравнению с ее размером в таких условиях, создавая визуальный эффект бодибилдера, а не переполненного воздушного шара. Этому можно противодействовать с помощью механического противодавления от соответствующим образом сконструированной одежды. Сознание сохраняется в течение 15 секунд, поскольку наступают эффекты кислородного голодания . Для противодействия этому требуется шлем, который будет удерживать дыхательные газы и защищать уши и глаза. [3] Эти эффекты были подтверждены в ходе различных аварий в условиях очень большой высоты, открытого космоса и тренировочных вакуумных камер. [4] [2]
Охлаждение астронавта с помощью САС обычно достигается за счет испарения пота тела, который выделяется из костюма во всех направлениях. Вода, соли и белки могут осаждаться на оптике и других чувствительных поверхностях, вызывая повреждение или деградацию. Это может ограничить полезность САС. Для надувных скафандров, используемых на космическом челноке , Международной космической станции и в программе «Аполлон» , охлаждение достигалось в первичной системе жизнеобеспечения путем сублимации воды в вакууме.
В 1959 году Ганс Маух работал над «дышащим» нижним бельем для скафандра «Меркурий» , когда ему пришла в голову идея создания конструкции с механическим противодавлением. Команда Мауха заметила, что пенопласты с закрытыми ячейками , которые удерживают газ внутри своей структуры, расширяются при снижении внешнего давления. Удерживая пену внутри нерасширяющегося внешнего слоя, она оказывала бы возрастающее давление на тело по мере снижения давления. Это, казалось, позволило бы создать конструкцию, которая обеспечивала бы гораздо лучшую подвижность, чем почти жесткая конструкция «Меркурий». [5]
В конце 1959 года Mauch Laboratories получила контракт от ВВС США на разработку рабочей модели в рамках секретных усилий ВВС по созданию X-20 Dynasoar . Программа длилась до 1962 года, в течение которого к ней присоединилось NASA . Костюм был изготовлен из слоя пены, зажатого между двумя слоями ткани, внутренний слой 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 нижнее белье, которое разрабатывал Mauch для Mercury, терморегуляция обеспечивалась путем прямого испарения пота через ткань. Получившийся костюм был примерно таким же громоздким, как и оригинальный дизайн Mercury, за исключением большого шлема. [5]
Расширенные испытания в условиях вакуума были проведены успешно, однако костюм оказался менее подвижным, чем ожидалось, и дальнейшая разработка была прекращена. [5]
Внедрение улучшенных тканей привело к концепции Пола Уэбба по новому способу создания SAS. [6] Дальнейшая работа была заключена для проверки различных концепций дизайна. Между 1968 и 1971 годами было построено десять конструкций все большей сложности, что в конечном итоге привело к серии успешных испытаний в вакуумных камерах. Самый длительный тест длился два часа и сорок пять минут.
Испытания прошли успешно: практичность механического противодавления скафандра была убедительно продемонстрирована. Энергия, необходимая для перемещения, была значительно меньше, чем у обычных конструкций, что было серьезным улучшением для длительных выходов в открытый космос. Испытания проколов показали, что до квадратного миллиметра кожи может быть напрямую подвержено воздействию вакуума в течение длительного времени без какого-либо постоянного эффекта. Подобный прокол в обычном скафандре приведет к потере давления и воздуха для дыхания. Он весил вдвое меньше, чем основной скафандр, который носили астронавты НАСА для проекта «Аполлон» , A7L .
Также возник ряд проблем, в первую очередь связанных с проблемой поддержания прочного механического контакта костюма в каждой точке тела. Вогнутости или небольшие складки в ткани могли привести к скоплению жидкости в зазорах; область паха оказалась чрезвычайно сложной для успешного подгонки. Чтобы исправить это, в вогнутости были вставлены небольшие подушечки из полиуретановой пены, и это сработало в большинстве проблемных областей. Костюмы приходилось подгонять под каждого человека, хотя то же самое было верно и для всех космических 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 весьма напряженной задачей.
В 1971 году Уэбб вместе с Джеймсом Ф. Аннисом опубликовали свои выводы в отчете. [7] Отчет остался положительным, и исследователи посчитали, что возможны дальнейшие улучшения. Цитата из отчета:
В заключение, SAS на нынешнем этапе развития будет защищать человека от воздействия вакуумной среды в одежде, которая обеспечивает улучшенную подвижность и естественные движения тела. Физиологически подход обоснован, и хотя остается много проблем, которые необходимо решить, они в основном механического характера. Было высказано предположение, что решение механических проблем в сочетании с тщательным пошивом на основе биомеханического анализа, а также разработка специальных эластичных тканей, могут в конечном итоге привести к космической версии SAS.
Первоначальная конструкция SAS была основана на двух новых тканях: типе «powernet» (или «ткань пояса») для областей с высоким натяжением и эластичном плетении bobbinet для областей с низким натяжением. Оба были основаны на тяжелой эластичной нити основы с гораздо менее эластичной нитью утка для формирования сетки. Термины основа и уток здесь используются свободно, так как материал не был соткан традиционными способами. Powernet использовал корд Spandex в качестве основы с нейлоновым шнуром в качестве утка, что позволяло двигаться в основном вдоль оси основы. Bobbinet использовала резиновую основу, обернутую хлопком, и нейлоновый или дакроновый уток и была гибкой в обоих направлениях. Хлопковая обмотка ограничивала максимальное растяжение до 200% от остальной длины. Величина избыточного давления, которую могла создать bobbinet, составляла около 0,02 бар (0,29 фунта на квадратный дюйм) над туловищем, наибольший объем, и до 0,053 бар (0,77 фунта на квадратный дюйм) над изгибами меньшего радиуса на запястьях и лодыжках. Powernet могла создавать около 0,067 бар (0,97 фунта на квадратный дюйм) даже на туловище. Для нормального дыхания необходимо минимум 0,17 бар (2,5 фунта на квадратный дюйм).
Несколько слоев и заплат из двух материалов использовались для контроля общего механического давления вокруг тела. Начиная с кожи, использовался «скользящий слой» легкой powernet, чтобы внешние слои могли скользить по коже без застревания. Под этим слоем на различных углублениях на теле размещалось несколько пенопластовых подушечек, чтобы они оставались в контакте с костюмом. Поверх этого находился противодавленческий пузырь, часть дыхательной системы. Поверх этого было до шести дополнительных слоев powernet поверх туловища с руками и ногами из бобинетов или полностью бобинетными предметами одежды, покрывающими только туловище. Одежду надевали как обычный боди с большой молнией, закрывающей переднюю часть, с дополнительными завязками в некоторых местах, чтобы помочь застегнуть одежду. Молнии на чередующихся слоях были смещены.
Система дыхания с положительным давлением состояла из трех основных частей: герметичного шлема, дыхательного пузыря и системы резервуаров в рюкзаке. Пузырь и шлем были соединены вместе, чтобы выкачивать воздух из пузыря и через туловище, когда пользователь вдыхал, уменьшая величину давления на грудь пользователя. Шлем был закреплен с помощью неэластичного изделия из ткани Nomex , которое оборачивалось вокруг груди и под руками, а также эластичными слоями над и под ним.
Bio-Suit — это экспериментальный космический костюм, который разрабатывается в Массачусетском технологическом институте под руководством профессора Дэйвы Ньюмана при поддержке Института передовых концепций NASA . Похожий на SAS по концепции, BioSuit использует достижения в области инженерии и измерений [ какие? ] для создания упрощенной версии 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 нерасширения », концепцию, созданную Артуром Ибераллом в работах, датируемых концом 1940-х годов, чтобы разместить элементы натяжения вдоль линий тела, где кожа не растягивается во время большинства обычных движений.
Первичная структура BioSuit создается путем размещения эластичных шнуров вдоль линий нерасширения. Таким образом, любое оказываемое ими давление будет постоянным, даже если пользователь двигается. Таким образом, они могут контролировать механическое противодавление, оказываемое костюмом. Остальная часть костюма затем создается из спандекса, лежащего между основными шнурами давления. По состоянию на 2005 год команда Bio-Suit построила по крайней мере три прототипа голеней с использованием различных материалов, включая нейлон-спандекс, эластичную и окрашенную уретаном пену. [9] В одном экспериментальном проекте кевларовая ткань использовалась между шнурами для областей, где расширение было ограничено. Для Ньюман был сконструирован по крайней мере один костюм для всего тела, который она носила для многочисленных фотосессий; неизвестно, соответствует ли весь костюм тем же стандартам противодавления, для которых были разработаны прототипы голеней. Каждый костюм должен быть индивидуально сшит для пользователя, но сложность этой задачи снижается за счет использования лазерного сканирования всего тела.
Результатом является однослойная версия SAS; она легче оригинала и более гибкая, что обеспечивает более естественное движение и снижает энергетические затраты на движение. Версии частей BioSuit последовательно достигают 0,25 бар (3,6 фунта на квадратный дюйм), и в настоящее время команда [ когда? ] стремится к 0,3 бара (4,4 фунта на квадратный дюйм). Поскольку механическое противодавление оказалось сложным для небольших суставов, таких как суставы рук, базовая конструкция BioSuit использует газонаполненные перчатки и ботинки, в дополнение к газонаполненному шлему. [10]
Более поздняя версия биокостюма использует катушки из сплава с эффектом памяти формы (SMA), активируемые при нагревании. [11] В этой конструкции костюм свободно прилегает к телу при первоначальном надевании. Когда подключается силовой модуль, пружинные катушки в костюме сжимаются, чтобы придать костюму форму тела. Конструкция катушки была дополнительно определена в статье в журнале IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. [12] По сообщениям, в 2008 году биокостюм имел потенциал быть готовым к использованию в миссиях на Марс в ближайшем будущем. [13] [14]
По состоянию на 2019 год было сделано дополнительное улучшение с добавлением трубок из зародышеобразованного бора, [ необходимо разъяснение ], которые могут защитить владельца костюма от радиации, присутствующей в космосе и на поверхности Луны и Марса. По словам Кэти Льюис из Национального музея авиации и космонавтики , «Это может быть не следующий костюм, но это будет один из последующих костюмов», что указывает на то, что разработка остается активной и сосредоточенной на будущих миссиях на Луну и Марс. [15]
Такие писатели, как Дэн Симмонс , Стивен Бакстер , Ларри Нивен , а также Спайдер и Джин Робинсон использовали космические костюмы в своих рассказах. Потенциал большей мобильности и более простое управление космическим костюмом делают его привлекательным выбором для художественной литературы, где гибкость использования может быть благом для развития сюжета. Эстетические качества гладкого, облегающего космического костюма также контрастируют с традиционным образом жестких, похожих на водолазные костюмы скафандров, придавая костюмам футуристический вид. Большинство аниме с футуристическими темами включают облегающий скафандр (за заметным исключением Planetes и, в меньшей степени, франшизы Gundam ). В трилогии «Марс» Кима Стэнли Робинсона костюм, подобный этому, упоминается как «шагающий» и предназначен исключительно для использования в марсианской среде. В четвертой книге серии Jumper Стивена Гулда разработка механического противодавленческого костюма является неотъемлемой частью основного сюжета. [16]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )