isicad.ru :: портал САПР, PLM и ERP :: версия для печати

Статьи

1 сентября 2014

Проектирование космических скафандров в SolidWorks

Дарья Тюльпа (Миллионщикова)

Дарья Миллионщикова SolidWorks

Автор — ведущий инженер, Certified SolidWorks Professional (CSWP), SolidWorks Russia
SolidWorks Russia продолжает публикацию статей, посвященных применению современных программных средств в разработках ОАО «НПП «Звезда» — одного из клиентов компании.

Пролог

ОАО «НПП „Звезда“ имени академика Г.И. Северина» — всемирно известное предприятие в области создания и производства индивидуальных систем жизнеобеспечения летчиков и космонавтов, средств спасения экипажей и пассажиров при авариях летательных аппаратов, систем дозаправки самолетов топливом в полете.

Тематика работ предприятия весьма обширна. И сегодня мы более подробно расскажем о создании космических скафандров с использованием решений SolidWorks.

Покорители космоса

Совсем недавно на вопрос «Кем ты хочешь стать?» дети дружно отвечали «Космонавтом!». В таком возрасте редко кто думает об опасностях, которые сулит полет вокруг Земли и, тем более, выход в открытый космос. Тем не менее, опасности есть, и не только для космических аппаратов и имиджа нации, но в первую очередь для людей, которые рискуют жизнью и в прямом смысле летят в неизведанное. И движет ими не только желание проявить себя и получить звезду героя, но также и высоконаучный интерес.

Какие бы ни были мотивации, очень важно грамотно подходить к обеспечению защиты людей, участвующих в таком сложном мероприятии, как полет в космос — их нужно вернуть на Землю целыми и невредимыми.

Лайка, Белка и Стрелка

Практически почти с первых лет своего существования одновременно с выполняемыми проектами по авиационной тематике ОАО НПП «Звезда» включилась в работы по обеспечению безопасности будущих космических полетов в части создания средств жизнеобеспечения и спасения. В начале 50-х годов были разработаны и изготовлены установки, состоящие из катапультных тележек, снабженные кислородной аппаратурой и скафандрами для собак с целью отработки возможности пребывания живых существ на высотах до 110 км с последующим катапультированием и спуском на парашюте.

Затем была разработана гермокабина животных, которая завершилась полетом собаки Лайка, при котором обследовалось поведение животного как при воздействии вибрации и перегрузок, так и в условиях невесомости. Гермокабина была укомплектована системой регенерации газовой среды и автоматами подачи пищи и воды для животного.

Следующим этапом работ по исследованию жизнедеятельности животных в условиях космического полета было создание в 1960 году кабины, которая использовалась на начальном этапе работ по разработке и оценке катапультного кресла кораблей «Восток».

Эта кабина была рассчитана на двух собак и также укомплектована устройствами для питания и удаления отходов. Специальные вентиляторы обеспечивали животным комфортную атмосферу внутри кабины. Знаменитые собаки Белка и Стрелка покоряли космическое пространство именно в таком устройстве.

SW скафандры 1 Белка и Стрелка

Легендарные Белка и Стрелка

SW скафандры 2 Гермокабина

Гермокабина для животных

Скафандр для Гагарина

Началом разработки первого космического скафандра следует считать 1959 год, когда вышло Постановление правительства СССР с указанием начать работы по подготовке полета человека на искусственном спутнике Земли. В том же году ОАО НПП «Звезда» было определено головной организацией по разработке технических средств обеспечения человеку жизненно-необходимых условий и средств спасения при полете в космическое пространство. В весьма короткий срок на базе имеющегося задела по авиационным скафандрам был разработан скафандр СК-1 с автономной системой обеспечения жизнедеятельности (СОЖ), который обеспечивал спасение космонавта при разгерметизации кабины в течение 5 часов, а также жизнеобеспечение космонавта при катапультировании и последующем приземлении.
SW скафандры 3 СК-1

Скафандр СК-1

СК-1 был выполнен в виде «мягкого» скафандра с несъемным пространственным шлемом. Под оболочку скафандра надевался специальный теплозащитный комбинезон, в который были вмонтированы трубопроводы системы вентиляции, с помощью которой в СК-1 поддерживался тепловой режим, удалялись выделяемые человеком влага и углекислота. С помощью вентиляторов в герметичном скафандре воздух вентилировался воздухом кабины. При этом воздух из СК-1 выходил в кабину корабля через открытый шлем или регулятор давления.

Скафандр типа СК-1 успешно эксплуатировался при осуществлении первого в мире полета в космос Ю.А. Гагарина, а также при всех полетах кораблей «Восток». Для первой женщины-космонавта В.В. Терешковой была разработана модификация этого скафандра СК-2. В качестве лирического отступления. Если присмотреться внимательно к шлему Гагарина, можно увидеть, что аббревиатура СССР нанесена краской не промышленным способом, а вручную, кисточкой и краской. Интересно, почему? Забыли нанести буквы на производстве, а потом спешно исправили? Сомнительно. Для красоты? Еще более сомнительно. И вряд ли кто-то в космосе сможет оценить эту красоту.

По одной из версий непосредственно перед вылетом предположили, что первым после приземления Гагарина может обнаружить не поисковый отряд, а человек, который не знает про космос, ни разу не видел космонавта, и неизвестно, как он отреагирует на пришельца с неба, спустившегося на парашюте. Может упасть в обморок, а может побежать за вилами или дробовиком. Знакомые буквы СССР на шлеме, по крайней мере, должны внести успокоение, обозначив страну, пославшую «пришельца».

SW скафандры 4 Гагарин

Покоритель космоса

Первый выход в открытый космос

К началу 1964 года, когда было принято решение осуществить выход космонавта в открытый космос из корабля «Восход-2», на ОАО «НПП «Звезда» уже проводились экспериментальные работы по созданию специального скафандра для внекорабельной деятельности.

Специалистами НПП «Звезда» была предложена схема складной шлюзовой камеры с мягкой надувной оболочкой, что позволяло использовать с минимальными доработками имеющиеся конструкции корабля и головного обтекателя ракеты-носителя и давало возможность уложиться в располагаемые весовые лимиты.

Скафандр «Беркут» являлся одновременно и спасательным скафандром на случай разгерметизации кабины корабля. Для повышения надежности и защиты от факторов открытого космоса скафандр был снабжен двойной гермооболочкой, экранно-вакуумной теплоизоляцией, светофильтром. Для предотвращения декомпрессионных расстройств было повышено рабочее барометрическое давление кислородной газовой среды в скафандре. Первый выход в открытый космос имел ограниченные задачи, поэтому для обеспечения жизнедеятельности космонавта была применена простая, рассчитанная на 45 минут работы, система наддува и вентиляции скафандра кислородом из группы баллонов, смонтированных в наспинном ранце. Резервная система подачи кислорода была смонтирована в шлюзовой камере и соединялась со скафандром с помощью шланга. Поэтому скафандр командира корабля «Восход-2» П.И. Беляева имел такую же конструкцию, что и скафандр А.А. Леонова, чтобы он мог, при необходимости, выйти в шлюз для оказания помощи Леонову.

SW скафандры 5 шлюзовая камера

Шлюзовая камера корабля «Восход-2»

После полета «Восхода-2» стало реальностью воплощение замыслов по дальнейшему совершенствованию оборудования, обеспечивающего работу в открытом космосе. На повестку дня встали вопросы подготовки к полетам на Луну, одновременных полетов нескольких кораблей, их стыковки в космосе, проведение операций, связанных с переходом через открытый космос.

Для решения этих задач специалистами ОАО «НПП «Звезда» были созданы скафандры и автономные системы обеспечения жизнедеятельности, рассчитанные на более длительную работу в открытом космосе. Помимо этого нужно было решить достаточно нетривиальную задачу — самостоятельно надеть скафандр на борту, поскольку внутри корабля космонавты находились без скафандров. Решение оказалось достаточно нестандартным и вместе с тем гениальным — оказалось, что гораздо удобнее не надевать скафандр, а... входить в него, как в помещение. После чего оставалось всего лишь подтянуть шнурок и «закрыть за собой дверь».

SW скафандры 7 вход в скафандр

«Вход» в скафандр

Скафандры как способ спасения жизни

В процессе разработки корабля «Союз» снова возник вопрос о необходимости применения спасательных скафандров. Однако в то время он не получил положительного решения, в связи с чем первые полеты на этом корабле проводились без скафандров.

К сожалению, только гибель трех космонавтов «Союз-11» в 1971 году в результате разгерметизации кабины на участке спуска заставила снова вернуться к применению скафандров. При этом было необходимо разработать скафандр, сочетающийся с индивидуальным ложементом амортизационного кресла. Такая задача была решена в короткий срок путем создания облегченного скафандра «Сокол-К» с мягким несъемным шлемом с откидывающимся смотровым стеклом. Стоит отметить, что масса такого скафандра не превышала 9-10 кг. Первый полет в этих скафандрах был осуществлен в 1973 году космонавтами В. Лазаревым и О. Макаровым на корабле «Союз-12».

SW скафандры 8 после одевания

Космонавты В. Лазарев и О. Макаров после одевания скафандров в лаборатории «Звезды» на космодроме Байконур перед первым полетом в «Сокол-К»

Спасательные скафандры аналогичного типа с внесением в их конструкцию ряда усовершенствований применяются до сих пор на кораблях типа «Союз».

Начиная с космических кораблей «Союз» используется новая идеология применения спасательных скафандров, которая предусматривает пребывание космонавтов в скафандре только на наиболее опасных с точки зрения возможности разгерметизации участках полета: при выведении, стыковке, спуске с орбиты на Землю. Это потребовало дополнительного изменения конструкции скафандра, который должен был быстро и самостоятельно одеваться космонавтом на борту корабля в случае аварии. Для этого на кораблях серии «Союз» была применена простая схема системы жизнеобеспечения открытого типа.

Следующий этап совершенствования спасательных скафандров — создание спасательных скафандров «Стриж» с автономной СОЖ регенерационного типа для многоразового космического корабля «Буран». Скафандры были рассчитаны на длительный полет экипажа в случае разгерметизации кабины (до 12 часов).

При разработке данного изделия были применены новые термостойкие материалы для оболочки скафандра, разработана вентиляционная система с малым гидравлическим сопротивлением. Для скафандра «Стриж» была также разработана специальная термостойкая ткань и теплозащитная одежда, обеспечивающая возможность катапультирования при больших скоростях полета на высотах до 30 км.

SW скафандры 9 стриж

Скафандр «Стриж» корабля «Буран»

Скафандры полужесткого типа для орбитальных станций

В середине 60-х годов предприятием ОАО «НПП «Звезда» был выпущен эскизный проект экспериментального скафандра СКВ с установкой для перемещения космонавта в открытом космосе, который представлял собой скафандр так называемого полужесткого типа, с встроенной системой жизнеобеспечения регенерационного типа. Выполненный по этой концепции скафандр состоит из жесткой оболочки в области торса и головы, мягких рукавов и мягкой оболочки ног.

«Вход в скафандр» производится через расположенный в области спины входной люк, крышка которого образует одновременно контейнер для размещения автономной системы жизнеобеспечения. На торсовой части (кирасе) размещены остекление иллюминатора, элементы герметизации выходного люка, фланцы для присоединения рукавов и нижней мягкой части скафандра.

К 1969 году были разработаны, изготовлены и прошли полный цикл испытаний скафандр для выхода на Луну (условное наименование «Кречет») и орбитальный скафандр (условное наименование «Орлан»). Однако в связи с закрытием советской лунной программы эти скафандры остались невостребованными.

Опыт разработки скафандра полужесткого типа получил дальнейшее развитие при создании скафандра для первой советской долговременной орбитальной станции. При этом весьма существенной и одной из труднейших задач являлось решение проблемы длительного пребывания скафандра на борту станции и проблемы длительной сохранности циркулирующей в гидросистеме скафандра воды.

Первый выход в открытый космос в полужестком скафандре (модификация «Орлан-Д») был осуществлен из орбитальной станции «Салют-6» в 1977 году, и с тех пор эти скафандры, постоянно усовершенствуемые, стали скафандрами орбитального базирования. Они постоянно находились на борту орбитальных станций «Салют» и «Мир», позволяя осуществлять работы в открытом космосе практически всем членам экипажа этих станций.

SW скафандры 10 Орлан SW скафандры 11 Орлан SW скафандры 12 Орлан

Скафандры полужесткого типа «Орлан»

К настоящему времени выполнено шесть модификаций скафандра «Орлан». Все они обладают рядом преимуществ, обеспечивающих их успешное применение при длительных космических полетах. К ним можно отнести быстрое самостоятельное надевание-снятие, использование одного типоразмера скафандра для космонавтов с различными антропометрическими данными, возможность обслуживания на орбите без возврата на Землю, простоту замены сменных и вышедших из строя элементов.

Разработка современных скафандров с помощью решений SolidWorks

В 50-60-70-е годы аббревиатура САПР нередко могла восприниматься как ругательная. А в наши дни без применения современных средств автоматизации разработка таких сложных наукоемких изделий, как системы обеспечения жизнедеятельности, становится более длительной и трудоемкой.

Сегодня ОАО «НПП «Звезда» разрабатывает современные скафандры с помощью решений SolidWorks. В основном конструкторским отделом предприятия выполняется моделирование твердых тел, работа с поверхностями, с листовым металлом. Немаловажную роль для своевременного запуска изделия в производство играет выполнение различного рода расчетов: линейных, нелинейных, газогидродинамических. Работа со сложными поверхностями, с большими сборками, возможность проанализировать кинематику и динамику изделия задолго до его испытания — благодаря этому и многому другому ОАО «НПП «Звезда» и сегодня обеспечивает высокое качество и надежность выпускаемых изделий.

В настоящее время внедряется методика согласования документации в электронном виде, что значительно сократит срок запуска нового изделия, издержки на производстве, будет способствовать улучшению качества готового изделия, тем более такого важного, как космический скафандр, призванный спасать жизни людей, рискнувших оторваться далеко от Земли.

SW скафандры 13 Кираса SW скафандры 14 Кираса

Кираса скафандра для ВКД: слева — выполненная в SolidWorks, справа — реальное изделие

SW cкафандры 15 крышка SW скафандры 16 крышка

Крышка ранца СОЖ скафандра для ВКД: слева — выполненная в SilidWorks, справа — реальное изделие

На сегодняшний день основной задачей ОАО «НПП «Звезда» в области разработки космических скафандров и систем обеспечения жизнедеятельности является повышение эффективности работы человека вне космического корабля за счет совершенствования скафандра и его систем. Работы, проводимые ОАО «НПП «Звезда» с помощью современных средств автоматизации, направлены на улучшение подвижности, эффективности работы СОЖ, повышению ресурса, упрощению обслуживания и снижению массы космических скафандров.

В качестве основы для статьи был использован труд «Космические скафандры и системы жизнеобеспечения». Авторы: И. П. Абрамов, М. Н. Дудник, В. И. Сверщек, Г. И. Северин, А. И. Скуг, А. Ю. Стоклицкий

Компания SolidWorks Russia выражает благодарность ОАО «НПП «Звезда» за помощь в подготовке статьи.


Все права защищены. © 2004-2024 Группа компаний «ЛЕДАС»

Перепечатка материалов сайта допускается с согласия редакции, ссылка на isicad.ru обязательна.
Вы можете обратиться к нам по адресу info@isicad.ru.