Проектирование космических скафандров в SolidWorks

Пролог

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

Покорители космоса

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

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.

Легендарные Белка и Стрелка

Гермокабина для животных

Скафандр для Гагарина

Скафандр СК-1

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».

Покоритель космоса

Первый выход в открытый космос

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.

Шлюзовая камера корабля «Восход-2»

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».

«Вход» в скафандр

Скафандры как способ спасения жизни

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».

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

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.

Скафандр «Стриж» корабля «Буран»

Скафандры полужесткого типа для орбитальных станций

«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.

Скафандры полужесткого типа «Орлан»

Разработка современных скафандров с помощью решений SolidWorks

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.

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

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

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.