Физиолого-гигиенические требования к системам СК

       Физиолого-гигиенические требования определяют основные выходные параметры систем СК, связанные с созданием необходимых жизненных условий экипажу. Они выбираются исходя из физиологических потребностей человека (при задаваемом уровне его физической активности) на основании известных медико-биологических нормативов. Отличия АСОЖ СК по сравнению с бортовыми являются:

       1. Время пребывания космонавта в скафандре определяется физиологическими ограничениями. Поэтому значения некоторых нормируемых величин, являющихся техническими требованиями к работе систем и обеспечивающих работоспособность космонавтов, существенно отличаются от допустимых значений аналогичных величин для других космических объектов.

Например, парциальное давление СО₂ в отсеках орбитальной станции не должно превышать 6 мм рт. ст., в подшлемном пространстве СК при внекорабельной деятельности оно может достигать в штатных условиях 10 мм рт. ст., а при пиковых нагрузках допускается его кратковременное повышение до 20 мм рт. ст.

       2. Одной из главных особенностей АСОЖ по сравнению с бортовыми системами ЛА является высокая динамика рабочих характеристик, связанная с относительно небольшими объемами СК и АСОЖ. Объем воздуха, приходящийся на одного члена экипажа, составляет: в спускаемом аппарате - 2¸3 м³, орбитальной станции - 20¸30 м³ и космическом СК - 0, 04¸0,12 м³.

       Наилучшим вариантом с физиологической точки зрения было бы использование в СК той же атмосферы, что и в кабине космического корабля. Однако создание в СК такой атмосферы, особенно если она соответствует земной, технически сложно и нецелесообразно. Для улучшения подвижности космонавта в СК и снижения энергозатрат при работе в нем выгодно иметь в СК минимальное избыточное давление и газовую среду с повышенным содержанием О₂. При этом должен выполняться один из важнейших принципов формирования газовой среды СК  должно быть близко к его значению при дыхании нормальным атмосферным воздухом. Однако выполнение этого условия СК встречает ограничения.

Рис. 1.2. Режимы давления в СК и зависимость необходимого содержания О2 в шлеме скафандра от давления в нем для условий, эквивалентных дыханию воздухом в наземных условиях (кривая 1), при парциальном давлении кислорода  =16 кПа (кривая 2) и при = 13 кПа (кривая 3). Заштрихованные области: а — режим работы, допустимый с точки зрения кислородного обеспечения: б —с точки зрения отсутствия высотных декомпрессионных расстройств при переходе к нему от земной атмосферы: в нижняя граница давления в скафандре при аварийном режиме работы

       Таким образом, выбор давления в СК определяется компромиссом между двумя требованиями: обеспечением подвижности СК и возможным возникновением декомпрессионных расстройств при снижении давления газовой среды. Очевидно, чем меньше в СК избыточное давление, тем выше подвижность, меньше затраты усилий космонавта на сгибание и разгибание звеньев тела в шарнирах СК. Минимальное значение давления чистого О₂ 195 мм рт. ст. позволяет обеспечить О₂ организм аналогично газообмену в атмосфере Земли на уровне моря.

       На всех российских космических летательных аппаратах, а также на многоразовых транспортных ЛA «Шаттл» и космических станциях газовая среда двухкомпонентная (N₂, О₂) аналогична земным условиям. Поэтому переход к работе в однокомпонентной кислородной газовой среде с давлением менее 225 мм рт. ст. требует значительного времени на десатурацию организма для предотвращения ВДБ.

       На основании вышеизложенного рабочее давление в космических СК рекомендуется устанавливать 300 мм рт. ст. Увеличение давления хотя и снижает подвижность СК, но не позволяет совершать космонавту резких движений. Зато вероятность появления ВДБ практически равна нулю при времени десатурации всего 30 мин. Потребная вентиляция в общем случае определяется, исходя из обеспечения нормируемых значений выделяемых примесей во вдыхаемой газовой смеси, содержания паров воды и теплового комфорта.

         СЛАЙД 17. На рис. 1.2 приведена расчетная зависимость необходимой концентрации О₂ в СК (в зоне дыхания) от абсолютного давления в нем для различных условий дыхания.

       Учитывая, что N₂ не участвует в процессе дыхания, полученное значение  в процессе работы человека в СК может изменяться за счет СО₂ во вдыхаемом воздухе. Однако это не влияет на условия дыхания. Задаваясь концентрацией О₂ во вдыхаемом газе, можно выбрать минимально допустимую (с точки зрения кислородного обеспечения) величину рабочего давления в СК

       Рекомендуемые диапазоны режимов давления приведены в табл. 1.1. СЛАЙД 18. Под аварийной работой понимается проведение операций по срочному возврату в корабль при отказе каких-либо систем АСОЖ или другого оборудования для выхода.

Таблица 1. 1 Основные физиолого-гигиенические параметры, рекомендуемые при выборе и расчете АСОЖ

Наименование параметра	Условия работы в СК кратковременная аварийная работа штатная работа (до 30¸60 мин)
Атмосфера в СК:
абсолютное давление, кПа
При переходе от земного давления и отсутствия десатурации	44¸50	44¸50
При переходе от пониженного давления в кабине, при наличии десатурации или кратковременно	22¸28	22¸28
аварийный режим	17¸22	17¸22
Газовый состав, %
N2, не более	7,5	7,5
О2, не менее	92,5	92,5
Потребление О2, нор. л/ч,	80	60
не менее		80
Выделение С О2, нор. л/ч,	65	50
не более		65
Средний теплосъем с человека, Вт,	100	250¸300
не менее	остальное за счет	300¸400
	тепло накоплений	кратковременно до 600
Парциальное давление СО2 в шлеме, кПа (мм рт. ст.), не более	2,4  (18)	1... 1,3  (7,5... 10) при пиковых нагрузках и в конце работы до 2.6 (20)

       Ряд физиолого-гигиенических параметров, необходимых, в частности, для расчета систем теплосъема, подачи О₂, удаления СО₂, зависят от характера и интенсивности, проводимой космонавтами работы в СК

       Поскольку КПД человека при выполнении им механической работы не превышает 20%, основная часть расходуемой космонавтами энергии выделяется в виде тепла, которое должно быть отведено системами СК. Следует учесть также большой диапазон колебаний величины тепловыделений человека и выделений влаги в зависимости от режима работы (от 90 Вт в состоянии покоя до 500¸600 Вт при тяжелой физической работе, и соответственно от 40¸60 до 600¸800 г/ч при тех же условиях).

       Важным требованием к СТР СК является обеспечение вентиляции и возможности регулирования теплосъема с учетом индивидуальных особенностей человека и степени его физической активности, позволяющих поддерживать внутри СК приемлемые для космонавта температуру и влажность газа.

       Комфортными считаются температура газа под оболочкой СК в зоне дыхания 17¸25° С, относительная влажность 40¸70%.

       Средняя величина выделения СО₂ космонавтом связана с величиной потребления О₂ через дыхательный коэффициент. Рекомендуемое для расчетов ≥1,0¸1,3 кПа (7,5¸10 мм рт. ст.), а при пиковых физических нагрузках  ≥2,6 кПа (20 мм рт. ст.).

       Концентрация вредных примесей в газовой среде СК не может достигнуть предельных величин при наличии вентиляции СК с выбросом газа во внешнюю среду или при использовании небольшого фильтра.

       Важной характеристикой системы обеспечения жизнедеятельности человека в защитном снаряжении, особенно при применении маски или шлема, отделенного от оболочки «шторкой», является величина сопротивления дыханию, которая при средней величине легочной вентиляции ~15 л/мин не должна превышать на вдохе 50¸60 Па и на выдохе 40¸50 Па.

           

       Принципы построения защитного снаряжения ИСОЖ

        

       Для существования и обеспечения работоспособности человека необходимо поддержание определенного давления и состава окружающей газовой среды, тепловой режим и обеспечение защиты от различного рода излучений, а также питание и удаление отходов жизнедеятельности организма. В открытом космосе эти функции обеспечиваются с помощью скафандра (СК), изолирующего человека от внешней среды, и автономной системы обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), которая, в отличие от бортовой начинает работать после отделения от ЛА. Безопасность космонавтов при выходе в открытый космос связана с надежной работой именно СК и АСОЖ.

       СК и АСОЖ изолируют человека от влияния внешних факторов космического пространства, создавая необходимый для жизни человека микроклимат, автоматически поддерживая заранее заданные физиолого-гигиенические параметры: определенный газовый состав, давление, температуру, влажность.

       СК и АСОЖ обеспечивают защиту организма от пониженного давления при частичной или полной разгерметизации кабины, подачу О₂ и удаление СО₂, влаги и тепла, выделяемых человеческим телом. Тенденциями пилотируемой космонавтики являются:

       1. Многократное применение СК на протяжении нескольких лет. Поэтому наряду с улучшением подвижности СК необходимо повышение их ресурса, ремонтопригодности и герметичности (с целью снижения расхода О₂), создания АСОЖ со снижением потери массы расходуемых элементов или с их регенерацией

       2. Поиск способов сочетания конструкции СК с оборудованием, которым пользуется космонавт, широкое применение манипуляторов, использование микропроцессоров для контроля работы систем СК и управления ими, создание установок для перемещения и маневрирования космонавта и т. д.

       СЛАЙД 19. Связь с кораблем и мониторинг физиологического состояния космонавта, работа основных систем АСОЖ обеспечивается специальной аппаратурой, также входящей в комплект космического СК. Однако для успешного выполнения поставленных задач требуется еще ряд специальных средств:

       1. Система шлюзования, с помощью которой давление в отсеке ЛА, из которого производится выход, понижается до окружающего, а при возвращении повышается до выравнивания с давлением в основном отсеке корабля.

       2. Специальные элементы фиксации (поручни, фиксаторы ног и т.п.), которыми в целях безопасности оборудованы рабочие места. Космонавт всегда должен быть связан с элементами ЛА страховочным фалом.

       3. Специальные установки для перемещения и маневрирования космонавта для проведения работ с отходом от поверхности ЛА, например монтаж космических модулей, транспортировка грузов или осмотр других космических объектов.

       Работа в СК вызывает у космонавта значительное напряжение физиологических систем, что приводящие к утомлению и снижению работоспособности. Поэтому при разработке конструкций СК, необходимо, чтобы:

       1. Материалы и оборудование, используемые для изготовления СК и его систем, были стойкими к длительному воздействию факторов космического пространства.

       2. При расчетах учитывать экстремальные внешние условия, чтобы гарантировать выполнение космонавтами работы за пределами ЛА. Агрегаты средств обеспечения выхода должны быть работоспособны даже при аварийных внешних воздействиях, а также в условиях быстро меняющегося в широком диапазоне характера деятельности человека.

       В связи с этими требованиями, а также с учетом габаритных ограничений, рабочие нагрузки на агрегаты и элементы АСОЖ и СК оказываются большими, чем для бортовой аппаратуры. В то же время длительность работы элементов СК и АСОЖ в настоящее время сравнительно невелика (определяется возможным временем работы космонавта за бортом ЛА).

       СК как одежду можно разделить на элементы, предназначенные для различных частей тела человека: оболочку, шлем, перчатки и обувь.

       Оболочка СК считается основным элементом СК. По виду механических свойств материала, используемого для выполнения оболочки, различают мягкий, полужесткий и жесткий скафандр. У мягкого СК оболочка выполняется из мягкого материала: ткани, резины или прорезиненной ткани. Жесткий СК имеет оболочку из металла или другого жесткого материала, например пластмассы. Полужесткий СК выполнен из жесткого корпуса, который охватывает торс человека, типа жилетки, и имеет мягкие оболочки конечностей.

       Оболочка находится под избыточным давлением и должна быть герметичной, прочной, воспринимать силы от внутреннего избыточного давления и подвижной. В жестком СК пока не удается совместить герметичность с подвижностью. Жесткий корпус СК удобен для размещения элементов систем обеспечения теплового режима и газовой среды, систем энергообеспечения и связи, разъемов пневмо-, гидро- и электрокоммуникаций для соединения с бортовыми системами, блоков с органами управления и т.п. Жесткий корпус держит изначально заданную форму независимо от перепада давления и не стесняет подвижность космонавта. Поэтому он используется в скафандрах, предназначенных для работы в открытом космосе.

       Мягкая оболочка может состоять из двух раздельных слоёв. Внутренний слой по отношению к космонавту герметичный, внешний слой силовой. Их иногда называют герметичной и силовой оболочками. Герметичная оболочка может выполняться из резины, прорезиненного текстиля, ткани или трикотажа, полимерной плёнки. Силовая оболочка выполняется из прочной ткани, обычно синтетической (капрон, лавсан, нейлон и др.) Изготавливают материал, совмещающий обе функции. Гермосиловой материал применяют для изготовления отдельных элементов оболочки, например для мягких шарниров, или элементов СК, например перчаток.

       Классификация космических СК и ИСОЖ космонавтов в них может быть проведена по различным принципам (рис. 1.3) По назначению их можно условно разделить на следующие два типа:

1. Аварийно-спасательные СК, предназначенные для защиты экипажа при разгерметизации спускаемого отсека в период взлёта или посадки корабля, нарушение в ней нормального состава атмосферы, появление дыма и т.д. ИСОЖ аварийно-спасательного СК включает три элемента: скафандр, индивидуальное ассенизационно-санитарное устройство и систему обеспечения газовой среды, одновременно предназначенную и для обеспечения теплового режима космонавта. Все функции космонавта, одетого в защитное снаряжение, сводятся к выполнению действий как оператора.

Системы жизнеобеспечения этих СК размещаются, как правило, в кабине ЛА и могут быть автономными (вступающими в работу только в аварийной ситуации) или едиными с бортовой СЖО. Иногда спасательные СК служат одновременно для защиты человека от неблагоприятного воздействия внешних условий в процессе спуска на Землю или после него (например, для обеспечения спасения космонавта после попадания в воду).

От спасательных СК требуется, в первую очередь, хорошая компоновочная и эксплуатационная сопряженность с рабочим местом космонавта и с оборудованием ЛА, минимальные габариты при работе в ненадутом состоянии.

2. СК и системы, предназначенные для обеспечения жизнедеятельности космонавтов при выходе из ЛА или планетной базы в открытый космос или на поверхность планеты. Специальный СК для выхода в космос используется только в надутом состоянии, он должен иметь ряд дополнительных устройств (теплозащиту, светофильтр и т. д.), которые не нужны для спасательного СК. Поэтому универсальный СК целесообразно использовать на ЛА только тогда, когда выходы в космос носят эпизодический характер или осуществляются в аварийном случае. Для регулярной работы в космосе должен использоваться специальный СК, надежность и эксплуатационные характеристики, которого должны быть выше, чем у спасательного СК.

       В зависимости от задач конкретных полетов нередко создаются СК, совмещающие в себе конструктивные и эксплуатационные особенности названных выше двух типов.

       Возможно разделение СК и систем и по другим принципам: по цикличности работы (одноразового или многоразового действия), по степени автономности, по размещению СОЖ (в виде съемного ранца или встроенная в СК) и т.д.

       Способы размещения СОЖ в основном определяются характером предстоящих действий космонавта в СК и конструктивными особенностями КК и СК.

       Наиболее распространено размещение системы на СК в виде нагрудного или наспинного ранца. Преимущество ранцевой системы заключается в удобстве её размещения на борту КК (отдельно от СК), а также в том, что ранец может сниматься со СК при переходе через люки и использоваться любым членом экипажа. Для повышения подвижности космонавта в СК при работе внутри ЛА, при проходе его через люки, удобная форма и минимальные габариты ранцевой системы часто важнее, чем минимальная масса. Кроме того, съемный ранец может быть использован при выходе из строя бортовой системы спасательного СК.

       Применение встроенной в СК автономной системы особенно выгодно для СК жесткого и полужесткого типов. Такое размещение системы надежней (из-за отсутствия внешних коммуникаций между СК и системой), а в ряде случаев имеет преимущество перед съемным ранцем по компактности и эксплуатационным параметрам.