Интересное
Средства передвижения космонавтов
Как космонавты перемещаются на орбите в открытом космосе? Неужели ползает, цепляясь за обшивку летательного аппарата, обмотанный бечевой вокруг пояса?
Представьте: космонавт медленно ползет по поверхности космической станции, приближаясь к месту неисправности. Но вдруг обнаруживает, что цепочка, соединяющая его со шлюзом, коротковата — не хватает пары метров. Подумав минутку, он отстегивает от пояса карабин, чтобы прикрепить его к ближайшей скобе. Но случайно рванувшись за вылетевшим из рук инструментом (и такое бывает, теряют инструменты), космонавт перестает быть одним целым со станцией и раскручиваясь, летит куда-то в сторону альфы Центавра. Всё?
Нет, космонавт даже и не думает паниковать. Достав пару устройств, похожих на пистолеты, космонавт целится куда-то во мрак и спускает крючки. Из сопел «пистолетов» вырывается сжатый воздух и в полном соответствии с третьим законом Ньютона реактивная сила возвращает скафандр с нашим земляком на станцию. Умело используя реактивную силу, космонавт все-таки добирается до места ремонта, ради которого и выбрался за борт.
Первое устройство, с помощью которого космонавты могли передвигаться в космосе, создали американцы. HHMU было похоже на ручное оружие, простое, но жутко неудобное, поэтому дальнейшая его разработка была приостановлена.
Реактивный пистолет HHMU
1. Два сопла движения вперед
2. Одно сопло движения назад
3. Пистолетная рукоятка
4. Баллоны со сжатым газом
5. Система жизнеобеспечения
6. Фотоаппарат
Примерно так выглядела картина работы в безвоздушном пространстве для первых людей в космосе. В рамках американской программа «Джемини» первое устройство для свободных маневров в космосе было именно «реактивным пистолетом». HMNU (Hand-Helded Maneuvring Unit, или «ручное устройство маневрирования») работало на основе сжатого кислорода, и всякий раз, когда астронавт корабля «Джемини-4» Эдвард Уайт выходил в космос, он брал его с собой. Разумеется, с таким пистолетом до Луны не долетишь, но он все же давал куда более прочную надежду, чем страховочный фал связи с кораблем. Однако минимум одна рука астронавта была занята, и это было не очень хорошо.
Советское устройство 21 КС
21 КС было своеобразным миниатюрным космическим кораблем, с его помощью в космосе можно было «строить», если верить инструкции.
1. Ранец с запасом сжатого газа и системой управления
2. Сопла бокового смещения
3. Отгибаемые подлокотники с рукоятками управления
Пятьдесят лет назад всем казалось, что космос без пяти минут освоен и вот-вот мы начнем строить колонии на Луне. Но чтобы строить дивный новый мир на орбите, безусловно, требовались устройства для индивидуального передвижения. Реактивные пистолеты быстро отошли на задний план, поскольку «целиться» приходилось в пустоту, а выстрелы не всегда попадали в «яблочко». Безвоздушный строитель должен четко и надежно ориентироваться в пространстве, попадать именно в ту точку, в которую хочет, иметь большую автономность и выбор действий для комфортной работы.
«Реактивная подкова»
УПМК и его части
1. Первое советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), выполненное в форме подковы с твердотопливными двигателями, так и не было испытано в космосе.
2. Батарея твердотопливных двигателей УПМК
Уже в начале второй половины 20 века стало известно, что человек проще управляется с линейной скоростью и передвижением, чем вращательными движениями. Поэтому система автономного перемещения в пространстве должна быть частично автоматизированной и ограничивать угловые скорости и ускорения. Выяснили, что космонавт не должен вращаться быстрее, чем со скоростью 40-50 градусов в секунду. К тому же, было бы неплохо, если система сама определяет координаты или хотя бы ориентацию относительно цели и места возврата. Связь с кораблем или Землей должна быть непрерывной, и все это великолепие — в течение нескольких автономных часов. Но представьте: 60-е годы, чтобы позволить космонавту столько бонусов, понадобился бы агрегат в сотни, если не тысячи килограммов. Конструкторам пришлось искать компромисс между ручным и автоматическим управлением. Да-да, полуавтоматика.
А вот советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), которым пользовались корабли «Восход», а позднее и военные станции «Алмаз», обещало очень многое. «Подкова» как бы обнимала скафандр с астронавтом. Перемещение обеспечивали два блока: разгонный и тормозной, каждый из 42 пороховых двигателей, каждый из которых разгонял космонавта на 20 см/с. Облететь стометровую МКС с такой скоростью можно было за 10 минут. Медленное движение было невыгодным, быстрое — опасным и тоже невыгодным. Система управлялась джойстиком на подлокотнике, а автоматика, ура, ограничивала скорость разворота.
Весило УПМК 90 кг, а аккумуляторы позволяли работать в открытом космосе до четырех часов в автономном режиме. Если бы космонавта унесло в космос, он мог бы разогнаться и лететь в одном направлении со скоростью 32 м/с. В космонавтике этот параметр называется характеристической скоростью устройства.
К сожалению, испытать УПМК в открытом космосе советским космонавтам не удалось.
Реактивный ранец
На рисунке изображен прототип автономной установки перемещения астронавта, который испытывали на американской орбитальной станции «Sky Lab»(1973-1974 годы). Штуковина могла надеваться поверх скафандра, но астронавты испытывали установку только внутри огромной станции.
1. «Ранец» с системой управления
2. Рукоятки ручного управления движением и ориентацией
3. Сферический баллон со сжатым азотом
Предыдущие варианты установок для перемещения использовали в основном твердое ракетное топливо. Но ради повышения характеристической скорости и улучшения маневренности пытались использовать и жидкое.
AMU (Astronaut Maneuvering Unit) — первый американский реактивный ранец — использовал в качестве топлива 90-процентную перекись водорода. Весила штуковина 75 кг, из которых 20 занимали системы жизнеобеспечения, а 11 — топливо. Характеристическая скорость AMU превышала аналогичный параметр советской модели почти в два раза — 76 м/с. На орбите AMU крепилось на приборно-агрегатном отсеке корабля снаружи. Как выглядела работа астронавта в открытом космосе?
Будучи в скафандре, космонавт выходил из гермокабины, при помощи поручней добирался до устройства и напяливал его как ранец. После этого можно отрываться от аппарата и начинать маневры. В общей сложности астронавт и AMU весили 185 килограммов. Движение в космосе обеспечивали 16 небольших ракетных двигателей. Как прошли испытания AMU?
Тестирование системы пришлось на июнь 1966 года во время полета корабля «Джемини-9А». Но все прошло на редкость ужасно. Юджин Сернан с превеликим усердием дошел до установки, залез в нее, но внезапно обнаружил, что ничего не видит. Пока астронавт добирался по открытому космосу до AMU, его шлем залило потом. А рукой его не вытереть. К тому же, Сернан не смог манипулировать джойстиком AMU — рука не дотянулась, а когда дотянулась, он сломал рукоятку. В общем, пришлось вернуться в корабль.
Только к 80-м годам аппаратура стала миниатюрнее и легче, увеличился резерв массы для дополнительных приборов. Долгожданное масштабное строительство, космический коммунизм так и не наступил. Устройства передвижения космонавтов должны были теперь служить разве что обследованию спутников, а также проверке наружного состояния станции. Для этих задач полной автоматизации процесса уже не понадобилось. Но все же космонавтов ждали перемены.
Средство передвижения космонавта (СПК) 21КС
В феврале 1990 года космонавты А. Викторенко и А. Серебров получили возможность испытать в космосе устройство СПК 21 КС, поочередно облетев на нем станцию «Мир». Журналисты называли его «космический мотоцикл», но на деле оно оказалось жутко неудобным. Как говорил Серебров, «поскольку руки у космонавта жестко прикреплены к рукояткам, то он толком не мог ничего поделать с грузом, значит для транспортировки СПК использовать невозможно».
21КС (СПК), разработанное в Советском Союзе, могло работать в двух режимах: экономичном и форсированном. Первый режим ограничивал линейные и угловые скорости возле станции или спутника-мишени. Разворот кругом, поскольку угловая скорость была крайне ограничена, длился не менее 20 секунд. Форсированный режим служил для быстрого перемещения на безопасном от станции расстоянии и для экстренного реагирования в случае столкновения. Сжатый воздух, который служил топливом для реактивных сопел, хранился как у дайверов в двух 20-литровых баллонах под давлением 350 атмосфер и выпускался через 32 сопла. Пульты управления располагались на двух консолях — под руками космонавта.
Первые летные испытания 21КС прошли в феврале 1990 года. Серебров и Викторенко выходили в открытый космос из модуля «Квант-2» и удалялись от станции на 35-45 метров. Да, они использовали страховочную лебедку, но в штатном режиме СПК должен был работать без нее, удаляясь от станции «Мир» на 60 метров и от станции «Буран» на 100. Почему такая разница? В случае неполадок СПК «Буран» мог легко догнать космонавта.
MMU: Manned Maneuvering Unit
Брюс Маккэнделс в MMU
Наши сделали 21КС, подглядев у американцев пилотируемый маневрирующий блок MMU. Будучи по конструкции похож на 21КС, он обладал меньшей характеристической скоростью и весил на 30 кг меньше. В двух алюминиевых баллонах, усиленных кевларом, содержалось 6 кг азота, который и служил топливом для реактивного движения системы. В отличие от советской системы, MMU применялся для решения практических задач.
В 1984-1985 годах американские астронавты при помощи MMU сняли с орбиты несколько телекоммуникационных спутников, которые не дошли до расчетных орбит. Джозеф Аллен и Дейл Гарднер «отловили» Westar VI и Palapa B2. «Челленджер» доставил их на Землю. Но несмотря на успех MMU, катастрофа «Челленджера», которая по словам очевидцев «травмировала нацию» и чуть не привела к закрытию космической программы вообще, поставила крест и на MMU. Кроме того, стоимость пилотируемых полетов оказалась настолько велика, что дешевле было бы запускать новый аппарат, чем отправлять к сломанному человека-ремонтника.
Теперь, чтобы возобновить интерес к разработке пилотируемых средств управления для работы в космосе, нам нужно начать освоение Луны и Марса.
Что применяется в космосе сегодня?
На устройства передвижения пока возлагают немногие задачи. Если космонавт случайно удалился от станции во время выхода в открытый космос, например. УСК (российское устройство спасения космонавта) крепится сзади к скафандру «Орлан-М» и питается от его батарей. С ним можно выйти через люк диаметром 0,8 метра. Американцы используют похожее УСК — SAFER (Simplified Aid for EVA Rescue, или упрощенное устройство для спасения космонавта при внекорабельной деятельности), и применяли его уже не менее чем сто раз во время выхода в открытый космос.
Илья Хель
Представьте: космонавт медленно ползет по поверхности космической станции, приближаясь к месту неисправности. Но вдруг обнаруживает, что цепочка, соединяющая его со шлюзом, коротковата — не хватает пары метров. Подумав минутку, он отстегивает от пояса карабин, чтобы прикрепить его к ближайшей скобе. Но случайно рванувшись за вылетевшим из рук инструментом (и такое бывает, теряют инструменты), космонавт перестает быть одним целым со станцией и раскручиваясь, летит куда-то в сторону альфы Центавра. Всё?
Нет, космонавт даже и не думает паниковать. Достав пару устройств, похожих на пистолеты, космонавт целится куда-то во мрак и спускает крючки. Из сопел «пистолетов» вырывается сжатый воздух и в полном соответствии с третьим законом Ньютона реактивная сила возвращает скафандр с нашим земляком на станцию. Умело используя реактивную силу, космонавт все-таки добирается до места ремонта, ради которого и выбрался за борт.
Первое устройство, с помощью которого космонавты могли передвигаться в космосе, создали американцы. HHMU было похоже на ручное оружие, простое, но жутко неудобное, поэтому дальнейшая его разработка была приостановлена.
Реактивный пистолет HHMU
1. Два сопла движения вперед
2. Одно сопло движения назад
3. Пистолетная рукоятка
4. Баллоны со сжатым газом
5. Система жизнеобеспечения
6. Фотоаппарат
Примерно так выглядела картина работы в безвоздушном пространстве для первых людей в космосе. В рамках американской программа «Джемини» первое устройство для свободных маневров в космосе было именно «реактивным пистолетом». HMNU (Hand-Helded Maneuvring Unit, или «ручное устройство маневрирования») работало на основе сжатого кислорода, и всякий раз, когда астронавт корабля «Джемини-4» Эдвард Уайт выходил в космос, он брал его с собой. Разумеется, с таким пистолетом до Луны не долетишь, но он все же давал куда более прочную надежду, чем страховочный фал связи с кораблем. Однако минимум одна рука астронавта была занята, и это было не очень хорошо.
Советское устройство 21 КС
21 КС было своеобразным миниатюрным космическим кораблем, с его помощью в космосе можно было «строить», если верить инструкции.
1. Ранец с запасом сжатого газа и системой управления
2. Сопла бокового смещения
3. Отгибаемые подлокотники с рукоятками управления
Пятьдесят лет назад всем казалось, что космос без пяти минут освоен и вот-вот мы начнем строить колонии на Луне. Но чтобы строить дивный новый мир на орбите, безусловно, требовались устройства для индивидуального передвижения. Реактивные пистолеты быстро отошли на задний план, поскольку «целиться» приходилось в пустоту, а выстрелы не всегда попадали в «яблочко». Безвоздушный строитель должен четко и надежно ориентироваться в пространстве, попадать именно в ту точку, в которую хочет, иметь большую автономность и выбор действий для комфортной работы.
«Реактивная подкова»
УПМК и его части
1. Первое советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), выполненное в форме подковы с твердотопливными двигателями, так и не было испытано в космосе.
2. Батарея твердотопливных двигателей УПМК
Уже в начале второй половины 20 века стало известно, что человек проще управляется с линейной скоростью и передвижением, чем вращательными движениями. Поэтому система автономного перемещения в пространстве должна быть частично автоматизированной и ограничивать угловые скорости и ускорения. Выяснили, что космонавт не должен вращаться быстрее, чем со скоростью 40-50 градусов в секунду. К тому же, было бы неплохо, если система сама определяет координаты или хотя бы ориентацию относительно цели и места возврата. Связь с кораблем или Землей должна быть непрерывной, и все это великолепие — в течение нескольких автономных часов. Но представьте: 60-е годы, чтобы позволить космонавту столько бонусов, понадобился бы агрегат в сотни, если не тысячи килограммов. Конструкторам пришлось искать компромисс между ручным и автоматическим управлением. Да-да, полуавтоматика.
А вот советское устройство перемещения и маневрирования космонавта (УПМК), которым пользовались корабли «Восход», а позднее и военные станции «Алмаз», обещало очень многое. «Подкова» как бы обнимала скафандр с астронавтом. Перемещение обеспечивали два блока: разгонный и тормозной, каждый из 42 пороховых двигателей, каждый из которых разгонял космонавта на 20 см/с. Облететь стометровую МКС с такой скоростью можно было за 10 минут. Медленное движение было невыгодным, быстрое — опасным и тоже невыгодным. Система управлялась джойстиком на подлокотнике, а автоматика, ура, ограничивала скорость разворота.
Весило УПМК 90 кг, а аккумуляторы позволяли работать в открытом космосе до четырех часов в автономном режиме. Если бы космонавта унесло в космос, он мог бы разогнаться и лететь в одном направлении со скоростью 32 м/с. В космонавтике этот параметр называется характеристической скоростью устройства.
К сожалению, испытать УПМК в открытом космосе советским космонавтам не удалось.
Реактивный ранец
На рисунке изображен прототип автономной установки перемещения астронавта, который испытывали на американской орбитальной станции «Sky Lab»(1973-1974 годы). Штуковина могла надеваться поверх скафандра, но астронавты испытывали установку только внутри огромной станции.
1. «Ранец» с системой управления
2. Рукоятки ручного управления движением и ориентацией
3. Сферический баллон со сжатым азотом
Предыдущие варианты установок для перемещения использовали в основном твердое ракетное топливо. Но ради повышения характеристической скорости и улучшения маневренности пытались использовать и жидкое.
AMU (Astronaut Maneuvering Unit) — первый американский реактивный ранец — использовал в качестве топлива 90-процентную перекись водорода. Весила штуковина 75 кг, из которых 20 занимали системы жизнеобеспечения, а 11 — топливо. Характеристическая скорость AMU превышала аналогичный параметр советской модели почти в два раза — 76 м/с. На орбите AMU крепилось на приборно-агрегатном отсеке корабля снаружи. Как выглядела работа астронавта в открытом космосе?
Будучи в скафандре, космонавт выходил из гермокабины, при помощи поручней добирался до устройства и напяливал его как ранец. После этого можно отрываться от аппарата и начинать маневры. В общей сложности астронавт и AMU весили 185 килограммов. Движение в космосе обеспечивали 16 небольших ракетных двигателей. Как прошли испытания AMU?
Тестирование системы пришлось на июнь 1966 года во время полета корабля «Джемини-9А». Но все прошло на редкость ужасно. Юджин Сернан с превеликим усердием дошел до установки, залез в нее, но внезапно обнаружил, что ничего не видит. Пока астронавт добирался по открытому космосу до AMU, его шлем залило потом. А рукой его не вытереть. К тому же, Сернан не смог манипулировать джойстиком AMU — рука не дотянулась, а когда дотянулась, он сломал рукоятку. В общем, пришлось вернуться в корабль.
Только к 80-м годам аппаратура стала миниатюрнее и легче, увеличился резерв массы для дополнительных приборов. Долгожданное масштабное строительство, космический коммунизм так и не наступил. Устройства передвижения космонавтов должны были теперь служить разве что обследованию спутников, а также проверке наружного состояния станции. Для этих задач полной автоматизации процесса уже не понадобилось. Но все же космонавтов ждали перемены.
Средство передвижения космонавта (СПК) 21КС
В феврале 1990 года космонавты А. Викторенко и А. Серебров получили возможность испытать в космосе устройство СПК 21 КС, поочередно облетев на нем станцию «Мир». Журналисты называли его «космический мотоцикл», но на деле оно оказалось жутко неудобным. Как говорил Серебров, «поскольку руки у космонавта жестко прикреплены к рукояткам, то он толком не мог ничего поделать с грузом, значит для транспортировки СПК использовать невозможно».
21КС (СПК), разработанное в Советском Союзе, могло работать в двух режимах: экономичном и форсированном. Первый режим ограничивал линейные и угловые скорости возле станции или спутника-мишени. Разворот кругом, поскольку угловая скорость была крайне ограничена, длился не менее 20 секунд. Форсированный режим служил для быстрого перемещения на безопасном от станции расстоянии и для экстренного реагирования в случае столкновения. Сжатый воздух, который служил топливом для реактивных сопел, хранился как у дайверов в двух 20-литровых баллонах под давлением 350 атмосфер и выпускался через 32 сопла. Пульты управления располагались на двух консолях — под руками космонавта.
Первые летные испытания 21КС прошли в феврале 1990 года. Серебров и Викторенко выходили в открытый космос из модуля «Квант-2» и удалялись от станции на 35-45 метров. Да, они использовали страховочную лебедку, но в штатном режиме СПК должен был работать без нее, удаляясь от станции «Мир» на 60 метров и от станции «Буран» на 100. Почему такая разница? В случае неполадок СПК «Буран» мог легко догнать космонавта.
MMU: Manned Maneuvering Unit
Брюс Маккэнделс в MMU
Наши сделали 21КС, подглядев у американцев пилотируемый маневрирующий блок MMU. Будучи по конструкции похож на 21КС, он обладал меньшей характеристической скоростью и весил на 30 кг меньше. В двух алюминиевых баллонах, усиленных кевларом, содержалось 6 кг азота, который и служил топливом для реактивного движения системы. В отличие от советской системы, MMU применялся для решения практических задач.
В 1984-1985 годах американские астронавты при помощи MMU сняли с орбиты несколько телекоммуникационных спутников, которые не дошли до расчетных орбит. Джозеф Аллен и Дейл Гарднер «отловили» Westar VI и Palapa B2. «Челленджер» доставил их на Землю. Но несмотря на успех MMU, катастрофа «Челленджера», которая по словам очевидцев «травмировала нацию» и чуть не привела к закрытию космической программы вообще, поставила крест и на MMU. Кроме того, стоимость пилотируемых полетов оказалась настолько велика, что дешевле было бы запускать новый аппарат, чем отправлять к сломанному человека-ремонтника.
Теперь, чтобы возобновить интерес к разработке пилотируемых средств управления для работы в космосе, нам нужно начать освоение Луны и Марса.
Что применяется в космосе сегодня?
На устройства передвижения пока возлагают немногие задачи. Если космонавт случайно удалился от станции во время выхода в открытый космос, например. УСК (российское устройство спасения космонавта) крепится сзади к скафандру «Орлан-М» и питается от его батарей. С ним можно выйти через люк диаметром 0,8 метра. Американцы используют похожее УСК — SAFER (Simplified Aid for EVA Rescue, или упрощенное устройство для спасения космонавта при внекорабельной деятельности), и применяли его уже не менее чем сто раз во время выхода в открытый космос.
Илья Хель