8 - 2014

Проектирование космических скафандров в SolidWorks

Дарья Миллионщикова
Ведущий инженер, Certified SolidWorks Professional (CSWP), компания 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

Cовсем 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 отправляются в неизведанное. И движет ими не только азарт испытателя и желание проявить себя, но и высоконаучный интерес.

Какими 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 1950­х годов были разработаны и изготовлены установки, состоящие из катапультных тележек, снабженные кислородной аппаратурой и скафандрами для собак, которые были предназначены для отработки возможности пребывания живых существ на высотах до 110 км с последующим катапультированием и спуском на парашюте.

Легендарные Белка и Стрелка

Легендарные Белка и Стрелка

Гермокабина для животных

Гермокабина для животных

Затем была разработана гермокабина для животных, проходившая испытания при полете собаки Лайки, в ходе которого отслеживалось 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 корабля «Восток».

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

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 СК­1 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.

Скафандр СК-1

Скафандр СК-1

СК­1 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 СК­1 поддерживался тепловой режим, удалялись выделяемые человеком влага и углекислота. С помощью вентиляторов герметичный скафандр вентилировался воздухом кабины. При этом воздух из СК­1 выходил в кабину корабля через открытый шлем или регулятор давления.

Скафандр типа СК­1 успешно эксплуатировался при осуществлении первого в мире полета в космос Ю.А. Гагарина, а также при всех полетах кораблей «Восток». Для первой женщины­космонавта В.В. Терешковой была разработана модификация этого скафандра — СК­2.

Ю.А. Гагарин

Ю.А. Гагарин

Шлюзовая камера корабля «Восход-2»

Шлюзовая камера корабля «Восход-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. Красота в космосе — не самое главное.

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

Первый выход в открытый космос

К началу 1964 года, когда было принято решение осуществить выход космонавта в открытый космос из корабля «Восход­2», 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 ракеты­носителя и давало возможность уложиться в располагаемые весовые лимиты.

Космонавты В. Лазарев и О. Макаров, облаченные в скафандры «Сокол-К», в лаборатории «Звезды» на  космодроме Байконур перед полетом

Космонавты В. Лазарев и О. Макаров, облаченные в скафандры «Сокол-К», в лаборатории «Звезды» на  космодроме Байконур перед полетом

«Вход» в скафандр

«Вход» в скафандр

Скафандр «Беркут» являлся одновременно и спасательным — на случай разгерметизации кабины корабля.

Для повышения надежности и защиты от факторов открытого космоса скафандр был снабжен двойной гермооболочкой, экранно­вакуумной теплоизоляцией, светофильтром. Для предотвращения декомпрессионных расстройств в скафандре было повышено рабочее барометрическое давление кислородной газовой среды.

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. Скафандр командира корабля «Восход­2»
П.И. Беляева имел такую же конструкцию, что и скафандр А.А. Леонова, чтобы он при необходимости мог выйти в шлюз для оказания помощи Леонову.

После полета «Восхода­2» воплощение замыслов по дальнейшему совершенствованию оборудования, обеспечивающего работу в открытом космосе, стало реальностью. На повестку дня встали вопросы подготовки к полетам на Луну, одновременных полетов нескольких кораблей, их стыковки в космосе, проведения 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 потребовалось решить достаточно нетривиальную задачу — возможность самостоятельно надеть скафандр на борту, поскольку внутри корабля космонавты находились без скафандров. Было найдено весьма нестандартное и вместе с тем гениальное решение — 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».

Скафандры как способ спасения жизни

В процессе разработки корабля «Союз» снова возник вопрос о необходимости применения спасательных скафандров. Однако в то время решения не было найдено и первые полеты на этом корабле проводились без скафандров.

К сожалению, только гибель в 1971 году трех космонавтов корабля «Союз­11» в результате разгерметизации кабины на участке спуска заставила снова поднять вопрос о необходимости применения скафандров. При этом потребовалось разработать скафандр, сочетающийся с индивидуальным ложементом амортизационного кресла.

Скафандр «Стриж» корабля «Буран»

Скафандр «Стриж» корабля «Буран»

Такая задача была решена в короткий срок путем создания облегченного скафандра «Сокол­К» с мягким несъемным шлемом с откидывающимся смотровым стек­лом. Стоит отметить, что масса такого скафандра не превышала 9­10 кг. Первый полет в этих скафандрах был осуществлен в 1973 году космонавтами В. Лазаревым и О. Макаровым на корабле «Союз­12».

Спасательные скафандры аналогичного типа с внесенным в их конструкцию рядом 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 в плане возможности разгерметизации участках полета: при выведении, стыковке, спуске с орбиты на Землю. Это потребовало внесения дополнительных изменений в конструкцию скафандра, которые позволили бы космонавтам в случае аварии быстро и самостоятельно облачиться в него на борту кораб­ля. 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, а также разработана вентиляционная система с малым гидравлическим сопротивлением. Кроме того, для скафандра «Стриж» была специально разработана термостойкая ткань и теплозащитная одежда, обеспечивающая возможность катапультирования при больших скоростях полета на высотах до 30 км.

Скафандры полужесткого типа для орбитальных станций

В середине 1960­х 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, со 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 одновременно является контейнером 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.

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

Скафандр полужесткого типа «Орлан»

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 «Орлан­Д») был осуществлен из орбитальной станции «Салют­6» в 1977 году, и с тех пор эти скафандры, постоянно совершенствуемые, стали скафанд­рами орбитального базирования. Они постоянно находились на борту орбитальных станций «Салют» и «Мир», позволяя осуществлять работы в открытом космосе практически всем членам экипажа.

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 надевание­снятие, 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 1950­1970­е годы аббревиатура САПР нередко могла восприниматься как ругательная. А в наши дни разработка таких сложных наукоемких изделий, как системы обеспечения жизнедеятельности, без применения современных средств автоматизации уже практически невозможна, так как оказывается гораздо более длительной и трудоемкой.

Кираса скафандра для ВКД, выполненная в SolidWorks

Кираса скафандра для ВКД, выполненная в SolidWorks

Кираса скафандра для ВКД. Реальное изделие

Кираса скафандра для ВКД. Реальное изделие

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. Решения SolidWorks дают возможность работать со сложными поверхностями, с большими сборками, анализировать кинематику и динамику изделия задолго до его испытания. Именно 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 позволит значительно сократить сроки запуска нового изделия, издержки на производстве, будет способствовать улучшению качества готового изделия, тем более такого важного, как космический скафандр, призванный спасать жизни людей, рискнувших отправиться на просторы Вселенной.

Крышка ранца СОЖ скафандра для ВКД, выполненная в SolidWorks

Крышка ранца СОЖ скафандра для ВКД, выполненная в SolidWorks

Рис. 16.Крышка ранца СОЖ скафандра для ВКД. Реальное изделие

Рис. 16.Крышка ранца СОЖ скафандра для ВКД. Реальное изделие

Сегодня 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.

САПР и графика 8`2014