Для выполнения многих научных экспериментов, технологических операций, монтажа и демонтажа съемного оборудования, сборки больших конструкций типа модульных блоков, ремонтно-профилактических работ необходим выход космонавтов в открытый космос. Условия невесомости, которые тысячелетиями оставались незнакомыми человеку, являются одним из основных неблагоприятных факторов космического полета. Успешное решение многих задач зависит от степени приближения условий подготовки к реальным. К наиболее сложной задаче при подготовке космонавтов к работе в открытом космосе относится имитация на Земле условий невесомости. Эта проблема актуальна и потому, что воспроизведение на Земле работ в невесомости позволяет помимо отработки штатных операций текущих программ исследовать перспективные работы на орбите.
Основной принцип имитации работ в невесомости — нейтрализация силы земного притяжения. В настоящее время для подготовки космонавтов в наземных условиях к выполнению работ в открытом космосе и отработки перспективных систем могут использоваться различные способы моделирования невесомости в наземных условиях: полеты на самолете по параболической траектории; обезвешивание с помощью систем подвесок; помещение объекта в трехстепенной карданов подвес; обезвешивание с помощью легких газов; установка объекта на платформу на воздушной подушке; электронное моделирование; гидроневесомость.
Разнообразие способов подтверждает тот факт, что ни один из них в настоящее время не решает комплексную задачу по подготовке космонавтов к работе в открытом космическом пространстве. Каждый способ, в определенной степени, может быть применен для воспроизведения тех или иных операций внекорабельной деятельности. В некоторых случаях для отработки ряда операций могут использоваться комбинации этих способов.
«Летающая лаборатория», оборудованная в салоне самолёта, на отдельных участках полёта имитирует состояние невесомости
Полеты в самолете по параболической траектории позволяют наиболее реально воссоздать условия невесомости в течение 20—30 с. Однако такой малый интервал не позволяет произвести в условиях невесомости многие операции, продолжительность которых, как правило, существенно больше. Кроме того, наличие перегрузок до и после действия невесомости, ограниченные размеры летающей лаборатории и относительно высокая стоимость полетов не позволяют широко использовать этот способ для моделирования различных операций, выполняемых в реальном масштабе времени. Этот способ в настоящее время широко используется для поэлементной отработки ряда операций, на выполнение которых не требуется большой длительности пребывания в условиях невесомости.
Способ обезвешивания с помощью системы подвесок (рис. 1) или многостепенного стенда с кардановым подвесом основан на компенсации веса человека в скафандре посредством противовесов и придании ему шести степеней свободы. Испытатель размещается в кардановом подвесе таким образом, что его центр тяжести совпадает с точкой пересечения трех осей карданова подвеса. Испытатель вращается на 360° вокруг каждой оси и перемещается в горизонтальной плоскости и по вертикали в пределах, ограниченных размерами стенда.
Рис. 1. Обезвешивание с помощью системы подвесок
Этому способу моделирования невесомости свойственны существенные искажения ощущения невесомости и, кроме того, при некоторых положениях испытателя в кардановом подвесе он может потерять сознание.
Такие стенды использовались на начальных этапах изучения деятельности космонавта в открытом космосе, но в последующем от них отказались.
Обезвешивание с помощью легких газов (гелий и др.) — один из способов моделирования перемещений элементов больших конструкций в космосе с шестью степенями свободы. При реализации этого способа на модульном блоке крепятся баллоны с легким газом, что позволяет испытателю перемещать его вручную или манипулятором. Инерционность конструкции совместно с баллонами существенно превышает собственную инерционность объекта. Для снижения возникающей при этом погрешности в моделировании невесомости до минимума баллоны с газом целесообразно размещать внутри объема, ограниченного внешним контуром перемещаемого объекта, что не всегда приемлемо.
Способ, основанный на установке платформы на воздушной подушке (рис. 2), позволяет решать ряд очень важных задач по отработке методики выполнения операций.
Рис. 2. Платформа на воздушной подушке
На таких установках могут определяться размеры рабочих зон, удобство выполнения операций, уровень освещения и условия видимости, продолжительность работы космонавта, управление элементами конструкции, соединение конструктивных элементов, обслуживание систем и ряд других операций. Широкий спектр задач моделирования невесомости, решаемых с помощью платформы на воздушной подушке, позволяет сделать вывод о перспективности этого способа при отработке операций, выполняемых на внешней поверхности космических объектов.
Электронное моделирование динамики движения объектов также может широко использоваться при подготовке космонавтов для работ в открытом космическом пространстве. Однако моделирование рабочих операций приводит к необходимости создания очень сложного математического обеспечения.
Наиболее общий эффективный способ воспроизведения условий, близких к невесомости, — гидроневесомость. Испытатель в скафандре с наддувом помещается в жидкую среду, где ему придается нейтральная плавучесть и безразличное равновесие. Моделирование невесомости в гидросреде использовалось и ранее. Еще в конце 50-х — начале 60-х годов этот способ использовался в статических экспериментах по определению возможности имитации невесомости. При этом все внимание обращалось на физиологические и вестибулярные реакции человека.
В этих экспериментах испытатель, снабженный дыхательным автоматом, помещался в фиксированное кресло, установленное в баке небольших размеров. Бак заполнялся водой и приводился во вращение таким образом, чтобы устранить неприятное ощущение в отолитовом аппарате человека.
Характерная особенность гидроневесомости связана с тем, что в состоянии нейтральной плавучести сила гравитационного притяжения Земли, действующая на тело человека, уравновешивается выталкивающей силой гидросреды. Гравитационные силы приложены ко всем молекулам тела человека, а выталкивающая сила действует только на его поверхность.
Поэтому в гидросреде сохраняется действие силы массы внутренных органов, и нарушение функций вестибулярного аппарата не происходит. Следовательно, в гидроневесомости не воспроизводятся факторы космического полета, серьезно влияющие на физиологические процессы в организме человека.
Один из наиболее серьезных недостатков воспроизведения невесомости в гидросреде — влияние гидродинамического сопротивления жидкости на характер поступательного и вращательного движений тела под водой. Кроме того, необходимо учитывать инерционные свойства среды.
Таким образом, особенность воспроизведения в гидроневесомости перемещений при помощи технических средств связана с различием в физике обеспечения скорости в космосе и в воде.
Для поддержания постоянной скорости в космосе после приложения импульса силы не потребуется какой-либо силы тяги. В то время как движение в воде с постоянной скоростью можно обеспечить только в результате непрерывного действия тяги силовой установки.
Сказанное справедливо как в отношении линейных скоростей, так и угловых. Главная причина различия в обеспечении скорости — наличие в гидроневесомости сил и моментов, отсутствующих в космосе. К ним относятся гидродинамические силы и моменты, а также инерционные силы и моменты сил, вызываемые действием присоединенных масс, присоединенных статических моментов и моментов инерции.
Физическую сущность присоединенных параметров можно пояснить на примере поступательного движения тела в гидроневесомости. При неравномерном движении твердого тела в безграничной несжимаемой жидкости окружающая тело жидкость приходить в движение. Для учета инерционности окружающей среды, воздействующей на движущееся под водой с ускорением тело, вводят понятие «присоединенная масса».
Значение присоединенной массы определяется геометрическими особенностями поверхности твердого тела, направлением движения и плотностью окружающей среды. Эффект присоединенных масс проявляется только при ускоренном движении объектов в жидкости.
Таким образом, достоверность воспроизведения движения космического объекта под водой зависит от того, насколько точно будут подобраны инерционные характеристики объекта (масса и момент инерции) и насколько снижено влияние гидродинамических сил и моментов.
