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.
Немаловажное значение при выполнении операций под водой имеет подбор таких значений угловых скоростей и линейных ускорений, при которых гидродинамические силы не накладывают на действия операторов в гидросреде существенных искажений. Этот метод моделирования невесомости
Профессиональная подготовка имеет ряд существенных преимуществ перед другими: практически неограниченная продолжительность нахождения испытателя под водой, а следовательно, возможность отрабатывать рабочие операции в реальном масштабе времени, значительно большая безопасность тренировок в гидросреде, нежели, например, в летающей лаборатории, относительно низкая стоимость реализации тренировочного процесса.
В здании гидролаборатории размещено уникальное оборудование для моделирования невесомости в гидросреде
Первые эксперименты в условиях гидроневесомости проводились в 60-е годы в акватории. В подобных экспериментах полномасштабные ракеты объектов, выполненные в виде сетчатых каркасов, помещались в водоем на глубину до 10 м. Интенсивное использование гидроневесомости при подготовке космонавтов привело к созданию гидробассейнов, а в последующем — гидролабораторий, которые представляют собой сложное гидротехническое сооружение, содержащее большой комплекс технологического оборудования, специальных систем, аппаратуры и механизмов (рис. 3). Резервуар, действующий в гидролаборатории, имеет цилиндрическую форму диаметром 23 м и высоту 12 м с вмонтированными в него иллюминаторами. Над резервуаром установлена управляемая подвижная платформа, на которой находится макет орбитальной станции.
Рис. 3. Структурный состав гидролаборатории
Платформа обеспечивает дистанционно управляемый подъем и погружение макета на заданную глубину. Через иллюминаторы осуществляется освещение макета прожекторами, что позволяет производить кино- и фотосъемку, визуальное и телевизионное наблюдение за деятельностью космонавтов в гидросреде.
Система наземных и подводных телевизионных камер позволяет на центральном пункте управления непрерывно наблюдать и записывать всю динамику процесса тренировки на информационном табло. Воспроизведение видеозаписи позволяет акцентировать внимание обучаемых на тех или иных (ошибочных или удачных) приемах деятельности в гидросреде с помощью стопкадров непосредственно после выполнения задания. Это позволяет значительно быстрее сформировать модель операторской деятельности в условиях невесомости.
Гидролаборатория оснащена универсальным телеметрическим комплексом, который регистрирует и передает физиолого-гигиеническую информацию о состоянии испытателя под водой и технических параметров скафандра, а также обеспечивает переговорной связью. Получаемая информация обрабатывается на специализированной ЭВМ и выводится на магнитные накопители, самописцы, цифропечатающие устройства или визуальные приборы, установленные в центральном пункте управления.
Одетые в специальные скафандры космонавты отрабатывают приёмы выхода в космос, производство монтажных и демонтажных работ
Грузоподъемные механизмы позволяют механизировать операции по спуску и подъему космонавтов в скафандрах и проведение монтажно-демонтажных работ с макетами. Скафандры, используемые для тренировок космонавтов в гидролаборатории, по своим параметрам почти не отличаются от штатных. В отличие от полетного, в скафандре для гидросреды ранец системы жизнеобеспечения (СЖО) представлен макетом, размеры которого соответствуют реальному. Воздух для дыхания и вода системы терморегулирования подаются по шлангу, связывающему космонавта в скафандре с наземными системами жизнеобеспечения. Передача данных о параметрах скафандра, о состоянии космонавта, а также радиосвязь осуществляются по кабелю. Структурная схема скафандра показана на рис. 4.
Рис. 4. Структурный состав космического скафандра
Для придания нейтральной плавучести и безразличного равновесия добиваются равенства массы скафандра и выталкивающей силы, а также совмещают его центр тяжести с геометрическим центром, путем размещения в специальных карманах на скафандре свинцовых грузиков. Балансировка выполняется аквалангистами непосредственно в гидробассейне. Воспроизведение жесткости, которой обладает скафандр в открытом космосе при величине избыточного давления 0,4 атм., обеспечивается специальным регулятором избыточного давления, большим на величину гидростатического давления глубины, на которой находится скафандр.
Система терморегулирования скафандров предназначена для подачи воды в костюм водяного охлаждения (КВО). КВО обеспечивает снятие тепла, выделяемого оператором при работе в скафандре. Температура на выходе из системы охлаждения может изменяться в зависимости от теплоощущений оператора, находящегося в скафандре.
Средства обеспечения воздухом предназначены для подачи воздуха в скафандр — на вентиляцию и поддержание соответствующего парциального давления кислорода внутри скафандра не менее 140 мм.рт.ст. Этими же средствами обеспечивается и дыхание операторов, снаряженных в легководолазное снаряжение.
