Способ автоматического терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе

Изобретение относится к космическим скафандрам, система терморегулирования которых состоит из двух контуров: вентиляционного контура и контура водяного охлаждения космонавта. При осуществлении способа в вентиляционном контуре устанавливают датчики концентрации CO₂ на входе и выходе патрона поглотителя углекислого газа. По показаниям этих датчиков и датчика расхода газа с помощью микропроцессора вычисляют текущее значение энерготрат космонавта. По специальной программе определяется необходимая температура воды в костюме водяного охлаждения, и подаются соответствующие сигналы на электромагнитные клапаны, установленные в охлаждаемой и байпасной линиях. Периодическое открытие и закрытие этих клапанов обеспечивает автоматическое регулирование температуры воды в костюме водяного охлаждения. Тем самым повышается комфорт пребывания космонавта в скафандре, сокращается количество его действий при работе в космосе, повышается безопасность и снижается объем учебно-тренировочных мероприятий. Техническим результатом изобретения является создание автоматической системы терморегулирования, которая позволяет регулировать температуру воды в костюме водяного охлаждения без участия космонавта. 3 з.п. ф-лы.

 

Данное изобретение относится к космическим скафандрам, конкретно к способам терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе.

Известен способ терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе, применяемый в скафандре «Орлан-М» (И.П.Абрамов, М.Н.Дудник, В.И.Сверщек, Г.И.Северин, А.И.Скуг, А.Ю.Стоклицкий. Космические скафандры России. Москва, ОАО «НПП «Звезда», 2005 г.).

Скафандр имеет в своем составе автономную систему обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), включающую в себя комплекс подсистем, в том числе систему терморегулирования (СТР).

СТР состоит из двух контуров: вентиляционного контура и контура водяного охлаждения космонавта.

Вентиляционный контур включает в себя патрон-поглотитель выделяемого человеком углекислого газа, вентилятор для приведения в движение вентилирующего газа в скафандре и охлаждающего газ сублимационного теплообменника.

Основное охлаждение космонавта осуществляется с помощью контура водяного охлаждения.

Контур состоит из одеваемого космонавтом костюма водяного охлаждения (КВО), в трубках которого циркулирует охлажденная вода, насоса для приведения воды в движение и охлаждающего воду сублимационного теплообменника.

В процессе работы в открытом космосе космонавт меняет уровень физической активности (тяжелая работа, средняя работа, легкая работа, отдых). В соответствии с этим меняются энерготраты космонавта и, следовательно, его тепловыделения.

Для того чтобы теплосъем с тела космонавта посредством КВО соответствовал его тепловыделениям, необходимо регулировать температуру воды в КВО.

Для обеспечения возможности регулирования температуры воды водяной контур разделен на две линии потока: охлаждаемая линия, в которой поток воды проходит через сублимационный теплообменник, и байпасная линия, в которой поток не проходит через теплообменник и остается теплой.

Суть известного способа заключается в том, что терморегулирование космонавт осуществляет вручную по собственным теплоощущениям, изменяя вручную с помощью трехходового крана «Тепло-Холод» расходы воды в указанных выше линиях, и таким образом устанавливает температуру воды в КВО, чтобы обеспечить тепловой комфорт.

Недостатками этого способа терморегулирования являются:

- возникновение дополнительных физических нагрузок космонавту для управления краном «Тепло-Холод» в скафандре под избыточным давлением;

- необходимость специального обучения космонавта по отработке режимов терморегулирования;

- возможные перегрев или переохлаждение космонавтов при выполнении внекорабельной деятельности, так как регулирование по теплоощущениям часто сопровождается ошибками, например такими, как запаздывание переключений крана «Тепло-Холод»;

- отвлечение внимания космонавта на управление СТР при выполнении внекорабельной деятельности в процессе выхода в космос.

Задачей изобретения является разработка такого способа терморегулирования, который позволил бы регулировать температуру воды в КВО автоматически без участия космонавта.

Для решения поставленной технической задачи используют известное соотношение между энерготратами человека, повышением концентрации СО₂ в выдыхаемом воздухе и расходом воздуха

где

Э.Т. - энерготраты (Вт),

Кэ - калорический эквивалент (количество тепла, выделяемого при поглощении 1 л O₂),

R - дыхательный коэффициент (отношение количества выделяемого CO₂ к количеству поглощенного O₂),

Ксо₂вх - концентрация (объемное содержание) СО₂ в вентиляционном контуре на входе в патрон - поглотитель скафандра СО₂ (%),

Ксо₂вых - концентрация СО₂ в вентиляционном контуре на выходе из патрона - поглотителя СО₂ (%),

V - объемный расход газа в вентиляционном контуре, приведенный к нормальным условиям

Кроме того, используют зависимость, установленную в результате статистического анализа данных, полученных из многолетнего опыта эксплуатации и тренировок космонавтов в скафандрах, между уровнями энерготрат космонавта и температурами воды на входе в КВО, обеспечивающими оптимальный (наиболее комфортный) режим охлаждения при данном уровне энерготрат.

Предлагаемый способ автоматического регулирования заключается в том, что в вентиляционном контуре устанавливают чувствительные датчики измерения концентрации углекислого газа на входе и выходе патрона-поглотителя CO₂ и датчик расхода газа, показания которых передают на встроенный в скафандр микропроцессор, в программу которого введены вышеуказанные зависимости.

Исходя из измеренных значений концентраций CO₂ и расхода воздуха, вычисляют по формуле [1] текущие значения энерготрат космонавта, на основании которых по статистическим данным определяют оптимальные значения температуры воды на входе в КВО и передают их в виде управляющих команд на исполнительные механизмы, которые непосредственно осуществляют регулирование температуры воды в КВО.

В качестве исполнительных механизмов используют клапаны, установленные в охлаждаемой и байпасной линиях. Клапаны, которые действуют в дискретном режиме, периодически открываясь и закрываясь по командам, поступающим от процессора, смешивают холодный и теплый потоки воды в той пропорции, которая нужна для установления вычисленной оптимальной температуры воды в КВО.

Основное регулирование осуществляют при открытии-закрытии клапана в охлаждаемой линии теплообменника. Большую часть времени клапан в линии байпаса находится в открытом состоянии.

При увеличении начальных энерготрат (Э.Т.₀) выше исходного уровня, которому соответствовала температура воды Т_вхКВО0, клапан охлаждаемой линии теплообменника, который до этого момента был закрыт, открывается, и в гидросистему скафандра начинает поступать вода, охлаждаемая в теплообменнике. Когда температура воды Т_вхКВО понижается до уровня, соответствующего текущему уровню энерготрат, клапан в охлаждаемой линии теплообменника закрывается, обеспечивая необходимое равновесие.

В случае дальнейшего повышения уровня энерготрат клапан в охлаждаемой линии теплообменника снова открывается, и происходит дальнейшее понижение температуры воды Т_вхКВО и т.д.

При понижении уровня энерготрат, когда космонавт переходит к более легкой работе или отдыху, клапан в охлаждаемой линии теплообменника закрывается и остается в закрытом состоянии до тех пор, пока температура воды Т_вхКВО не увеличится до расчетного уровня, требующего понижения температуры, то есть открытия этого клапана.

В случае необходимости понижения температуры Т_вхКВО до предельного минимального уровня, обеспечиваемого теплообменником (например, в случае резкого возрастании физических нагрузок на космонавта), предусматривается, кроме открытия клапана в охлаждаемой линии теплообменника, кратковременное закрытие нормально открытого клапана в линии байпаса. В этом случае достигается максимальная скорость понижения температуры, которая не может быть получена только за счет включения клапана в линии теплообменника.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществить автоматическое терморегулирование со скоростью, соответствующей изменению объективных показателей состояния космонавта (его энерготратам и тепловыделениям), что повышает комфорт пребывания космонавта в скафандре, уменьшает количество его действий при работе в космосе, повышает безопасность и снижает объем учебно-тренировочных мероприятий.

1. Способ терморегулирования скафандра для работы в открытом космосе, включающий отвод тепла от космонавта с помощью системы, состоящей из двух контуров: вентиляционного контура и контура водяного охлаждения, отличающийся тем, что регулирование температуры в контуре водяного охлаждения осуществляют автоматически, измеряя объемный расход газа в вентиляционном контуре и количество углекислого газа, выделяемого космонавтом, по которым вычисляют величину энерготрат, определяют соответствующую ей оптимальную температуру охлаждающей воды на входе в костюм водяного охлаждения и передают ее в качестве управляющей команды на исполнительные органы, регулирующие температуру воды на входе в костюм водяного охлаждения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вычисление энерготрат осуществляют по известной формуле, а оптимальные температуры воды на входе устанавливают с использованием объективных статистических данных, полученных в натурных экспериментах по определению наиболее комфортного теплового режима космонавта в скафандре для различных уровней его энерготрат.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что регулирование температуры воды на входе осуществляют путем периодических открытий и закрытий потоков воды в охлаждаемой и байпасной линиях.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, в случае необходимости максимально быстрого установления предельно низкой температуры на входе в контур водяного охлаждения, используют кратковременное закрытие нормально открытого клапана в байпасной линии одновременно с открытием клапана в охлаждаемой линии теплообменника.