Высотные и космические скафандры - Алексеев С.М., Уманский С.П.

Автор: Алексеев С.М. Уманский С.П.

Теги: авиация и космонавтика летательные аппараты ракетная техника космическая техника авиация космонавтика техника безопасности освоение космоса

Год: 1973

Похожие

Маневрирование космических аппаратов

Ракеты-Носители космодромы

Системы жизнеобеспечения человека при высотных и космических полетах

Механика космического полета в элементарном изложении

Текст

С. М. АЛЕКСЕЕВ
С. П. УМАНСКИЙ
ВЫСОТНЫЕ
И
КОСМИЧЕСКИЕ
СКАФАНДРЫ
Москва
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1973
А47
УДК (629.7.047.84-629.78.0.48.047.8) .001.2
Алексеев С. М., Уманский С. П. Высотные и космические скафандры.
М., «Машиностроение», 1973, 280 с.
В книге обобщен отечественный и зарубежный опыт проектирования
скафандров для высотных и космических полетов человека. Приведены
свойства среды, в которой происходит полет, физические факторы полета,
их действие на организм человека. Кратко изложены основы теории и ме-
тоды расчета систем и агрегатов скафандра.
Книга предназначена для специалистов, работающих в области проек-
тирования, производства и испытания снаряжения летчиков и космонав-
тов. Она будет также полезна инженерно-техническому персоналу, рабо-
тающему над созданием систем жизнеобеспечения для экипажей современ-
ных летательных аппаратов, и студентам вузов.
Табл. 91. Ил. 247. Список лит. ПО назв.
Рецензент д-р мед. наук, проф. А. М. Генин
Научный редактор канд. техн, наук В. Н. Князев
л 3186—410
А___________
038(01)—73
164—72
Издательство «Машиностроение», 1973 г.
Предисловие
В предлагаемой книге авторы знакомят читателей с устройством
скафандров, принципами их работы, а также приводят материалы спра-
вочного характера, которые могут быть полезны создателям -скафанд-
ров и специалистам, работающим в смежных областях авиационной и
космической техники.
Современные скафандры представляют собой достаточно -сложные
технические устройства, в которых многое еще не исследовано и дела-
ется на основании 'инженерной интуиции. В отечественной литературе
достижения в области скафандростроения не получили пока должного
освещения, и поэтому авторы задались целью в какой-то степени
восполнить этот пробел.
В первой главе приведены краткие сведения об атмосфере Земли
и окружающем ее пространстве, которые дают представление читателю
о среде, ib которой может находиться и работать человек в скафандре.
Во второй главе рассмотрены некоторые физические факторы «ат-
мосферного и космического полетов и их физиологическое воздействие
на организм человека (кислородная недостаточность, перегрузки, иони-
зирующее излучение), а также вопросы теплообразования и теплоотда-
чи в организме человека. Приведены также краткие сведения о физио-
логии человека, без знания которых трудно понять, как работает ска-
фандр.
Третья глава знакомит читателей с системами кислородного пита-
ния и жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов, которые
освещены в литературе, и в этой книге приведены только краткие све-
дения о таких системах, которые также необходимы для понимания
работы скафандров.
Четвертая глава посвящена описанию автономных систем, обеспечи-
вающих жизнедеятельность человека в скафандре. Так как в этой со-
вершенно новой области -авиационной и космической техники накоплен-
ный опыт весьма невелик и непрерывно пополняется, то содержание
этой главы не может считаться исчерпывающим. Авторы отдают себе
отчет в том, что, излагая эти вопросы, трудно избежать спорных
утверждений.
3
В пятой главе рассмотрены устройства и конструкции .аварийно-спа-
сательных скафандров, а также приведены краткие сведения по расче-
ту на прочность силовой оболочки скафандра, его (вентилирующей си-
стемы и теплозащитных устройств.
Две следующие главы — шестая и седьмая — содержат описание
скафандров для выхода в космос и на поверхность Луны.
В восьмой главе изложены свойства неметаллических материалов,
применяемых в скафандростроении.
При работе над книгой авторы пользовались советами и замечания-
ми многих специалистов и приносят благодарность В. И. Шелюпскому,
В. И. Серенкову, М. К. Вдовченко, А. С. Бареру, Л. И. Кузминскому,
П. И. Зиме, М. М. Гудимову, Д. П. Трофимовичу, В. В. Блохиной,
Ю. А. Суркову, В. Г. Гриневу, Т. С. Саламаховой, просмотревшим от-
дельные разделы рукописи.
Большую помощь в оформлении книги оказали Л. А. Бухарина
я Н. Б. Моисеева.
Введение
Современные летательные аппараты снабжены герметическими ка-
бинами, в которых на определенном уровне поддерживаются давление,,
температура и прочие параметры воздуха, обеспечивающие человеку
нормальные жизненные условия на всех высотах полета.
Однако при осуществлении полетов на высотных самолетах илй
космических кораблях необходимо учитывать возможность внезапного
падения давления воздуха в их кабинах, возникновения неисправности
в системе наддува, столкновения с метеоритным телом и многих других
аварийных ситуаций. В военной авиации необходимо считаться также
с возможностью повреждения герметической кабины^ осколком снаряда
или воздушной волной. ;
Особенно в тяжелом положении оказывается экипаж при разгерме-
тизации кабины на высотах более 6—в км.
В качестве средств, предназначенных для защиты экипажа от
кислородного голодания и низкого барометрического давления,
в настоящее время применяются кислородные маски, высотно-компенси-
рующие костюм ы и ска ф андр ы.
При применении кислородной маски со специальным кислородным
прибором можно создавать избыточное давление в легких до 30 мм
рт. ст., что дает возможность летчику кратковременно находиться на вы-
сотах до 15 км.
Для сохранения удовлетворительной работоспособности на боль-
ших высотах необходимо ещ^ больше повысить давление кислорода
в легких. Таким образом, возникла необходимость в компенсирующем
костюме, облегчающем дыхание под избыточным давлением путем соз-
дания внешнего противодавления на большей части поверхности тела
человека при помощи натяжных устройств.
Компенсирующий костюм с кислородной маской позволяет повы-
сить избыточное давление в легких до 75 мм рт. ст., что дает возмож-
ность летчику кратковременно находиться на высоте 16—18 км.
Более эффективным средством является применение компенсирую-
щего костюма с герметичным шлемом вместо маски. Подобное устройст-
во не только нормализует дыхание под избыточным давлением, но и
уменьшает застойные явления в системе кровообращения. Применение
компенсирующего костюма с герметичным шлемом дает возможность
поддерживать в лодшлемном пространстве и легких избыточное давле-
ние до 145 мм рт. ст., что позволяет человеку находиться на любой вы-
соте, но время пребывания на больших высотах ограничивается в соот-
ветствии.с данными, приведенными в табл. В.1. Кроме того, механиче-
ское обжатие, применяемое в компенсирующем костюме, затрудняет
5
вдох. В области паха, под мышками и в некоторых других местах трудно
обеспечить необходимое противодавление.
Скафандр в отличие от компенсирующего .костюма герметичен. Под-
держиваемое под оболочкой (скафандра давление равномерно распреде-
ляется по всему телу и благоприятно сказывается на физиологическом
состоянии человека. Поэтому допустимая продолжительность полета
в скафандре значительно больше, чем при пользовании компенсирую-
щим костюмом (см. табл. В.1).
Таблица В. 1
Допустимая «высота» * в кабине ЛА и возможная продолжительность полета при
пользовании кислородными приборами, компенсирующими костюмами и скафанд-
рами
Тип высотного снаряжения Допустимая „высота* км Возможная продолжи- тельность полета мин
Кислородная маска без избыточного дав- ления 10 11 12 Не ограничена 2—4 ч до 15
Кислородная маска с избыточным давле- нием 15 5—10
Компенсирующий костюм или жилет с кис- лородной маской с избыточным давлением 16—18 5—10
Компенсирующий костюм с гермошлемом Не ограничена До 15 мин
Компенсирующий костюм с респираторным жилетом и гермошлемом Не ограничена Несколько часов
Скафандр Не ограничена Несколько десятков часов**
* «Высота» в кабине — высота по стандартной атмосфере, соответствующая величине давления воздуха в кабине ЛА (ГОСТ 4401—64). * * Продолжительность полета зависит от давления в скафандре, физической нагрузки и индивидуальных особенностей организма человека.
Скафандр является универсальным средством защиты. Он за-
щищает человека не только от вредного воздействия низкого ба-
рометрического давления при разгерметизации кабины, но и от пере-
грева и охлаждения. При катапультировании он предохраняет человека
от удара 'встречного потока воздуха, а при попадании в воду обеспечи-
вает плавучесть и в течение длительного времени защищает от пере-
охлаждения. Однако создать скафандр, который имел бы небольшой
вес и обеспечивал хорошую подвижность, довольно трудно.
Первый скафандр 4-1 был спроектирован Е. Е. Чертовским в 1931 г.
Это был простой герметичный комбинезон со шлемом, имевшим неболь-
шое остекление для обзора. В его конструкции не были предусмотрены
шарниры. При наддуве скафандра требовалось большое усилие для
сгибания рук и ног, поэтому работать в скафандре при создании
в нем избыточного давления было невозможно [4, 5].
В скафандре 4-2 (1932—4934 гг.) в местах сгиба конечностей были
применены шарниры, благодаря чему появилась возможность (хотя и в
ограниченной степени) сгибать руки и ноги. Однако в этих скафандрах
еще не были решены вопросы жизнеобеспечения человека [1].
В конструкции скафандра Ч-З (рис. В.1), р(азработанного в 1935—
6
Рис. В.1. Высотный скафандр Ч-З
(1935—1937 гг.)
1937 гг,, уже были заложены все основные элементы будущих скафанд-
ров, а также учтены физиолого-гигиенические требования.
При избыточном давлении ОД—0,16 кгс/см2 летчик в скафандре,
оболочка которого была изготовлена из прорезиненной ткани, мог пере-
двигаться и управлять самолетом. После испытания в барокамере лет-
чик-испытатель С. Коробков провел летные испытания скафандра на
высотах до 12 км. В разработке скафандра Ч-З приняли участие авиа-
ционные физиологи В. А. Спасский и А. П. Аполлонов [3].
В 1938 и 1939 irr. Е. Е. Чертовским были созданы скафандры 4-4
и 4-5, а в 1940 г.— усовершенствованные образцы скафандров 4-6 и 4-7.
Е. Е. Чертовской первым в СССР по-
строил высотный скафандр. В 1937 г.
Центральным советом Осовиахима ему
была присуждена премия за решение
проблемы подвижности скафандра.
В отличие от известных иностранных
образцов скафандров, рассчитанных на
кратковременный полет для установле-
ния мирового рекорда, первые отечест-
венные скафандры предназначались для
многочасового пребывания в них чело-
века в стратосфере. Они снабжались
автономной системой кислородного пита-
ния регенерационного типа, позволяв-
шей экипажу отсоединяться от нее при
переходе в самолете с одного места на
А. И. Бойко
другое или совершении прыжка с пара-
шютом.
Отечественные скафандры создава-
лись также в ЦАГИ (Центральном аэро-
гидродинамическом институте) под руководством
и А. И. Хромушкина (последний руководил разработкой систем жизне-
обеспечения для скафандров).
Первый опытный образец скафандра под маркой СК-ЦАГИ-1 был
разработан, изготовлен и испытан в 1937 г. Он состоял из верхней и ниж-
ней частей, соединявшихся при помощи поясного металлического разъ-
ема. Плечевые шарниры обеспечивали необходимую подвижность рук.
Оболочка скафандра была изготовлена из двухслойной прорезиненной
ткани.
В 1938 г. был разработан скафандр СК-ЦАГИ-2 регенерационного
типа, работающий под давлением 0,3 кгс/см2.
Автономная регенерационная система была рассчитана на работу
в течение <6 ч (рис. В .2). В этой системе воздух из скафандра поступал
в регенерационные патроны, в которых он очищался от углекисл ого газа
и паров воды. Очищенный воздух направлялся в инжектор, где смеши-
вался с непрерывно поступающим из баллона кислородом, и снова по-
давался в скафандр. Большая часть воздуха, подаваемого в скафандр
из инжектора, поступала в шлем для дыхания, а меньшая часть — в под-
окафандровое пространство для вентиляции туловища, рук и ног. Дав-
ление в скафандре поддерживалось регулятором.
В конце 1938 г. был выпущен усовершенствованный скафандр СК-
ЦАГИ-4, который испытывался в термобарокамере.
В 1940 г. с учетом ранее накопленного опыта были созданы ска-
фандры СК-ЦАГИ-5 и СК-ЦАГИ-8 (рис. В.З).
Скафандр СК-ЦАГИ-8 испытывался на советском истребителе
И-153, не имевшем еще герметической кабины и защитного фонаря.
В период Великой Отечественной войны разработки скафандров
были приостановлены.
7
Послевоенный период характеризуется бурным развитием реактив-
ной авиации, позволившей резко повысить летные данные летательных
аппаратов.
Высота полета реактивного самолета стала значительно превышать
высоты, на которых летчик, снабженный кислородной маской, по своим
физиологическим возможностям мог бы управлять самолетом. Поэтому
реактивные самолеты стали строить с герметическими кабинами. Но ес-
ли раньше скафандр был единственным средством, обеспечивающим
жизнедеятельность летчика на большой высоте, то теперь, при наличии
на самолете герметической кабины, к нему стали предъявляться иные
Требования. Так, при загерметизированной кабине скафандр не должен
Рис. В.2. Принципиальная схема, регенера-
ционной системы скафандра «СК-ЦАГИ-2»:
/—редуктор; 2—инжектор; 3—кран аварийной по-
дачи; 4—манометр для измерения давления на
входе в скафандр; 5—трубки вентилирующей систе-
мы; 6—поглотитель СО2; 7—осушительный патрон
стеснять движения, мешать
управлению самолетом и ухуд-
шать обзор, а при разгермети-
зации кабины скафандр дол-
жен автоматически вклю-
чаться в работу и обеспечивать
летчику необходимые жизнен-
ные условия.
С учетом этих требований
в 1947—1950 гг. группа конст-
рукторов под руководством
А. И. Бойко разработала вы-
сотно-спасательные скафандры
ВСС-01 и ВСС-04 (рис. В. 4).
Скафандры этих типов пред-
ставляли собой герметический
комбинезон из прорезиненной
ткани с закрепленным на нем
несъемным откидным шлемом
и кислородной маской. Рукава
и штанины были снабжены
шарнирами, а силовая система
хорошо удерживала скафандр
'от «вырастания». Давление в скафандре регулировалось клапаном избы-
точного давления. Для надевания скафандра в передней его части был
распах с аппендиксом.
Бортовая кислородная система состояла из прибора КП-16 (позд-
нее КП-18). Наддув и вентиляция скафандра осуществлялись от комп-
рессора реактивного двигателя.
Для покидания самолета на большой высоте в аварийной ситуации
летчик был снабжен парашютным кислородным прибором КП-23.
Советскими учеными и инженерами разработаны скафандры для
космических полетов. 12 .апреля 1961 г. Ю. А. Гагарин совершил первый
в истории человечества полет в космос в скафандре, назначением кото-
рого было обеспечить жизнедеятельность космонавта в случае разгер-
метизации кабины.
18 марта 1965 г. А. А. Леонов впервые вышел из кабины корабля
в окружающее космическое пространство.
Таким образом, в настоящее время определились три типа полет-
ных скафандров:
— аварийно-спасательный (авиационный и космический);
— для выхода в космическое пространство;
— для выхода на поверхность Луны.
В дальнейшем будут разрабатываться скафандры для выхода на
поверхность Марса, Венеры и других планет.
Разработаны также и системы жизнеобеспечения, .поддерживающие
в 'Скафандрах заданный микроклимат, причем у 'аварийно-спасательных
8
скафандров эти -системы обычно объединяются с общими системами
кондиционирования воздуха летательных аппаратов, а в других случаях
они автономны и располагаются в специальных ранцах, которые наде-
ваются на космонавтов.
По конструкции оболочки скафандры можно подразделить на мяг-
кие, жесткие и полужесткие.
Оболочка мягких скафандров изготовлена из -специальных тканей
и при отсутствии внутреннего давления не сохраняет свою форму. При
Рис. В.З. Авиационный ска-
фандр СК-ЦАГИ-8 (1940 г.)
Рис. В.4. Высотный спасательный скафандр ВСС-О4
(1950 г.):
а—без верхней одежды; б^с верхней одеждой и откинутым
шлемом; /—регулятор давления; 2—-шнуровка для регулировки,
скафандра по размерам; 3—разъем связи; 4—объединенный
разъем шлангов /подача кислорода в шлем для дыхания, по-
дача всздуха для вентиляции туловиша и конечностей, ком-
пенсирующий шланг кислородного прибора)
создании внутреннего давления эта оболочка приобретает определенную
жесткость и способна восприним-ать изгибающие и крутящие моменты.
Жесткие скафандры изготавливаются из материалов, сохраняющих
форму в рабочем и нерабочем состояниях (металлы, твердые пластики).
В полужестких скафандрах корпус выполнен из металла, а «конеч-
ности» —из ткани.
По способу подачи газов для вентиляции и дыхания скафандры под-
разделяются на вентиляционные и регенерационные.
В (вентиляционный скафандр воздух, необходимый для вентиляции
и поддержания внутреннего избыточного давления, подается от воздуш-
ного компрессора двигателя самолета, -а кислород для дыхания — из
установленных на самолете источников кислорода.
При полете в загерметизированной кабине под оболочкой такого
скафандра избыточное давление не создается и продукты дыхания вме-
сте с вентиляционным воздухом (беспрепятственно выходят наружу через
регулятор давления. При разгерметизации кабины регулятор давления
9
автоматически создает в скафандре заданное абсолютное давление.
Регенерационные скафандры в отличие от вентиляционных работа-
ют по замкнутому циклу, при котором выдыхаемый и отработанный вен-
тиляционный воздух не выбрасывается наружу, а проходит через пат-
роны, поглощающие углекислый газ и влагу, обогащается |Кислородом
и снова поступает в скафандр.
По способу подачи кислорода для дыхания скафандры разделяются
на масочные и безмасочные.
В масочном скафандре кислород подается только в маску, в без-
м^сочном — кислород поступает непосредственно в подшлемное про-
странство.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гришанов Н. Г., Уманский С. П. Скафандр летчика и космонавта.—
«Авиация .и космонавтика», 1965, № 7.
2. Спасский В. А. Физиолого-гигиеническое обеспечение полетов в скафандре.
М., Медгиз, 1940.
3. Перескоков А., Егоров П., Раевский М. Потолок летчика. М., Во-
ениздат, 1931.
4. Чертовской Е. Е. Стратосферные скафандры. М., Воениздат, 1940.
5. Чертовской Е. Е. Стратостаты. М., ОНТИ, 1936.
ГЛАВА 1
Основные характеристики планет
солнечной системы
и межпланетного пространства
Для ознакомления с условиями, в которых (Применяются скафандры,
приведем некоторые сведения о Земле и планетах, полеты ж которым
ожидаются в ближайшем будущем, а также сведения о межпланетном
пространстве.
1. СОЛНЦЕ
Строение Солнца еще сравнительно мало изучено. Видимая его по-
верхность называется фотосферой. Над фотосферой расположена хромо-
сфера. Выше хромосферы находится внешняя оболочка Солнца — сол-
нечная корона.
Хромосфера — это слой атмосферы толщиной 10 000—15 000 км с
весьма быстрым падением давления по вертикальному разрезу [1].
Солнечная корона — самый обширный и разреженный слой, про-
стирающийся над хромосферой на расстояние, ранное нескольким ра-
диусам Солнца. Температура газов в верхней части короны порядка
I06 К, а фотосферы 5750 К.
Интегральный поток энергии солнечного излучения (солнечная по-
стоянная Земли) на удалении, соответствующем орбите Земли (за пре-
делами ее атмосферы), и на поверхности Луны
/ Ъ \2
~ 1200 ккал/(м2-ч),
\ -^Орб.З /
(1-1),
где /?s — радиус поверхности фотосферы Солнца (/?s=0,696-106 км);
^орб.з — средний радиус земной орбиты (^?0рб.з= 150-106 км);
Д— удельное энергоизлучение фотосферы.
По формуле (il .1) можно определять солнечную постоянную для ор-
бит других планет солнечной системы и в любой точке межпланетного
пространства, заменяя в ней 7?Орб.з на соответствующий радиус.
Примерно 41% солнечной энергии приходится на видимую часть
спектра, 51 % — на инфракрасную и 8% — на ультрафиолетовую, при-
чем в ультрафиолетовой части спектра доля энергии наиболее коротких
i
волн (до 2000А) очень незначительна.
На поверхности Солнца иногда наблюдаются темные участки, на-
зываемые солнечными пятнами. Число пятен и их размеры периодически
изменяются.
Количество солнечных пятен и их особенности в .некоторой степени
характеризуют солнечную активность и соответствующую ей интенсив-
ность ионизирующей солнечной радиации.
11
Коротковолновая солнечная радиация (с длинами волн менее
3000 А) до земной поверхности практически не доходит. Излучение
в диапазоне 2000—3000 А поглощается главным образом азотом, а вол-
ны длиной 800—2000 А — молекулярным кислородом.
Рис. 1.1. Общее распределение энергии в спектре солнечной радиации в ясный
день при положении Солнца, близком к зениту (стрелки показывают области и
интенсивности поглощения солнечной радиации обозначенными над ними газами
и парами)
На {рис. 1.1 приведено общее распределение энергии в -спектре Солн-
ца за пределами земной атмосферы (сплошная кривая) и у поверхности
Таблица 1. 1
Осредненные характеристики некоторых планет солнечной системы и Луны [2]
Наименование Земля Венера Марс Луна
Среднее расстояние от Солн- ца в а. е. (астрономических еди- ницах) 1,000 0,723 1,524 1,000
Сидерический период (с—сут- ки) 365е,256 224е,70 687е,0 27е,32
Орбитальная скорость в км/с 29,7 34,9 24,1 1,03
Экваториальный диаметр в км 12756,3 12260 6791 3477,02
Относительная масса 1,000 0,814 0,1077 0,01229
Относительная плотность (во- ды-1,0) 5,52 5,1 3,97 3,34
Сила тяжести на поверхности 1,0 0,89 0,38 0,165
Период вращения вокруг оси (с—сутки, ч—часы, м—минуты) 23ч56м 225 е 24ч,6 27е,3
Максимальная температура поверхности в °C 60 ’540 24 150
Газы, отождествленные в ат- мосфере Много СО2, Н2О СО2, Н2О —
Альбедо * 0,35 0,76 0,15 0,07
* Альбедо (А) — отношение величины лучистого потока Ф, рассеиваемого освещенной поверхностью во всех направлениях, к величине лучистого потока Фо, падающего на эту поверхность, А=Ф/Ф0.
12
Земли в ясный день при ’положении Солнца, близком к зениту. Солнеч-
ный спектр у поверхности Земли испещрен многочисленными линиями
поглощения, которые на рисунке выделены зачерненными «впадинами».
Краткие сведения о рассматриваемых .в этой главе планетах солнеч-
ной системы приведены в табл. 1.1.
2. ЗЕМЛЯ
Земля движется вокруг Солнца по орбите, имеющей форму эллип-
са, точйее говоря, так движется центр тяжести системы Земля — Луна.
Среднее расстояние Земли от Солнца считается равным около 150- 106км,
а средняя скорость движения Земли по ее орбите около 30 км/с.
Полный оборот вокруг Солнца Земля совершает в течение 365,256
суток. Это так называемый звездный, или сидерический год.
Важнейшей физической характеристикой Земли является ускорение
силы тяжести /(в практических расчетах оно принимается равным
981 см/с2).
Воздушная оболочка Земли — атмосфера — играет роль свето-
фильтра, пропуская к поверхности Земли только солнечное излучение
с длиной волны от 0,29 до 2,4 мкм [3].
Коротковолновые (жесткие) ультрафиолетовые солнечные лучи за-
держиваются слоем озона, расположенным на высотах выше 20 км,
а инфракрасные лучи — парами .воды и углекислым газом, содержащи-
мися в атмосферном воздухе. В результате этого интегральный поток
солнечного излучения уменьшается примерно на 30% и на поверхности
Земли составляет около 840 ккал/м2 -ч.
В различных странах опубликовано много моделей атмосферы.
В СССР действует стандартная атмосфера (СА ПОСТ 4401—64), сокра-
щенная таблица которой приведена в приложении /(табл. П.1).
По высоте земную атмосферу принято делить на тропосферу, стра-
тосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.
Троп о сф ер а характеризуется постепенным убыванием темпера-
туры с увеличением высоты, градиент изменения по высоте примерно 6° С
на 1 км. В ней содержится около 80% массы всей 'атмосферы, почти вся
вода и взвешенные твердые частицы. Верхняя граница тропосферы из-за
неравномерности нагревания земной поверхности и прилегающего к ней
воздуха на экваторе выше, чем на полюсах (летом она повышается, зи-
мой понижается). Среднегодовая высота тропосферы на экваторе при-
нимается равной 15—47 км, на полюсах — 7—8 км, на средних широ-
тах — 11 км [11]. В тропосфере наблюдаются облака и ветры различной
силы и направления.
Стратосфера простирается примерно до высоты 50—60 -км.
Большинство явлений, свойственных тропосфере, в стратосфере не на-
блюдается, например, облаков там почти нет, ветры имеют постоянное
направление и достигают большой скорости. В стратосфере находится
основное количество атмосферного озона. Между тропосферой и
стратосферой расположена тропопауза. Верхняя граница тропопаузы
непостоянна и зависит от географической широты местности и времени
года.
Мезосфера простирается до высоты 80 км. Температура воздуха
в ней с увеличением высоты понижается и достигает минимума. От
стратосферы мезосфера отделена переходным слоем, называемым стра-
топаузой. Относительно определения стратопаузы пока нет единого мне-
ния, но, вероятно, наиболее правильно считать стратопаузой область
температурного максимума на высоте около 50 км.
13
Термосфера характеризуется быстрым возрастанием темпера-
туры (рис. 1.2). Она простирается до высоты примерно 800 км от по-
верхности Земли. Между мезосферой и термосферой расположен срав-
нительно тонкий слой с постоянной минимальной температурой поряд-
ка — 70° С, называемый мезопаузой.
Экзосфер в, или сфера рассеяния характеризуется таким
глубоким вакуумом, что газовые частицы в этом слое почти не сталки-
ваются друг с другом, причем наиболее, /быстрые из них даже вырыва-
ются из поля земного притяжения и уносятся в мировое пространство.
Экзосфера простирается вверх до 1100—4300 км. Выше экзосферы на-
Рис. 1:2. Суточное распределение по вы-
сотам температуры воздуха в атмосфе-
ре Земли:
/—минимальные значения (ночь); 2-средние
значения; 3—максимальные значения (день)
чинается межпланетное про-
странство.
По электрическим характе-
ристикам атмосферу по верти-
кальному разрезу принято разде-
лять на нейтросферу и ионосферу.
Это деление основано на распре-
делении в атмосфере электриче-
ски заряженных частиц газов —
ионов. Нижняя часть атмосферы,
примерно до высоты 60 км, в ко-
торой преобладают количествен-
но нейтральные частицы, пред-
ставляют собой нейтросферу. На
высотах более 60 км располо-
жена ионосфера, содержащая
в отличие от нейтросферы мно-
жество электрически заряженных
частиц.
В ионосфере под воздействием ультрафиолетовых, рентгеновских .и гамма-излу-
чений Солнца атомы атмосферных газов ионизируются. В результате этого появляются
свободные электроны и ионизированные атомы и молекулы.
Электронная концентрация достигает своего максимального значения на высотах
300'—400 к м.
Таблица 1. 2
Состав атмосферного (сухого) воздуха на уровне моря [6]
Наименование газов Хими- ческая формула Содержание по объему % Наименование газов Хими- ческая формула Содержание по объему %
Азот N2 78,09 Неон Ne 1,8-Ю-з
Кислород О2 20,95 Криптон Кг 1,14-10-4
Аргон Аг 0,93 Ксенон Хе 8,7-10-5
Углекислый газ со2 0,03 (в среднем) Озон Метан Оз nh4 1,0-10-6 1,5-10-4
Водород Гелий Н2 Не 5,00.10-5 5,24-10-4 Закись азота n20 5,0-10-5 100 %
Состав атмосферного воздуха Земли до высот порядка 80—100 км
приведен в табл. 1.2, данные которой указывают на преобладание в нем
азота и кислорода.
* В термосфере из-за высокой разреженности воздуха высокие температуры ха-
рактеризуют лишь скорость молекул, а не тепловое их воздействие на ЛА.
14
Из газов, 'входящих в состав атмосферного воздуха, для жизнедея-
тельности человека исключительное значение имеет кислород. Свойства
атмосферного воздуха приведены в приложении (см. табл. П.2).
Кроме обычного двухатомного кислорода (О2), в стратосфере содер-
жится в небольшом количестве озон (О3). Озон образуется в стратосфе-
ре под действием ультрафиолетового излучения Солнца, когда часть
молекул кислорода (Ог) распадается на атомы (О), а затем в процессе
рекомбинации образуется некоторое количество трехатомных молекул
озона (Оз)-
В атмосферном воздухе озон 'содержится до высот примерно 60 км,
при максимуме его концентрации на высотах 25—35 км. Но и здесь объ-
емное содержание озона составляет лишь 0,000005%. Общее количество
озона в атмосфере принято характеризовать толщиной слоя, который
он составил бы, если его привести к нормальным условиям (760 мм
рт. ст. при 0°С). Толщина такого слоя озона в среднем будет равна
лишь 3 мм.
Несмотря на столь ничтожное количество озона в атмосфере значение его исклю-
чительно велико, так как он поглощает основную часть коротковолновых ультрафиоле-
товых лучей Солнца с длиной волны от 0,1 до 0,24 мкм, обладающих сильным биологи-
ческим действием. Если бы озона в атмосфере не было, то жизнь на Земле была бы
невозможна или приобрела бы какие-то другие формы.
Озон — сильный окислитель, он разрушает органические вещества, обесцвечивает
краски и многие материалы (калий, натрий .и др.) переводит в окислы. Резиновые
шланги, применяемые в кислородных системах, в результате двухчасового воздействия
озона с концентрацией 0,02—40,03 мгс/л разрушаются. Стойкими по отношению к озону
являются пластмассы, а также некоторые сорта каучуков (хлоропреновый, силиконо-
вый и др.).
Выше мезопаузы происходит диссоциация молекул килорода и азота, и на высоте
примерно 175 км почти весь молекулярный кислород превращается в атомарный, а азот
диссоциируется значительно труднее, и даже на больших высотах некоторая часть его
остается в молекулярном состоянии.
Углекислый газ в атмосфере распределен неравномерно, в большем
количестве он содержится в воздухе над городами и промышленными
районами. Измерения показывают, что общее количество углекислого
газа в атмосфере в связи с сжиганием большого количества топлива по-
степенно возрастает.
3. РАДИАЦИОННАЯ ОБСТАНОВКА В ОКОЛОЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Ионизирующей (проникающей) радиацией называются потоки ко-
ротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновских и гамма-
лучей) и элементарных частиц, образующихся при внутриядерных реак-
циях,— альфа-частиц (оголенных ядер гелия), бэта-частиц (электронов
и позитронов), протонов и нейтронов.
Ниже представлена характеристика излучений по длине (волны [22].
Вид излучения Длина волны нм Вид излучения Длина волны нм
Инфракрасные лучи Видимые лучи Ультрафиолетовые лу- чи: ближние дальние Энергия элементарных * В практической рг тронвольта (эВ): килоэ/ =1 • 106 эВ и биллион эл 75.104—760 760—400 400—10 10—5 частиц обычно 1боте часто испо 1ектрон вольт (к ектронвольт (Бэ Рентгеновские лучи: мягкие средней жесткости жесткие Гамма-лучи измеряется в электронволь льзуются производные еди эВ)-1000 эВ; мегаэлектроь В) = 1 -10е эВ. 0,6—0,2 0,2—0,1 0,1—0,05 0,004 тах (эВ)*. (ницы от элек- 1вольт МэВ=
15
Электронвольт — это энергия, которую приобретает частица, имеющая один эле-
ментарный электрический заряд (заряд электрона), при перемещении в электрическом
поле между точками с разностью потенциалов- в 1 В:
1 эВ='1,60207-10-19 Дж=1,6- 10-12 эрг.
Ионизирующая радиация обладает 'способностью проникать в тела
и материалы (отсюда название проникающая) и в значительной мере
ионизировать их.
Интенсивность ионизирующей радиации характеризуется пробегом
частицы в веществе или массой поглощающего вещества (г/см2), прихо-
дящейся на единицу его поверхности, при которой энергия частицы по-
глощается полностью.
На поверхности Земли ионизирующая радиация как солнечного,
так и внутриземного происхождения не представляет опасности* для лю-
дей (последняя мала, а от действия наиболее активной солнечной иони-
зирующей радиации их надежно защищают атмосфера и магнитное поле
Земли).
За пределами атмосферы и радиационных поясов Земли экипаж
ЛА лишается этой защиты и для него влияние ионизирующей радиации
становится существенным фактором, определяющим безопасность по-
лета.
Альфа-частицы (а-частицы) обладают наибольшей удельной
ионизацией. Так, в воздухе при нормальных физических условиях одна
альфа-частица образует в среднем 30 тыс. пар ионов.
Проникающая способность а-частиц невелика: они полностью погло-
щаются листами бумаги и алюминиевой фольги, обыкновенная одежда
для 'них непроницаема. В живые ткани а-частицы проникают на глубину
до 0,05 мм (рис. 1.3).
Бета-лучи (р-частицы) — это поток электронов, длина пробега
которых в веществе зависит от величины их энергии. Хотя проникающая
способность р-частиц во много раз больше, чем а-частиц, но она также
невелика. Так, р-частицы сильно ослабляются одеждой человека и прак-
тически полностью поглощаются металлическими экранами толщиной в
несколько миллиметров (например, для А1 — примерно 5 мм, РЬ — от
0,3 до 1,0 мм). В живые ткани р-частицы проникают на несколько мил-
лиметров.
Гамма-лучи (у-лучи) — составная часть солнечнего излучения,
интенсивность которого сильно возрастает при солнечных вспышках. Это
излучение образуется при взаимодействии различных видов проникаю-
щей радиации с веществом (в том числе и с тканями живого организма).
Проникающая способность у-лучей значительна. Например, для ос-
лабления энергии такого излучения в 1 МэВ в 4 раза необходим слой
алюминия толщиной 8 см.
Протоны (р)—положительно заряженные ядра водорода, со-
ставляющие большую часть первичного космического излучения и сол-
нечной корпускулярной радиации. Они также являются и основной со-
ставляющей проникающей радиации во внутреннем радиационном поясе
Земли (рис. 1.4).
Проникающая способность их больше, чем у а-частиц, и меньше,
чем у |3-частиц (см. рис. 1.3), но взаимодействие протонов с веществом
и особенно с живыми тканями значительнее и сложнее.
Нейтроны (п) — (нейтральные частицы, образующиеся в резуль-
тате взаимодействия протонов с атомами атмосферного воздуха, а так-
же в больших количествах в атомных реакторах.
Нейтроны в свободном состоянии существуют сравнительно недолго
(14,5 мин), распадаясь на протоны и электроны, (п—^р+'е). Не имея
заряда, они практически не взаимодействуют с электронами атомов и
создают очень слабую ионизацию.
16
Пробег 8 г с/см
Рис. 1.3. Зависимость пробега частиц проникающей радиации в ве-
ществе от их энергии
рад/ч
Рис. 1.4. Изменение уровня радиации
(1) за защитой 2—3 гс/см2 при ра-
диальном удалении от Земли в плос-
кости геомагнитного экватора
2 1341
17
Ядра легких элементов (Не, Li, Be, С) присутствуют в
сравнительно небольших количествах в составе первичного космическо-
го излучения. Относительно их проникающей способности и взаимодей-
ствия с различными материалами пока не существует установившейся
тонки зрения.
Ионизирующее действие рентгеновских и у-лучей характеризуется
величиной их дозы, измеряемой рентгенами (Р) *, а остальных видов
излучения —радами (ГОСТ 8848—(63) **.
Доза ионизирующего излучения в 'единицу времени называется
мощностью дозы облучения.
Мощность дозьт облучения измеряется в Р/с, Р/ч, мР/с и т. д.
Биологическое действие ионизирующего излучения на живые ткани
определяется количеством поглощенной ими энергии (т. е. дозой погло-
щения в радах), удельной плотностью ионизации, создаваемой ионизи-
рующими излучениями, мощностью дозы, температурой и кислотностью
облучаемой ткани.
Биологическое действие различных видов проникающей радиации
сравнивается по их относительной биологической эффективности (ОБЭ)„
для которой принята специальная единица измерения — биологический
эквивалент рада (бэр). За 1 бэр принимается такая поглощенная живой
тканью доза любого вида ионизирующего излучения, которая вызывает
такой же (биологический эффект, что и 1 рад рентгеновских или у-лучей.
Очевидно, что поглощенные дозы различных видов радиации, выра-
женные одинаковым числом бэр, будут одинаковыми и по их биологиче-
скому эффекту.
Поглощенная доза излучения, выраженная в радах (/?рад) и биоло-
гическая доза, выраженная в (бэрах (/?бэр), связаны соотношением
^?бэр = ^?рад ‘ ОБЭ, (1.2)>
где ОБЭ — относительная биологическая эффективность, зависящая от
природы излучения рассматриваемого биологического про-
цесса,'величины и мощности дозы.
В расчетах для различных видов излучений принимаются следую-
щие значения ОБЭ излучений:
рентгеновские лучи и у-лучи.....................................................1
0-частицы.............. * . ............................................ I
а-частицы и протоны.............. ,......................................10
быстрые нейтроны.........................................................10
медленные (тепловые) нейтроны............................................5
Таким образом, для 0-частиц и у-лучей 1 бэр = 1 рад, а для а-частиц
и протонов 1 бэр = 0,1 рад.
За пределами атмосферы человек встретится с первичным космиче-
ским излучением (ПКИ), облучением в радиационных поясах Земли
и излучением, связанным со вспышками на Солнце.
Первичные космические лучи представляют собой поток
заряженных частиц, состоящий главным образом из протонов (примерно
85%), а-частиц (примерно 14%) и ядер легких элементов (около 1%),
приходящих из мирового пространства с энергиями от нескольких ме-
гаэлектронвольт до 1012 эВ.
Характерным для ПКИ является его всенаправленность и постоян-
ство интенсивности во времени.
* Дольными единицами рентгена являются миллирентген (мР = 1 • 10~3 Р), микро-
рентген (мкР = 1 • 10”6 Р).
** Дольными единицами рада являются миллирад (мрад= 1 • 10-3 рад) и микро-
рад (мкрад=4 • 10-6 рад).
18
В космических лучах, хотя и очень редко, встречаются частицы, энергия которых
достигает колоссальной величины — Ю19 и, по-видимому, даже 1020 эВ. Это в миллиар-
ды раз больше того, что дают самые мощные современные ускорители частиц.
Однако, хотя энергия отдельных частиц космических лучей и весьма велика, ко-
личество частиц в общем потоке ПКИ за 1 с составляет 1,8—4 на 1 см2.
Взаимодействуя с атмосферой Земли, эти частицы на высотах 35—40 км образуют
вторичное космическое излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, протонов, более
мягких компонентов — электронов, а также у-квантов и других частиц [8].
Суммарная дюза ют ПКИ при отсутствии защиты составляет
212мрад/сутки или 130 мбэр/сутки. Для ориентировочной оценки вклада
ПКИ ъ общую дозу поглощаемой телом человека радиации эту величи-
ну обычно при расчетах увеличивают на 50—100% [9].
Вблизи Земли суммарная доза ПКИ из-за экранирующего действия
ее .магнитного поля значительно меньше. Так, на орбите, расположенной
на высоте 200—600 км и наклоненной к плоскости экватора на угол 65°,
доза ПКИ с учетом вторичных излучений составляет 8—10 мрад/сут-
ки [9]. Проникающая способность ПКИ исключительно велика. На-
пример, для ее ослабления вдвое необходим слой свинца толщиной 20 см
и более. Из-за невозможности создания такой защиты доза от ПКИ
внутри космического корабля будет практически такой же, как и пне его,
т. е. в открытом космосе.
В результате экспериментальных исследований, проведенных совет-
скими и американскими учеными на искусственных спутниках Земли
(ИСЗ), установлено, что вокруг Земли имеется огромная область, насы-
щенная заряженными частицами, имеющими очень высокую энергию.
Эти частицы не доходят до поверхности Земли, попадая в ее «магнитную
ловушку».
Область насыщения заряженными частицами условно разделяется
на внутренний, внешний и «самый внешний» радиационные пояса. В дей-
ствительности резко выраженных границ между этими поясами нет.
Внутренний пояс радиации начинается на высоте 500—
1500 км и простирается до высоты около 10 000 км от поверхности Земли
с максимумам насыщения его частицами на высоте около 3500 км. Этот
пояс образуется быстродвижущимися протонами с энергиями порядка
десятков и сотен мегаэлектронвольт и электронами с энергиями поряд-
ка десятков и сотен килоэлектронвольт.
Наибольшую радиационную опасность в этом поясе представляют
протоны. Средняя биологическая мощность дозы, создаваемая протона-
ми на участке орбиты ИСЗ, проходящей через внутренний радиационный
пояс, за защитным слоем в 1 гс/см2 составит примерно 5 бэр/ч. Электро-
ны внутреннего пояса будут полностью поглощаться такой защитой,
и мощность дозы возникающего при этом тормозного излучения не бу-
дет превышать 0,1 бэр/ч [5]. Поэтому кратковременное пребывание (10—
15 мин) во внутреннем радиационном поясе Земли не представляет
большой опасности для членов экипажа космического корабля.
Внешний пояс радиации расположен на расстоянии от
10 000 до 50 000 км от поверхности Земли с максимумом интенсивности
на высоте 15 000—20 000 км. Этот пояс состоит в основном из электро-
нов, обладающих энергией от 20 кэВ до нескольких мегаэлектронвольт,
и в нем большую радиационную опасность представляют не сами элект-
роны (р-частицы), .а создаваемые ими при прохождении через вещество
тормозное у-излучение и рентгеновское излучение. Если защитный слой
менее 2—3 гс/см2, то тело человека может получить сравнительно боль-
шую дозу облучения — 40 рад/сутки [9].
Самый внешний радиационный пояс образовался, как
полагают, в результате проведения ряда высотных ядерных взрывай
(например, 9 июля 1962 г. в США осуществлена операция «Старфиш»)
и состоит из электронов с энергией до 7 МэВ.
2*
19
Солнечное корпускулярное .излучение в основном состоит из прото-
нов и а-частиц. При защите более 3—5 гс/см2 воздействие а-частиц будет
достаточно малым. Поток протонов при солнечных вспышках содержит
частицы с энергией от нескольких мегаэлектронвольт до десятков бил-
лионэлектронвольт [9].
Величины доз облучения, создаваемого протонами при солнечных
вспышках, колеблются в .широких пределах. Считается, что интеграль-
ная доза протонного облучения не будет превышать 100 бэр за защитой
порядка 13 гс/см2 — при солнечных вспышках класса февраля 1966 г.;
15 гс/см2 — при вспышках класса мая 1959 г. и 2 гс/см2 — при вспыш-
ках класса августа 1958 г. [5].
Существует мнение о. возможности повышения радиационной безопасности в ре-
зультате рационального выбора траектории полета (ниже или выше радиационных
поясов Земли), а также организации надежной системы прогнозирования солнечных
вспышек и своевременной информации о них экипажей ЛА.
Не менее важными защитными мероприятиями являются создание на ЛА мощ-
ной противорадиационной оболочки, устройство специальных радиационных убежищ
и использование медико-фармакологических средств.
4. ЛУНА
Луна движется по траектории, имеющей форму эллипса, в фокусе
которого находится Земля. В перигее минимальное удаление Луны от
Земли составляет 363 300 км, в апогее — 405500 км.
В среднем расстояние от Луны до Земли принимается равным
380000 км.
Так как масса Луны намного меньше массы Земли, ускорение силы
тяжести на поверхности Луны равно 1,61 м/с2. Вот почему всякое тело
на Луне (в том числе и скафандр) в шесть раз легче, чем на Земле.
Поверхностный слой Луны формировался в течение многих миллио-
нов лет в условиях резких температурных колебаний, низкой гравитации
и высокого вакуума. Существенное влияние на формирование этого
слоя оказывали также метеорная бомбардировка, космическое и солнеч-
ное проникающие излучения.
Анализ образцов грунта, доставленных автоматической станцией
«Луна-16», показал, что поверхностный слой Луны представляет собой
интенсивно взрыхленное, но не пылевидное вещество, структура которо-
го напоминает пемзу.
Этот слой неоднороден. Вместе с мельчайшими частицами разме-
рами в 70—100 мкм в нем встречаются и более крупные куски породы
размерами в сантиметры и десятки сантиметров.
Под тонким поверхностным слоем лунного вещества залегает про-
межуточный слой, который постепенно переходит в более плотное
скальное основание. Промежуточный слой, очевидно, и определяет в ос-
новном «несущую» способность лунного грунта.
В табл. 1.3 приведены данные о строении почвы Луны в районе по-
садки советской автоматической станции «Луна-16».
Лунная поверхность в среднем отражает только около 7% падаю-
щего на нее света. Это значит, что она покрыта веществами очень тем-
ного цвета, поскольку подобными значениями альбедо на Земле харак-
теризуются сухой чернозем и очень темные горные породы.
Продолжительность лунного дня составляет 14,76 земных суток.
В течение этого времени обращенная к Солнцу поверхность Луны сильно
нагревается. Известно, что .при положении Солнца в зените Луны тем-
пература ее поверхности доходит до 150° С, на протяжении же двухне-
дельной лунной ночи она падает до —150° С.
Луна практически не имеет атмосферы и поэтому на ней не быва-
ет ветря, облаков, тумана, дождя, снега и т. д.
20
Таблица 1. 3
Данные о строении грунта Луны в районе посадки станции «Л уна-16» *
Свойства слоя Поверх- ностный слой Промежу- точный слой Скальное основание
Толщина в м 0,0—0,15 0,15—0,35 —
Удельный вес в гс/см3 0,5—0,8 0,8—1,2 2,6—3,3
Пористость в % 90—80 60—50 10—0,05
Прочность на раздавливание в кгс/см2 0,1 10 600—2500
* А. П. Виноградов. Предварительные результаты изучения лунного
грунта. — «Известия», 1970, 29 окт.
Напряженность 1магнитног-о поля Луны примерно в 400 раз меньше
напряженности магнитного поля Земли [11]. Из-за отсутствия атмосфе-
ры и (магнитного поля поверхность Луны облучается в основном такими
же потоками проникающей радиации, какие существуют в свободном
межпланетном лространс'тве.
Интенсивность ПКИ на поверхности Луны вследствие ее экрани-
рующего действия :в два раза меньше, чем в свободном космическом
пространстве и составляет около 50—130 м бэр/сутки [110].
К ПКИ добавляются естественная радио активность пород на по-
верхности Луны и наведенная (радиоактивность, возникающая под дей-
ствием ПКИ и радиации Солнца. Мощность дозы облучения от этой ра-
диоактивности не превышает 6-Ю-5 бэр/ч [10]. Наибольшую опасность
на поверхности Луны представляет солнечное ионизирующее излучение,
возникающее при вспышках, так как создаваемая им доза радиации
в зависимости от мощности вспышки может превысить несколько сот
бэр [10].
Освещенность на поверхности Луны характеризуется следующими
данными:
Максимальная освещенность при солнечном свете................. 140 000 лк
Освещенность при солнечном свете, отраженном от «полной» Земли . . 30 лк
Освещенность от света звезд.................................... 0,0005 лк
По расчету из-за сравнительно малого в сравнении с Землей диа-
метра Луны теоретическая.дальность видимости на ней горизонта почти
вдвое меньше, чем на Земле. Например, при отсутствии атмосферной
рефракции и при возвышении глаза наблюдателя на 2 м (А) над поверх-
ностью Луны дальность видимости горизонта на ней определяется по
формуле
А 1,89/Г ^2,63 км.
При такой небольшой дальности возможны значительные трудности
как в визуальных наблюдениях на Луне, так и в осуществлении радио-
связи.
5. МАРС И ВЕНЕРА
Марс по своим размерам значительно меньше Земли, и сила тяже-
сти на нем почти в 3 раза меньше, чем на Земле.
Продолжительность года на Марсе почти вдвое больше земного,
однако продолжительность суток почти такая же, как на Земле (см.
табл. 1.1).
21
Фотоснимки, переданные американской автоматической станцией
«Маринер-4», дают основание предполагать, что поверхность Марса,
как и поверхность Луны, покрыта кратерами, имеющими, вероятно, ме-
теоритное происхождение.
Предполагается, что темные пятна на поверхности Марса представляют собой вы-
ходы основных пород, а светлые области — вещество, образующееся в результате раз-
рушения основных пород. ‘Находясь от Солнца на расстоянии в 1,5 раза большем, чем
Земля, Марс получает солнечного тепла и света в 2,25 раза меньше, чем Земля. Климат
Марса поэтому гораздо суровее земного.
Атмосферное давление на поверхности Марса около 4 мм рт. ст. В состав атмос-
феры Марса входит углекислый газ и- водяной пар. В полдень в экваториальном поясе
Марса температура верхнего слоя грунта поверхности почвы может достигать 30° С, но
уже к заходу Солнца она падает намного ниже нуля и к утру доходит до —40° С.
Температура на полюсах Марса очень низкая (примерно —70° С) [11].
Измерения, произведенные американской станцией «Маринер-4», показалй, что
магнитное поле Марса ничтожно (во всяком случае, в 3-1O-4 раза слабее магнитного
поля Земли). Выяснилось также, что у Марса практически нет поясов радиации [11].
Марс ближе всего подходит к Земле в периоды его противостояний, повторяющих-
ся каждые 780 суток.
Каждые 15-—17 лет (например, 1956 г., 1971 г. и т. д.) повторяются так называе-
мые «великие противостояния», когда Марс сближается с Землей на наименьшее рас-
стояние в 56 млн. км.
Венера по своим размерам и массе больше всех других планет по-
хожа на Землю (см. табл. 1.2). Она имеет плотную .атмосферу и посто-
янно окутана густым слоем облаков, закрывающих ее поверхность. Сила
тяжести на Венере почти такая же, как на Земле. Венера расположена
ближе к Солнцу, чем Земля, поэтому света и тепла она получает в два
с лишним раза больше, чем Земля. В процессе движения Венеры и Зем-
ли вокруг Солнца расстояние между планетами изменяется от 40 дс
2&0 млн. км [2].
Измерения, произведенные советской межпланетной станцией «Венера-4», подтвер-
дили существующее мнение об отсутствии у Венеры радиационных поясов и магнитного
поля. В связи с этим считается, что концентрация заряженных частиц в верхней части
атмосферы Венеры (на высотах более 100 км) по крайней мере на два порядка меньше
максимальной концентрации заряженных частиц в ионосфере Земли [2].
Полет станции «Венера-4» подтвердил также предположение, что атмосфера Ве-
неры содержит углекислый газ (9’0°/о) и небольшие количества азота ( <2%), кисло-
рода (<0,1%) и воды. По последним данным, атмосферное давление у поверхности
планеты составляет 70—90 кгс/см2 [11].
Предполагают, что температура на дневной и ночной частях поверхности Венеры
примерно одинакова — около 470° С [2].
Венера вращается в сторону, обратную вращению всех других планет, и обра-
щена к Земле, в основном, всегда одной своей стороной. Поэтому с Земли можно видеть
лишь часть ее другой стороны, но и то при определенных взаимных положениях обе-
их планет.
6. МЕТЕОРНЫЕ ТЕЛА И МЕЖПЛАНЕТНАЯ СРЕДА
Метеорные тела. Установлено, что в межпланетном пространстве
солнечной системы движется большое количество крупных и мелких
твердых тел, называемых метеорными телами*.
Метеорные тела 1И-м-еют самые разнообразные размеры — от боль-
ших глыб до мельчайших частиц и космической пыли.
Предполагается, что метеорные тела образуются как при вулка-
нических извержениях на планетах солнечной системы и их спутниках,
* На съезде Международного астрономического союза в 1961 г. была предложена
следующая терминология.
Метеор — световое явление, возникающее при вторжении в атмосферу частицы из
межпланетного пространства.
Метеорное тело — некоторый объект, движущийся в межпланетном пространстве.
Метеорит — метеорное тело, которое достигло поверхности Земли.
Микрометеорит — метеорит, диаметр которого1 меньше миллиметра, но не меньше
нескольких микрометров.
Метеорная пыль — частицы с размерами меньше микро метеоритов.
22
так и вследствие постепенного разрушения изверженного вещества и ма-
лых небесных тел — (комет, астероидов.
Движущиеся в межпланетном пространстве метеорные тела трудно обнаружить
с Земли, так как они отражают слишком мало солнечного света. Около 99|О/о этих тел
движутся по эллиптическим и параболическим орбитам в основном в том же направ-
лении, в каком происходит вращение самого Солнца и обращение вокруг него планет,
со средней скоростью Солнца порядка 40 км/с * (в районе земной орбиты).
По химическому составу метеорные тела можно разделять на каменные, железные
и железо-каменные. Химический состав каменных метеорных тел напоминает состав
земных пород». Удельный вес каменных метеорных тел от 0,5 до 3 гс/см3, а железных
от 0,5 до 7,8 гс/см3. Каменные тела наблюдаются гораздо чаще, чем железные (10: 1).
Железо-каменные метеорные тела составляют около
Попадая в земную атмосферу с большими скоростями, метеорные тела нагрева-
ются от трения о воздух, раскаляются, дробятся, распыляются и сгорают на высотах
порядка 70—30 км, образуя яркий видимый световой след, так называемые «падающие
звезды». Лишь в редких случаях при сравнительно малых скоростях и больших массах
метеорные тела долетают до земной поверхности в виде метеоритов и их осколков.
Частицы микрометеоритов размером до 30 мкм и метеорная пыль проходят через
атмосферу и достигают поверхности Земли.
До |Сих пор еще -не были зарегистрированы случаи серьезного пов-
реждения ИСЗ и КЛА в результате столкновения их с метеорными те-
лами. Однако очевидно, что для космических кораблей и скафандров
при продолжительных полетах .в межпланетном пространстве метеорные
тела и частицы могут представлять реальную опасность.
В .общем случае эта опасность может проявляться:
а) в непосредственном повреждении обшивки КЛА и жизненно важ-
ных частей скафандра;
б) в эрозии оптических устройств (помутнении стекол), элементов
солнечных -батарей, а также тканевых оболочек скафандров (повышении
газопроницаемости);
в) во вредном воздействии метеорных тел, проникающих через за-
щитные слои, на организм человека.
В связи с этим представляет интерес вопрос о размерах и распре-
делении метеорных тел в межпланетном пространстве.
Различают отдельные спорадические метеорные тела, которые при-
мерно равномерно распределены в межпланетном пространстве, и скоп-
ления этих тел — метеорные потоки.
Многочисленными наблюдениями и теоретическими исследования-
ми установлено, что чем больше масса метеорных тел, тем реже они
встречаются в межпланетном пространстве.
На рис. 1.5 представлен график распределения среднего количества
спорадических метеорных тел по их массам в околоземном пространстве,
построенный по результатам полетов искусственных спутников Земли,
космических ракет и (межпланетных станций.
Воздействие метеорных частиц весом менее 1 • 10~7 тс сводится в ос-
новном к эрозии, пробивное же действие присуще частицам весом по-
рядка 1 • 10-6—1 • 10-4 гс и более [3].
В табл. 1.4 приведены данные о вероятностном среднем количестве
ударов по площади в 1 м2 спорадических метеорных частиц в межпла-
нетном пространстве, вычисленные на основании графика на рис. 1.5 [4].
Для оценки распределения метеорного вещества в околоземном
пространстве можно пользоваться уравнением**
W=am₽, (1.3)
где N—суммарное количество метеорного вещества массой m и более,
пересекающего единицу площади за единицу времени; аир — констан-
ты, определяемые опытным путем.
* Средняя скорость метеорных тел относительно Земли на земной орбите являет-
ся алгебраической суммой их скорости относительно Солнца и скорости Земли относи-
тельно Солнца (~30 км/с).
** «А1АА Paper», 1969, No. 366.
23
Таблица 1. 4
Вероятностное среднее количество ударов спорадических метеорных частиц по
площадке в 1 м2 за 1 с в межпланетном пространстве [4]
Вес частицы в гс см о г—< о г—• о о г—< 1—01 г-01 10-3 т s—01 10-6 10-7 00 1 О 6-01
Ncp В м2-С””1 10-17 10-16 3-10-15 £1-01 10-12 5-10-1 8-10-ю 3-10-8 5-10-7 S-0I т О г—< 4-10-2
Рис. 1.5. Примерное распределение
среднего количества спорадических
метеорных тел в окрестностях Земли:
7—«Эксплорер-8» ; 2—«Авангард-3» ; 3—
«Эксплорер-1» ; 4~ракеты США; 5—третий
спутник СССР; 6~(первая космическая ра-
кета СССР; 7—вторая космическая ракета
СССР; 8—автоматическая межпланетная
станция СССР; 9—«Пионер-1»; /6—
«Электрон.-2» СССР; (Af—среднее количе-
ство столкновений с площадкой в
1 м2 • с—1; гс—вес частицы)
Для 'единичных (спорадических) метеорных тел а —4,7X10~15 ча-
стиц/м2-с; р=—1,34.
В 1соответств1ии с принятой моделью средняя скорость и удельный
вес метеорных тел соответственно равны 30 км/с и 0,5 гс/см3.
Метеорные потоки, образующиеся вследствие постепенного разруше-
ния комет и других мелких небесных тел, движутся по орбитам этих тел.
При пересечении этих орбит Землей в
ее движении вокруг Солнца возникает
массовое падение метеоров («метеор-
ные дожди»).
Данные о наблюдаемых с Земли
основных метеорных потоках приведе-
ны в табл. 1. 5.
Из этой таблицы следует, что:
— метеорные потоки могут на-
блюдаться (каждый) в течение от 1 до
40 и более суток, причем появление
некоторых из них совпадает по
времени;
— метеорные потоки распределены
по временам года неравномерно (наи-
большее их количество приходится на
август и декабрь, наименьшее — на
февраль, март и май);
— максимальное количество воз-
можных встреч с метеорными телами в
метеорных потоках может в несколько
раз превышать возможное количество
встреч со спорадическими метеорными
телами.
Следовательно, при определении
вероятности повреждения КЛА метеор-
ными телами недостаточно основывать-
ся только на данных о спорадических
метеорных телах, но и следует учиты-
вать возможность ее увеличения от дей-
ствия метеорных потоков.
В межпланетном пространстве за
пределами земной орбиты несомненно имеется еще много неизвестных
пока метеорных потоков, с одним из которых встретилась советская меж-
планетная станция «Марс-1» на расстоянии 20—40 млн. км от Земли
(1963 г.).
Для оценки метеорной опасности на поверхности Луны в настоя-
щее время считается возможным пользоваться теми же данными, что и
для околоземного межпланетного пространства.
При количественной оценке метеорной опасности, кроме данных
о среднем количестве ударов метеорных частиц в единицу времени и на
24
Таблица 1. 5
Данные об основных метеорных потоках, наблюдаемых с Земли [3]
Поток Даты максимума Пределы Координаты Скорость км/с
прямое восхож- дение а склоне- ние В
Кв а др анти ды 3 января 1—4 января 230° +48° 42,7
Виргиниды 13 марта 5—21 марта 183 + 4 30,8
Лириды 21 апреля 20—23 апреля 270 4-33 48,4
т]-Аквариды 4 мая 2—б мая 336 +о 64
Дневные Ариетиды 8 июня 29 мая — 18 июня 44 4-23 39
Дневные ^-Персеиды 9 июня 1 — Гб июня 62 4-23 29
Сагиттариды 11 июня 304 -35
Дневные р-Тауриды 30 июня 24 июня — 6 июля 86 + 19 32
Фенициды 14 июля 32 —48
Южн. д-Аквариды 30 июля 21 июля—• 15 августа 339 — 17 43,0
Сев. д-Аквариды 14 июля — 19 августа 339 —5 42,3
Южн. i-Аквариды 16 июля — 25 августа 338 — 14 35,8
Сев. i-Аквариды 16 июля — 25 августа 331 —5 31,2
а-Каприкорниды 1 августа 17 июля — 21 августа 309 — 10 25,5
Персеиды 12 августа 29 июля — 17 августа 46 4-58 60,4
х-Цигниды 19—22 августа 289 4-56 26,6
Дракониды 10 октября 10 октября 264 4-54 23,1
Ориониды 22 октября 18—26 октября 94 + 16 66,5
Южн. Тауриды 1 ноября 15 сентября — 15 дек. 51 + 14 30,2
Сев. Тауриды 10 ноября 17 октября — 2 декабря 52 +21 31,3
Андромедиды 7 ноября 7 ноября 22 +27 21,3
Леониды 17 ноября 14—20 ноября 152 4-22 72,0
Пуппиды/Велаиды 6 декабря 1—9 декабря 140 -50
Геминиды 14 декабря 7—15 декабря ИЗ 4-32 36,5
%-Ориониды 9—14 декабря 87 +21 30,6
Моноцеротиды 13—15 декабря 103 +8 44,0
Урсиды 22 декабря 17—24 декабря 206 4-80 35,2
единицу поверхности, необходимо учитывать заданную продолжитель-
ность пребывания в межпланетном пространстве (и на (поверхности
Луны), вероятность попадания метеорных частиц с определенной массой
в КЛА или скафандр и закон распределения этой вероятности.
Межпланетная среда исследуется систематически лишь в течение
последних нескольких лет, и к настоящему времени еще не собрано до-
статочно данных для суждения о ее физических свойствах.
Однако полученные данные позволяют рассматривать межпланет-
ную среду как некоторую плазму. Считается, что давление межпланет-
ного газа в пределах солнечной системы составляет 1 • 10-13 мм рт. ст.
Предполагается, что в галактическом космическом пространстве
давление среды равно 1 • 10-16 мм рт. ст. [1].
25
ЛИТЕРАТУРА
1. Бранд Д. Ж., Ходж П. А. Астрофизика солнечной системы. М., «Мир»,
1967.
2. Уиппл Ф. Земля, Луна и планеты солнечной системы. М., «Наука», 1967.
3. Околоземное космическое пространство. Справочные данные. Под ред.
Ф. С. Джонсона. М. «Мир», 1966'.
4. Исследование космического пространства.— «Труды Всесоюзной конференции».
М., «Наука», 1965.
5. Ант-и п-ов В. В., Н и к и тин М. Д., Саксонов П. П. На трассе Земля —
Луна.— «Природа», 196-5, № 4.
•6. Мартов Б. А. Газовый состав атмосферы и методы его анализа. М., Изд-во
АН СССР, 1961.
7. Г у р ш т е й н А. А. Поверхностный слой Луны.— «Природа», 1967, № 6.
8. Козлов В. Ф., Трошкин Ю. С. Справочник по радиационной безопасно-
сти, М., Атом изд ат, 1967.
9. Г р и г о р ь е в Ю. Г., Ковалев Е. Е., Л е.б’е д и- нс к и й А. В. Критерии
радиационной безопасности длительных космических полетов.— «Проблемы космиче-
ской биологии», М., «Наука», 1967, т. VI.
10. Вихров А. Н., Дудкин В. Е., Ковалев Е. Е., С м и р е н н ы й Л. Н.
Оценка радиационной обстановки на поверхности Луны.—-«Вопросы дозиметрии и за-
щиты от излучений». М., Атомиздат, 1967, вып. 6.
11. Крошкин М. Г. Физико-технические основы космических исследований. М.,
«Машиностроение», 1969.
ГЛАВА 2
Физические факторы,
сопровождающие полет,
и их действие на организм человека
В полете человек /подвергается действию различных факторов, обус-
ловленных как .свойствами окружающей человека среды, так и возни-
кающими в полете механическими воздействиями. К ним относятся, на-
пример, температура, влажность и состав газов в окружающей челове-
ка среде, механические перегрузки, вибрации, проникающая радиация
и др.
Рассмотрим эти факторы и их действие на человека.
1. ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОЦЕСС ДЫХАНИЯ
К органам дыхания человека,
ся процессы /газообмена (главным
газа) между его организмом и
вдыхаемым воздухом, относятся
дыхательные пути (нос и носо-
глотка, гортань, трахея и бронхи)
и легкие (рис. 2. 1).
В/нутри легких бронхи, многократ-
но разветвляясь до мельчайших веточек,
заканчиваются легочными пузырьками
диаметром около 0,2 мм — альвеолами,
густо оплетенными капиллярными крове-
носными сосудами. В альвеолах и проис-
ходит диффузионный газообмен, при ко-
тором кислород ид альвеолярного возду-
ха, заполняющего альвеолы, переходит в
кровь для питания тканей организма че-
ловека, а углекислый газ, выделяемый
организмом,—в альвеолярный воздух.
Общая поверхность альвеол легких до-
стигает 90—420 м2. Частота дыхания че-
ловека непостоянна и зависит от состоя-
ния организма и его деятельности. Т^к, в
состоянии покоя частота дыхания челове-
ка составляет 12—45 дыханий (вдох —
выдох) в минуту, при физической рабо-
те— до 20—25 дыханий в минуту.
В состоянии покоя с каждым вдохом
и выдохом в легкие поступает и из них
выходит около О1,5 л /воздуха. Это коли-
чество воздуха называется дыхательным
воздухом, или объемом вдоха — выдоха.
При выполнении работы объем вдоха —
выдоха может возрастать до 1,5—1,8 л.
Вслед за спокойным вдохом и вы-
дохом человек при повышении напряже-
ния дыхательных мышц может ввести или
вывести из легких дополнительно в сред-
посредством которых ооуществляют-
образом кислорода и углекислого
артериальнаякро1ь(р^100мм^^р^0мм\и^
m венозная кровь (р=60мм^,ст.,рсо=50мм^г^
Рис. 2.1. Схема кровообращения и газооб-
мена в организме человека
27
нем еще 1,5 л воздуха. Это дополнительное количество воздуха называется дополни-
тельным воздухом при вдохе ih резервным воздухом -при выдохе. Максимальное коли-
чество воздуха, которое человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха, назы-
вается жизненной емкостью легких. Величина жизненной емкости легких колеблется в
пределах 2—6 л. После самого глубокого! выдоха в легких все еще остается около 1,5 л
воздуха — это- остаточный воздух. Следовательно, наибольшее количество воздуха, ко-
торое может находиться в легких, равно сумме количеств жизненной емкости и остаточ-
но roi воздуха.
Для характеристики дыхания пользуются понятием легочная венти-
ляция — общее количество проходящего через легкие воздуха при вдо-
хе — выдохе, отнесенное к единице времени.
Следовательно, легочная вентиляция
Сл = пК (2.1)
где п — частота дыхания в 1 мин; V — объем вдоха—выдоха в л.
Легочная вентиляция в состоянии покоя человека составляет около
6 л/мин, а при физической нагрузке в зависимости от ее напряженности
может увеличиваться до 60 и более л/мин. В условиях высотного полета
в зависимости от эмоционального состояния человека и других причин
легочная вентиляция также может увеличиваться.
Как уже (было отмечено, при дыхании газообмен в легких .происхо-
дит не непосредственно с атмосферным вдыхаемым воздухом, а с аль-
веолярным, который по своему составу значительно отличается от ат-
мосферного (та(бл. 2.1).
Таблица 2. 1
Средние данные о составе, давлении и объемном содержании различных газов в
воздухе, используемом для дыхания человека (при атмосферном давлении
760 мм рт. ст.) [2]
Название воздуха о2| со2 N2 Водяные пары
Давление Объем Давление мм рт. ст. Объем % Давление мм рт. ст. Объем % Давление'.Объем
мм рт. ст. 1 % мм рт. ст. 1 %
Атмосферный 159 20,95 0,20 0,03 594,8 78,22 6* 0,8
Выдыхаемый 119 15,70 27 3,80 584 77,1 30 3,9
Альвеолярный 100 14,00 40 5,60 573 74,2 47 6,2
* Соответствует влажности 40% при 18° 1 С.
Установлено, что объемный состав компонентов в атмосферном воз-
духе до высот 80—100 км остается примерно одинаковым. Из всех ком-
понентов для дыхания важен кислород, но не объемное содержание его
в воздухе, а его парциальное давление.
С увеличением высоты парциальное давление кислорода в атмосфер-
ном воздухе р02 уменьшается по закону Дальтона:
__ £o2Ai
Ро* ЙЙГ
(2.2)
где рОг — парциальное давление кислорода в мм рт. -ст.;
£о2 —объемное содержание кислорода в воздухе, £02 =21 % = const;
рн — атмосферное давление на рассматриваемой высоте вммрт.ст.
В состоянии покоя при каждом вдохе только около 2/5 объема вдыхаемого воз-
духа попадает в альвеолы ,и участвует в газообмене. Остальная его часть остается в ды-
хательных путях и не участвует в газообмене. Пространство, заполненное воздухом, не
участвующим в газообмене, носит название вредного (мертвого) пространства. Объем,
этого пространства в среднем составляет 0,14—0,15 л. В результате из вдыхаемого воз-
духа (0,5 л) в состоянии покоя только 0,36 л достигает альвеол.
28
Состав выдыхаемого воздуха также отличается от альвеолярного. Это объясня-
ется тем, что вначале выдыхается (в состоянии шокоя) около 0,14 л воздуха из вред-
ного пространства, содержание кислорода в котором .почти не отличается от атмос-
ферного, а затем — 0,36 л собственно альвеолярного воздуха. Поэтому в выдыхаемом
воздухе кислорода больше, чем в альвеолярном.
Значения р02 в атмосферном и альвеолярном воздухе на .различных
высотах приведены в табл. 2.2.
Таблица 2. 2
Парциальное давление кислорода в атмосферном и альвеолярном воздухе на раз-
личных высотах (go2 =2Р/о)
Высота м Атмос- ферное давление мм рт. ст. Парциальное давле- ние Ро2 в мм рт. ст. Высота м Атмос- ферное давление мм рт. ст. Парциальное давле- ние ро2 в мм рт. ст.
вдыхаемого (атмосфер- ного) возду- ха* альвео- лярного возду- ха** вдыхаемого (атмосфер- ного) возду- ха* альвео- лярного возду- ха**
0 760 159 105—110 5000 405 85 43—49
1000 674 141 87—92 6000 354 74 35—41
2000 596 125 75-79 7000 308 64 32—35
3000 526 по 60—67 8000 * 267 56 23—28
4000 462 98 50-59
* Вычислено по формуле (2.2).
** Определено экспериментально с учетом гипервентиляции.
Из данных этой таблицы следует, что парциальное давление кис-
лорода с подъемом на высоту как в атмосферном, так и в альвеолярном
воздухе снижается (различным образом. Снижение парциального давле-
ния кислорода о высотой в альвеолярном воздухе не следует формуле
(2.2) и зависит от содержания в нем углекислого газа и водяных паров.
В частности, при температуре тела человека 37° С в альвеолярном
воздухе парциальное напряжение водяных паров составляет 47 мм
рт. от., а парциальное давление углекислого газа в среднем принима-
ется равным 40 мм рт. ст.
С учетом этих данных уравнение, по которому определяется пар-
циальное давление кислорода в альвеолярном воздухе, имеет следующий
вид:
рОгальв=(В-^)^--рСОг, (2.3)
2 1UU 2
где В — барометрическое давление.
Влияние на человека уменьшения р02 во вдыхаемом воздухе с уве-
личением высоты характеризуется следующими данными. До высоты
2 км (р02 =126 мм рт. ст.) каких-либо заметных изменений в самочувст-
вии человека не наблюдается, хотя объективно и возникают некоторые
нарушения (понижается острота зрения). Эту зону условно называют
индифферентной или зоной полной компенсации [1].
На высотах от 2 до 3 км насыщение крови кислородом снижается
в такой степени, что вызывает усиление деятельности сердца и легких.
Это организм здорового человека переносит легко и поэтому зона высот
до 3 км (р02 =110 мм рт. ст.) может быть названа зоной достаточной
компенсации. Однако следует заметить, что продолжительное пребыва-
29
ние на таких высотах (больше 4—5 ч) сопровождается заметным сни-
ж ен н ем р а б ото спо со б н ости.
На высотах более 3 км насыщение крови кислородом .продолжает
падать, так как организм человека самостоятельно не может компенси-
ровать нарастающее -снижение парциального давления (кислорода. С вы-
соты 4 км (ро2 =98 мм рт. ст.) вследствие уменьшения разности между
парциальным давлением кислорода в .альвеолярном воздухе и в крови
диффузия кислорода из легких в кровь замедляется в такой степени, что
наступает кислородное голодание — гипоксия.
Недостаток кислорода в крови организм человека рефлекторно ком-
пенсирует учащением дыхания и увеличением его глубины. Но вместе
Рис. 2.2. Зависимость процентного содержания кис-
лорода во вдыхаемом воздухе от высоты полета:
/—для обеспечения р02 во вдыхаемом воздухе не менее
160 мм рт. ст.; 2—для обеспечения р д2 в альвеолярном
воздухе не менее НО мм рт. ст.; 3—предельное содержание
кислорода из условий обеспечения р q2 не более
42С мм рт. ст.
с тем дыхание становится неравномерным и прерывистым, глубокие
вдохи чередуются с поверхностными, ощутимо понижается способность
человека к умственной и физической работе, ухудшается координация
движений и т. д.
Считается, что у нетренированного здорового человека, не имеюще-
го каких-либо специальных защитных устройств против кислородного
голодания, на высотах 6—7 км наступает практически полная утрата
работоспособности и нередко потеря сознания, а на высоте около 8 км
возникают смертельно опасные явления.
Как показывает опыт, высокие индивидуальные физические и воле-
вые данные человека, длительные высотные тренировки в барокамерах
или продолжительное пребывание в высокогорных условиях позволяют
повысить указанные предельные высоты.
Нормальная жизнедеятельность человека с подъемом на высоту
может быть обеспечена:
— повышением давления подаваемого в кабину воздуха;
— искусственным повышением с увеличением высоты процентного
содержания кислорода *(£02) во вдыхаемом воздухе (рис. 2.2);
— увеличением давления подаваемого для дыхания кислорода.
Первый способ применяется в герметических кабинах высот-
ных самолетов путем их наддува, т. е. подачей в них атмосферного
воздуха, сжимаемого в компрессорах двигателей.
Второй способ применяется в обычных кислородных приборах пу-
тем добавления кислорода к вдыхаемому воздуху таким образом, чтобы
30
парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе составило не
менее ПО мм рт. ст. В этом случае на высоте создаются условия, ана-
логичные условиям на уровне моря, т. е. обеспечивается почти полное
насыщение крови кислородом.
На рис. 2.2 приведена зависимость, показывающая изменение объ-
емного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе от высоты полета.
Расчет произведен по формуле, полученной из уравнения (2.2). Для со-
хранения постоянным парциального давления кислорода и альвеоляр-
ном воздухе ПО мм рт. ст. изменение объемного содержания кислорода
по высоте во вдыхаемом воздухе можно рассчитать по формуле (2.3).
Парциальное дабле нив кислорода дмм рт.ст.
Рис. 2.3. Изменение парциального давления кислорода
во вдыхаемом воздухе с высотой для обеспечения ро2альв =
= 110 мм рт. ст.:
/—парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе; 2—пар-
циальное давление кислорода в альвеолярнсм воздухе; 3—парци-
альное давление кислорода в альвеолярном воздухе, соответству-
ющее давлению на высоте 3 км
На высоте 10 км для дыхания необходим уже чистый кислород.
На высоте 11 км парциальное давление кислорода в альвеолярном воз-
духе будет 82 мм рт. ст. и соответственно 58 мм рт. ст. на высоте 12 км.
Эта высота является границей, выше которой дыхание чистым кислоро-
дом не может защитить организм человека от кислородного голодания.
Третий способ применяется в кислородных приборах с избыточным
давлением вдыхаемого воздуха. Однако повышение давления кис-
лорода необходимо ограничивать определенными пределами по сле-
дующим причинам:
— повышение в течение длительного времени парциального давле-
ния кислорода во вдыхаемом воздухе более 420 мм рт. ст. может вы-
звать токсическое действие, например воспаление и отек легких;
— с повышением давления ухудшается подвижность человека в
скафандре и увеличивается его вес.
Из сказанного выше следует, что для нормальной жизнедеятельно-
сти человека необходимо, чтобы парциальное давление кислорода во
вдыхаемом воздухе составляло около 160 мм рт. ст. Однако при
уменьшении барометрического давления в связи с тем, что парциальное
давление водяных паров и углекислого газа в альвеолярном воздухе
остается неизменным и составляет в сумме примерно 87 мм рт. ст., це-
лесообразно увеличить парциальное давление кислорода во вдыхаемом
воздухе на высоте 10 км до 197 мм рт. ст. (рис. 2. 3).
31
При разгерметизации кабины (скафандра) на высотах более 12 км
или при прекращении подачи кислорода из кислородных приборов на
высотах более 7 км парциальное давление кислорода во вдыхаемом воз-
духе резко уменьшается и в течение так называемого резервного времени
быстро развиваются болезненные явления, обусловленные острым кис-
лородным голоданием. Резервным временем называется время, проте-
кающее с момента внезапной разгерметизации кабины (скафандра) или
прекращения подачи кислорода из прибора до наступления предельного
болезненного состояния, обычно близкого к потере сознания, возникаю-
.щего в результате острого кислородного голодания. Экспериментальные
данные о величине резервного времени приведены в табл. 2.3.
Таблица 2. 3
Изменение с высотой резервного времени для человека
При прекращении подачи кислорода из кислородного прибора и последующем дыхании атмосферным воздухом При разгерметизации кабины (скафан- дра) и последующем дыхании чистым кислородом
высота полета км резервное время высота полета км резервное время
7 4—9 мин 13,5 18 мин
8 2—4 ,
9 1-2 . 14 2 мин 45 с
10 40 с 15 34 с
11 35 . 16 15 ”,
12 25 .
Как уже говорилось, из всего вдыхаемого человеком кислорода
только небольшая его часть (примерно 4%) используется организмом,
т. е. составляет истинное количество потребляемого организмом кисло-
рода (<7к.ист), остальное же его количество выводится из легких вместе
с выдыхаемым воздухом. Поэтому в легкие должно подаваться намного
больше кислорода, чем используется организмом [21].
Таблица 2. 4
Средние экспериментальные данные о легочной вентиляции, истинном количестве
потребления кислорода и тепловыделении (теплопродукции) взрослого человека
(вес 60—70 кге, рост 170—180 см) [2]
Состояние покоя и характеристика выполняемой работы Интенсивность внешней работы кге-м'мин Легочная вентиляция л/мин Истинное потребление кислорода л (н)/мин Теплопродукция ккал/мин
Покой — 5-6 0,25—0,3 1,25-1,5
Очень легкая работа — 6—10 0,3—0,5 1,5-2,5
Легкая работа — 10—16 0,5—0,8 2,5-4,0
Средняя работа 250—450 16—25 0,8—1,2 4,0—6,0
Тяжелая работа 450—800 25—40 1,2—2,0 6,0—10,0
Очень тяжелая работа 800—900 40—50 2,0—2,5 10,0-12,5
Чрезвычайно тяжелая работа 900—1250 50—60 2,5-3,0 12,5—15,0
Изнурительная работа Более 1250 Более 60 Более 3,0 Более 15,0
32
Количество потребляемого кислорода, как и количество выделяемо-
го углекислого газа, обычно измеряется в так называемых нормальных
литрах, л(н), приведенных к нормальным атмосферным условиям (760
мм рт. ст. и 15° С).
Данные об истинном количестве потребляемого человеком кислоро-
да в зависимости от выполняемой им работы приведены в табл. 2.4.
На пилотируемых летательных аппаратах взлет, посадка и другие
действия требуют нередко от летчика напряжения физических и мораль-
ных сил.
Интенсивность работы летчика при выполнении таких заданий мо-
жет оцениваться качественно по общепринятой градации (легкая, сред-
няя и тяжелая работа) и количественно по выделяемому теплу следую-
щим образом:
Степень сложности задачи Средняя теплопродукция в ккал/ч
Легкий (простой) полет Средний » Тяжелый (сложный) » 150 (2,5 ккал/мин) 240 (4,0 » ) 350 (6,0 » )
1 (СО2/О2 = 1). При окислении жиров
Р.ис. 2.4. Изменение допустимой и опасной кон-
центрации (парциального давления) углекисло-
го газа во вдыхаемом воздухе в зависимости
ют времени
Выделение углекислого газа в организме человека зависит также от
состава принимаемой пищи. Для окисления 100 гс углеводов необходимо
75 л кислорода, и выделяется при этом 75 л углекислого газа, т. е. ды-
хательный коэффициент равен ~~
дыхательный коэффициент
равен 0,71, при окислении
белков — 0,8. При техничес-
ких расчетах с достаточной
степенью точности можно
принимать, что дыхательный
коэффициент изменяется or
0,8 до 0,9.
Экспериментом установ-
лено, что при содержании уг-
лекислого газа во вдыхаемом
воздухе (давление 760 мм
рт. ст.) до 3% возникает
ощущение недостатка возду-
ха, при содержании его бо-
лее 3% наступают объектив-
ные изменения в дыхании и
кровообращении, при содер-
жании его более 5%—от-
равление и потеря сознания
{3]. Следует заметить, что при
давлении вдыхаемого возду-
ха, отличном от нормального
(760 мм рт. ст.), об опаснос-
ти для человека той или иной
концентрации в нем угле-
кислого газа можно судить только по величине его парциального давле-
ния, а не объемного содержания.
Данные о допустимых для человека концентрациях углекислого газа
во вдыхаемом воздухе в зависимости от времени приведены на рис. 2.4.
Повышения содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе можно
3 1341
33
избежать применением (проточной (вентиляции скафандра или поглоще-
нием углекислого газа в специальных устройствах.
Помимо углекислого газа, в (выдыхаемом воздухе содержится окись
углерода (СО), аммиак (NH3), .ацетон и другие газы. Содержание окиси
углерода в выдыхаемом воздухе здоровых некурящих людей составляет
0,0028—0,016 /мгс/л, аммиака — 0,00001/1 мгс/л.
Установлено, что человек при дыхании выделяет в течение 24 ч
297+156 мгс аммиака, 278+460 мгс окиси углерода некурящий и
417+211 мгс курящий и 504+333 мгс углеводородов*.
2. ДЕКОМПРЕССИОННЫЕ РАССТРОЙСТВА
В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Декомпрессионные расстройства возникают у человека на высотах
более 7 км вследствие расширения при значительном падении давления
внешней среды свободных газов, имеющихся в полузамкнутых полостях
тела (в полости среднего уха, в желудочно-кишечном тракте, легких
и других местах), и перехода их из растворенного состояния в газооб-
разное. Такие расстройства обычно проявляются в виде высотных болей
в суставах, высотного метеоризма и высотной эмфиземы.
Высотные боли (возникают через 15—20 мин (редко в первые мину-
ты) после достижения высоты более 7 км и ощущаются преимуществен-
но в крупных суставах конечностей, чаще в коленном и плечевом. Боле-
вые ощущения весьма различны: от едва ощутимых до сильнейших (не-
терпимых) болей, которые могут даже вынудить летчика прекратить
полет. Однако эти боли проявляются не всегда и не у всех. Даже у од-
ного и того же человека они возникают не в каждом полете [4].
'Возникновение болей объясняется переходом при значительном понижении дав-
ления внешней среды азота и частично углекислого газа в тканях организма из раст-
воренного в газообразное состояние. Образующиеся при этом пузырьки газа давят на
нервные окончания или закупоривают мелкие кровеносные сосуды.
Для предупреждения возникновения высотных болей необходима десатурация
организма от азота, т. е. вывод азота путем вдыхания перед полетом чистого кисло-
рода. Время десатурации зависит от предстоящей физической нагрузки человека. При
вдыхании чистого кислорода парциальное давление азота в альвеолярном воздухе бы-
стро уменьшается, а находящийся в легких и переходящий в них из тканей организма
азот выводится с выдыхаемым воздухом. Таким образом, при десатурации вследст-
вие циркуляции крови (ткани — легкие — ткани) организм человека постепенно осво-
бождается от растворенного в крови и тканях азота и опасность возникновения высот-
ных болей уменьшается [5].
В'Озн1ИКповеН|И'е высотного метеоризма объясняется тем, что газы,
находящиеся в желудке и кишечнике человека, при увеличении высоты
расширяются и увеличиваются в объеме (на высоте 12 км примерно в
5 раз). В результате происходит растяжение кишечника и сдавливание
брюшной диафрагмы, уменьшается жизненная емкость легких и изме-
няется положение сердца. При экспериментальных подъемах человека
на высоты 10—12 км в барокамерах наблюдались отдельные случаи вы-
сотного метеоризма, проявлявшегося как в виде легких болей в области
живота, так и в виде общего тяжелого состояния организма, заканчи-
вавшегося обмороком.
Высотная эмфизема проявляется в виде местных подкожных взду-
тий тканей, возникающих в результате увеличения объема газов
в ткани. Известно, что всякая жидкость закипает, когда упругость ее па-
ров превышает внешнее давление, поэтому можно было бы ожидать, что
подобное явление будет происходить и с кровью и тканевыми жидкостя-
ми при температуре тела 37° С, если атмосферное давление снизится до
47 мм рт. ст. (что приблизительно соответствует высоте 19км). В дейст-
вительности кипение жидкостей в тканях не наблюдается из-за того, что
* Проблемы космической биологии. Т. XI. М., «Наука», 1969.
34
для образования пара нет необходимого пространства. Вместе с тем
объем газов и самих тканей увеличивается. Например, на высоте
20 км отдельные подкожные вздутия появляются через 2—3 с, через
10—15 мин пальцы рук без перчаток увеличатся в объеме настолько,
что кисть руки становится неработоспособной. После спуска на высоты
ниже 17 км подкожные вздутия сами по себе исчезают.
3. ПЕРЕПАДЫ ДАВЛЕНИЙ ПРИ РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ КАБИНЫ
(ВЗРЫВНАЯ ДЕКОМПРЕССИЯ)
При нарушении в полете герметичности кабины летательного аппа-
рата (скафандра) давление в ней понижается со скоростью, определяе-
мой величиной перепада давлений, объемом кабины (скафандра) и пло-
щадью отверстия, через которое происходит утечка воздуха ,(газа),
и уравнивается с внешним давлением. Часто этот процесс протекает так
быстро (секунды и доли секунды), что имеет характер своеобразного
взрыва, отсюда он и называется взрывной декомпрессией. Эффект воз-
действия на человека взрывной декомпресии зависит:
— от начальной величины и скорости понижения давления в каби-
не (скафандре);
— от сопротивления дыхательных путей человека и сообщающих-
ся с ними коммуникаций, например кислородной маски;
— от общего состояния организма человека.
В общем, чем меньше скорость понижения наружного давления при
декомпрессии, тем легче она переносится.
Внезапное и быстрое падение давления в кабине вызывает столь
же внезапное и быстрое расширение и выход воздуха из легких, как при
сильном кашле. При взрывной декомпрессии могут возникать высотные
боли, резкое падение давления крови, нарушения сердечной деятельно-
сти и местные кровоизлияния в стенках кишечника, желудка и легких.
По результатам исследований уменьшение давления на 385 мм
рт. ст. за 0,4 с человек переносит обычно без каких-либо вредных для
себя последствий. Если человек пользуется кислородной маской, кото-
рая препятствует быстрому выдоху, то неблагоприятное действие
взрывной декомпрессии может усилиться [4].
4. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ И ТЕПЛООТДАЧИ
В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Человеческий организм в результате непрерывно происходящих
в нем окислительных процессов выделяет тепло, количество которого
определяется истинным потреблением кислорода и в основном зависит
от выполняемой человеком физической работы и факторов окружающей
среды (температуры воздуха и влажности) (см. табл. 2.4). Уста-
новлено, что при потреблении 1 л (н) кислорода человек выделяет
около 5 ккал тепла. Значимость величины тепловыделения становится
понятной из следующего упрощенного расчета.
При весе человека 70 кге и теплоемкости его тела, равной теплоем-
кости воды, количество тепла, выделяемого человеком в состоянии покоя
(примерно 70 ккал/ч), при полной термоизоляции повысит температуру
тела за 2 ч с 37 до 39° С. Такое повышение температуры тела для боль-
шинства людей сопряжено с утратой работоспособности. Очевидно,
что при выполнении физической работы температура тела будет повы-
шаться еще быстрее.
Из сказанного следует, что для сохранения работоспособности не-
обходимо непрерывно искусственно отводить тепло, выделяемое челове-
ком в окружающую его среду, если последняя естественным путем не
охлаждает тело человека до нормальной температуры. В этом случае
3*
35
человеку будет необходимо охлаждение, которое осуществляется рас-
сматриваемыми ниже способами.
При техническом решении задачи теплозащиты человека следует
учитывать, что для нормального функционирования его организма тем-
пература внутренних органов тела должна поддерживаться с достаточ-
ной точностью на определенном постоянном уровне (37° С). Очевидно,
что при применении скафандра для этого потребуется система терморе-
гулирования, взаимодействующая с весьма сложной естественной си-
стемой автоматического терморегулирования самого человеческого ор-
ганизма.
Процессы терморегулирования в организме человека
Экспериментально доказано, что предельная температура тела че-
ловека, при .которой еще сохраняется жизнь (но не работоспособность),
должна быть не выше 42—43 и не ниже 27° С. При особых условиях
возможно временное огбщее охлаждение организма до температуры 22—
24" С.
Постоянство температуры сохраняется только в тканях, глубоко рас-
положенных под кожными .покровами тела человека. Температура по-
верхностного слоя тела человека (толщиной до 2,5 см) изменяется в до-
вольно значительных пределах. Так, в нормальных условиях средняя
темпер-атура кожи под одеждой 30—34° С, при неблагоприятных метео-
рологических условиях она на отдельных участках тела может пони-
жаться до 20° С, а иногда и ниже.
Большая часть тепла, выделяемого человеком, отводится в окружаю-
щую его среду через поверхность тела и меньшая часть — с выдыхае-
мым воздухом.
В среднем площадь поверхности кожного покрова, зависящая от
роста человека и его веса, составляет 200 дм2. Процесс регулирования
тепловыделения для .поддержания постоянной температуры тела осуще-
ствляется самим организмом человека в основном тремя следующими
способами: /биохимическим, изменением интенсивности кровообращения
и потовыделением.
Биохимическое терморегулирование позволяет резко увеличить теп-
лообразование в организме человека при сохранении неизменной темпе-
ратуры его тела. Оно осуществляется главным образом путем изменения
интенсивности происходящих в организме окислительных процессов. Так,
мышечная дрожь, возникающая при сильном охлаждении организма
и сопровождающаяся увеличением потребления кислорода, повышает
выделение в нем тепла до НО—170 ккал/ч [23].
При перегревании организма человека кровеносные сосуды кожи
расширяются и к ней от внутренних органов притекает большее количе-
ство крови и, следовательно, /больше тепла отдается окружающей среде.
При переохлаждении происходит обратное явление: сужение кровенос-
ных сосудов кожи сопровождается уменьшением притока к ней крови и,
следовательно, меньше тепла отдается во внешнюю среду.
При потовыделении поверхность кожи теряет тепло .вследствие ис-
парения влаги. Движение воздуха способствует более быстрому испаре-
нию пота с поверхности кожи, чем и объясняется освежающее действие
ветра. В условиях жары, когда разность температур между телом чело-
века и окружающей его средой уменьшается, наиболее эффективным
•способом отвода тепла от человеческого тела становится выделение
и испарение пота с поверхности кожи.
Зона, в которой окружающая среда полностью отводит тепло, вы-
деляемое организмом человека, называется зоной комфорта. Этим тер-
мином характеризуется такое состояние среды, при котором она не соз-
дает ощущения холода или перегрева.
36
При обычных составе и давлении атмосферного воздуха (у поверхности Земли)
зона комфорта характеризуется определенными соотношениями между значениями тем-
пературы, относительной влажности и скорости воздуха, ;при существенных отклонениях
от которых возникает ощущение дискомфорта, степень которого тем больше, чем
больше эти отклонения. Для кабин ЛА и скафандров определенное значение имеют так-
же давление и состав атмосферы (например кислородно-гелиевая атмосфера, чисто
кислородная и др.).
Очевидно, что для контактного или конвекционного отвода выделяемого организ-
мом человека тепла температура воздуха, соприкасающегося с телом человека, должна
быть несколько ниже температуры поверхности его кожи. Количество отводимого при
этом тепла определяется по известным формулам теплопередачи. Осуществляющие
отвод тепла устройства рассматриваются в соответствующих разделах применительно
к различным типам скафандров.
При .повышении температуры охлаждающего воздуха до темпера-
туры тела человека и выше эффективность .контактного и конвекционно-
го отвода тепла существенно уменьшается и решающее значение приоб-
ретает отвод тепла путем испарения пота.
Тепло, отдаваемое телом человека при испарении пота
всей поверхности тела, у другого наблю-
Рис. 2. 5. Зоны интенсивности потовыделения на
поверхности тела человека [23]:
/—минимальная; 2—слабая; 3—умеренная; 4—сильная
Экспериментально установлено, что интенсивность потовыделения
на поверхности тела человека различна: у одного человека происходит
равномерное потовыделение на
дается слабое потоотделение
на верхних конечностях и бо-
лее сильное на других час-
тях поверхности тела. В об-
щем случае можно пользо-
ваться зонами с различным
потов ы д е л ен и е м, представ-
ленными на рис. 2. 5.
Количество тепла, отда-
ваемого в окружающий воз-
дух с поверхности тела при
иопарении пота, в основном
зависит от температуры,
влажности и скорости дви-
жения окружающего возду-
ха и от паро- и воздухопро-
ницаемости одежды. Данные
о потовыделении в зависи-
мости от температуры возду-
ха и физической нагрузки
приведены в табл. 2. 5.
Так, например, при тем-
пературе воздуха 30° С у че-
ловека, не занятого физичес-
ким трудом, потоотделение
через кожу составляет
120 гс/ч, а при выполнении
им тяжелой работы потоот-
деление увеличивается до
570 гс/ч.
Большое влияние на величину теплоотдачи организма оказывает от-
носительная влажность воздуха. Так, с ее повышением уменьшается ско-
рость испарения пота и уменьшается теплоотдача организма. Особенно
неблагоприятно отражается на человеке высокая относительная влаж-
ность при температуре воздуха выше 30° С, так как при этой температу-
ре почти все выделенное организмом тепло отдается окружающей среде
при испарении пота. В то же время слишком низкая относительная
37
Таблица 2. 5
Количество влаги, выделяемое с поверхности кожи и из легких человека в
гс/мин* (по Н. К. Витте)
Характеристика выполняемой работы Температура воздуха в °C
16 18 28 35 45
Покой (1,5 ккал/мин) 0,6 0,74 1,69 3,25 6,2
Легкая 1,8 2,4 3,0 5,2 8,8
Средней тяжести (4,5— 5,5 ккал/мин) 2,6 3,0 5,0 7,0 п,з
Тяжелая (6,5-- 7,5 ккал/мин) 4,9 6,7 8,9 11,4 18,6
Очень тяжелая (10 ккал/мин) 6,4 10,4 11,0 16,0 21,0
* Гуминер П. И. Изучение терморегуляции в гигиене v Медгиз, 1962. I физиологии труда. М.,
влажность воздуха неблагоприятно действует на слизистые оболочки
глаз, полости рта и дыхательных путей. Поэтому для небольших перио-
дов времени (до нескольких часов) допустима относительная влажность
от 15—20 до 70—80%, а для длительных периодов времени (сутки и бо-
лее) —от 40 до 60%.
Считается допустимым для человека снижение веса его тела на 2—
3% путем испарения пота (обезвоживания организма). Обезвоживание
на 6% «влечет за собой нарушение в умственной деятельности и снижение
остроты зрения, обезвоживание на 15—>20% приводит к смерти*.
Количество тепла, отдаваемого при испарении пота,
Qn.n — >
где g’n — количество выделяемого и испаряющегося пота в гс/ч; г—скры-
тая теплота испарения воды в ккал/кгс.
Количество влаги, выделяемой человеком в виде пота и с выдыхае-
мым воздухом, приведено в табл. 2.6.
Таблица 2. 6
Количество влаги, выделяемой с поверхности кожи и с выдыхаемым воздухом в
состоянии покоя (средние величины) при различной температуре воздуха [19]
Температура воздуха в °C Относительная влажность воздуха в % Общее количество выделенных паров в гс/мин Количество выделяемой влаги в гс/мин
с выдыхаемым воздухом кожей
10 75 0,60 0,18 0,42
18 70 0,74 0,17 0,57
28 55 1,69 0,13 1,56
35 50 3,25 0,11 з,и
45 35 6,2 0,09 6,11
* «А1АА Paper», 1969, No. 617.
38
Относительная влажность воздуха, подаваемого в герметические к/абины само-
летов ,и в скафандры, на больших высотах полета часто оказывается значительно' ниже
оптимальной по следующим причинам.
Предельное влагосодержание воздуха (кгс/кгс) зависит только от его температу-
ры и для атмосферного воздуха уменьшается при увеличении высоты (см. табл. П. 2).
При сжатии подаваемого в кабину самолета атмосферного воздуха в компрессоре дви-
гателя влагосодержание этого воздуха не изменяется, но повышаются его давление и
температура.
Тепло, отдаваемое человеком с выдыхаемым воздухом
Количество тепла, выделяемого человеком с выдыхаемым воздухом,
зависит от его физической нагрузки, влажности и температуры окружаю-
щего (вдыхаемого) воздуха. Чем больше физическая нагрузка и ниже
температура окружающей среды, тем больше будет отдаваться тепла
с выдыхаемым воздухом. Вдыхаемый воздух нагревается в легких и од-
новременно насыщается водяными парами.
В технических расчетах можно принимать (с запасом), что выды-
хаемый воздух имеет температуру 37° С и полностью насыщен влагой.
При этих условиях количество тепла, отдаваемого организмом челове-
ка с выдыхаемым воздухом за счет насыщения -его в легких водяными
парами,
QBb,A=Wx№7-0B>, (2.4)
где W— легочная вентиляция в .м3/ч; увд— удельный вес вдыхаемого
влажного воздуха в кгс/м3; d37— влагосодержание насыщенного водя-
ными парами воздуха при температуре 37° С (йз7=0,039'2 кгс/кгс); ф —
относительная влажность вдыхаемого воздуха в %; йвд—влагосодер-
жание насыщенного парами воды вдыхаемого воздуха при температуре
4д; г — удельная теплота парообразования в ккал/кгс.
Удельный вес влажного воздуха, зависящий от его темпера-
туры, относительной влажности и давления, может быть найден по но-
мограмме, приведенной на рис. 2.6 [7].
Количество тепла, расходуемого на нагревание вдыхаемого воздуха,
(3выд = (4ыд А»д)> (^-5)
где ср — удельная теплоемкость воздуха; ^вд — температура вдыхаемого
воздуха; /ВЫд — температура выдыхаемого воздуха.
С увеличением температуры и влажности окружающего (вдыхаемо-
го) воздуха относительное количество тепла, отводимого через дыхание,
существенно уменьшается.
Действие на человека высоких и низких температур
Исследованиями установлено, что при температуре воздуха более
30° С работоспособность человека начинает снижаться. Переносимость
человеком температур, как и его теплоощущение, в значительной мере
зависит от влажности и скорости движения окружающего воздуха. При-
мерные границы переносимости низких температур для человека в раз-
личной одежде и высоких температур при различных значениях относи-
тельной влажности воздуха приведены на рис. 2.7.
Чем больше относительная влажность, тем меньше испаряется пота
в единицу времени и тем быстрее наступает перегрев тела. Допустимое
количество тепла, накапливаемого телом человека, определяется обычно
по его количеству, .приходящемуся на 1 м2 поверхности тела. Критиче-
ским пределом накопления тепла в организме человека в состоянии по-
коя считается 77 ккал/м2 и 55 ккал/м2 — при легкой работе. При этих
39
Рис. 2.6. Номограмма, для определения удельного ве-
са влажного воздуха при различных температуре,
относительной влажности и барометрическом давле-
нии (7]:
у—удельный вес воздуха в кгс/м3; /—'температура воздуха
в °C; ф—относительная влажность воздуха в %; В—давле-
ние в мм рт. ст.
в °C
Рис. 2.7. Границы переносимости различных
температур окружающей среды:
А—легкая одежда 1 КЛО; Б—спецодежда (курт-
ка, шерстяное белье) — 2 КЛО; В—сбычная по-
летная одежда —3 КЛО; Г—зимняя полетная
одежда —4 КЛО- ф—относительная влажность в
%
Рис. 2.8. Влияние температуры воды
и продолжительности пребывания в
ней на состояние человека:
А—опасно для жизни; Б—едва переноси-
мо (5С'°/о смертельных случаев); Л—пере-
носимо
40
ограничениях человек способен переносить следующие предельно высо-
кие температуры:
71° С в течение 60 мин 93° С в течение 33 мин
82 » » 49 » 104° С » » 26 »
Предельная температура вдыхаемого воздуха, при которой человек
в состоянии дышать >в течение нескольких минут, около 116° С.
Представляет практический интерес влияние на организм человека
температуры воды. Человек (быстро охлаждается в воде вследствие ее
значительной теплоемкости и теплопроводности. На рис. 2.8 приведены
экспериментальные данные о влиянии температуры воды на человека,
погруженного в воду (без специальной одежды) [8].
5. ПЕРЕГРУЗКИ В ПОЛЕТЕ И ИХ ДЕЙСТВИЕ
НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА
На современном уровне развития летных характеристик пилотируе-
мых летательных аппаратов человеческий организм в ряде случаев не в
состоянии переносить возникающие в полете перегрузки без специаль-
ных защитных средств. Поэтому проблема повышения сопротивляемо-
сти организма человека действию больших перегрузок приобрела боль-
шое практическое значение и ей уделяется большое внимание.
Под перегрузкой понимается отношение действующей силы к силе
тяжести тела.
Для определения перегрузки с учетом направления действующих
сил можно воспользоваться формулой
, (2.6)
___ Ю|
где S.F — геометрическая сумма или проекция действующих сил (исклю-
чая силу тяжести) на направление, в котором определяется пе-
регрузка;
G — сила тяжести тела.
Разделив числитель и знаменатель уравнения (2.6) на массу тела,
получим
п=— , (2. 7)
g
где а — ускорение центра тяжести тела, сообщаемое ему внешними
силами; g— ускорение силы тяжести.
Перегрузка как безразмерная величина часто измеряется в «едини-
цах» (например, перегрузка 3 единицы означает, что ускорение от дей-
ствующих сил в три раза больше ускорения силы тяжести).
Перегрузка п=\ означает, что на тело действует только ус-
корение силы тяжести, при этом .перегрузка направлена по вертикали
к центру Земли. Если же перегрузка п = 0, то тело находится в состоянии
невесомости. Это возможно, если ускорение отсутствует, например при
полетах космических кораблей с выключенными двигателями вне полей
притяжения (гравитации) небесных тел.
Перегрузки, действующие по отношению к человеку в направлении
«голова — таз» или «таз — голова», называются продольными, перегруз-
ки, действующие в направлении «грудь—спина» или «спина—грудь»,—
поперечными и перегрузки, действующие в направлении справа налево
или слева направо,— боковыми.
Перегрузки, испытываемые человеком в полете, и присвоенные им
знаки, характеризующие направления их действия, показаны на рис. 2.9.
41
При этом направления действия .перегрузок противоположны направле-
ниям действия сил (ускорений), вызывающих эти перегрузки.
Выносливость организма человека к перегрузке зависит не только
от ее величины и направления относительно его тела, но и от длитель-
ности действия, скорости ее изменения по времени, физиологического
состояния организма и других факторов.
Перегрузки вызывают различные деформации в органах тела чело-
века и нарушают их взаимное расположение.
Рассматривая действие перегрузок на человека, следует различать
биологическую и физиологическую выносливость организма к перегруз-
рос. 2.9. Названия, направления и
знаки перегрузок, действующих на
человека в полете:
кам. Первая из них определяется вели-
чиной перегрузок, при которой сохра-
няется жизнедеятельность, но при этом
возможны нарушения функций ряда
органов и систем человеческого орга-
низма; вторая ограничивается перегруз-
ками, при которых сохраняется работо-
способность человека и, как правило,
отсутствуют патологические нарушения
всего организма [11].
Переносимость перегрузки в значи-
тельной степени зависит от направления
ее действия относительно тела. Одна и
та же по величие и продолжительности
перегрузка при действии в одном направ-
лении может вызвать значительные вред-
ные последствия, а при другом — может
не оказывать сколько-нибудь заметного
воздействия.
При плавном приложении силы и
сравнительно медленном ее нарастании
происходит и плавное возрастание пере-
лпр—продольная перегрузка; %n_
поперечная- перегрузка; ибок—боковая
перегрузка
ствия. Переносимость
грузки по времени до ее конечной вели-
чины, поэтому в этом случае скорость
изменения ее по времени (dnldt) будет
небольшой и перегрузка не окажет суще-
ственного влияния. Ударная перегрузка
характеризуется большой скоростью ее
нарастания и кратковременностью дей-
ударной перегрузки существенно зависит
не только от ее величин, но и от скорости ее нарастания. Чем больше
скорость нарастания перегрузки, тем больше местные напряжения, де-
формации и функциональные сдвиги в организме человека.
Рассмотрим особенности действия на человека различных пере-
грузок.
Продольные перегрузки (яПрод)- При сравнительно продолжитель-
ном действии перегрузки в направлении «голова — таз», например при
выходе самолета из пикирования, кровь перетекает в нижнюю часть ту-
ловища и к ногам и приток ее по венам к сердцу замедляется. При
этом давление крови в сосудах головы и верхней половины тела пони-
жается, а (В сосудах нижних конечностей и брюшной полости повыша-
ется. В результате уменьшается кровоснабжение сердца и особенно го-
ловного мозга, что крайне отрицательно влияет на общее состояние и
работоспособность человека. Особенно чувствителен к недостатку
кровоснабжения орган зрения.
Очевидно, что чем больше будет продолжительность действия этих
перегрузок, тем сильнее будут развиваться и проявляться вызываемые
ими отрицательные явления и тем меньше будут предельно допусти-
42
мые значения этих перегрузок. Например, при продольных перегрузках
(«голова — таз») /гПрод = 2, усилия, необходимые для движения ногами
и руками, становятся уже ощутимыми, при пПрод = 2,5 подняться с си-
денья почти невозможно. Перегрузка в 3—4 единицы вызывает у чело-
века ощущение общего отяжеления тела (особенно рук и ног). Кроме
того, начинают отвисать щеки, становится трудно прямо держать голо-
ву, затрудняется дыхание. Если пПрод = 3,5, то понижается острота зре-
ния, перед глазами как бы появляется «серая пелена». При 4-кратной
перегрузке может произойти полная утрата зрения, а при перегрузке
выше 5 единиц, если она продолжается более 3—6 с, наступает внезап-
ная потеря сознания (обморок). При .прекращении перегрузки зрение
восстанавливается обычно через 2—5 с, но сознание полностью восста-
навливается не ранее чем
через несколько минут.
Однако и после восста-
новления сознания чело-
век еще в течение 15—
30 мин, а иногда и более
находится в состоянии
дезориентации.
Данные о физиологи-
ческой переносимости пе-
регрузок в направлении
«голова—таз» приведены
на рис. 2. 10.
При систематической
тренировке некоторые лет-
чики способны переносить
перегрузку до 6—8 единиц,
действующую в направ-
Рис. 2.10. Физиологическая переносимость челове-
ком действия перегрузок в различных 'направлени-
ях (заштрихованы зоны индивидуальных разли-
чий) [10]
лении «голова—таз», в те-
чение нескольких секунд, а перегрузку 7—8 единиц — до 1 с.
Физиологическая переносимость перегрузки, как уже говорилось,
зависит от скорости ее нарастания. Так, например, для человека допу-
стимы перегрузки пПрод = 4,5-н5 при скорости их нарастания dn^Q^ldt^
~1/с, а при скорости dnldt=Q,§ 1/с допустимы перегрузки нпрод = 54-6.
Действие перегрузок в направлении «голова — таз» может быть
значительно ослаблено противоперегрузочным костюмом (/ППК), защит-
ное действие которого заключается в том, что оказываемое им давление
на тело уменьшает количество крови, перетекающее в нижнюю часть
тела. Применение ППК повышает допустимые перегрузки в направле-
нии «голова — таз» примерно на 2 единицы.
Большое значение имеет способность человека переносить значи-
тельные ударные продольные перегрузки в направлении «голова — таз»,
возникающие при катапультировании в аварийных ситуациях кресла
с летчиком из ЛА или в момент раскрытия парашюта. Эксперименты
показывают, что 20-кратные перегрузки в направлении «голова—таз»,
действующие в течение примерно 0,2 с, переносятся человеком без
заметных расстройств зрения и нервной системы. Это объясняется тем,
что из-за малой продолжительности действия перегрузок в этих случаях
кровь не успевает переместиться в нижнюю часть тела.
В полете возможны перегрузки и в обратном направлении — «таз—
голова», например при резком входе в пикирование, катапультировании
вниз и т. п.
При продолжительном действии .перегрузки в направлении «таз —
голова» происходит перемещение крови из нижних конечностей и брюш-
ной полости в верхнюю часть тела. В результате этого кровяное давле-
43
головой. При сравнительно
Повреждение
\черепа
Направление
полета
Повреждение
позвоночника
а)
Рис. 2.11. Возможные повреждения тела человека
при различных способах фиксирования его туло-
вища на сиденьи:
а—только поясными ремнями; б—поясными и плечевыми
ремнями
Повреждение
шейных
позвонков
*)
ние в сосудах головного мозга резко повышается и тем значительнее,
чем больше величина и продолжительность действия перегрузки.
В горизонтальном установившемся полете тело человека находится
под действием оилы земного притяжения и испытывает постоянно дей-
ствующую продольную положительную перегрузку («голова—таз»)
^^= + 1, являющуюся для него, как и при нахождении на поверхности
Земли, биологической нормой. При возникновении же отрицательной
перегрузки («таз — голова») мПрод =— 1- В этом случае человек ис-
пытывает такие же ощущения, как и при подвешивании его вниз
эм действии перегрузки
Япрод = —2 ощущается рез-
кая пульсирующая боль
в голове, а при пПрод~—4
человек теряет сознание.
При кратковременном
действии отрицательной
перегрузки допустимое
предельное ее значение
повышается. Например,
перегрузку пПроД == —8,
—9 при длительности ее
действия до 1 с человек
переносит без каких-либо
серьезных осложнений.
Примерные данные
о допустимых перегруз-
ках в направлении «таз—
голова» приведены на
рис. 2.10.
Поперечные перегруз-
ки. Опыты на центрифуге
показали, что поперечные
перегрузки до 3 единиц, действующие в течение длительного времени
(15—25 мин) в направлении «грудь—спина», в положении человека сидя
безболезненно им переносятся (см. рис. 2.10). Перегрузка пПОп до 4—5
в положении сидя не только легко переносится человеком в течение
7—10 мин, но и не мешает ему управлять летательным аппаратом.
Большая физиологическая выносливость человека в отношении поперечных пере-
грузок в сравнении с продольными объясняется тем, что при поперечных перегрузках
давление крови в кровеносных сосудах человеческого организма повышается значитель-
но меньше, чем при продольных перегрузках. Вследствие этого и все нарушения в си-
стеме кровообращения под действием перегрузок, обусловленные изменением давления
и перемещениями крови, значительно уменьшаются. Для защиты человека в положении
сидя от действия больших поперечных перегрузок в направлении «спина—грудь» боль-
шое значение имеет система привязных ремней, фиксирующих положение туловища
человека на сиденьи. Опыт показывает, что если фиксировать туловище в сиденьи
только поясными ремнями, то при перегрузке пПоп от —5 до —8 (резкое тор-
можение ЛА) возникает в направлении полета рывок такой силы, что возможны
случаи повреждения позвоночника в крестцово-поясничной области и повреждения
черепа при ударе головой о какое-нибудь твердое препятствие в кабине ЛА (рис. 2.11).
Если же наряду с поясными ремнями применять и плечевые, то в случае резкого
торможения ЛА при отклонении головы вперед от заголовника сиденья возможны пов-
реждения шейных позвонков (см. рис. 2.11).
В положении леж,а на 'спине или животе человек, как показывают
эксперименты, в состоянии перенести перегрузку пПоп = Юн-12, действую-
щую в течение 150—180 с (рис. 2.12). При положении лежа па спине
перегрузки переносятся легче, если тело человека отклонено на угол
10°—15° от горизонтали ,в сторону действия ускорения, а угол наклона
бедер к туловищу равен 80°—120°. В таком положении испытуемые пе-
реносили перегрузку до 16 единиц, действующую в течение 50 с. В этом
44
же положение туловища и ног, но при противоположном показанному на
рис. 2. 12 направлении перегрузки выносливость к (поперечным перегруз-
кам значительно уменьшается и уже при перегрузке пПоп =—8 испы-
туемый чувствовал прилив крови к голове, одышку и боли в области
груди и в ногах.
Уменьшение в этом -случае физиологической выносливости к .пере-
грузкам объясняется приливами крови к голове и ногам, как и при дей-
ствии перегрузок >в направлениях «таз — голова» и «голова — таз».
Большое практическое значение имеет вопрос о физиологической
выносливости к поперечным ударным перегрузкам. Испытаниями уста-
новлено, что для человека допустимы ударные перегрузки в направле-
нии «грудь — спина» до пПоп=46 и в направлении «спина — грудь» до
^поп = —35 в течение 0,37 с.
Боковые перегрузки действуют на человека в направлении «бок —
бок» справа налево или слева направо (см. рис. 2.9). Обычно прини-
мается, что физиологическая переносимость (боковых перегрузок при-
мерно такая же, как и поперечных перегрузок.
Перегрузки при вращении возникают как при равномерном вра-
щении, так и при его ускорении или замедлении. В первом случае они
возникают от действия постоянного центростремительного ускорения, на-
правленного по радиусу к центру, во втором случае — от совместного
действия центростремительного' и 'тангенциального ускорений. Так как
последнее направлено по касательной к окружности вращения (перпен-
дикулярно его радиусу), то величина и направление действия результи-
рующего ускорения в этом случае определяются геометрической суммой
обоих этих ускорений и в общем случае вектор этого ускорения непосто-
янен по величине и направлению. Возникающая при этом перегрузка
определяется,по формуле (2.7) заменой ускорения а центростремитель-
ным или результирующим ускорением. Этот вид перегрузок улавливает-
ся вестибулярным аппаратом человека очень чутко. Приводимые в лите-
45
ратуре данные о величине порога раздражения* вестибулярного .аппа-
рата человека при вращении весьма разноречивы. Многие исследователи
указывают, что вращение с угловой скоростью .1,5 рад/с уже ощущает-
ся человеком. Примечательно, что акробаты выполняют двойное сальто
с угловой скоростью до 30 рад/с (1719 гр а д/с), но время действия воз-
никающей при этом перегрузки очень незначительно.
Действие перегрузок при вращении неоднократно было исследовано
на человеке в пределах, соответствующих его физиологической выносли-
вости к перегрузкам, а на животных — до смертельного исхода. Испы-
тания велись в положении испытуемого лежа на боку. Если ось враще-
ния проходила через сердце, то при скорости вращения 2,6 об/с испы-
туемые через 12 с теряли сознание [12]. Наркотизированные животные
погибали через 2 мин при скорости вращения 3,3 об/с. Человек может
выдержать в течение 1 мин вращение с угловой скоростью 1,5 об/с и в
течение 1/2 мин вращение с угловой скоростью 2 об/с.
Невесомость. В состоянии невесомости у человека исчезает при-
вычное ощущение силы тяжести.
12 апреля 1961 г. первый в мире советский космонавт Ю. А. Гагарин,
совершая полет на корабле «Восток-1», находился в состоянии невесомо-
сти около часа и без особых затруднений в этих условиях принимал
пищу, писал, вел необходимые наблюдения. Все это было весьма важно
для .последующих космических полетов.
Действие невесомости на организм человека проявляется в снятии
механических напряжений (давления), обусловленных действием силы
тяжести. Это приводит к снижению работоспособности космонавтов,
к некоторому ослаблению мускулатуры ног и спины.
Когда человек находится в состоянии невесомости, гидростатиче-
ское давление крови исчезает и космонавты ощущают сильный прилив
крови к голове, а сердце постепенно начинает работать с меньшей на-
грузкой. В невесомости вес крови перестает быть обычным раздражите-
лем для системы регуляции кровообращения, что приводит со временем
к детренированности этих механизмов.
Более 10 суток находились в состоянии невесомости американские
космонавты, совершившие полет на Луну по программе «Аполлон».
Медико-биологические .исследования, проведенные во время и после
полета, космонавтов А. Г. Николаева и В. И. Севастьянова, находив-
шихся в течение 18 суток на космическом корабле «Союз-9», показали,
что состояние невесомости не оказало вредного воздействия на их орга-
низм.
Ответить на вопрос, как будет действовать на человека более дли-
тельное состояние невесомости, пока невозможно. Только опыт, накоп-
ленный в результате длительных космических полетов, позволит обстоя-
тельно изучить эту проблему.
Большое практическое значение имеет задача безопорного движе-
ния человека в состоянии невесомости в космическом пространстве.
Многие считали, что животные и человек, живущие на Земле, в космосе
не смогут самостоятельно вращать свое тело вокруг какой-либо оси.
Результаты ряда исследований, проведенных в космических полетах,
подтвердили возможности человека после некоторой подготовки само-
стоятельно в состоянии невесомости быстро и точно поворачиваться в
любом направлении [16].
* Порогом раздражения в физиологии .и психологии .называют наименьшее значе-
ние силы воздействующего фактора, вызывающей ощущение раздражения соответству-
ющего нервного центра.
46
6. ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ И ШУМОВ
, Вибрации. Защита человека от вибраций уже сейчас является
серьезной проблемой. Эта проблема остается актуальной и по отноше-
нию к самолетам и космическим ЛА ближайшего будущего, скорость
полета и мощность двигателей которых будут непрерывно увеличиваться.
Как при запуске, так и в полете (на активном участке) космические ап-
параты испытывают вибрационные перегрузки, которые по частоте и
амплитуде могут превышать допустимые для человека нормы.
При вибрациях скорость колебаний непрерывно изменяется, следова-
тельно, все время возникают переменные ускорения.
В колебательном движении максимальное ускорение определяется
по формуле
ав = 4л2УЧ
где J — частота колебаний в Гц; b — амплитуда колебаний в мм или см.
Интенсивность вибраций характеризуется вибрационной перегрузкой
вибр g 9810 250 k 7
Под влиянием вибраций в организме человека возникают различные
нарушения, вызванные не только местными действиями вибраций на его
органы и ткани, но и общим влиянием их на нервную систему. Напри-
мер, при воздействии интенсивных вибраций наблюдается учащение или
замедление пульса и в большинстве случаев понижение артериального
кровяного давления.
Наряду с такими объективными результатами воздействия вибраций
многие авторы указывают на возможность появления у человека общего
утомления, раздражительности, головной боли, шума в голове и т. д.
[13, 14].
В условиях полета шум от двигателей и воздушного потока, обте-
кающего ЛА, в значительной степени маскирует действие вибраций на
человека, в связи с чем летчики часто жалуются в основном на утомляю-
щее действие шума. В действительности же это утомление возникает
вследствие одновременного действия и шумов и вибраций.
Опытным путем установлено, что действие вибраций на человече-
ский организм зависит от их частоты, амплитуды и направления их дей-
ствия относительно тела человека. Не следует думать, что чем больше
амплитуда колебаний, тем опаснее должны быть вызываемые ими по-
следствия. Опыт показывает, что в ряде случаев колебания со значитель-
ными амплитудами малой частоты оказывались менее вредными, чем ко-
лебания с малыми амплитудами, но с более высокой частотой.
При совпадении частот колебаний конструкции ЛА и собственных
частот колебаний тела человека и его отдельных частей действие виб-
раций на организм проявляется наиболее сильно. Частоту вибраций,
при которой возникают резонансные явления в теле человека, некото-
рые авторы принимают равной 5—8 и 20—25 Гц [14].
Вибрации, распространяющиеся вдоль тела, ощущаются и действу-
ют слабее, когда человек находится в положении стоя, чем при поло-
жении сидя. Горизонтально направленные вибрации оказывают пример-
но такое же действие, как вибрации вдоль тела.
На рис. 2.13 приведены результаты действия вибраций с различными
частотами и амплитудами на привязанного ремнем к жесткому сиденью
человека в течение ряда рабочих дней [8]. Действие на человека менее
продолжительных вибраций еще недостаточно изучено, однако результа-
ты проведенных до настоящего времени немногочисленных эксперимен-
тов дают основание считать, что оно будет значительно меньшим, чем
при длительных вибрациях.
47
Переносимость вибраций человеком, сидящим в самолетном кресле
в течение нескольких часов, некоторые авторы [15] предлагают оцени-
вать следующим образом.
Область хорошо in е р ел о с и м ы х вибр.аций. Вибрации
этой области не вызывают сколько-нибудь заметных изменений в орга-
низме и неприятных субъективных ощущений. К ним могут быть отне-
сены вибрации с частотой 10—30 Гц и амплитудой до 0,8 мм, а также
с частотой 40—60 Гц и амплитудой до 0,4 мм.
Область переносимых вибраций. При воздействии этих
вибраций возникают незначительные, легко обратимые функциональные
Рис. 2.13. Реакция человека на виб-
рации ([8]
изменения, которые не сопровож-
даются выраженными субъектив-
ными ощущениями, не ведут к за-
метному понижению работоспособ-
ности человека и исчезают после
прекращения действия вибрации.
К этой области относятся вибрации
с частотой 10 Гц и амплитудой до
1,6 мм, а также с частотой 50 Гц
и амплитудой до 0,8 мм.
Шумы. Шум, возникающий во
время полета ЛА, часто достигает
большой интенсивности и в этом
случае вредно действует на орга-
низм человека и снижает его рабо-
тоспособность. Человек в значи-
тельной мере привыкает к шуму,
но продолжительное его действие
может постепенно привести к туго-
ухости, а при действии шума в тече-
ние многих лет человек может со-
вершенно потерять слух. Под влия-
нием шума притупляется острота
зрения.
Действуя на кору головного мозга, шум ускоряет процесс утомления человека,
ослабляет его внимание к окружающей обстановке и замедляет психические реакции.
Степень вредного влияния шума на человека зависит от интенсивности, продолжи-
тельности воздействия и частотного состава (спектра) шума. Чем больше частота зву-
ковых колебаний, тем неприятнее их действие на человека.
Шумы характеризуются частотным составом и звуковым давлением (уровнем си-
лы звука). Шум называется низкочастотным, если в его спектре преобладают звуки
с частотой до 300 Гц, среднечастотным — от 300 до 800 Гц и высокочастотным —
800 Гц и выше.
За единицу звукового давления р принимается дина на квадратный сантиметр
(дин/см-2), что составляет 10 Н/м2.
В качестве единиц измерения интенсивности звука приняты Вт/см2 или эрг/с-см2.
Интенсивность звука в зависимости от звукового давления определяется по фор-
муле
7С
(2.9)
где р — звуковое давление в дин/см2; у — удельный вес среды в гс/см3; с — скорость
звука в см/с.
Ухо человека способно воспринимать только определенный диапа-
зон частот звуков — от 16 до 20 000 Гц, а также определенный диапазон
звуковых давлений (динамический диапазон).
Динамический диапазон восприятия ограничен нижним пределом —
порогом слуховой чувствительности и верхним пределом — порогом бо-
левого ощущения.
48
Порогу слуховой 'чувствительности, принятому за единицу сравне-
ния, соответствуют едва ощутимые звуки, которые при частоте в 1000 Гц
создают звуковое давление ро=2- 10-4 дин/см2.
Порогу /болевого ощущения соответствуют звуки, которые не вос-
принимаются как звуки, а вызывают в органах слуха болевые ощущения
и при частоте 1000 Гц создают давление р = 2-102 дин/см2.
Таким образом, энергия звука на грани болевого ощущения в 106
раз превышает энергию порога слышимости.
Весь этот огромный диапазон значений звукового давления и интенсивности выра-
жают не многозначными числами, а логарифмами отношений этих величин к значени-
ям, соответствующим порогу слышимости при эталонной частоте, равной 1000 Гц. Эти
отношения принято называть уровнями интенсивности (силы) звука.
За единицу измерения силы звука принят бел (Б). Увеличение силы звука в 10 раз
соответствует 1Б, в 100' раз — 2Б и т. д.
Орган слуха человека способен различать увеличение силы звука в 0,1 Б, поэтому
на практике при измерении звуков применяется децибел (дБ).
Уровень силы звука определяется по формуле
Z, = 10 1g ~у-, (2.10)
'о
Уровень интенсивности (силы) звука можно определить и по звуковому давле-
нию, поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления:
I р2 р
L = 10 1g — = 10 lg = 20 lg-^— дБ.
/о pl Ро
Пользование шкалой децибелов очень удобно — весь -огромный диапазон интен-
сивности звука, от едва слышимых до оглушительно громких, укладывается всего
в 140—150 дБ. Это позволяет при оценке различных уровней звука пользоваться неболь-
шими целыми числами (от 8 до 150), так как изменения уровня силы звука меньше
чем на 1 дБ обычно на слух не воспринимаются.
Ухо человека (наиболее чувствительно к частотам от 500 до 4000 Гц.
Именно эта область характерна для звуков человеческой речи. Опытным
путем установлено, что звуки, имеющие один и тот же уровень -силы, но
разные частоты, вызывают у человека ощущения различной громкости
Это вызвало (необходимость ввести новую акустическую величину —
уровень громкости звука с единицей измерения — фоном (количествен-
но фоны 'измеряются также в децибелах).
Зависимость физиологического ощущения громкости звуков (в фо-
нах) от его частоты и уровня силы эталонного звука, полученная по дан-
ным массовых опытов, приведена на рис. 2.14.
Минимальный уровень силы шумов, при котором начинает сказы-
ваться утомляющее действие шума на орган слуха, различен и зависит
от частот составляющих их звуков.
Согласно отечественным официальным нормативам (СН-245—71),
общий уровень шума в дБ в зависимости от частотного диапазона не
должен превышать:
При частоте в Гц
63 125 250 1000
В конструкторских бюро 71 61 54 45
В лабораториях 94 87 82 75
В производственных- помещениях 103 96 91 85
Общий уровень шума в кабинах пассажирских самолетов ограничен
следующими величинами в дБ (нормаль 503АТ 30.VI.62):
4 1341 49
При частоте в Гц
106 425 850 1700 3400 6800
При полете до 2 ч 99 89 79 63 58 49
При полете более 2 ч 94 84 74 63 53 44
Значительные нарушения слуха и центральной нервной системы про-
исходят в результате действия шума с уровнем силы до L10 дБ »в течение
нескольких часов. Однократное воздействие шума с уровнем силы 120 дБ
в течение 3 ч ведет уже к резко выраженным 'изменениям в организме
[3]. Шум свыше 140 дБ в течение нескольких часов вызывает тошноту,
ухудшает зрение и повышает температуру кожи.
Уровни громкости некоторых шумов приведены в табл. 2.7.
Рис. 2.14. Кривые равной громкости звуков в фо-
нах при различных частотах в Гц и уровнях силы
звуков в дБ [8]
Шум в кабинах летательных аппаратов уменьшается ослаблением
шума самого источника, применением звукоизоляции, а также использо-
ванием шлемофонов с противошумовой защитой.
Звукоизолирующие свойства материалов характеризуются их коэф-
фициентом звукопроводности
__звуковая энергия, проникающая через материал
звуковая энергия, падающая на поверхность материала
Степень звукоизоляции данной преграды (в дБ) определяется по
формуле
ЗИ= 101g—.
т
(2.11)
Из формулы (2. 11) следует, что для уменьшения уровня силы внеш-
него шума 110 дБ на 30 дБ потребуется звукоизоляционный материал,
у которого коэффициент т ранен 0,001, т. е. материал, способный ослабить
проникающий через него шум в тысячу раз.
Слоистые преграды (с воздушными зазорами) обладают большим
коэффициентом звукоизоляции, чем сплошные. Это объясняется тем, что
под действием звуковой волны поверхность первого слоя начинает
колебаться, как диафрагма. Эти колебания передаются следующему
50
Таблица 2. 7
Уровни громкости различных шумов [14]
Источник или место шума Частотная характе- ристика шума Уровень громкости
Шепот (тихий) — 10 фонов
Радио (тихая передача) — 40 »
Громкий разговор — 70—75 »
Электродвигатель Низкочастотный 40—60 »
В пассажирской кабине само- лета Ил-18 » 97—100 »
В кабине летчиков самолета Ил-18 » 105—106 »
Автомобильный сигнал » 85—95 »
Звонок телефона » 60
Самолетные реактивные дви- гатели Среднечастотный ПО—140 дБ и более
Аэродинамические (вихревые) шумы Высокочастотный до 175—180 дБ
плотному слою в ослабленной «степени, так как ‘передача происходит не
непосредственно, а через промежуточный слой воздуха.
Средние значения т и D для некоторых материалов приведены в
табл. 2. 8.
Таблица 2. 8
Средние значения степени звукоизоляции D и коэффициента звукопроводности т
для некоторых материалов [14]
Наименование материала, его толщина Вес 1 м2 гс Степень звукоизо- ляции D ДБ Коэффициент звукопро- водности
Ткань шерстяная, 2 мм — 5—6 0,25
Картон плотный, 5 мм 3000 16 0,025
Пробковая плита, 50 мм 30000 20 0,01
Алюминиевый сплав Д116, 0,5 мм 1400 15 0,03
Стекло силикатное, 3—4 мм 12000 28 0,0016
7. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Общим характерным свойством всех ионизирующих излучений яв-
ляется способность образовывать в тканях тела человека, через которые
они проходят, электрически заряженные частицы — ионы.
Ионизация тканей возникает не только в результате непосредствен-
ного действия на человека различных видов внешней ионизирующей ра-
диации, но и вследствие непрерывного излучения радиоактивных изото-
пов, как образующихся в его организме под действием этой радиации,
так и поступающих в него с водой, пищей и, возможно, с воздухом.
4*
51
При сравнительно больших периодах полураспада (продолжительность распада
половины начального количества данного радиоактивного вещества) эти изотопы могут
накапливаться в организме и создавать в нем длительное внутреннее облучение и ион и*
зацию.
Различают две группы радиоактивных изотопов, способных накапливаться в орга-
низме человека:
а) изотопы, локализующиеся преимущественно в костях и нарушающие кроветвор-
ную способность организма;
б) изотопы, равномерно распределяющиеся по всему организму и создающие его
общую ионизацию.
В последнее время большое внимание уделяется изучению действия яд$р легких
элементов, входящих в состав как первичного космического излучения, так и излуче-
ния при солнечных вспышках.
Хотя общее относительное количество таких ядер весьма мало, но по расчетам,
выполненным для первичного космического излучения, вклад их в общую биологиче-
скую дозу может превышать 70%. Возможно, что это будет справедливо и для излуче-
ния при солнечных вспышках, в котором, при его общей высокой интенсивности, коли-
чество ядер легких элементов может быть довольно значительным.
Протонное облучение, практически отсутствующее в наземных условиях, но имею-
щее решающее значение для орбитальных и межпланетных полетов, по сравнению
с рентгеновскими лучами сильнее влияет на кроветворный процесс, более неблагопри-
ятно в онкологическом и генетическом отношениях, но меньше влияет на общее проте-
кание лучевой болезни.
Предельно допустимые дозы. На большом экспериментальном ма-
териале с животными, а также путем изучения опыта работы людей с
рентгеновскими и у-лучами были установлены дозы радиации, при
которых в организме человека не возникают необратимые изменения.
Такие дозы называются предельно допустимыми.
Для лиц, по роду своей работы подвергающихся действию ионизи-
рующих излучений, суммарная доза всех видов излучений не должна
превышать 0,1 бэр/неделю * [17].
Считается, что для человека смертельная доза облучения равна
400—600 рад. Кролик погибает при 800—1000 рад, а простейший одно-
клеточный организм — инфузория — при 350 000—600 000 рад.
Известно, что кратковременный орбитальный полет, проходящий
ниже радиационных поясов Земли и в период «спокойного» Солнца, не
представлял существенной опасности для космонавтов,
Дозиметрические приборы, установленные на борту советских косми-
ческих кораблей «Восток» и «Восход», зарегистрировали, что полученные
космонавтами суммарные дозы ионизирующего облучения были порядка
10—80 мбэр за сутки**. Это в несколько раз меньше тех доз, которые
человек получает во время рентгеновского обследования легких или же-
лудка.
Однако во время полетов, совершаемых по трассе Земля — Луна —
Земля или выше радиационных поясов Земли, экипаж космического ле-
тательного аппарата (КЛА) может получить дозу облучения, существен-
но превышающую указанные выше нормативы профессионального облу-
чения на Земле. В то же время по техническим причинам очень
трудно создать на КЛА общую защиту от проникающей радиации,
которая снижала бы дозу облучения до регламентированного уровня.
В связи с этим некоторыми исследователями предлагается ввести
специальную классификацию уровней облучения, которая может быть
использована при оценке радиационной опасности при космических по-
летах i[l 8]:
— допустимая доза (ДД);
— доза оправданного риска (ДОР);
— критическая доза (КД).
* Суммарная доза всех воздействующих »на человека естественных источников ра-
диации на поверхности Земли составляет примерно 0,4—2 мбэр/сутки.
** 1 мбэр=1 1О~3 бэр.
52
ДД — доза ионизирующего излучения, облучение которой не оказы-
вает на человека заметного воздействия ib течение всей его жизни.
ДОР—доза ионизирующего излучения, облучение которой может
вызвать слабовыраженные клинические проявления лучевого поражения.
КД — доза ионизирующего излучения, облучение которой может при-
вести к 'существенным клиническим проявлениям лучевого поражения,
но без смертельных исходов.
В настоящее время считается ‘возможным, что космонавт за время
полета получит суммарную дозу общего облучения около 25 бэр, тогда
как ДОР составляет примерно 50 бэр, КД при кратковременных полетах
не должна превышать 125 бэр [19].
Лучистая энергия
Мир лучистой энергии, в котором живет человечество, включает лучи
разных физических характеристик и различного физиологического дейст-
вия на человека: инфракрасные (740—0,76мкм), видимые (760—400 нм)
и ультрафиолетовые (400—<5 нм).
Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в ос-
новном тепловое действие. Поглощение энергии этих лучей происходит
в эпидермисе. Часть лучей проникает сквозь кожу и кости черепа (1%).
В области длин волн от 0,8 до 1 mkim кожа человека отражает около
30% падающего излучения и около 4% в интервале длин волн от 4 до
50 мкм. Человек сам излучает инфракрасные волны в пределах от 5 до
25 мкм.
Наиболее частым и тяжелым поражением глаз вследствие действия
инфракрасных лучей является катаракта.
Видимая часть солнечного спектра, занимая промежу-
точное положение между ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами,
обладает специфическим действием на кожу и орган зрения. Почти вся
фиолетовая часть видимого спектра обладает загарным действием, а его
красная часть приближается к действию инфракрасных лучей.
Наибольшие величины освещенности создает Солнце — до lOO'OOO лк на перпен-
дикулярной лучу поверхности. На горизонтальной же поверхности (на широте 60?) ос-
вещенность достигает 72,4 клк.
Поверхность освещается прямым светом Солнца или рассеянным — частицами
воздуха, так называемым диффузионным светом атмосферы. Горизонтальная диффу-
зионная освещенность в момент восхода и захода Солнца составляет в среднем около
1000 лк.
Ультрафиолетовые лучи (УФЛ)—электромагнитные колеба-
ния с длиной волны от 400 до 5 нм, которые подразделяются на ближ-
ние — от 400 до 10 нм и дальние — от 10 до 5 нм.
При действии ультрафиолетовых лучей на человеческий организм
непосредственному влиянию подвергается кожа и глаза.
Наибольшее эритемное действие (покраснение кожи) оказывают
УФЛ длиной около 290 нм. УФЛ поражают роговицу и коньюктиву глаз
(л = 250 нм), вызывая расстройства зрения при 4 мВт-с/см2 (1/8 эритем-
ной дозы [22]).
ЛИТЕРАТУРА
1. Л а в,н и к о в А. А. Авиационная медицина. М., Воениздат, 1963.
2. Краткий справочник по космической биологии и медицине. Под ред. А. И. Бур-
назяна и др. М., «Медицина», 1967.
3. Человек под водой и в космосе. Сб. статей под ред. О. Г. Газенко и А. М. Ге-
нина. М., Воениздат, 1967.
4. Ц ив .ил а .ш в или А. С., Черняков И. Н. Влияние взрывной декомпрес-
сии на организм животных и человека.— «Военно-медицинский журнал», 1961, № 9.
5. Виоллетт Ф. Взрывная декомпрессия и ее действие на организм человека,
М., Воениздат, 1961.
6. К У н о Я. Перспирация у человека. М., ИЛ, 1961.
53
7. On пл Д., ЙоклМ. Методика измерения микроклиматических условий в ги-
гиенической практике. М. Медгиз, 1962.
8. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для ин-
женеров и художников-конструкторов. М. «Мир», 1968.
9. Гаврилов В. А. Прозрачность атмосферы и видимость. М., Гидрометеоиздат,
1958.
10. Уманский С. П. Барьер выносливости летчика. М., «Машиностроение»,
1964.
11. Космическая биология и медицина. Сб. статей под ред. В. И. Яздовского. М.,
«Наука», 1966.
12. Медицинские проблемы безопасности полета. М., Воениздат, 1962.
13. Борщевский И. Я., Лапаев Э. В. О влиянии авиационного шума раз-
личной интенсивности и продолжительности’.— «Военно-медицинский журнал», 1965, №2.
14. Славин И. И. Производственный шум и борьба с ним. М., Профиздат,
1955.
15. Борщевский И. Я. и др. Влияние на организм человека вибраций не-
которых типов самолетов и вертолетов.— «Военно-медицинский журнал», 1958, № 1.
16. Ст е п а н ц о в iB. и др. В безопорном пространстве.— «Авиация и космонав-
тика», 1965, № 7.
17. М о й с е е в А. А., Ив а но в В. И. Краткий справочник по радиационной за-
щите и дозиметрии. М., Атом изд ат, 1964.
18. Григорьев Ю. Г. и др. Проблема обоснования допустимых доз для чле-
нов экипажа космических кораблей.— «Проблемы космической биологии». М., «Наука»,
1967, т. VI.
19. Б а р т о н А., Э д х о л м О. Человек в условиях холода, М., ИЛ, 1957.
20. В и т т е Н. К- Тепловой обмен человека и его гигиеническое значение. Киев,
Медгиз УССР, 1955.
21. Беркович Е. М. Энергетический обмен в норме и патологии. М. «Медици-
на», 1964.
22. Г а л а н и н а Н. Ф. Лучистая энергия и ее гигиеническое значение, М., «Меди-
цина», 1969.
23. Ш е й к и н А. А. Труды III Всесоюзной конференции по авиационной и кос-
мической медицине, М., 1969, II том.
ГЛАВА 3
Системы жизнеобеспечения
для аварийно-спасательных
скафандров
В авиации и космонавтике системами жизнеобеспечения (кондицио-
нирования) для скафандров, как и для кабин самолетов, вертолетов и кос-
мических ЛА, называются комплексы технических устройств, обеспечи-
вающих необходимые условия окружающей среды для нормальной жиз-
недеятельности человека *.
Эти условия определяются, в первую очередь, давлением, температу-
рой, влажностью и составом воздуха в кабинах ЛА и скафандрах, а так-
же рядом других факторов, сочетание которых обеспечивает работоспо-
собность и безопасность экипажей всех типов ЛА.
В нормальных условиях полета физические параметры среды, окру-
жающей человека, создаются и автоматически поддерживаются системой
жизнеобеспечения кабины ЛА. Аварийно-спасательный скафандр ис-
пользуется при нарушении или прекращении работы этой системы и при
вынужденном покидании самолета в воздухе.
Надетый на человека в течение всего полета аварийно-спасательный
скафандр в известной степени определяет самочувствие человека.
Поэтому работоспособность человека во время полета при примене-
нии аварийно-спасательного скафандра определяется взаимодействием
систем жизнеобеспечения кабины ЛА и самого скафандра.
Для уменьшения размеров, веса и потребления энергии системы
жизнеобеспечения для аварийно-спасательных скафандров функциональ-
но и конструктивно соединяются с системами кондиционирования кабин
ЛА, с обеспечением их полной автономности в аварийных условиях. По-
этому устройство и работу систем жизнеобеспечения для аварийно-спа-
сательных скафандров необходимо рассматривать в неразрывной связи
с системами жизнеобеспечения для кабин ЛА.
1. ФИЗИОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
в кабинах летательных аппаратов
Системы жизнеобеспечения герметических кабин летательных аппа-
ратов подразделяются на:
— вентиляционные (атмосферные), наддув и проточная венти-
ляция которых осуществляется атмосферным воздухом, сжимаемым в
компрессорах газотурбинных двигателей;
— регенерационные (автономные) герметические кабины с
замкнутой циркуляцией и регенерацией воздуха, осуществляемыми спе-
циальными устройствами.
* Термин «кондиционирование.» применяется 'Преимущественно в авиации, а «жиз-
необеспечение» — в космонавтике и скафандростроении |(ред.)
55
Физические параметры воздуха в кабинах ЛА устанавливаются в
зависимости от назначения ЛА, высоты и продолжительности его поле-
та. Чем больше продолжительность полета, тем меньше должны быть
отклонения этих параметров от их оптимальных значений.
Давление воздуха в кабинах самолетов с проточной вентиля-
цией сжатым атмосферным воздухом желательно поддерживать близким
к давлению атмосферного воздуха на уро-вне моря, однако это связано,
с одной стороны, с увеличением веса кабин из-за необходимости обеспе-
чения их достаточной прочности, а с другой, — с возникновением при
внезапной разгерметизации кабины опасного для человека перепада
давлений.
На основании физиологических испытаний и практики полетов уста-
новлено:
а) в кабинах пассажирских и транспортных самолетов давление воз-
духа должно быть не менее 600—630 мм рт. ст., что соответствует «высо-
те» в кабине до 1,5—2 км, при этом не возникает необходимости в допол-
нительной подаче кислорода для дыхания;
б) в кабинах военных самолетов давление воздуха обычно не менее
267 мм рт. ст. («высота» в кабине до 8 км) при продолжительности
полета до 4 ч и не менее 308 мм рт. ст. («высота» в кабине до 7 км) при
продолжительности полета более 4 ч.
Скорость изменения давления воздуха в кабинах ЛА
при наборе высоты и при снижении -ограничивается способностью чело-
веческого организма к уравниванию давлений в его полузамкнутых
полостях (главным образом в полости среднего уха) с давлением
в кабине.
Допустимой скоростью повышения давления воздуха в кабине при
снижении считается следующая:
— при полетах с продолжительностью до 2 ч — не более 5—
10 мм рт. ст./с [8];
— при полетах больше 4 ч — до 3—5 мм рт. ст./с.
Обычно понижение давления воздуха (например, при наборе высо-
ты) переносится человеком значительно легче, чем его повышение, в свя-
зи с чем скорость понижения давления может быть примерно вдвое
больше, чем скорость повышения давления.
Давление воздуха в герметических кабинах самолетов изменяется
по высоте в зависимости от типа и назначения самолета соответственно
данным, приведенным на рис. 3. 1.
В герметических кабинах отечественных космических ЛА с замкну-
той регенерационной системой вентиляции поддерживается кислородно-
азотная атмосфера с давлением воздуха порядка 760 мм рт. ст. и парци-
альным давлением кислорода около 160 мм рт. ст. Космонавты ЛА США
дышат чистым кислородом с давлением 308—267 мм рт. -ст. («высота»
в кабине — 7—8 км).
Применение кислородной атмосферы значительно облегчает кабину
(за счет уменьшения в ней расчетного давления примерно в 2,5—3 раза),
но опасно в пожарном отношении.
Температура воздуха в кабинах всех типов ЛА должна быть
в пределах 20*—22° С, допускается кратковременное (на 10—20 мин) по-
нижение ее до 10° С и повышение до 30° С.
В аварийной ситуации возможны значительные колебания темпера-
туры в кабине в зависимости от конструкции ЛА, климатических усло-
вий и скорости полета.
Относительная влажность воздуха в кабинах современ-
ных ЛА регламентируется не очень строго: за ее оптимальное значение
принимается 40—60% и допускается ее изменение от 15 до 70%.
56
Углекислый газ и другие п р и м-е с и. Установлено, что пар-
циальное давление углекислого газа в кабинах ЛА желательно поддер^
живать на уровне не более 2—6 мм рт. ст., предельно допустимой вели-
чиной его обычно считается 12—15 мм рт. ст.
Предельно допустимые концентрации других вредных примесей
указаны в табл. 4.1.
Уро'вень шумов в кабинах ЛА во время полета не должен пре-
вышать данных, приведенных в гл. 2. При кратковременном воз-
р мм рт.ст.
Рис. 3.1. Типичные законы регулирования давления воздуха
в герметических кабинах самолетов:
Я—высота полета; рн —атмосферное давление на высоте Н (по
СА); рк—абсолютное давление в кабине; Арк—избыточное давле-
ние в кабине, Арк=рк—Рн> /—истребители а—б (Ри=Рн), б—в
(pK=const), в—г (ApK=const); 2—бомбардировщики — ограниченная
скорость изменения давления в кабине при наборе высоты; 3— пас-
сажирские и транспортные самолеты а—О (рк=760 мм рт. cT.=const)
действии возможно повышение его до 90—100 дБ. При. использовании
шлемофонов допускается увеличение уровня шумов в кабинах на
10—15 дБ.
Кресла и люки в кабинах ЛА имеют большое значение для
работоспособности и безопасности экипажей ЛА.
В рабочих креслах члены экипажей ЛА находятся практически все
время полета в определенных фиксированных положениях (рабочих по-
зах). Поэтому рабочие позы экипажей ЛА выбираются и устанавливают-
ся из условий максимального удобства пользования всеми органами уп-
равления в кабине, наилучшего обзора и минимальной утомляемости.
На рис. 3. 2 приведена примерная схема катапультируемого кресла
летчика.
При продолжительности полета более 3—4 ч конструкция кресла
самолета позволяет летчику для отдыха увеличивать угол наклона
спинки кресла от 16°—18° до 35°.
Кресло в кабине космического ЛА в отличие от самолетного кресла
должно, в первую очередь, обеспечивать такое положение человека, при
котором он легче всего переносит перегрузки, возникающие при взлете и
посадке корабля (рис. 3. 3).
Размеры люков кабин ЛА должны ^выбираться с учетом обмундиро-
вания и снаряжения экипажа; удобство пользования им про(веряется на
макетах кабин.
57
Рис. 3.2. Возможная схема
ифесла

Рис. 3.3. Кресло .космонавта:
а—общий вид кресла; б—положение космонавта в кресле;
/—фиксирующие ремни; 2—опора для ступней; 3—опора для голени; 4—опора для бедра; 5—опора
для тазобедренной части; б—-чашка сиденья; 7, 8—опоры для руки; .9—боковая балка; 16—спинка;
//—чашка спинки; 12—загсловник
Рис. 3.4. Верхний выход-
ной люк для человека в ска-
‘ фан дре
58
При отсутствии в скафандре избыточного давления человек может
пользоваться общепринятыми в самолетостроении люками.
Размеры люков для аварийного покидания ЛА в загерметизирован-
ном скафандре (при наличии в нем избыточного давления)' приведены
на рис. 3. 4 и 3. 5.
Рис. 3.6. Изменение габа-
ритных размеров тела че-
ловека в зависимости от по-
летного снаряжения:
а-чиирина головы; б—ширина
головы при наличии шлема
скафандра; в—расстояние ст
линии глаз до верха головы;
а—ширина плеч: д—ширина та-
за; е—локтевая ширина
не только вес, но и габариты человека.
В табл. 3. 1 приведены некоторые поправки к размерам человеческо-
го тела, которое -следует учитывать при компоновке оборудования и кре-
сел в кабинах ЛА (рис. 3. 6).
Рис. 3.5. Боковой и нижний люки для человека в ска-
фандре
При компоновке рабочих мест экипажа
необходимо учитывать, что скафандр (как
и всякое другое снаряжение) увеличивает
Таблица 3. 1
Ориентировочные поправки (прибавления) к весу и габаритным размерам челове-
ка в зависимости от типа его снаряжения [3]
Наименование изменения Летняя одежда Зимняя одежда Скафандр
без давления под давлением
Вес в кгс 2,0—3,0 4—6 9—12 9—12
Ширина головы в мм 50—70* 50—70* ЮО—150* 100—150
Расстояние от линии глаз до верха головы в мм — — 25—50* 25—70
Ширина плеч в мм 12 50—75 20—30 50—100
Ширина таза в мм 12 50—75 20—50 50—100
Локтевая ширина в мм * При наличии шлема. 12—20 50—90 50—90 100—200
59
2. СИСТЕМЫ ВЕНТИЛЯЦИИ И КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ
ДЛЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ
СКАФАНДРОВ ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ТИПА
Система жизнеобеспечения для аварийно-спасательного скафандра
обычно включает в себя:
1) систему подачи воздуха из системы кондиционирования для венти-
ляции и наддува скафандра;
2) аварийную систему подачи воздуха в скафандр из баллонов;
3) линию вентиляции скафандра от аэродромного кондиционера;
4) систему кислородного питания.
На некоторых самолетах эта система дополняется линией подачи
сжатого воздуха из системы кондиционирования кабины в натяжные ка-
меры противоперегрузочного костюма.
Подача воздуха из системы кондиционирования
для вентиляции и наддува скафандра
Параметры воздуха (расход и давление), подаваемого из системы
кондиционирования, зависят от конструкции скафандра.
В масочном скафандре количество воздуха должно быть достаточ-
ным для вентиляции туловища, шлема и конечностей с целью удаления
выделяемой организмом влаги.
В безмасочном скафандре количество подаваемого воздуха должно
быть достаточным для удаления из шлема выделяемого человеком пота
и продуктов дыхания.
Теплопродукция (энергозатраты)' летчика (в зависимости от слож-
ности полета) составляют 150—350 ккал/ч, соответственно изменяется
потребление кислорода для дыхания и выделение углекислого газа.
При расчете системы подачи воздуха для вентиляции и наддува ска-
фандра принимают, что летчик выполняет работу средней тяжести, при
этом:
— теплопродукция — 4 ккал/мин (240 ккал/ч);
— выделение влаги с поверхности кожи и легких — 3 гс/мин;
— выделение углекислого газа — 0,65 гс/мин.
К системе подачи воздуха обычно предъявляются следующие требо-
вания:
— количество подаваемого воздуха — до 400 л/ (н) /мин;
— температура воздуха на входе в скафандр — от 10 до 80° С.
Для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека в ска-
фандре необходимо поддерживать под оболочкой скафандра абсолютное
давление не менее 197 мм рт. ст. (см. рис. 2.3).
Однако в тех случаях, когда летчик (или космонавт) до момента
разгерметизации кабины дышал воздухом или смесью воздуха и кисло-
рода, то после разгерметизации кабины в скафандре должно поддер-
живаться абсолютное давление не менее 308 мм рт. ст.
На практике не всегда удается создать оптимальные физиолого-
гигиенические условия для пребывания человека в скафандре. Это мо-
жет быть в тех случаях, когда необходимо максимально снизить избы-
точное давление в скафандре для увеличения подвижности или система
не может обеспечить заданный режим давления.
Ниже приведена примерная классификация различных режимов из-
быточного давления в скафандре в зависимости от времени полета, ко-
торая может рассматриваться как сугубо ориентировочная и, очевидно,
будет уточняться по мере накопления опыта эксплуатации скафандра
в различных условиях.
60
Расчетная «высота» в скафандре не более 7 км (308 мм
рт. ст. или 0,4 кгс/см2) выбирается из условия обеспечения защиты от
высотных болей (см. гл. 2).
Ограниченно рабочая «высота» в скафандре
(1197 мм рт. ст. или 0,27 кгс/см2) выбирается из условия обеспечения на-
земных условий дыхания (ро2 альв = 110 мм рт. ст.).
Рабочая «высота» ib скафандре при полете 11 км
(169 мм рт. ст. или 0,22 кгс/см2) выбирается из условия обеспечения
Ро2альв = 82 ММ рт. СТ.
Максимальная «высота» в скафандре при полете
д о 15 мин 12 км (147 мм рт. ст. или 0,19 кгс/см2) выбирается из усло-
вия обеспечения ро2альв = 60 мм рт. ст.
Определение количества вентилирующего воздуха
для удаления из скафандра водяных паров
Потребный объем воздуха для вентиляции скафандра в зависимос-
ти от заданной относительной влажности в нем определяется по извест-
ной формуле
№вл =-------,
?/100(й-йпод)
(3-1)
где £в.п — количество влаги, выделяемой человеком в виде пота и с вы-
дыхаемым воздухом в гс/ч;
Ф — заданная относительная влажность в %;
d — абсолютное влагосодержание при насыщении воздуха при за-
данной температуре в гс/см3;
^под — абсолютное влагосодержание подаваемого в скафандр воз-
духа (В гс/м3.
Абсолютное влагосодержание воздуха не зависит от давления и яв-
ляется функцией только его температуры.
Пример. Влаговыделение человека £в.п==180 гс/ч; воздух в скафандр подается
сухим (б/Под=0); относительная влажность воздуха в скафандре ср = 5О>°/о.
Предельное влагосодержание воздуха, выходящего из скафандра, при (1Шх = 20° С
(по табл. П.2) d= 17,9 гс/м3. Подставив эти исходные данные в формулу (3.1), по-
лучим:
180
^вл = —---------= 20 мз/ч.
50
Определение количества вентилирующего воздуха
для удаления из шлема выдыхаемой влаги
При выполнении работы средней тяжести согласно данным табл. 2.4
расход кислорода составляет 0,8 л(н)/мин, объем легочной вентиляции
20 л (н)/мин (1,2 м3/ч).
При полном насыщении выдыхаемого воздуха влагой из табл. П. 2.
находим, что предельное 1влагосодержа1ние при 20° С составляет 17,9 г-с/м3
(17 мм рт. ст.). Задавшись <р = 60%, по формуле 3. 1. определим потреб-
ное количество воздуха для вентиляции шлема с целью удаления выды-
хаемой влаги:
J7,9'1-----= 1,98 М7Ч-
ои
——(17,9 — 0)
100 v
61
Определение количества вентилирующего
воздуха для удаления из шлема углекислого газа
Расчет потребной «подачи свежего воздуха в шлем по допустимой
величине парциального давления в нем углекислого газа производится
по формуле
^угл= ~ ~ (ё'угл.чел + ё’угл.под)- (3. 2)
/'угл.доп
где /?уГЛ — газовая постоянная углекислого газа;
Гск — температура воздуха в скафандре в К;
Ругл.доп — допустимое парциальное давление углекислого газа в ска-
фандре;
£угл.чел — количество углекислого газа, выделяемое человеком в гс/мин;
^угл.под — количество углекислого газа, содержащегося в подаваемом
в скафандр воздухе в гс/мин.
Пример. Допустимое парциальное давление углекислого газа в скафандре
ругл. Доп=15 мм рт. ст., температура воздуха в скафандре Тек —293 К; содержание угле-
кислого газа в подаваемом в скафандр воздухе £угл. под=0.
При средней физической натрузке количество1 выделяемого человеком углекислого
газа (при дыхательном коэффициенте 0,8) gyгл. чел ='0,65 л(н)/мин; при его удельном
весе у='1,98 гс/л(н) £угл.чел=0,65 • 1,98= 1,290 гс/мин.
Газовая постоянная углекислого газа /?угл = 19,27 кгсм/кгс-°С= 192,7 дм/0 С.
Допустимое парциальное давление углекислого газа равно: 1 мм рт. ст. = 13,6кгс/м2;
Ругл.доп=15 мм рт. ст. = 15 • 13,6=204 кгс/м2=2040 гс/дм2.
Количество подаваемого в скафандр воздуха, необходимое для удаления из него
углекислого газа, по формуле (3.2)
*угл = ~204093 '1129 = 2106 м3/Ч-
Определение количества воздуха, необходимого
для поддержания в скафандре требуемой температуры
При определении количества воздуха, необходимого для поддержа-
ния в скафандре требуемой температуры, можно принять, что в нормаль-
ных условиях температура в кабине поддерживается на уровне 20—
22° С, в аварийной ситуации — изменяется в пределах от —20 до +60° С.
Количество тепла, которое должно быть подведено к скафандру, при
отрицательной температуре в кабине может быть получено из уравне-
ния теплового баланса Рпод = Фчел+'Фт.п, где Q4en— количество тепла,
производимого организмом человека в ккал/ч; QT.n — количество тепла
(тепловой поток), проникающего через оболочку скафандра наружу.
Для определения (?Под можно воспользоваться уравнением
СпОД~ ^СрУ (/под /вых) Рск/760, (3-3)
где W— количество подаваемого воздуха в м3(н)/ч; ср =
= 0,241 ккал/кгс-°С — теплоемкость воздуха;
у= 1,225 кгс/м3 — удельный вес воздуха при нормальных физических
условиях (760 мм рт. ст., 15° С);
/под И /вых — соответственно температура воздуха при входе в
скафандр и на выходе из него.
Пример. При подаче воздуха 18 м3/ч (300 л(н)/мин), /под=70° С и /Вых=35°С
<2под= 18-0,24-1,225-35= 185 ккал/ч.
Следовательно, термическое сопротивление скафандра должно быть
таким, чтобы тепловой ПОТОК (?т.п=Фпод—Фчел-
62
Количество тепла, которое должно быть отведено от скафандра, при
большой положительной температуре в кабине, по уравнению теплового
баланса должно (быть Рохл = Фчел +'QnpoH, где QnpoH—тепловой поток,
проникающий из кабины внутрь скафандра.
Если предположить, что подаваемый воздух нагрет до температуры
тела человека, то процесс теплоотдачи будет происходить путем испа-
рения пота.
Пример. При подаче воздуха для вентиляции скафандра IF=18 м3/ч, /под=20°С,
абсолютном влагосодержании подаваемого воздуха </=18 гс/м3 (см. табл. /П.2), коли-
чество пота, которое может быть удалено из подскафандрового пространства, gn =
= 18-18=324 гс/ч. Приняв, что скрытая теплота испарения воды (пота) г=580 ккал/кгс,
получим Qoxл =0,324-5801=224 ккал/ч.
Аварийная подача воздуха
Аварийная подача воздуха должна включаться автоматически при
прекращении его подачи для вентиляции скафандра из системы конди-
ционирования (рис. 3. 7).
Рис. 3.7. Система жизнеобеспечения масочного вентиляционного аварийно-спасательно-
го скафандра:
/—•клапан выпуска воздуха из шлема: 2—клапан выпуска воздуха из перчатки; .5-регулятор дав-
ления в скафандре; 4—кислородная маска; 5—бортовой кислородный прибор с периодической пе-
далей кислорода; 5—редуктор кислорода; 7—парашютный кислородный прибор; а—индикатор кис-
лородного потока с манометром; 9—указатель «высоты» в скафандре; 19—указатель расхода вен-
тилирующего воздуха; //—сигнализатор опасной высоты в скафандре; 12—объединенный разъем
коммуникаций скафандра; 13—редуктор аварийной подачи воздуха; 14—автомат включения ава-
рийной подачи; /5—обратный клапан; 16—зарядный штуцер на борту самолета; /7—автомат дав-
ления ППК (противоперегрузочного костюма); /6—фильтр ППК; 19—кран ручного включения ава-
рийной подачи воздуха; 20—кислородный шланг; 21—ввод связи; 22—шланг выдоха; 23—вентили-
рующая система скафандра; 24—уравнительный шланг
Объем подачи должен быть достаточным и обеспечивать под-
держание в скафандре заданного избыточного давления и венти-
ляцию шлема с целью удаления продуктов дыхания (влаги и углекисло-
го газа).
Время работы аварийной подачи воздуха должно быть достаточным
для снижения ЛА на высоту 4 км, на которой можно открыть иллюмина-
тор шлема.
63
Линия аэродромной вентиляции
Линия аэродромной вентиляции скафандра включается при дежурст-
ве летчика в самолете на .аэродроме и предназначается для 'вентиляции
скафандра. Температура подаваемого воздуха должна изменяться от 10
до 80рС в зависимости от температуры окружающей среды (±50°С).
Объем этой подачи от 100 до 400 л (н)/мин.
Система кислородного питания
Система кислородного питания предназначена для .подачи кислорода
(для дыхания) при нарушении газового состава атмосферы кабины, а
также при ’покидании летательного аппарата в аварийных условиях.
Система (кислородного питания скафандра состоит из бортового кис-
лородного прибора, парашютного кислородного прибора, кислородной
маски (в масочном варианте), контрольно-измерительной аппаратуры
и запаса кислорода (газообразного или жидкого).
23
10
Кислород из
КПЖс давле-
нием
р-10 кгс/см2
9 25
Воздух
20 19 из оортодых
оаллонод
77
Воздух из системы
кондициони - 23
роданин
Линия„
наземной
Вентиляции
Воздух
из системы кондиционирования,
пригодный для дыхания
Рис. 3-8. Система жизнеобеспечения, безма,сочного вентиляционного аварийно-спасатель-
ного (скафандра:
Воздух
р=1,2±10кгср:м
/—скафандр; 2—шланг вентилирующего воздуха'; 3—парашютный кислородный прибор; 4—объеди-
ненный разъем коммуникаций скафандра; 5—кислородный шланг (находится внутри ’ шланга 2);
ь'—трубка Вентури указателя подачи кислорода; 7—бортовой кислородный прибор с непрерывной
подачей кислорода; 6—вентиль аварийной подачи кислорода; 9—вентиль псдачи кислорода; 10—
указатель подачи кислорода с манометром; И—указатель «высоты» в скафандре; 12—указатель
температуры воздуха, подаваемого в скафандр; 13—указатель подачи этого воздуха; 14—трубка
Вентури этого указателя; 15—сигнализатор опасной «высоты» в скафандре; 16—сигнальная лампа
этого сигнализатора; 17—автомат давления ППК; 18—фильтр ППК; 19—редуктор аварийной подачи
воздуха; 20—автомат включения аварийной подачи кислорода; 2/—вентиль ручного включения ава-
рийной подачи; 22—'подогреватель воздуха; 23—обратный клапан; 24—вентиль включения подачи
вентилирующего воздуха; 25—вентиль выключения подачи воздуха для дыхания; 26—шланг венти-
лирующего воздуха, внутрь которого вставлен шланг подачи кислорода
На рис. 3.7 показана возможная схема жизнеобеспечения масочного
вентиляционного скафандра. Необходимый для дыхания кислород пода-
ется в маску из кислородного прибора 5. Шлем, туловище и конечности
вентилируются воздухом, поступающим из системы кондиционирования
кабины.
Безмасочная система кислородного питания скафандра представле-
на на рис. 3. 8. Кислородом, подаваемым из кислородного прибора, вен-
тилируется не маска, а весь шлем, отделенный от оболочки скафандра
64
шейной шторкой, через которую и выпускается из шлема в оболочку ска-
фандра выдыхаемый воздух и неиспользованный для дыхания кислород.
Оболочка же скафандра, как и при масочном варианте, вентилируется
воздухом из системы кондиционирования кабины.
Применение кислородной маски дает ряд преимуществ по сравнению
с использованием безмасочной системы кислородного питания, а именно:
а) существенно уменьшает расход кислорода на дыхание;
б) предотвращает внутреннее запотевание шлема, так как выдыха-
емый воздух выводится из маски и шлема через специальный шланг в
оболочку скафандра и не попадает на остекление шлема;
в) обеспечивает возможность продолжения полета при нарушении
герметичности шлема и при «высоте» в кабине до 12 км.
Но кислородная маска стесняет движения головы и при длительном
пользовании раздражает кожу.
Наиболее сложными и ответственными агрегатами системы кисло-
родного питания являются бортовые и парашютные кислородные при-
боры.
В системах жизнеобеспечения аварийно-спасательных скафандров
применяются стационарные кислородные приборы, устанавливаемые на
борту летательного аппарата или непосредственно на шлем скафандра,
и парашютные, подающие кислород при аварийном покидании ЛА или
при отказе стационарного кислородного прибора.
Стационарные кислородные приборы должны отвечать следующим
основным требованиям:
— автоматическое регулирование объемного содержания кислорода
во вдыхаемом воздухе по высотам (см. рис. 2. 2);
— минимальное сопротивление дыханию;
— необходимый расход кислорода;
— простота в эксплуатации.
Кислородные приборы могут обеспечивать непрерывную, периоди-
ческую и комбинированную (непрерывную и периодическую) подачу кис-
лорода.
Приборы с непрерывной (струйной) подачей кисло-
рода просты в эксплуатации и надежны, но не экономичны, так как
кислород, поступающий из прибора во время выдоха, не используется.
Подача кислорода рассчитывается из условия легочной вентиляции при
средней нагрузке, ввиду чего при малой физической нагрузке возникает
перерасход кислорода.
Расход кислорода в этих приборах регулируется кислородным ре-
дуктором с дозирующим устройством (дюзой) или капиллярной трубкой.
В настоящее время непрерывная подача кислорода применяется в
бортовых кислородных приборах на пассажирских самолетах и в пара-
шютных приборах.
В кислородных приборах с редуктором подача кислорода по высоте
может быть постоянной или при помощи анероидного устройства увели-
чиваться или уменьшаться. В приборах с капиллярной трубкой вместо
редуктора подача кислорода уменьшается с течением времени.
Приборы с периодической подачей кислорода работают под дейст-
вием разрежения, возникающего в маске или шлеме скафандра при
вдохе.
Действие прибора заключается в следующем (рис. 3.9). Во время
вдоха в маске и внутренней (подмембранной) полости прибора возни-
кает разрежение, под действием которого мембрана 1 прогибается и,
поворачивая рычаг 2, открывает клапан 4. Кислород при этом посту-
пает в прибор и далее через сопло 6 и диффузор 12 инжектора по
шлангу в маску 17. По окончании вдоха разрежение в маске и приборе
исчезает, мембрана 1 и рычаг 2 [возвращаются в исходное по-
5 . 1341
65
ложение, клапан 4 под действием пружины 3 закрывается, и подача кис-
лорода в маску прекращается. Во время выдоха в маске создается
избыточное давление, три котором клапан вдоха 18 закрывается, и (вы-
дыхаемый воздух может выходить наружу через клапан выдоха 19.
Из сказанного следует, что в этом приборе подача кислорода проис-
ходит только при вдохе и в количестве, пропорциональном разрежению
в приборе, т. е. глубине вдоха.
Рис. 3.9. Принципиальная схема кислородного прибора с пе-
риодической подачей кислорода (типа легочного автомата):
/—мембрана; 2—рычаг; 3, 5, 7, /5—пружины; 4—кислородный кла-
пан; 6—сопло инжектора; 8—обратный клапан; 9—клапан подсоса
воздуха; 10—пакет анероидов; //—ручной выключатель подсоса
воздуха; 12—диффузор инжектора; 13—пакет анероидов механизма
избыточного давления; 14— колпачок; ’ 16— штуцер (сооб-
щается с атмосферой или соединяется с оболочкой скафандра);
/7—кислородная маска; 18—клапан вдоха (резиновый); 19—клапан
выдоха (слюдяной); 20—уравнительный шланг; 21—оболочка ска-
фандра
До высот 8—9 км прибор подает в маску -смесь кислорода с возду-
хом. Подсо-с воздуха осуществляется при помощи инжектора, в котором
используется энергия возникающего при вдохе потока кислорода, и регу-
лируется по высоте пакетом анероидов 10.
Так, на высоте 4 км содержание (по объему)' кислорода 35—55%,
на высоте 7,5 км — 55—92%, на высоте 8,5 км—90% и более.
В тех случаях, если необходимо обеспечить дыхание чистым кисло-
родом, например при десатурации, подсос воздуха выключается принуди-
тельно ручным выключателем 11.
66
При плохой подгонке маски к лицу и голове подача кислорода мо-
жет уменьшиться из-за подсоса под маску воздуха из окружающего
пространства и связанного с этим уменьшением разрежения в приборе.
На 'больших высотах при кислородном голодании может внезапно на-
ступить обморочное состояние. Это явление предотвращается механиз-
мом избыточного давления (13, 14 и 15), создающим на высотах более
4 км б приборе и в маске небольшое избыточное давление (30—40 мм
вод. ст.), благодаря которому исключается подсос воздуха в маску.
Сопротивление, оказываемое прибором при вдохе, зависит от величи-
ны легочной вентиляции (чем оно меньше, тем легче дыхание), поэтому
желательно, чтобы оно не превышало 15—20 мм иод. ст *.
У современных образцов кислородных приборов с периодической
подачей такая величина сопротивления вдоху обеспечивается только при
легочной вентиляции 7,5—15 л/мин.
При легочной же вентиляции порядка
30 л/мин сопротивление вдоху на
уровне Земли достигает 60—
70 мм вод. ст. Такое сопротивление за-
трудняет дыхание и утомляет чело-
века. С увеличением высоты умень-
шаются как плотность кислородно-
воздушной смеси, подаваемой прибо-
ром, так и сопротивление вдоху
(рис. 3.10).
Сопротивление вдоху собственно
кислородного прибора (мембрана, ры-
чаг и кислородный клапан с пружи-
ной) составляет не более 50% от об-
щего сопротивления, создаваемого
всей системой,включая бортовые шлан-
Рис. 3.10. Примерная зависимость
сопротивления вдоху кислородного
прибора с прерывной подачей от
высоты полета и величины легоч-
ной вентиляции человека [2]
ги, разъемы и кислородную маску.
Не меньшее значение в процессе дыхания имеет и сопротивление
прибора выдоху, которое в зависимости от величины легочной вентиля-
ции изменяется на уровне моря в пределах от 20 до 40 мм вод. ст. и с
высотой также уменьшается.
В приборах, входящих в состав системы жизнеобеспечения скафанд-
ров, надмембранная полость должна при помощи уравнительного шлан-
га соединяться с оболочкой скафандра. В противном случае избыточное
давление в скафандре, передающееся и в подмембранную полость при-
бора, не даст возможности человеку создать в ней разрежение, необхо-
димое для открытия кислородного клапана 4 и обратного клапана 18,
т. е. сделать вдох.
Приборы скомбинированной подачей кислорода
предназначаются для работы в безмасочной системе и сочетают в себе
свойственные приборам с непрерывной подачей кислорода малое сопро-
тивление дыханию и изменение давления в шлеме при вдохе и выдохе,
а также присущую приборам с периодической подачей способность по-
давать кислород «по потребности» при любой нагрузке.
Непрерывная подача кислорода в этом приборе составляет 15—
20 л(н)/мин и обеспечивает вымывание из шлема углекислого газа при
средней физической нагрузке. При увеличении легочной вентиляции
в линии подачи кислорода возникает разрежение и легочный автомат
обеспечивает подачу дополнительного количества кислорода.
* Сопротивлением дыханию кислородных приборов называется то максимальное
разрежение или избыточное давление, которое человек должен создавать в маске кис-
ло-родного прибора при вдохе и выдохе для преодоления гидравлических сопротивлений
на пути вдыхаемого-выдыхаемого воздуха.
5*
67
Принципиальная схема прибора с комбинированной подачей кисло-
рода показана на рис. 3.11. Прибор монтируется непосредственно на
шлеме скафандра. При открытии смотрового стекла шлема прибор авто-
матически выключается, а при закрытии автоматически включается и
начинает работать.
Включение прибора происходит при повороте эксцентрика 5, осво-
бождающего толкатель 6, прижатый им к клапану 7. Под действием дав-
ления кислорода и пружины 8 клапан 7 открывается, а соединенное с
ним седло герметически перекры-
Р.ис. 3.11. Принципиальная схема прибо-
ра с комбинированной подачей кислоро-
да (гипотетическая):
/—рычаг легочного автомата; 2—мембрана
легочного автомата; 3—дюза; 4—линия неп-
рерывной подачи кислорода в шлем; 5—экс-
центрик включения подачи кислорода в при-
бор; 6—толкатель; 7—клапан непрерывной по-
дачи кислорода; 8—пружина; 9—клапан перио-
дической подачи кислорода; /0—пружина;
11 — подача кислорода из баллона; 12—ком-
пенсирующий шланг; 13—линия периодиче-
ской подачи кислорода в шлем; 14—каска
шлема
вает- зазор между толкателем 6
и корпусом. В этом положении
клапана кислород через дюзу 3
непрерывным потоком подается
в шлем скафандра.
Количество поступающего
через дюзу 3 кислорода зависит
от величины его давления при
входе в прибор и от диаметра
дюзы.
Избыточное давление пе-
ред дюзой поддерживается по-
стоянным при помощи отдельного
редуктора.
При увеличении легочной
вентиляции до 30 л/мин и более
начинает работать легочный
автомат, надмембранная полость
которого соединена с оболочкой
скафандра каналом 12, а подмем-
бранная полость — каналом 13 со
шлемом. Работает легочный авто-
мат так же, как прибор, показан-
ный на рис. 3.9.
На рис. 3. 12 приведена схе-
ма системы жизнеобеспечения
скафандра, имеющего прибор
с комбинированной подачей кис-
лорода. Прибор монтируется не-
посредственно на шлеме ска-
фандра, что позволяет уменьшить
диаметр кислородного шланга (его сопротивление преодолевается срав-
нительно высоким давлением на выходе из редуктора — до 2—4 кгс/см2)
и устраняет необходимость применения уравнительного шланга (см.
рис. 3. 7).
В кислородном приборе подача кислорода осуществляется через
редуктор либо помимо редуктора (в аварийных случаях).
Для удобства обслуживания, сокращения времени подготовки к вы-
лету и одновременного разъединения при катапультировании всех ком-
муникаций аварийно-спасательного скафандра применяется объединен-
ный разъем.
Парашютные кислородные приборы являются прибора-
ми индивидуального пользования и служат для питания летчиков кис-
лородом при покидании самолета и спуске на парашюте.
Количество кислорода, подаваемое парашютным кислородным при-
бором, должно быть достаточным не только для дыхания, но и для под-
держания избыточного давления под оболочкой скафандра. Запас кис-
лорода должен быть оассчитан на время, необходимое для спуска до
68
высоты, на которой (возможно пребывание без дополнительной подачи
кислорода.
На рис. 3. 13 показано время падения летчика без раскрытия пара-
шюта (кривая 1) и время спуска на парашюте (кривая 2).
Запас кислорода выбирается в зависимости от типа скафандра (ма-
сочный или безмасочный) и заданного времени спуска до высот, на ко-
торых начинается подсос атмосферного воздуха и прекращается подача
кислорода.
Рис. 3.12. Возможная схема системы жизнеобеспечения аварийно-спасательного скафанд-
ра с комбинированной подачей кислорода:
'—кислородный прибор; 2—разъем шлангов; 3—провод электрообогревателя остекления шлема;
4—парашютный кислсродный прибор; 5— индикатор постоянной подачи кислорода; 6—'индикатор
периодической подачи кислорода; 7—кислородный редуктор; 5—панель включения прибора; 9—по-
догреватель воздуха; 10—сигнализатор опасной высоты; //—трубка Вентури указателя расхода
воздуха; 12—автомат включения аварийной подачи воздуха; 13—указатель расхода воздуха; 14—
регулятор подачи воздуха; 15—фильтр противоперегрузочного костюма ППК; /5—автомат давления
ППК; /7—редуктор аварийной подачи воздуха; 13—ручной кран; 19—объединенный разъем комму-
никаций на катапультируемсм кресле; 20—воздушные магистрали; 21— манометр; 22—скафандр;
23—ручное включение подачи кислорода из парашютного прибора; 24—фал крепления нижней ко-
лодки объединенного разъема к борту (полу) самолета; 25—клапан подсоса воздуха; 26—датчик
температуры
Принципиальная схема отечественного парашютного кислородного
прибора КП-23 приведена на рис. 3. 14. Прибор заключен в металличес-
кую коробку размером 360 x 290 x 23 мм. Запас кислорода 0,825 л* со-
держится в 12 последовательно соединенных баллончиках. Капиллярная
трубка 6 -с внутренним диаметром 0,35 мм служит для понижения дав-
ления кислорода. Длина трубки подобрана таким образом, чтобы при
включении прибора начальная подача кислорода была 13—17 л(н)/мин
(рис. 3. 15).
При аварийном покидании самолета натягивается фал 8 парашютно-
го прибора, прикрепленный к полу кабины, и выдергиваются соединен-
ные с ним шпильки разъединителя на разъемном замке 7, при помощи
сильной пружины 11 и рычага 12 отбрасывается шланг 10 бортового кис-
лородного прибора, и образующееся при этом отверстие закрывается
* Запас кислорода при нормальном давлении и температуре— 123,75 л.
69
Рис. 3.13. Время падения летчика без
раскрытия парашюта (1) и /время спус-
ка на парашюте с раскрытием его на
различных высотах (2)
Рис. 3.14. Принципиальная схема па-
рашютного кислородного прибора
/Ш-23:
1—зарядный штуцер; 2—обратный клапан;
3— манометр; 4—баллончик со сжатым
кислородом; 5—фильтр; 6—капиллярная
трубка; 7—переключатель кислородного
питания; 6—соединительный фал; 9—
шланг от кислородной маски (шлема ска-
фандра); 10—шланг от бортового кисло-
родного прибора и отбрасываемая часть
переключателя (пунктир); //—-пружина;
12—рычаг; 13—обратный клапан; 14— кис-
лородный клапан
Рис. 3.15. Расход кисло-
рода по времени у при-
бора КП-23
Рис. 3.16. Расход кислородапо
высоте в безмасочном скафанд-
ре вентиляционного типа:
/—при подаче в шлем для дыха-
ния чистого кислорода (40 л/мин);
2—при применении для дыхания
кислородно-воздушной смеси (на
высоте S км для дыхания подает-
ся чистый кислород)
70
клапаном 13, одновременно открывается кислородный клапан 14, и на-
чинается подача кислорода в маску или шлем.
Парашютный кислородный прибор КП-27м снабжен дополнитель-
ным баллончиком, который обеспечивает увеличенную подачу кислорода
в маску или шлем при его включении. Применяется этот прибор только
при наличии объединенного разъема (см. рис. 3. 12).
Вес прибора КП-27м не более 5,3 кгс. Габаритные размеры 360 X
Х260Х35 мм.
В редукторных парашютных приборах давление кислорода, посту-
пающего из баллона, снижается до 3—6 кгс/см2. Обычно на выходе из
редуктора устанавливается дюза, обеспечивающая требуемую постоян-
ную подачу кислорода (не менее 3—5 л (н)/мин)'.
Необходимый запас кислорода содержится в цилиндрическом бал-
лончике при давлении 200—250 кгс/см2. Включение прибора — ручное,
с помощью тросового механизма.
Кислородная маска предназначена для непосредственной по-
дачи кислорода к органам дыхания человека и должна:
— прикрывать одно времен но нос и рот, не затрудняя дыхания;
— герметично прилегать к лицу и не сдвигаться при перегрузках;
— не мешать разговору при пользовании средствами радиосвязи;
— не ухудшать обзор и не стеснять движения головы;
— не вызывать болезненные ощущения при продолжительном поль-
зовании ею;
— иметь малое сопротивление клапанов вдоха и выдоха.
Для более плотного прилегания масок к лицу их изготавливают не-
скольких размеров.
Устройство обычной кислородной маски можно видеть на рис. 3.9.
Она состоит из резинового корпуса 17, гофрированного шланга, соединя-
ющего ее с кислородным прибором, и клапанов вдоха 18 и выдоха 19.
Сопротивление маски выдоху определяется конструкцией ее клапа-
на выдоха и зависит от величины .легочной вентиляции; в наземных ус-
ловиях при работе средней тяжести оно не превышает 30—40 мм вод. ст.
Для предотвращения примерзания обычно этот клапан изготовляется из
слюды.
Маски для скафандров (см. рис .3. 7) отличаются от обычных тем,
что они имеют второй гофрированный шланг, через который выдыхае-
мый воздух выводится в оболочку скафандра, и клапан для приема
пищи (см. рис. 5.31).
Расход кислорода в системах жизнеобеспечения для скафандра
имеет большое значение, так как определяемый им запас кислорода
хранится в сжатом или сжиженном состоянии в емкостях, имеющих
значительный вес и размеры.
Вбезмасочной системе (см. рис. 3.8) подача кислорода опре-
деляется из условия сохранения во вдыхаемом воздухе (в шлеме) на
требуемом уровне парциального давления углекислого газа. Необходи-
мая для этого подача кислорода может быть рассчитана по соотношению
(3.2).
Обычно принимается И7угл =404-50 л/мин (рис. 3.L6).
При вентиляции шлема кислородом подача его из прибора в л(н) на
различных высотах рассчитывается по уравнению
и7угл(„)=ГугЛ^
(3-4)
где рн — давление воздуха на высоте Н; pQ — давление воздуха на уров-
не ЗеМли (760 мм рт. ст.).
71
Так, например, подача кислорода в л(н) на высоте //=10 км (рн —
= 198мм |рт. ют.).
Гугл(Я)=^-40=10,4.
Для уменьшения расхода кислорода до высоты 8 км шлем можно
вентилировать кислородно-воздушной смесью, обеспечивая при этом как
общее количество ее, необходимое для удаления углекислого газа, так
и требуемое для данной высоты объемное содержание в ней кислоро-
да (см. рис. 3. 16).
Рис. 3.17. Изменение расхода кислорода в масочном ска-
фандре вентиляционного типа с высотой при различной
легочной вентиляции в приборах:
/—теоретически необходимый расход кислорода при подсосе
воздуха; 2-^теоретически необходимый расход кислорода при
дыхании чистым кислородом; 3—действительный расход кисло-
рода
В этом случае требуемая подача кислорода из прибора
£кисл.потр
-------— 0,21
Гзд = ГугЛ . (3.5)
В масочной системе с периодической подачей кислорода рас-
ход его зависит от «высоты» в кабине (скафандре) 1и физической нагруз-
ки. В этом случае при дыхании чистым кислородом на высотах более
8 км расход кислорода
ГКИСЛ(Я) = ^ЛВ-^-. (3.6)
Ро
Величина легочной вентиляции И7Л.В в зависимости от производимых
энергозатрат приведена в табл. 2. 4.
Кислородно-воздушная смесь подается прибором до высоты 8 км, на
высотах более 8 км подсос воздуха в приборе прекращается и для дыха-
ния используется чистый кислород.
Расход кислорода при подсосе воздуха определяется по выражению
(3. 5) с заменой в нем 1Гугл на И7Л,В.
Теоретически необходимая подача кислорода при наличии и отсутст-
вии подсоса воздуха для различных величин легочной вентиляции при-
ведена на рис. 3. 17.
72
Регулятор подсоса воздуха (см. рис. 3. 9) по ряду причин не может
точно обеспечивать требуемый состав кислородно-воздушной смеси на
различных высотах, поэтому действительный расход кислорода в прибо-
ре при подсосе воздуха несколько превышает теоретически необходи-
мый.
Если принять, что при дыхании используются примерно 4% вдыха-
емого кислорода, то легочной вентиляции №л.в = 7,5 л(н)/мин соответст-
вует теплопродукция 1,5 ккал/мин.
3. СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
ДЛЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОГО СКАФАНДРА
РЕГЕНЕРАЦИОННОГО ТИПА
Регенерационные кабины применяются на летательных аппаратах,
предназначенных для полета на больших высотах, где атмосферное дав-
ление настолько мало, что практически невозможно обеспечить наддув
и вентиляцию кабины сжатым атмосферным воздухом.
Обычно системы жизнеобеспечения в кабинах регенерационного ти-
па устроены таким образом, что в нормальных условиях полета они под-
держивают заданные параметры микроклимата и обеспечивают венти-
ляцию скафандра. При возникновении же аварийной ситуации скафандр
автоматически отключается от системы ЛА и включается автономная
аварийная система жизнеобеспечения, которая обеспечивает человека
кислородом и удаляет выделяемые им углекислый газ и влагу.
При расчете систем жизнеобеспечения для аварийно-спасательного
скафандра регенерационного типа также прИ!НИ1М<ают, что человек выпол-
няет работу средней тяжести (см. табл. 2.4), при этом потребление кис-
лорода составляет 0,8 л/мин; теплопродукция — 4 ккал/мин; влаговыде-
ление — 3 гс/мин; выделение углекислого газа—0,65 л/мин.
Максимально допустимую «высоту» в скафандре определяем из
условия р02 =197 мм рт. ст.
На основании этого давление в скафандре должно быть 0,26 кгс/см2,
что соответствует «высоте» в скафандре 10 км.
Возможные технические решения для таких систем можно проиллю-
стрировать на системах .а,мериканских космических кораблей программ
«Меркурий», «Джемини» и «Аполлон».
Система жизнеобеспечения на кораблях программы «Меркурий»
приведена на рис. 3. 18. Она рассчитана на работу в течение 28 ч и имеет
следующие характеристики:
Среда в кабине...............
Избыточное давление..........
Парциальное давление кислорода . .
Парциальное давление углекислого газа
Температура в кабине регулируется вручную и автоматически в пре-
делах 10—20° С при помощи водяного испарительного теплообменника
15 и кабинного вентилятора 20.
Скафандр в этой системе предназначен только для защиты челове-
ка при разгерметизации кабины. При нормальных условиях полета из-
быточное давление в нем не создается и человек дышит воздухом каби-
ны через открытый шлем.
Конструкция корабля предусматривает посадку его только на воду
вместе с космонавтом. Катапультирование космонавта из ЛА исключено.
Газы направляются из скафандра в пылесборник 5 кля. очистки от
пыли и взвешенных в них твердых частиц. После добавления кислорода
из баллона 7 поток газов подается вентилятором 9 (с электродвигате-
лем) к поглотителям ароматических веществ 10 и углекислого газа 11
и после них — в теплообменник 12 для охлаждения до температуры
+ 5° С.
кислород
258±26 мм рт. ст.
241+33 мм рт. ст.
ют 0 до '26 мм рт. ст.
73
После охлаждения газы (смесь кислорода и водяных паров) прохо-
дят через сепаратор воды 13, в котором образующийся конденсат в виде
капель воды впитывается губкой. Непрерывная замкнутая циркуляция
газов в системе обеспечивает его полную регенерацию и поддерживает
в скафандре заданные условия микроклимата.
Рис. ,3.18. Принципиальная схема (жизнеобеспечения
американских космических кораблей программы
«Меркурий» с герметической кабиной регенерацион-
ного типа:
/—кран впуска воздуха; 2—кран выпуска воздуха; <3—предо-
хранительный клапан; 4—скафандр; 5—пылесборник; 6—ре-
гулятор подачи кислорода; 7—баллон с запасом кислорода
(1,8 кге); 8—баллон с аварийным запасом кислорода
(1,8 кге); 9—вентилятор; 10—поглотитель ароматических ве-
ществ (активированный уголь); //—поглотитель углекислого
газа LiOH; /2—теплообменник скафандра; 13—сепаратор во-
ды; 14—емкость с запасом воды; /5—теплообменник кабины;
/6—вентиль; 17—.регулятор; 18—баллон с запасом кислорода;
19—выпуск водяного пара из теплообменника за борт; 27-
вентилятор кабины
Утечка .кислорода через неплотности кабины компенсируется пода-
чей его из кислородного баллона 18.
Другое техническое решение системы жизнеобеспечения регенераци-
онного типа представлено на рис. 3. 19.
Эта система выполняет следующие функции:
— очистку газовой среды кабины (основного отсека) от продуктов
дыхания;
— поддержание в заданных пределах давления и температуры внут-
ри кабины;
— водоснабжение членов экипажа;
— наддув и вентиляцию скафандров.
Атмосфера .кабины — кислородная. Давление .в кабине поддержива-
ется на уровне 271 ,м;м рт. ст. («высота» в кабине около 8 км). Основной
запас кислорода в жидком состоянии содержится в газификаторе во
вспомогательном отсеке при сверхкритическом давлении (около
60 кгс/см2), дополнительный его запас в газообразном состоянии — в ос-
74
новном отсеке в баллонах 12 и 13 под давлением 350 кгс/см2. Расход
кислорода (для дыхания) 30 гс/ч на человека.
После отделения вспомогательного отсека (на этапе спуска) питание
кислородом в основном отсеке производится от баллонов 12 и 13.
Температура воздуха в кабине поддерживается на заданном уровне
(примерно 26° С) теплообменником 22, вентилятором 21 и агрегатами
системы охлаждения, размещенными во вспомогательном отсеке. В ка-
azzzzzi кислород д системе скафандра
ъялсл с веский кислород
вода
rm-rm?!! хладо агент
Рис. 3.119. Принципиальная схема системы жизнеобеспечения
американских кораблей программы «Джемини»:
а—основной отсек (спускаемый на Землю аппарат); б—вспомогатель-
ный отсек; 1, 2—вентили сброса давления в скафандрах; 3—вентилято-
ры; 4—поглотитель СО2 и вредных примесей; 5—теплообменник ска-
фандров с сепаратором воды; 6—разъемы скафандра; 7—ловушка для
капельной жидкости; 8—вентили; 9—редуктор на линии подачи кислоро-
да из основного запаса; 10—трубопровод подачи кислорода; //—регу-
лятор давления в кабине; 12, 13—емкости дополнительного запаса кис-
лорода; 14, 15—аварийные кислородные баллоны; 16—вентиль наддува
кабины; /7—обратный клапан; 18—вентиль для понижения давления в
кабине; 19—емкость для питьевой воды; 2С—кран для подачи питьевой
воды; 21—кабинный вентилятор; 22— теплообменник кабины; 23—разъ-
емы; 24—вентиль водяного насоса; 25^трубопровод подачи охлаждаю-
щей жидкости
честве хладагентов используются вода и силоксановая жидкость, кото-
рая переносит теплю из кабины к наружному радиатору.
Электроэнергия для питания бортовых систем вырабатывается кис-
лородно-водороднымм топливными элементами, размещенными вместе
с необходимыми для их работы запасами сжиженных кислорода и водо-
рода во вспомогательном отсеке. Образующаяся в процессе работы топ-
ливных элементов вода поступает в общую систему водоснабжения.
Циркуляция газовой смеси в системе скафандра осуществляется
с помощью вентиляторов 3. Поглощение из нее ароматических веществ
и углекислого газа происходит в патроне 4, заполненном активирован-
ным углем и гидроокисью лития. После очистки от вредных примесей
75
еще влажный кислород поступает в теплообменник 5 для охлаждения,
при этом содержащаяся в нем влага конденсируется и собирается в бач-
ке 19.
При понижении давления в кабине до 0,27 кгс/см2 скафандры изо-
лируются от атмосферы кабины и в них создается избыточное давление.
При этом подача в скафандры кислорода, очистка выходящей из них
газовой смеси и регулирование температуры происходят так же, как и
до разгерметизации кабины.
Аварийный запас газообразного кислорода размещен под катапуль-
тируемыми креслами в баллонах 14 и 15, содержащих по 136 гс кисло-
рода при давлении 239 кгс/см2. При катапультировании подача из них
кислорода включается автоматически, регенерация же и терморегулиро-
вание в скафандрах при этом прекращаются.
Система жизнеобеспечения «в целом (рассчитана на 14 суток полета
двух космонавтов и весит (без учета веса запаса пищи) 193 кге.
4. СМЕШАННЫЕ СИСТЕМЫ КИСЛОРОДНОГО ПИТАНИЯ
И ВЕНТИЛЯЦИИ СКАФАНДРОВ
Смешанная система жизнеобеспечения была применена на космичес-
ких кораблях «Восток», и «Восход», имеющих кабины регенерационного
типа и вентилируемые скафандры.
На этих кораблях имеются штатная система жизнеобеспечения ка-
бины и система жизнеобеспечения скафандра [4].
Штатная система поддерживает ib кабине нормальное давление воз-
духа 760 мм рт. ст. при объемном содержании в нем около 21% кисло-
рода и до 1% углекислого газа. Температура в кабине регулируется
автоматически от 15 до 22° С, а относительная влажность — 30—70%.
Безмасочная система жизнеобеспечения для скафандров этих кораб-
лей не связана конструктивно с СЖО кабины. Такая система обеспечи-
вает (рис. 3.20) вентиляцию скафандра при полете в загерметизирован-
ной кабине, а также кислородное питание и (вентиляцию скафандра в
аварийной обстановке.
В течение всего полета скафандр вентилируется воздухом из кабины
при помощи вентилятора 1. В случае выхода из строя основного венти-
лятора автоматически включается резервный вентилятор 2.
Центробежные вентиляторы создают напор не менее 180 мм рт. ст.
при расходе воздуха до 200 л(н)/мин (вентилятор потребляет около
40 Вт).
Подаваемый (в скафандр воздух распределяется для (вентиляции ту-
ловища, шлем,а и конечностей и (выходит из скафандра через открытый
иллюминатор шлема.
Аварийная система жизнеобеспечения скафандра автоматически
вступает в работу, когда давление в кабине снижается до 530±30 мм
рт. ст. («высота» в кабине около 3 км). В этот момент срабатывает пус-
ковой электроклапан и начинается подача вентилирующего воздуха в
скафандр из воздушных баллонов 4, через кислородный прибор 9 в ко-
личестве 35—40 л(н)/мин. При снижении давления в кабине до 430±
±30 мм рт. -ст. («высота» /в кабине около 4,5 км) начинается автомати-
ческая подача кислорода из 'баллона 5 и одновременно подается сигнал
на закрытие шлема скафандра. При этом кислородный прибор обеспе-
чивает подачу в шлем скафандра кислородно-воздушной смеси в коли-
честве 10,5—11,5 л(н)'/мин, объемное содержание кислорода в ней воз-
растает с увеличением высоты. Одновременно часть подаваемого из бал-
лонов воздуха поступает непосредственно в линию вентиляции оболочки
скафандра. На высотах более 9 км в шлем направляется чистый кисло-
род, а подаваемый в кислородный прибор воздух (около 40 л(н)/мин)
полностью перепускается в магистраль вентиляции скафандра.
76
На магистрали подачи кислорода имеется экономайзер 3 — дополни-
тельная емкость в виде резинового мешка в герметичном корпусе. Назна-
чение его — уменьшение сопротивления дыханию при глубоких вдохах.
----------воздух при высоком давлении
---------- кислород при Высоком давлении
Ш-.М м воздух при низком давлении
— кислород при низком давлении
Рис. 3. 20. Система кислородного питания и вентиляции скафандра
на корабле «Восток»:
1, 2—основной в резервный вентиляторы; 5—экономайзер; 4—баллон со
сжатым воздухом; 5—кислородный баллон; 6, 7—зарядные штуцера;
8, 10~ редукторы давления; 9— кислородный прибор; //—объединенный
разъем; 12—парашютный кислородный прибор; 13—регулятор давления;
14—уравнительный шланг; 15—баллон с кислородом
При спуске ЛА на Землю на высоте около 7 км космонавт катапуль-
тируется из кабины вместе -с креслом. Кислород для дыхания в количест-
ве 25—30 л(н) подается в шлем из размещенных на кресле двух кисло-
родных баллонов 15, содержащих по 2 л кислорода при давлении
200 кгс/см2.
В дальнейшем космонавт отделяется от кресла >и спускается на па-
рашюте. При этом кислород для дыхания поступает из кислородного па-
рашютного прибора 12 емкостью 1 л при давлении 200 кгс/см2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев С. М. и др. Современные средства аварийного покидания самоле-
тов. М., Оборонпиз, 1961.
2. В о р о н и н Г. И., П о л и в о д а А. И. Жизнеобеспечение экипажей косми-
ческих кораблей. М., «Машиностроение», 1967.
3. ВудсонУ., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для ин-
женеров и художников-конструкторов. М., «Мир», 1968.
4. Первый выход человека в космос. — «Авиация и космонавтика», 1970, № 3.
ГЛАВА 4
Автономные системы жизнеобеспечения
для космических скафандров
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Скафандр образует вокруг космонавта оболочку, защищающую его
от действия факторов космического пространства, а с помощью автоном-
ной системы жизнеобеспечения (АСЖ) внутри -скафандра создается
необходимый для жизнедеятельности человека микроклимат: давление,
газовый состав, влажность и т. д.
АСЖ предназначены для обеспечения жизнедеятельности космонав-
тов в следующих условиях:
а) при выполнении в открытом космосе научных исследований и из-
мерений;
б) при (ремонте космического корабля пли установленного на нем
оборудования, выполнении монтажных и различных других работ;
в) при проведении научных исследований после посадки на поверх-
ность Луны и планет.
АСЖ могут также использоваться космонавтом при нахождении в
космическом кор.абле в аварийной ситуации /выход из строя бортовой
системы жизнеобеспечения, разгерметизация кабины и т. д.).
По принципу действия автономные системы жизнеобеспечения по
аналогии с герметическими кабинами можно подразделить на вентиля-
ционные и регенерационные (открытые и закрытые). В вентиляционных
системах (выходящий из скафандра газ не очищается от продуктов дыха-
ния и выбрасывается наружу. В регенерационных системах происходит
поглощение продуктов дыхания, после чего кислород используется для
дыхания.
По конструктивным признакам АСЖ можно подразделить на сис-
темы с герметичным и негерметичным кожухом (ранцем), с испаритель-
ным и сублимационным охлаждением, с одним и двумя контурами.
Отечественный и зарубежный опыт применения автономных систем
жизнеобеспечения на различных типах летательных аппаратов позволяет
привести следующие соображения, которые могут быть использованы
при их разработке [25].
1. Парциальное давление кислорода должно быть не менее
197 мм рт. ст. и не более 420 мм рт. ст.
2. Допустимое парциальное давление углекислого газа в шлеме в
значительной степени зависит от продолжительности пользования ска-
фандром и может быть определено по данным, приведенным на рис. 2.4.
3. В шлеме скафандра необходимо поддерживать относительную
влажность в пределах 40—60%.
4. Температуря воздуха, подаваемого в скафандр, должна изменять-
ся в зависимости от свойств окружающей среды и физической нагрузки
космонавта в пределах от 10 до 80° С.
78
5. Чтобы создать нормальные условия для вентиляции шлема, по-
дача кислорода в шлем безмасочного скафандра должна быть примерно
40—50 л/мин*; для вентиляции подскафандрового пространства необхо-
дима регулируемая подача до 350 л/мин **.
6. Для расчета фильтров, очищающих подаваемый в скафандр воз-
дух от вредных продуктов жизнедеятельности, можно пользоваться дан-
ными, приведенными :в табл. 4.1.
Таблица 4. 1
Максимально допустимые концентрации вредных примесей в атмосфере гермети-
ческих кабин самолетов и скафандров
Химические соединения Для гермети- ческих кабин самолетов мгс/м3 Для скафандров мгс/м3 Для прои: помещен в СССР* зводственных :ий в мгс/м3 в США****
Аммиак Окись углерода Сероводород Окислы азота Пары топлива (керо- сина, бензина) Углекислый газ Озон Ацетон Фенол Метиловый спирт Углеводороды * СН-245—63 (I * * Порог обонят *** Предельное п **** Человек под нина, М., Воениздат, 191 20** 5,0 300 36000*** в течение 8 ч 6 ] ельного ощущен арциальное давл водой и в космс 57. 5** 10—20 30 5 См. данные рис. 2.4 5 200 ?аз в неделю). ия [1]. [ение 15 мм рт. >се. Сб. под ред. 20 20 10 5,0 300 1860 0,1 200 5 50 300 ст. [8]. О. Г. Газен] 70 110 9 0,2 ко и А. М. Ге-
7. В системе жизнеобеспечения нежелательно применение агрега-
тов, уровень шума которых более 80 дБ в диапазоне частот до 4000 Гц.
В виде исключения допустимо кратковременное увеличение общего уров-
ня шума до 90 дБ.
8. Теплообменники следует рассчитывать на отвод 450’—600 ккал/ч
тепла, выделяемого человеком.
9. В расчетах для скафандров следует учитывать:
— расчетную «высоту» 7 км (308 мм рт. ст.), на которой устраняется
возможность появления высотных болей;
— рабочую «высоту» не более 10 км (197 мм рт. ст.), на кото-
рой обеспечиваются наземные условия для дыхания (ро2альв =
— Г10 мм рт. ст.).
10. Необходимо, чтобы система:
— безотказно работала при любых положениях космонавта при за-
данных температурах и давлениях;
* Для удаления выдыхаемого углекислого газа и влаги.
** Для испарения пота и создания необходимого температурного режима.
79
— обладала высокой живучестью в аварийных случаях ,и надежно-
стью в эксплуатации;
— была бы пожаро- и взрывобезопасна в обслуживании и эксплу--
атации;
— постоянно находилась в состоянии готовности к действию.
11. Для системы весьма важными характеристиками являются дол-
говечность, ремонтопригодность, возможно меньшие вес и габариты.
12. В системе необходимо учитывать следующие условия:
— все снаряжение космонавт должен надевать и снимать самосто-
ятельно, без посторонней помощи, в наиболее короткое время;
— органы контроля и управления следует располагать в зоне их
прямой визуальной видимости космонавтом;
— должна быть предусмотрена возможность зарядки системы кис-
лородом и водой для многократного ее использования, а также замены в
ней отдельных агрегатов;
— для агрегатов системы, регулирующих газовый состав и давле-
ние в скафандре, необходимо предусмотреть автоматический режим ра-
боты;
— должна быть обеспечена возможность регулирования температу-
ры подаваемой в скафандр газовой смеси.
13. Обязательна высокая надежность работы агрегатов системы в
следующих условиях:
— в среде чистого кислорода;
— при изменении абсолютного давления в скафандре от 1200 до
100 мм рт. ст., температуры от 5 до 80°С и при влажности воздуха до
98±2%;
— при вибрационных и линейных перегрузках*.
14. При расчетах системы можно пользоваться следующими дан-
ными:
— длительные энергозатраты одного космонавта при выполнении им
работы в течение 2—6 ч составляют не менее 400—600 ккал/ч;
— пиковые энергозатраты в течение 5—40 мин могут достигать
1000 ккал/ч;
— влаговыделение одним космонавтом в костюме с жидкостным
охлаждением (КЖО) составляет 100—200 гс/ч, без КЖО — 200—
600 гс/ч.
15. Расход кислорода, подаваемого в АСЖ, определяется его коли-
чеством, необходимым для дыхания, величиной утечки его через соеди-
нения вследствие их негерметичности и количеством кислорода, необхо-
димым для продувки системы и скафандра.
Количество кислорода, расходуемого для дыхания, зависит от типа
скафандра и примерно составляет:
— для масочного скафандра вентиляционного типа при Ц7Л.В =
= 15 л(н)/мин (см. рис. 3. 17) на расчетном режиме («высота» 7 км) —
не менее 5 л(н)/мин; на рабочем режиме («высота» 10 км) —не менее
4 л(н)/мин;
— для безмасочного скафандра вентиляционного типа (см. рис. 3.16)
на расчетном режиме («высота» 7 км)—не менее 16,5 л(н)/м.ин, при
работе на рабочем режиме («высота» 10 км)—не менее
10,5 л (н)/мин;
— для безмасочного скафандра регенерационного типа при тепло-
продукции 400 ккал/ч — не менее 80 л(н)/ч (1,36 л(н)/мин).
Потери кислорода вследствие его утечки обычно не превышают
0,5 л (н)/ммн.
Расход кислорода для продувки системы и скафандра составляет
примерно 200 л (н).
* Величина перегрузок определяется техническим заданием.
80
АСЖ является сложным инженерным комплексом, имеющим ряд
подсистем. Вес АСЖ зависит от конструкции и времени работы, на ко-
торое она рассчитана, однако часть агрегатов имеет определенный вес
независимо от времени работы системы (манометры, газоанализаторы,
вентиляторы, электромоторы и т. д.). К агрегатам, вес которых изменя-
ется в зависимости от времени работы, относятся кислородные баллоны,
поглотительные патроны и т. д.
АСЖ вентиляционного типа обеспечивает потребность человека в
кислороде, однако она не отводит выделяемое человеком тепло при
большой физической нагрузке.
Энергоемкость АСЖ регенерационного типа, снабженной испари-
тельным теплообменником, можно характеризовать теплоемкостью запа-
са хладагента в ней. Так, например, при запасе 3 кгс хладагента (воды),
испаряющегося полностью в процессе работы, энергоемкость такой сис-
темы будет составлять 580-3= 1740 ккал.
2. АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
ВЕНТИЛЯЦИОННОГО ТИПА
АСЖ вентиляционного типа применялись при осуществлении перво-
го выхода в космос советского космонавта А. Леонова и при полетах
по программе «Джемини» в США. В дальнейшем не исключено приме-
нение таких установок для обеспечения кратковременного (до 1 ч) вы-
хода в космос. Отличительной ,6
особенностью АСЖ вентиляцион- ____________________c-Z_____________
ного типа является их сравни- ......... . _________ ।
тельная простота и безотказ-
ность.
В настоящее время приме-
няются АСЖ вентиляционного
типа со свободной (струйной)
или с принудительной подачей
кислорода (инжектором).
Принципиалъная схема АСЖ
первого типа приведена на
рис. 4.1. Кислород в этой системе
содержится в баллонах под боль-
шим давлением. При подаче, кис-
лорода в скафандр его давление
снижается до рабочего (2—
4 кгс/см2) в двухступенчатом ре-
дукторе 2, который одновременно
является запорно-пусковым уст-
ройством.
С помощью блока дистанци-
онного управления 4 и регулято-
ра 3 осуществляется подача кис-
лорода в скафандр, при этом его
Рис. 4.1. Принципиальная схема гипотети-
ческой АСЖ вентиляционного типа со сво-
бодной подачей кислорода:
/—баллон для кислорода; 2—редуктор; 3—регуля-
тор расхода; 4—блок дистанционного управле-
ния; 5—кожух ранца; 6—зарядный штуцер; 7—
манометр; 8— трубопровод для аварийней подачи
кислорода; 9^шланг для подачи кислорода в
скафандр; 1С—разъемная колодка
количество регулируется автоматически в зависимости от величины дав-
ления в скафандре. Так, например, на Земле подача кислорода будет
не менее 25—35 л(н)/мин, при «высоте» в скафандре 7 км — не менее
20 л(н)/мин и при «высоте» в скафандре более 10 км — не менее 12—
15 л(н)/мин. При падении давления кислорода в скафандре ниже допу-
стимого уровня (0,23—0,25 кгс/см2) происходит автоматическое или
принудительное включение аварийной подачи кислорода (25—
30 л(н)/мин) по трубопроводу 8.
Вся система может быть смонтирована в носимом за плечами ранце.
6 1341
81
При расходе кислорода 15 л(н)/мин обеспечивается работа систе-
мы в течение 180 мин.
Примерные весовые характеристики такой системы приведены в
табл. 4. 2.
Таблица 4. 2
Примерные весовые характеристики ранцевой АСЖ вентиляционного типа
по литературным данным
Наименование агрегатов, готовых изделий и деталей (позиции по рис. 4.1) Вес кге
Кислородные баллоны 1 (3 шт.) * 9,0
Детали: 7,74
Редуктор 2 Регулятор расхода кислорода 3 Блок дистанционного управления 4 Кожух ранца 5 Зарядный штуцер 6 с тройником Манометр 7 Трубопровод аварийной подачи кислорода 8 Гибкий шланг 9 и разъем 10 Запас кислорода (около 2700 л(н) 3,86
Итого 20,6 кге
* Емкость каждого баллона 2 л, давление около 500 кгс/см2.
Определим вес агрегатов и (веществ, необходимый для работы этой
системы в течение часа.
Вес баллонов для хранения 1,72 кге кислорода при весе 2,3 кге на
1 кге О2 составит 4,0 кге. Таким образом, суммарный вес агрегатов и ве-
ществ для работы системы в течение часа будет равен 1 ,72 + 4,0 =
= 4,56 кге.
Другая разновидность АСЖ вентиляционного типа, в которой основ-
ной запас кислорода расположен не в ранце, а на борту корабля, показа-
на на рис. 4. 2.
В такой системе имеется баллон 5 с аварийным запасом кислорода»
редуктором 6, запорным краном 7 и регулятором расхода кислорода 9.
Кислород с борта корабля подается в систему по гибкому шлангу —
фалу 1.
Принципиальная схема и общий вид АСЖ вентиляционного типа с
принудительной подачей кислорода инжектором (приведена на рис. 4.3.
В этой системе инжектор 10 может работать в режимах нормально-
го и повышенного расхода кислорода, регулируемых положением кра-
на 11. Выходящие из скафандра кислород, продукты дыхания и пары
воды частично сбрасываются в окружающее пространство через регуля-
тор давления 9 и частично направляются в теплообменник 8 для охлаж-
дения, затем они засасываются инжектором 10 и снова поступают в ска-
фандр. Благодаря такой циркуляции газа осуществляется отвод из ска-
фандра выделяемого человеком тепла.
При падении давления в скафандре ниже заданной величины регу-
лятором 7 включается дополнительная подача кис лор-ода. Баллон 3 с
82
Рис. 4.2. Принципиальная схема и общий вид АСЖ вентиляционного типа
американского скафандра G-4C:
/—фал, связывающий космонавта с кораблем в открытом космосе; 2— бортовой га-
зификатор жидкого кислорода; 3—ранец с агрегатами аварийной системы жизнеобе-
спечения; 4—разъемные колодки коммуникаций телеметрического контроля; 5—бал-
лон с аварийным запасом кислорода; 6—редуктор; 7—запорный кран; <5—манометр;
9—регулятор расхода кислорода; 10—кран включения аварийней подачи кислорода
Рис. 4.3. Принципиальная схема и общий вид АСЖ с принудительной
подачей кислорода инжектором:
/—баллон бортового запаса кислорода на корабле; 2— шланг для подачи кисло-
рода; 3—баллоны аварийного запаса кислорода; 4—манометр; 5—редукторы; 6—
дюза; 7—регулятор аварийной подачи кислорода; Я—испарительный теплообмен-
ник; 9—регулятор давления в системе; 10—инжектор; //—двухпозиционный кран;
12, /4—разъемные колодки шлангов; 13—клапан (регулятор давления) теп-
лообменника; 15—емкость для запаса хладагента (воды); 16— борт корабля; 17—
запорный кран; /.5—контур ранца
б*
83
аварийным запасом кислорода (подключается к скафандру вручную с по-
мощью крана.
Гибкий шланг 2 длиной 6—9 1м,’по которому подается кислород, свя-
зывает космонавта с кораблем ib открытом космосе. В теплообменнике 8
испарительного типа в качестве хладагента используется вода, запас
которой хранится в бачке 15. Работа испарительного теплообменника
контролируется клапаном 13, отрегулированным на давление, при кото-
ром вода в теплообменнике кипит и испаряется при температуре око-
ло 10° С.
Для подачи в скафандр 150 л(н)/мин кислорода при коэффициенте
инжекции, равном десяти, необходим расход кислорода 15 л(н)/мин
(1,28 кгс/ч).
Вес газификатора для хранения жидкого кислорода в количестве,
необходимом для часового пребывания человека в открытом космосе,
составляет примерно 2 кгс (1,5 кгс/кгс Ог).
Энергоемкость этой системы по теплу определяется количеством вла-
ги (пота), которую может вынести (испарить) кислород, подаваемый
для вентиляции скафандра.
Выходящий и скафандра воздух при температуре 24° С и насыще-
нии 80% содержит 17,5 гс/м3 влаги в виде пара.
При охлаждении воздуха в теплообменнике до 10° С часть влаги
конденсируется (8,1 гс/м3). При расходе воздуха 150 л(н)/мин будет за-
держиваться 1,21 гс/мин влаги (73 гс/ч). При конденсации пара в теп-
лообменнике выделится примерно 43 ккал тепла. С учетом тепла
28 ккал/ч, затрачиваемого на охлаждение воздуха (с 24 до 10° С), сум-
марный теплосъем составит 61 ккал/ч. При теплопродукции 200 ккал/ч
и допустимом теплонакоплении 100 ккал время работы установки 39 мин.
Для конденсации пара (73 гс/ч) в теплообменнике необходимо за-
тратить около 125 гс/ч хладагента (воды). В этом случае часовой рас-
ход кислорода и воды составит 1,405 кгс. С учетом веса газификатора
(2 кгс) будем иметь 3,4 кгс.
Этот вес в 1,7 раза меньше, чем вес системы вентиляционного типа
со свободной подачей кислорода.
Образцом такой АСЖ может служить АСЖ, изготовленная ib США
для полетов по программе «Джемини» и размещаемая на груди космо-
навта, как это показано на рис. 6. 11 и 6. 12.
3. АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
РЕГЕНЕРАЦИОННОГО ТИПА
АСЖ регенерационного типа работают по замкнутому циклу, так как
выходящая из скафандра газовая смесь, состоящая из кислорода, про-
дуктов дыхания и паров влаги, очищается и снова используется в систе-
ме для дыхания и вентиляции.
В настоящее время можно указать на следующие конструктивные
варианты таких АСЖ:
— с нерегенерируемыми поглотителями;
— с регенерируемыми поглотителями;
— с двухгазовой атмосферой.
Принципиальная схема АСЖ с нерегенерируемым поглотителем
показана на рис. 4.4. Смесь газов, выходящих из скафандра, в фильтре 1
очищается от взвешенных в ней твердых частиц.
Поглощение (сорбция) находящихся в этой смеси углекислого газа,
окиси углерода и пыли происходит в патроне 2 с нерегенерируемым (не
восстанавливаемым) для многократного использования поглотителем
В теплообменнике 6 кислород охлаждается до необходимой температуры
и снова подается в скафандр.
84
Кислород хранится под большим давлением ;в баллоне 3. Редуктор 5
понижает давление кислорода до 3—5 'кгс/см2.
На пульте управления 11 имеются контрольные приборы, позволяю-
щие следить за работой системы жизнеобеспечения.
Вентилятор 9 приводится во вращение электродвигателем, который
питается от бортовой сети корабля.
Контрольные приборы
Рис. 4.4. -Принципиальная схема АСЖ с нерегенерируе-
мым поглотителем:
1—фильтр для очистки газовой смеси от взвешенных в ней
твердых частиц; 2—регенерационный патрон (поглотитель угле-
кислого газа, окиси углерода и пыли); 3—'баллон с запасом
кислорода; 4—выпускной клапан; 5—редуктор; 6—теплообмен-
ник; 7—ранец; 8—смеситель: 9—центробежный вентилятор; 10—-
влагосборник; 11—пульт управления системой; 12—регулятор
давления в скафандре; 13— автомат расхода; 14—фал; 15—блок
телеметрического контроля
Давление в системе «скафандр— ранец» поддерживается автомати-
чески на определенном уровне регулятором 12 на скафандре. Регулиро-
вание давления по высоте осуществляется соответственно графику на
рис. 4. 5.
При понижении давления ib скафандре (вследствие негерметичности
скафандра или системы жизнеобеспечения) с помощью автомата расхо-
да 13 включается дополнительная (аварийная) подача кислорода
(см. рис. 4. 4)
В рассматриваемой АСЖ все ее агрегаты загерметизированы, в то
время как наспинный ранец не герметичен и служит только для разме-
щения агрегатов и защиты их от механических повреждений.
Примерные весовые данные системы приведены в табл. 4. 3.
Принципиальная схема автономной ранцевой системы жизнеобеспе-
чения с нерегенерируемым поглотителем (сорбентом) и герметичным
ранцем приведена на рис. 4. 6.
В этой системе очищенный в регенерационном патроне 2 кислород
поступает в герметичный ранец 4. Центробежный вентилятор 5 засасы-
вает кислород из ранца и направляет его в испарительный теплообмен-
ник 6. Во влагосборнике 7 содержащиеся в кислороде пары влаги кон-
денсируются в капельки и задерживаются.
Блок питания 12 представляет собой двухступенчатый редуктор, в
первой ступени (которого предусмотрено запорно-пусковое устройство,
позволяющее включать и выключать подачу кислорода с помощью дис-
85
Я км
Рис. 4.5. Изменение давления в скафандре по высоте Н:
/—изменение атмосферного давления по стандартной атмосфе-
ре; 2—при избыточном давлении 0,02—0,04 кгс/см2, создаваемом
вентилирующим воздухом; 3—максимальная «высота» в ска-
фандре (147 мм рт. ст.) при полете до 15 мин; 4—рабочая
«высота» в скафандре (197 мм рт. ст.), обеспечивающая на-
земные условия для дыхания; 5—расчетная «высота» в ска-
фандре (398 мм рт. ст.) из условия устранения возможности
появления высотных белей
Рис. 4.6. Принципиальная схема
гипотетической автономной ранце-
вой системы жизнеобеспечения
скафандра с нерегенерируемым по-
глотителем и герметичным ранцем.
1, 8—гибкие шланги; 2—патрон с нере-
генерируемым поглотителем; 3—инжек-
тор; 4—герметичный ранец; 5—венти-
лятор; 6—теплообменник; 7—влагосбор-
ник; 9—кислородный баллон; 10—руч-
ка дистанционного управления псда-
чей кислорода; //—зарядный штуцер;
/2—блок питания; 13—автомат расхо-
да; 14—клапан теплообменника; 15—
пульт управления системой; 16—изме-
рительный комплекс системы телемет-
рического контроля; /7—разъемные ко-
лодки
86
Таблица 4. 3
Примерные весовые характеристики ранцевой АСЖ регенерационного типа с нере-
генерируемым поглотителем
Наименование агрегатов, готовых изделий и деталей (позиции по рис. 4.4) Вес кге Примечание
Кислородный баллон 3 емкостью 1 л при избы- точном давлении около 500 кгс/см2 1,2 На 3-часовое пребыва- ние в открытом космосе
Детали: 20,2
Фильтр 1 Регенерационный патрон 2 Для поглощения 150 л СО2
Теплообменник 6 Для поглощения 1200 ккал тепла
Смеситель 8 Центробежный вентилятор 9 Электродвигатель вентилятора Влагосборник 10 Пульт управления 11 Измерительный комплекс Дистанционное управление И Ранец с привязными ремнями 7 Трубопроводы и арматура
Запас кислорода 400 л(н) 0,6
Хладагент (вода) 3,0
Итого 25,0 кге
танционного управления 10. В редукторе первой ступени давление пони-
жается до ГО—15 кгс/см2, в редукторе второй ступени — до 3—5 кгс/см2.
Вес блока питания по расчетам не превышает 1,3 кге, зарядного
штуцера 11 с обратным клапаном для заполнения баллона 9 газообраз-
ным кислородом — 0,3 гс.
Ток для питания потребителей электроэнергией (вентилятора, изме-
рительных устройств) подается от бортовых источников электричества.
Работа системы контролируется по приборам, устанавливаемым на пуль-
те управления 15 *.
Инжектор 3 включается автоматически или вручную при выходе из
строя вентилятора с помощью дистанционного управления.
В измерительный комплекс, смонтированный ,в блоке 16, входят
приборы для измерения:
— содержания углекислого газа и парциального давления кислоро-
да под шлемом скафандра;
— температуры кислорода (на (входе и выходе из скафандра), хлад-
агента, поверхности скафандра в нескольких точках;
* Абрамов И. П. Некоторые результаты работы автономной системы жизне-
обеспечения при полете космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5» — «Космическая би-
ология и медицина», 1970, № 4.
87
— давления в скафандре;
— запаса кислорода (по давлению его в баллоне).
Расчетный вес измерительного комплекса — порядка 0,3—0,4 кгс.
При возможных неисправностях в автономной системе жизнеобес-
печения срабатывает сигнализация и включаются дублирующие системы
ранца. В частности, в случае падения давления в скафандре автомати-
чески включается аварийная подача кислорода.
Управление ранцевой системой осуществляется с помощью специ-
альных рукояток, установленных в удобных для работы местах. В со-
Рис. 4.'8. Привязные ремни ранца АСЖ
скафандра:
/—плечевые ремни; 2—нижний ремень; <?—за-
мок; 4—блок дистанционного управления
АСЖ: 5—объединенный разъем
Рис. 4.7. Конструктивный
вариант устройства для
герметизации крышки
раита АСЖ скафандра:
/—крышка ранца; 2—кор-
пус ранца; 3—герметизиру-
ющая резиновая прокладка
став систем скафандра входит также аппаратура для медицинского
контроля состояния космонавта и для контроля работы отдельных агре-
гатов системы.
Ранец АСЖ должен быть легким и удобным, его конструкция дол-
жна позволять человеку быстро снимать и надевать ранец без посторон-
ней (помощи. Наиболее существенными элементами конструкции ранца
являются каркас и привязные ремни.
Один из возможных конструктивных вариантов устройства для гер-
метизации крышки ранца показан на рис. 4.7, а привязной системы— на
рис. 4. 8.
В качестве исходных данных для расчета системы принимаем: рас-
ход кислорода для дыхания 80 л(н)/ч и соответственно 30 л/(н)/ч для
компенсации утечек. Выделение СОг при дыхательном коэффициенте
0,8 составляет 64 л/(н) /ч.
Вес веществ с учетом веса агрегатов, необходимых для их хране-
ния, для работы этой установки в течение 1 ч составит:
Кислород.........................................................0,154 кгс
Поглотительный патрон............................................0,3 ,
Баллоны для хранения кислорода .................................. 0,354 я
Хладагент (вода) для отвода тепла (130 ккал/ч)................... 0,26 „
Итого:
1,068 кгс
Принципиальная схема АСЖ с нерегенерируемыми поглотителями
и дополнительным контуром для охлаждения воды, циркулирующей в
88
костюме космонавта с жидкостным охлаждением (КЖО), показана на
рис. 4.9. В этой системе выходящая из скафандра газовая смесь с кис-
лородом очищается от содержащихся в ней продуктов дыхания в пат-
роне 2.
Очищенный кислород затем охлаждается в одном из контуров ис-
парительного теплообменника 3 и направляется в скафандр. Циркуляция
Рис. 4.9. Гипотетическая принципиальная схема <АСЖ с нерегенерируемым поглотите-
лем и дополнительным контуром для охлаждения воды, циркулирующей в КЖО кос-
монавта:
/—объединенный разъем коммуникаций; 2—регенерационный патрон с нерегенерируемым поглоти-
телем; 3—теплообменник; 4—влагопоглотитель; 5—вентилятор; 5—датчик рабочего вентилятора; 7—
обратный клапан; 8—компенсатор утечек Ог; 9—газоанализатор по СО2; 10—датчик давления Оу.
//—вентиль; /2—датчик давления Н2О; 13—водяной насос; 14—редуктор II ступени; /5—редуктор
I ступени; 16—вентиль; /7—зарядный штуцер; 18—кислородный баллон; 19—водяной вентиль; 20—
обратный клапан; 2/—водяной бак; 22—обратный клапан; 23—манометр; 24—электрический акку-
мулятор; 25—датчик температуры Н2О; 26—датчик влажности; 27—вывод для радиосвязи; 28— вы-
вод для телеметрии
кислорода (В системе обеспечивается вентилятором 5. Другой контур
теплообменника, обеспечивающий охлаждение воды, циркулирующий
в КЖО, 'Состоит из насоса 13, водяного бачка 21, (вентиля 11 и обрат-
ного клапана 20.
Температура воды в этом контуре регулируется с помощью байпас-
ной (перепускной) линии и крана 11 (принцип и особенности работы
костюма с жидкостным охлаждением рассмотрены в гл. 7). Запас кис-
лорода хранится в баллоне 18. Давление кислорода понижается редук-
торами 14 и 15.
Ориентировочные весовые характеристики этой системы приведены в
табл. 4. 4.
89
Таблица 4.4
Примерный состав автономной ранцевой АСЖ регенерационного типа
с контуром охлаждения КЖО
Наименование блоков, агрегатов готовых изделий и деталей (позиции по рис. 4.9) Вес, кге
Кислородный блок 5,6
Кислородный баллон 18 емкостью 1 л при избыточном давлении около
500 кгс/см2 Вентиль 16 с зарядным штуцером 17 Редуктор I ступени 15 Редуктор II ступени 14 Трубопроводы с арматурой Прочие детали Система регенерации 9,2
Поглотительный патрон 2 Вентилятор с двигателем 5 Теплообменник 3 Насос 13 с двигателем Водяной бак 21 Трубопроводы и арматура Прочие детали Прочее оборудование 8,9
Расходуемые вещества 5,6
Итого:
АСЖ без расходуемых веществ 23,7
АСЖ полностью снаряженная 29,3
Вес агрегатов и расходуемых веществ, необходимый для работы
АСЖ ic :нерегенер|ируемым'и поглотителями и дополнительным контуром
для охлаждения воды в КЖО в течение 1 ч, составит:
Кислород......................................................0,154 кге
Баллоны для хранения кислорода................................ 0,354 „
Хладагент (вода) для циркулирующего в системе газа............ 0,072 w
Хладагент (вода) для циркулирующей в КЖО жидкости (350 ккал/ч) .0,6
Пюглотителыный патрон.........................................0,7
Итого: 1,88 кге
Продолжительность работы рассмотренных выше систем жизнеобес-
печения будет определяться временем работы нерегенерируемых патро-
нов, поглощающих выделяемые -человеком при дыхании углекислый газ
и влагу. Если это время меньше, чем требующаяся продолжительность
непрерывного пользования скафандром, то, естественно, отработавшие
поглотители должны быть заменены, что практически возможно только
после выключения системы и временного прекращения пользования ска-
фандром. Время действия сорбентов может быть увеличено путем их
восстановления (десорбции).
90
П ,р и и ц и л и а л ь и а я схема А СЖ с р е г е н е <р и ;р у е м ы м ,и
по глотителям и показана на рис. 4.10. Газовая смесь, выходящая из
скафандра и содержащая углекислый
газ, влагу и вредные примеои, проходя
через патрон /, осушается, а проходя че-
раз патрон 2, очищается от углекислого
газа. В патроне 3 происходит поглощение
остальных примесей (окиси углерода,
ароматических веществ). Пользуясь кра-
ном 4, ,можно направлять газовую смесь
в патроны 1 и 2 или в патроны 5 и 6.
Кран 7 позволяет сообщать группу пат-
ронов с космическим пространством для
восстановления (десорбции) поглотителя,
а кран 4 — подключать скафандр к той
или иной группе патронов. При подклю-
чении к крану 7 влага, накопившаяся
в патронах 1 и 5, испаряется, замерзает
и сублимируется. В результате патроны
охлаждаются, поэтому при их повторном
использовании необходимо затрачивать
тепло на подогревание. При сообщении
патрона 2 с космосом углекислый газ,
накопившийся в поглотителе патрона,
удаляется наружу.
В остальном рассматриваемая систе-
ма с регенерируемыми поглотителями не
отличается от АСЖ, представленной на
рис. 4.9.
Высказываются мнения, что системы
с регенерируемыми поглотителями найдут
применение для длительного .(более 10—
15 ч) пребывания космонавта в открытом
космосе.
Вес агрегатов и расходуемых веществ
для работы АСЖ с регенерируемыми
поглотителями в течение 1 ч составит:
Рис. 4.10. Гипотетическая
принципиальная схема АСЖ
с регенерируемыми поглоти-
|т елями:
/, 5—'регенерируемые поглоти,
тели влаги; 2, 6—регенериру-
емые поглотители углекислого
газа; 3—«поглотитель окиси уг->
лерода и других вредных газо-
вых примесей; 4, 7, Я—треххо-
довые краны; 9—шланг для
вывода газовой смеси из ска-
фандра; 10—*Шланг для подачи
очищенного кислорода в ска-
фандр; //—вывод газсв в кос-
мос
Кислород ..........................................................0,154 кге
Баллоны для хранения кислорода..................................0,354
Хладагент (вода) для циркулирующих в системе газа и жидкости (теп-
лопродукция 400 ккал/ч)..........................................0,67
Итого: 1,178 кге
Система жизнеобеспечения скафандра с двухгазовой атмосферой
основана на использовании в ней кислорода и гелия. В такой системе
при общем давлении в скафандре 300 мм рт. ст. парциальное давление
кислорода должно составлять не менее 160 мм рт. ст. Оба газа при этих
давлениях могут (быть предварительно смешаны и храниться в одном
баллоне.
С учетом возможных утечек парциальное давление кислорода целе-
сообразно несколько увеличить, например до 200 мм рт. ст.
По сравнению с кислородом и воздухом гелий обладает значительно
большими удельной теплоемкостью при постоянном объеме и теплопро-
водностью, а именно:
91
Кислород Гелий
Удельная теплоемкость в ккал/кгс • ° С
при (ГС 0,218 1,243
при 100° С 0,223 1,243
Коэффициент теплопроводности в ккал/(м • ч • ° С):
при (ГС 0,021 0,123
при10(ГС 0,028 0,154
Эти свойства гелия позволяют ib значительной степени увеличить ко-
личество отводимого им тепла и, следовательно, уменьшить количество
циркулирующего »в системе газа и мощность двигателя вентилятора. При-
менение гелия значительно повышает пожарную безопасность системы
по сравнению с системой, использующей кислород.
Р.ис. 4.11. Принципиальная схема АСЖ с регенерируемыми погло-
тителями и двухгазовой атмосферой для скафандра с водяным
'Охлаждением:
/, 9—’Поглотители влаги; 2, 16—поглотители углекислого газа; 3—поглоти-
тель окиси углерода и других вредных газообразных веществ; 4—торои-
дальный кислородный баллон; 5—редуктор; 6—баллон с гелием; 7—тру-
бопровод; 8—вентилятор; 11—вакуумный кран; 12—теплообменник; 13—бак
с водой; /-/—испарительный теплообменник; /5—водяной насос; 16—
вакуумный клапан; /7—зарядный кран
На рис. 4. 11 приведена принципиальная схема АСЖ с кислородно-
гелиевой атмосферой.
В патроне 1 происходит поглощение из газовой смеси паров воды,
в патроне 2—углекислого газа, а .в патроне 3—окиси углерода, аро-
матических и прочих газовых веществ. Кислородный баллон 4, имеющий
форму тора, расположен на шее космонавта. Газообразный гелий хра-
92
нится в баллоне 6. Патроны 1, 2, 9 и 10 могут апериодически сообщаться
с наружной средой для восстановления (регенерации) в них погло-
тителя.
Рис. 4.12. Американский полужесткий скафандр с АСЖ, схема которой показана
на рис. 4.11:
/—жесткая рубашка скафандра; 2—мягкая часть скафандра; 3—^плечевой шарнир; 4—купо-
лообразный шлем; 5—бачок для воды; 6—-поглотители углекислого газа; 7—тороидальный
кислородный баллон; 8—светофильтр; 9—поглотители влаги
Охлаждение циркулирующего -в системе газа происходит в теплооб-
меннике 12.
Охлаждение КЖО осуществляется с помощью бака 13, в котором
содержится запас воды (хладагента), насоса 15, обеспечивающего цир-
Таблица 4. 5
Сравнительные характеристики различных АСЖ для космических скафандров
Наименование АСЖ Коли- чество отводи- мого тепла ккал/ч Вес веществ, расходуе- мых в тече- ние 1 ч, и агрегатов для их хра- нения, кгс Вес, отне- сенный к часовому отводу тепла гс/ккал Особенности применения АСЖ
Вентиляционного типа со свободной подачей кислорода (см. рис. 4. 1) 20—40 6,0 300—150 При кратковременном (до 30 мин) пребывании в открытом космосе
Вентиляционного типа с принудительной подачей кислорода инжектором (см. рис. 4.3) ~60 3,4 68-48 При кратковременном (до 60 мин) пребывании в открытом космосе
Регенерационного типа с нерегенерируемыми по- глотителями (см. рис. 4.4) 150—200 1,6 10,6—8 При сравнительно не- больших энергозатратах
Регенерационного типа двухконтурная с н©гене- рируемыми поглотителя- ми (см. рис. 4. 9) 400—500 1,88 4,7—3,7 При больших энергоза- тратах
Регенерационного типа с регенерируемыми пог- лотителями (см. рис. 4.10 и 4. 11) 400—500 1,78 2,9—2,3 При длительном пребы- вании в открытом кос- мосе (более 10—15 ч)
93
куляцию жидкости и испарительного теплообменника 14. Нагретая во-
да, поступающая из КЖО, проходит черев теплообменник 14 и охлаж-
денная и нем поступает в бак 13. Образующиеся в испарителе 14 во-
дяные пары выводятся в окружающее пространство через клапан 16.
Компоновка агрегатов этой системы на космонавте показана на
рис. 4. 12 *.
Сравнительные характеристики описанных систем жизнеобеспече-
ния сведены в табл. 4.5.
4. АГРЕГАТЫ И АРМАТУРА СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
Трубопроводы, соединительная арматура и гибкие шланги
В системах жизнеобеспечения трубопроводы и гибкие шланги, как
и соединительная арматура к ним, являются важнейшими элементами
их конструкции.
В автономных системах жизнеобеспечения применяются как бес-
шовные трубы из нержавеющей стали, меди и алюминиевых сплавов,
так и сварные трубы из мягких сплавов на алюминиевой основе.
8)
Рис. -4.13. Неразъемные соединения, герметизируемые пайкой или
сварной;
а—с прямой муфтой (а~6); б—с расширением одной из труб; в—с косой
муфтой: а-^гелескопическое
Медные трубы (ГОСТ 617—64) с толщиной стенок до 0,5 мм ис-
пользуются для транспортирования кислорода (воздуха) при высоких
давлениях.
Трубы из алюминия и алюминиевых сплавов (ГОСТ 4773—65),
отожженные, закаленные и нагартованные, также применяются для
транспортирования кислорода (воздуха) и различных жидкостей при не-
высоких давлениях.
Типовые неразъемные соединения труб, герметизированные пайкой
и сваркой, показаны на рис. 4. 13. Сварка производится в атмосфере
аргона.
В разъемных соединениях труб широко применяется развальцовка
концов трубок, как это показано на рис. 4. 14. При развальцовке долж-
на быть обеспечена чистота V7 поверхности развальцованной части
трубки.
Соединения с развальцовкой трубок просты конструктивно и в изго-
товлении. Считается, что они годны лишь для давлений до 200—
300 кгс/см2. Следует иметь в виду, что трубы должны развальцовывать-
ся в холодном состоянии, при этом не допускается образование трещин
на концах труб и увеличение диаметра более чем на 35%.
* Сведения о системе были сообщены на XVII астрономическом съезде в Белграде
(1967 г.) членами американской делегации.
94
В ниппельных соединениях трубок герметичность обеспечивается хо-
рошим контактом 1поверхностей ниппеля (шарового или конического) и
штуцера (рис. 4. 15). Конструкции с шаровыми ниппелями применяются
до давлений.300'—400 кгс/см2.
Сферический ниппель приваривается к трубе встык (рис. 4. 15, а)
или с заделкой конца трубы в расточке ниппеля (рис. 4. 15,6). Уста-
лостная прочность соединения в последнем случае примерно в два раза
больше, чем в первом. Сварку рекомендуется производить токами высо-
кой частоты.
Рис. 4.14. Типовые для АСЖ разъемные соединения труб по
наружному конусу с развальцовкой их концов:
/—ниппель; 2—гайка; 3—штуцер; 4—развальцованная часть трубы; 5—
уплотнительная прокладка (шайба)
Гибкие шланги для кислородных приборов, изготовляемые в СССР,
конструктивно выполняются в вариантах, представленных на рис. 4. 16.
Вариант «а» имеет внутреннюю резиновую камеру с одним или не-
сколькими -слоями ткани по концам (для усиления манжет), стальную
проволочную спираль, резиновый слой.
Во всех конструктивных вариантах на концах шлангов имеются
мягкие манжеты.
Эти шланги применяются при температурах от —50 до +55° С и
при рабочем давлении (в зависимости от типа и диаметра) от 0,3 до
8 кгс/см2.
Применяются также резиновые шланги с наружной металлической
оплеткой (рис. 4.16,6). Гибкие шланги изготовляются с диаметрами от
4 до 25 мм.
Один из наиболее совершенных способов соединения гибких шлан-
гов показан на рис. 4.17. Он применяется при давлениях 100—150 кгс/см2.
На конце зажимной обоймы 1 имеется внутренняя нарезка с большим
шагом. При монтаже сначала шланг 3 ввертывается до упора в обойму /,
которая затем навертывается на конический штуцер 2, плотно зажимая
конец шланга.
Для агрегатов и узлов, работающих в среде кислорода, применяют-
ся алюминиевые сплавы (АМгб, Д16, В95 и др.) и углеродистые стали.
При давлении кислорода до 65 кгс/см2 агрегаты и узлы можно изготав-
ливать из нержавеющей стали, а при больших давлениях — из сплава на
медной основе.
В качестве прокладочного материала для уплотнения могут приме-
няться резины, парониты, фторопласт и фибра.
95
Рис. 4.Г5. Соединения труб по внутреннему ко-
нусу:
а—шаровсй (сферический) ниппель, приваренный к тру-
бе встык; б—-шаровой ниппель с заделкой конца трубки
в его расточке; /—штуцер; 2—накидная гайка; 3—нип-
пель; 4—уплотнительная шайба
Рис. 4.16. Гибкие резиновые
шланги для кислородно-дыха-
тельной аппаратуры, изготов-
ляемые в СССР:
а—с металлическим каркасом; б—
с металлической оплеткой; /—ме-
таллический каркас; 2—металличе-
ская оплетка; <?—резиновый слой;
4~прокладка из ткани
Рис. 4.17. Типовое соединение резино-тканевых шлангов:
/—зажимная обсйма; 2—ниппель; 3—шланг; 4—металлический каркас
96
Гидравлический расчет трубопроводов систем жизнеобеспечения
для скафандров производится для определения:
— диаметра и гидравлического -сопротивления трубопровода,
— потребной мощности и силовых характеристик 'источников энер-
гии, обеспечивающих перемещение рабочего тела по трубопроводу.
В основу гидравлического расчета трубопровода положена извест-
ная формула
v = QIF,
где v — заданная средняя по сечению скорость течения рабочего тела
(воды, газа), F — площадь сечения трубопровода; Q — заданный расход
рабочего тела.
Течение реальных (вязких) жидкостей (газов) по трубопроводам
и агрегатам системы сопровождается потерями напора на преодоление
сопротивлений, причем (величина этих потерь зависит при прочих рав-
ных условиях от характера течения жидкости.
При ламинарном течении потери напора из-за трения не зависят от шероховато-
стей на внутренней поверхности трубы, в то время как при турбулентном течении такая
зависимость имеет существенное значение.
Средняя высота отдельных бугорков определяет собой величину абсолютной шеро-
ховатости k, а отношение последней к внутреннему диаметру трубы D — величину от-
носительной шероховатости, е=Л/£> (для цельнотянутых труб из латуни и стекла
€==0!,0015н-0,01, для стальных 8=0,02-4-0', 10).
Переход от ламинарного к турбулентному потоку, как известно,
наступает при определенных условиях, характеризуемых числом (крите-
рием) Рейнольдса Re.
Применительно к течению жидкостей в трубах круглого сечения
критерий [5]:
v Dv k 7
где v—средняя по сечению скорость течения; D — внутренний диаметр
трубопровода; v—коэффициент кинематической вязкости (v = p/p).
При расчетах следует учитывать, что с увеличением температуры
динамическая вязкость жидкостей уменьшается, а газов возрастает.
Динамическая вязкость газов и паров при различных температурах
с достаточной для практических расчетов точностью может быть опреде-
лена по формуле Сутерленда [22]:
1 + 273 + t
где цо — динамическая вязкость газа при 0°С; С — постоянная, завися-
щая от рода газа.
Для упрощения расчетов значения по формуле (4. 2) динамической
вязкости некоторых газов при различных температурах и постоянной С
приведены в табл. 4. 6, а кинематической вязкости для тех же газов при
различных температурах — в табл. 4. 7.
Как показали расчеты, при определении коэффициента динамичес-
кой вязкости ц при давлениях до 10 кгс/см2 влиянием давления на вяз-
кость газов можно пренебрегать.
Коэффициент кинематической вязкости смеси газов определяется по
йриближенной формуле Манна [2]:
100
V =-----------------------
СМ + + ^3
Vj V2 V3
(4-3)
7 1341
97
где vi, V2, v3—коэффициенты кинематической вязкости отдельных газо-
вых компонентов смеси; V2, Уз,—— объемные содержания газовых
компонентов смеси (-в процентах).
Таблица 4. 6
Значения коэффициента динамической вязкости газов при давлении 760 мм рт. ст.,
различных температурах и значениях постоянной С, рассчитанные по формуле
Сутерленда, в мкпз [2]
Наименование газов Температура газов в °C Значение постоянной С
—20 0 20 40 60 80 100
Азот 157,5 166 174,8 183,5 192,5 200 208 104
Водород 80,4 84,0 88,0 91,8 95,9 99,6 103,0 71,0
Водяной пар 82 89,3 96,7 104,0 111,3 118,7 126,0 961
Воздух 162,0 171,2 180,9 190,4 199,8 208,9 219,0 111
Гелий 175,0 186,0 195,5 204,0 213,5 220,5 229,0 0
Кислород 181,0 192,0 202,5 213,0 223,5 234,0 244,0 125
Углекислый газ 128 138,0 147,0 157,0 167,0 175,5 184,5 254
Для определения коэффициента динамической вязкости смеси газов
пользуются следующей приближенной формулой [23]:
Мем
1000
^1 | ^2 | ^3
М-1 М-2 мз
(4.4)
где ць Ц2, Цз— коэффициенты динамической вязкости газовых компонен-
тов; Gb G2, G3 — процентное содержание газовых компонентов смеси
по весу.
Таблица 4. 7
Значения коэффициента кинематической вязкости некоторых газов в сСт при дав-
лении 760 мм рт. ст. и различных температурах [2]
Наименование газов Температура газов в °C
—20 0 20 40 60 80 100
Азот 11,67 13,3 15,0 16,8 18,8 20,6 22,3
Водород 84 93,5 105,0 117,3 130 143 156,6
Водяной пар 9,5 И,2 12,9 14,8 16,9 18,6 21,5
Воздух 11,6 13,2 15,0 16,9 18,8 21 23
Гелий 9,1 10,4 11,7 13,1 14,5 16,0 17,5
Кислород Н,4 13,4 15,3 17,1 19,0 21,1 23,4
Углекислый газ 5,62 7,0 8,0 9,0 10,3 12,1 12,8
Необходимые для (расчетов значения динамической и кинематичес-
кой вязкости воды при различных температурах и давлениях приведены
в табл. 4. 8.
Для каждой конкретной системы (агрегата) существует некоторый
диапазон критических значений числа Re, при которых в трубопроводах
изменяется режим течения газа.
98
Таблица 4. 8
Значения коэффициентов динамической а и кинематической v вязкости воды при
различных температурах и давлении [22]
Коэффициент вязкости Давление в кгс/см2
1,0 1,03 15,86 87,61 214,68
Температура воды в °C
0 20 | 40 60 80 100 200 300 370
pi-106 в кгс м2 V-106 В м2( с 182,3 1,792 102,4 1,006 66,6 0,659 47,9 0,478 36,2 0,365 28,8 0,295 13,9 0,158 9,3 0,128 5,8 0,126
Ламинарному режиму течения ib трубах круглого сечения соответст-
вуют значения Re^22004-2300 и турбулентному Re^22004-2300 [2].
Потери напора при движении реальной (вязкой) жидкости (газа)
по трубопроводу вызываются потерями напора в результате трения газа
о стенки трубы (Лт) и местными потерями напора (/гм) на участках, где
скорость потока меняется по величине или направлению.
Потери напора на трение Дт в прямолинейных трубопроводах опре-
деляются по формуле Дарси [15]:
, > I V2
-------------,
т D 2g
(4- 5)
где % — коэффициент сопротивления трения; I — длина трубопровода;
D — внутренний диаметр трубопровода; v — средняя скорость; g— уско-
рение силы тяжести, или
/ «2
4'' = iVD'V (4'6’
где Др — потеря напора в кгс/см2.
При расчетах по формулам (4. 5) и (4. 6) можно принимать при ла-
минарном течении
^ам =—=— ДЛЯ круглой трубы [4];
\1аМ —0’89для прямоугольной трубы [19];
64
— для кольцевого зазора [19].
(4. 7)
Влияние температуры на ^Лам учитывается по формуле
‘лам
64
Re
(4. 8)
где Re— число Рейнольдса, подсчитанное по средней вязкости жидкости;
vz — вязкость жидкости, соответствуюгцая средней температуре стенки;
v — средняя вязкость жидкости.
7*
99
При турбулентном режиме течения жидкости в круглых прямоли-
нейных трубах потери напора на трение [4]:
Лт=ХтурТяГ V (4'9)
где /?г — 'гидравлический радиус, определяемый отношением
= (4.10)
Здесь F — площадь сечения (живое сечение) трубы; % — смоченный пе-
риметр.
Гидравлический радиус трубы:
а) для круглого сечения
= = I4'1”
б) для прямоугольного сечения со сторонами а и b
в) для квадрата со стороной а
Нг=ф. (4. 13)
Для определения коэффициента сопротивления трения можно поль-
зоваться формулой [4]:
Хтур =-------5-------- (4. 14)
тур (1,81 lg Re—1,5)2
или формулой Блязиуса [11]:
1 °’3164 (Л 1.П
Хтур= . " (4-15)
у Re
Формулы (4. 14) и (4. 15) применяются для так называемых техни-
чески гладких труб, т. е. труб, шероховатость внутренних поверхностей
которых столь мала, что на сопротивление практически не 'влияет. К чис-
лу технически гладких труб можно отнести применяемые в авиационной
практике цельнотянутые трубы из цветных и черных металлов.
Для гибких резино-тканевых шлангов [5] по эмпирической формуле
Хш = 0,011 + 0,917 Re-0’41, (4. 16)
а для прорезиненных шлангов, армированных внутри проволокой,
где Хш — коэффициент сопротивления, вычисленный по формуле (4.16);
д — высота местных бугорков в мм; I — шаг проволочной спирали в мм;
D — внутренний диаметр шланга в мм.
Местные потери напора, обусловленные местными изменениями фор-
мы и размеров трубы, определяются через коэффициент местного сопро-
тивления, т. е.
Ам=?м^- (4.18)
2g
ИЛИ ^Рм==^м~- - (4.19)
100
где Лм — потери напора в единицах высоты столба жидкости; £м — ко-
эффициент местного сопротивления, устанавливаемый опытным путем;
у—удельный вес жидкости; Др — потери напора в единицах дав-
ления.
Величина коэффициента в |большинстве случаев определяется из
опытов [3], например:

Рис. 4.18. Зависимость коэффици-
ента местного сопротивления
колена трубы, изменяющего на-
правление течения жидкости под
углом 90°, от относительного ра-
диуса изгиба r/D (по эксперимен-
тальным данным работы [3])
а) для вентилей
£м = 2,54-3,0 — при изменении направления течения жидкости на 90°;
1м =0,54-1 —при изменении направления течения на небольшой угол
или без изменения направления движения;
б) для распределительных и обратных клапанов £м = 2ч-3;
в) для колен трубопроводов, плавно изменяющих направление те-
чения на угол 90°, коэффициент можно определять по графику, при-
веденному на рис. 4.118 [3];
г) для тройников, разделяющих и соединяющих потоки, а также для
угольников, отклоняющих потоки под различными углами, коэффициент
£м берется по рис. 4. 19 [3];
Р.ис. 4.19. Различные типы тройников для труб и величины их коэффициента ме-
стного сопротивления (по экспериментальным данным)
д) при резком расширении трубы в направлении движения потока,
в результате которого скорость потока на участке изменения сечения
уменьшается, коэффициент gM. расш определяется по формуле
§м.расш==(1—(4.20)
где Fi и Ft—'площади внутреннего сечения трубы на участке расшире-
ния F2>Fi.
Потери напора, обусловленные резким расширением сечения трубо-
провода, можно существенно снизить устройством диффузора, наивы-
годнейший угол которого для круглых труб составляет 7°—9°.
101
Резкое сужение трубы в направлении движения потока (влечет за со-
бой обычно меньшие потери напора, чем резкое расширение три одина-
ковых в обоих (случаях соотношениях площадей Гг/Л- Коэффициент со-
противления при резком (сужении трубы определяется по формуле
(4.21)
Суммарные потери напора в системе определяются суммировани-
ем потерь давления на отдельных магистралях и участках трубы.
Источники электрической энергии для автономных систем
жизнеобеспечения
В системах жизнеобеспечения скафандров потребителями электри-
ческой энергии являются вентиляторы, средства радиосвязи и телемет-
рии, насосы, измерительные устройства, нагревательные элементы остек-
ления шлема скафандра.
В аварийной обстановке, очевидно, необходимо, чтобы системы жиз-
необеспечения получали электроэнергию непрерывно в течение всего
времени существования такой обстановки.
В АСЖ скафандров применяются электрохимические источники тока
(ЭХИТ) — аккумуляторы, гальванические и топливные элементы, а так-
же солнечные батареи.
К источникам электрической энергии, на основании опыта использо-
вания АСЖ, предъявляются следующие требования: надежность и без-
опасность применения, отсутствие вредного воздействия на окружающую
среду и человека (выделение вредных газов и паров, чрезмерное тепло-
излучение и проч.), работоспособность в условиях глубокого вакуума и
невесомости, возможно меньшие габариты и вес, сохранение постоянными
энергетических характеристик в течение заданного времени, необходи-
мая механическая прочность, возможность работы при любом прост-
ранственном положении, малое внутреннее сопротивление.
Электрические аккумуляторы представляют собой химические ис-
точники электрической энергии многоразового действия, в то время как
гальванические элементы после разрядки к дальнейшей работе не
пригодны.
Электрохимические источники тока характеризуются энергетичес-
кими и эксплуатационными показателями. К первым относятся: элект-
родвижущая сила и напряжение, внутреннее сопротивление, емкость,
энергетическая отдача, величина саморазряда. Вторыми показателями
являются срок службы, продолжительность работы и диапазон рабочих
температур. Рассмотрим более подробно некоторые из этих показателей
ЭХИТ. Обычно отдаваемая емкость ЭХИТ определяется при постоянном
разрядном токе /р в течение такого времени, при котором напряжение
снизится до допустимого минимального его значения.
При этих условиях отдаваемая емкость
Q=/₽ \udx = ^^-x, (4.22)
о н
где ии и «к— напряжение в начале и в конце разряда; — сопротивле-
ние нагрузки внешней цепи; т — продолжительность разряда ЭХИТ.
Энергетическая отдача ЭХИТ при постоянном разрядном токе /р:
М7=/рТ«ср = 4^Т,
где wCp — среднее напряжение за время разряда.
102
Отдаваемая емкость 'и энергетическая отдача конкретного ЭХИТ
существенно уменьшаются с увеличением силы разрядного тока или
уменьшением продолжительности разряда. Поэтому образец ЭХИТ сле-
дует подбирать по заданному режиму разряда (продолжительность
разряда или сила разрядного тока).
Кроме того, выбор типа ЭХИТ необходимо связывать с его удельно-
весовой емкостью и энергетической отдачей: Qg = Q/G А-ч/кгс, Wg =
= W/G Вт-ч/кгс, а также с характеристикой удельно-объемной емкости
и удельно-объемной энергетической отдачи: QvQ/V А-ч/эм3
WvW/V Вт-ч/эм3, где Q — отдаваемая емкость в А-ч; G — вес ЭХИТ
в кге; V — объем ЭХИТ в дм3.
Для образцов ЭХИТ, изготовляемых ib СССР, эти удельные харак-
теристики приведены в табл. 4. 9.
Таблица 4. 9
Удельные характеристики электрохимических источников тока, изготовляемых в
СССР [6]
Наименование и марка источника тока Удельные характеристики
по ^объему по весу
А-ч дм3 Вт-ч дм3 А-ч кге Вт-ч кге
Первичные источники тока (гальванические элементы)
Марганцово-цинковая батарея 3,7 ФМЦ-0,5 (батарея для карманного фонаря) 12,5 15 6,6 8
Стаканчиковый элемент МЦ 63 76 38 46
Марганцево-магниевый элемент (в длительном режиме разряда) 130 200 64 97
Окиснортутный элемент ОР 270 300 62 68
Хлорно-свинцовый элемент 70 127 27 46
Серебряно-магниевый элемент 40 61 37 55
Серебряно-цинковый элемент (в стартерном режиме разряда) 130 200 48 70
Марганцево-воздушно-цинковый элемент (в длитель- ном режиме разряда) 91 105 46 55
Вторичные источники тока (аккумуляторы)
Кислотные свинцовые (авиационного типа) 39 58 16 26
Щелочные кадмиево-никелевые ламельные 36 43 13 16
Щелочные кадмиево-никелевые безламельные 54 65 32 38
Серебряно-цинковые 160 260 80 120
Серебряно-кадмиевые 172 220 38 53
Многие типы ЭХИТ с жидкими электролитами (водные растворы
кислот или щелочей), во время работы выделяют пожаре- или взрыво-
опасные и вредные для человека газы (водород, пары серной кислоты
и др.). Естественно, что для таких ЭХИТ необходимы надежные меры,
локализующие эти недостатки и возможные аварийные обстоятельства.
Кроме того, следует герметизировать эти источники тока для пре-
дотвращения испарения из них электролита и увеличения его плотности.
Герметизирующее устройство снабжается клапаном для выпуска выде-
ляющихся газов. В то же время клапан не должен допускать образова-
ние разрежения (вакуума) в корпусе ЭХИТ.
103
Существенным недостатком химических источников тока является
потеря ими емкости с течением времени при отсутствии внешней нагруз-
ки В’следот®ие саморазряда, величина которого определяется из соотно-
шения
с= Qh~9xp .100, (4.23)
Qh
где QH — начальная (номинальная) емкостью; Qxp — емкость после
хранения.
Данные о величине саморазряда некоторых ЭХИТ, изготовляемых
в СССР, приведены в табл. 4. 10.
Таблица 4.10
Экспериментальные данные о величине саморазряда некоторых электрохимических
источников тока, изготовляемых в СССР [6]
Тип источника тока Величина саморазряда в %
Температура электролита в °C
+40 + 20
Марганцево-цинковые элементы и батареи ФМЦ галетные и стаканчи- ковые Окиснортутные элементы Кислотный свинцовый аккумулятор Железо-никелевый аккумулятор Кадмиево-никелевый аккумулятор ламельный Кадмиево-никелевый аккумулятор безламельный Серебряно-цинковый аккумулятор 100% за 30 суток 23% за 30 суток 20—22% за 30 суток 100% за 55 суток при +35 °C 25—30% за 4—12 месяцев Около 10% за 1 год 21% за 30 суток 18—35% за 30 суток 11—18% за 30 суток 15% за 30 суток 30% за 6 месяцев
Разрядные характеристики приобретают 'большое значение при низ-
ких температурах, так как у всех ЭХИТ (без исключения) с понижени-
ем температуры активной массы и электролита отдаваемая емкость и
энергетическая отдача снижаются (рис. 4. 20).
На летательных аппаратах (ЛА) наиболее широко применяются
серебряно-цинковые аккумуляторы, которые отличаются от обычных ще-
лочных или кислотных аккумуляторов (рис. 4. 21).
Габаритные и весовые характеристики различных типов серебряно-
цинковых аккумуляторов приведены в табл. 4. 11, 4. 12 и 4. 13.
Предельная положительная температура для серебрянр-цинковых
аккумуляторов равна 50° С. Их электролитом является водный раствор
химически чистого едкого калия с плотностью 1,4. При использовании
серебряно-цинковых аккумуляторов в вакууме их помещают в герметич-
ный кожух, снабженный клапаном для выпуска газов, выделяемых акку-
мулятором при работе.
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы в отличие от серебряно-цинко-
вых допускают герметизацию и пригодны для работы в вакууме без до-
полнительного кожуха.
Топливные элементы являются источниками электрической энергии,
в которые химическая энергия топлива непосредственно преобразуется
104
в электрическую, минуя обычные стадии при выработке электрической
энергии тепловыми машинами:
— сжигание топлива для преобразования его химической энергии
в тепловую;
— преобразование тепловой энергии в механическую при помощи
теплового двигателя;
— превращение механической энергии
в электрическую при помощи электрических
генераторов.
По принципу действия топливные эле-
менты относятся также к электрохимическим
источникам тока. В настоящее время с по-
мощью водородно-кислородных топливных
элементов удается превращать около 70%
Рис. 4.20. Экспериментальные зависимости
удельной весовой энергетической отдачи
(при 10-часовом режиме разряда до напря-
жения 1 В щелочных и 1,7 В кислотных
ЭХИТ) электрохимических источников тока
от температуры [7]:
/—серебряно-цинковые аккумуляторы; 2—безла-
мельные кадмиево-никелевые аккумуляторы; 3—
ламельные кадмиево-никелевые аккумуляторы
Рис. 4.21. Конструктивная
схема серебряно-цинкового
аккумулятора [6]:
1—борн (клемма) положитель-
ный; 2—гайка борна; 3—крыш-
ка; 4—сосуд; 5—сепаратор от-
рицательного электрода; 6—
отрицательный электрод; 7-по-
ложительный электрод; 8—то-
коотвод; 9—борн отрицатель-
ный; 13—заливсчное отверстие;
//—пробка
заключенной в них химической энергии в электрическую. Теоретически
эту цифру можно поднять до 90%.
В основе рабочего процесса топливного элемента лежит реакция
электрохимического соединения иодорода с кислородом, при которой
Таблица 4.11
Габариты и вес серебряно-цинковых аккумуляторов СЦК, изготовляемых в СССР
Условное обозначение* Габариты, мм Вес, гс
длина ширина высота с борнами без электро- лита с электро- литом
сцкз 43 18 77,5 85 105
СЦК18 49 34 116,5 275 345
СЦК25 49 49 137,5 450 555
СЦК40 55 51,5 159 620 785
СЦК45 55 51,1 159 630 800
СЦК50 65 50 162 750 985
* Цифра в конце обозначения — емкость в А • ч
105
Таблица 4.12
Габариты и вес серебряно-цинковых аккумуляторов СЦС, изготовляемых в СССР
Условное обозначение Габариты, мм Вес, гс
длина ширина высота с борнами без электро- лита с электро- литом
сцсз 43 18 77,5 85 105
СЦС5 46 33 81,5 150 180
СЦС12 48,5 22,5 115,5 190 225
СЦС15 48,5 28,5 115,5 225 275
СЦС 18 49 34 116,5 275 335
СЦС25 49 49 137,5 450 545
СЦС40 55 51,5 159 620 785
СЦС50 65 50 162 750 985
СЦС70 93 51,5 168 1050 1450
СЦС100 108 51,5 168,5 1400 1750
СЦС120 71 55 239,5 1600 1985
Таблица 4.13
Габариты и вес серебряно-цинковых аккумуляторов СЦД, изготовляемых в СССР
Условное обозначение Габариты, мм Вес, гс
длина ширина высота с борнами без электро- лита с электро- литом
сцдз 43 18 77,5 95 110
СЦД5 46 33 81,5 165 200
СЦД12 48,5 22,5 115,5 190 230
СЦД15 48,5 28,5 115,5 230 280
СЦД18 49 34 116,5 295 360
, СЦД25 49 49 137,5 450 540
СЦД40 55 51,5 159 750 825
СЦД50 65 50 162 810 990
СЦД70 93 51,5 168 1225 1505
большая часть химической энергии непосредственно преобразуется в
электрическую.
Принципиальная схема топливного элемента приведена на рис. 4. 22.
В емкость, заполненную электролитом (например раствором КОН), по-
мещены два трубчатых пористых электрода из углеродометаллических
смесей.
Газообразные водород и кислород, диффундируя через стенки элект-
родов, вступают во взаимодействие с ионами электролита. В результате
этого на водородном электроде накапливаются свободные электроны и
во внешней нагрузке 7?н возникает электрический ток.
Солнечные батареи, как показал опыт их применения на космичес-
ких аппаратах, являются достаточно надежными и стабильными источ-
никами электрической энергии.
106
В литературе высказывались мнения о возможности применения сол-
нечных батарей в качестве источников электрической энергии для систем
жизнеобеспечения скафандров, однако до последнего времени нет све-
дений об образцах таких батарей.
Для повышения срока службы и уменьшения нагрева солнечных ба-
тарей разработаны защитные покрытия из органических полимеров,
а также неорганические покрытия, отличающиеся большой прочностью.
Наряду -с достоинствами солнечные батареи обладают и рядом су-
щественных недостатков:
1. Для них необходима значительная по-
верхность, ориентированная перпендикулярно
направлению падения солнечных лучей, как
это видно из формулы мощности
S=-^m2, (4.24)
Л)
где S — площадь поверхности; W — требуемая
мощность батареи в Вт; /0 — солнечная посто-
янная в Вт/м2-ч; т] — коэффициент полезного
действия.
На околоземной орбите (или на Луне)
при
/ 1200-i^- (1 кВт-ч = 860 ккал)
м2.ч
ИЛИ
. _ 1200
°~ 0,860
Вт
1400 — ;
м2-ч
Рис. 4.(22. -Принципиальная
схвхма топливного элемента
16]:
/—электролит (водный раствор
КОН); 2—водородный отрица-
тельный электрод; 3—кислород-
ный положительный электрод;
4—внешняя нагрузка
при г) = 0,10
1
0, Ь1400
w
140
м2.
2. Недостаточная точность ориентировки
батарей относительно Солнца.
3. Вне солнечного освещения батарея работать не может.
В литературе имелись сообщения, что некоторым зарубежным фир-
мам удалось изготовить солнечные батареи путем наклеивания их на
полиамидную пленку, которую можно свернуть в рулон в нерабочем со-
W
стоянии.
Солнечные батареи зарубежных фирм с тонкопленочными преобра-
зователями имеют удельный вес 4,55 гс/Вт при к. п. д. до 8%.
Регенерация выдыхаемого воздуха в системах
жизнеобеспечения скафандра
Процесс регенерации выдыхаемого воздуха в системах жизнеобеспе-
чения скафандра сводится к поглощению из выдыхаемого воздуха угле-
кислого газа и других примесей.
Для регенерации необходимы вещества (сорбенты), которые, всту-
пая в реакцию с углекислым газом и парами воды, выделяют кислород.
Такие вещества характеризуются:
— дыхательным коэффициентом регенерации, представляющим со-
бой количество сорбируемого углекислого газа, отнесенное к единице
объема кислорода,
^дых ^СОг/^Ог,
где Исо2 — количество поглощаемого углекислого газа килограммом
вещества в течение одной минуты;
107
Vo2— количество выделяемого (Кислорода в течение одной мину-
ты;
— коэффициентом использования поглотителя, зависящим от кон-
струкции патрона (на практике обычно равен 0,7—0,8);
— коэффициентом поглощения, представляющим собой количество
сорбируемого углекислого газа на единицу веса сорбента, например для
Са(ОН)2
. А-°-— =—=0,59,
^Са(ОН)2 74
где Л4со2 и Л1са(он)2 — молекулярные веса;
— коэффициентом отработки, учитывающим свойства сорбента.
•Котр —
где £— коэффициент, определяемый опытным путем, обычно берется в
пределах 0,8—0,7;
— теплотворной способностью, т. е. количеством тепла, выделяемо-
го веществом (сорбентом) в процессе реакции.
Экспериментальн ым и исследованиями установлено, что сорбенты
в виде перекисных соединений обладают также способностью в извест-
ной мере очищать регенерируемый воздух от бактерий и некоторых
вредных для человека примесей.
Следует заметить, что если в регенерируемом воздухе содержатся
несколько веществ, одновременно взаимодействующих с сорбентом в
этом случае, то суммарное количество поглощенных сорбентом веществ
будет значительно меньшим, чем в случае изолированного взаимодей-
ствия его с каждым из веществ. Некоторые из сорбентов не могут быть
восстановлены после использования, другие — восстанавливаются.
Нерегенерируемые сорбенты, т. е. не восстанавливаемые, после от-
работки заменяются новыми. В качестве нерегенерируемых сорбентов
могут использоваться надперекиси и перекиси щелочных металлов, из-
вестковые поглотители, содержащие кислород в химически связанном
состоянии. Известные нерегенерируемые сорбенты приведены в табл. 4.14.
Н адперекись натрия (NaO2) была открыта И. А. Казарнов-
ским в 1936 г. Она получается по реакции
Na2O2 + О2 — 2NaO2.
Стехиометрическое содержание активного кислорода в NaO2 около
43%. При отработке до карбонатов NaO2 поглощает СО2 в количестве
примерно 200 л/кгс по реакции
2NaO2 + СО2 + Н2О ^ЫагСОз + Н2О + 1,5О2.
Надперекись калия (КО2) содержит около 33% кислороду.
Поглощение углекислого газа при отработке до карбонатов около
150 л/кгс вещества. Насыпной вес 0,8 гс/см3. КО2 энергично взаимодей-
ствует с водой и водяными парами:
2КО2 + СО2 + Н2О-^К2СОз + Н2О + 1,5О2.
Перекись натрия (Na2O2) производится в промышленности.
Содержание активного кислорода около 20%. Перекись натрия реагиру-
ет с влагой и углекислым газом, образуя гидроокись и карбонат натрия.
Перекись калия (К2О2)—весьма неустойчивое соединение,
окисляющееся на воздухе до надперекиси калия.
108
Таблица 4. 14
Нерегенерируемые сорбенты для регенерации воздуха, поглощения углекислого
газа и получения кислорода (см. гл. 2 [5] и 3 [2])
Наименование сорбента Химическая формула Количество активного кислорода Поглоти- тельная спо- собность по углекислому газу л/кге
% л/кге
Надперекись натрия NaO2 43 300 200
Надперекись калия КО2 33 200 150
Надперекись лития LiO2 61,5 430 290
Перекись лития Li2O2 35 240 380
Перекись натрия Na2O2 20 140 290
Перекись калия к2о2 14,5 100 200
хпи Са(ОН)2 — — 150—200
Хлорат натрия NaClO3 — 200—250 —
Гидроокись лития LiOH — — 300—400
Гидроокись натрия NaOH — — —
Окись лития Li2O — — 200—450
Озонид натоия NaO3 — 360 150
Гидроокись лития (LiOH) применяется для поглощения уг-
лекислого газа по реакции
2LiOH + CO2—^Li2CO3 + H2O + 485 ккал/кгс СО2. (4.25)
Вода, образующаяся в процессе реакции, частично остается ® пог-
лотителе, а частично уносится проходящим через него газовым потоком.
Гидроокись лития сорбирует углекислый газ при температурах от
+ 70 до—100°С.
Зная молекулярный вес 'входящих в формулу (4. 25) веществ, мож-
но определить коэффициент поглощения <р. Например, вес двух грам-
молекул LiOH равен 48 гс, а одной граммолекулы СО2 — 44 гс. Следо-
вательно, количество гидроокиси лития, необходимое для поглощения
1 кге СО2, будет равно:
^ЬЮН 48 1 nn / г>г\
<f =— ---==——=1,09 кге/кге СО2.
^со2
Величина коэффициента отработки, в зависимости от конструкции
патрона, свойств сорбента и условий его работы, Котр = ф£= 1,09 • 0,7=
=0,75.
Известковые поглотители применяются для поглощения уг-
лекислого газа по реакциям
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O + 28 ккал
или
Са(ОН)2 + СО2=СаСО3 + Н2О+19 ккал.
(4. 26)
Коэффициент поглощения <р для Са(ОН)2 определен выше и состав-
ляет 0,59.
109
В результате длительных испытаний был .найден состав известково-
го химического поглотителя (ХПИ), выделяющего мало тепла [16]. Его
состав в процентах: Са(ОН)2 — 76,00; MnSO4 — 2,66; Fe(OH)3 +
+ А1(ОН)3 — 1,20; NaOH — 1,83; влага — 18,31.
Наличие ряда соединений (MnSO4; Al, Fe и т. д.), играющих роль
катализаторов /и цементирующих веществ, .препятствует спеканию погло-
тителя.
О зон’иды калия (КО3) и натрия (NaO3), получаемые про-
пусканием смеси газов озона и кислорода через слой твердой гидрооки-
си металла, по сравнению с надперекисями менее устойчивы и могут
храниться при сравнительно низкой температуре (около 0°С). Из дан-
ных табл. 4. 14 видно, что по содержанию кислорода озониды превосхо-
дят надперекиси и перекиси.
Твердые вещества, содержащие кислород, дают примерно
200—250 л газообразного кислорода на килограмм вещества при сжи-
гании.
Такими веществами являются соли хлорной кислоты — перхлора-
ты, соли хлорноватой кислоты — хлораты.
Хлораты натрия (NaC103) применяются для получения кислорода.
В этом случае используется термическое разложение хлората при тем-
пературе 7001—800° С по реакции
2NaCl О3—^2NaCl + 3O2 + 232 ккал/кгс.
Теоретически возможный выход кислорода равен 45%, действитель-
ный— 40%. Тепло, необходимое для поддержания реакции, создается
окислением небольшого количества железного порошка, смешанного с
хлоратом.
2Fe + O2—^2FeO + 885 ккал/кгс.
Зажечь хлорат, изготавливаемый в виде свечи, можно фосфорной спич-
кой или электрозапалом.
В заключение можно привести следующие преимущества систем ре-
генерации воздуха с хранением кислорода в химически связанном виде
по сравнению с другими системами:
— достаточно широкий диапазон температур (20+10° С), относи-
тельной влажности (30—70%) и барометрического давления (760+
±500 мм рт. ст.), в которых системы эффективно работают;
— способность поглощения газообразных отходов, выделяющихся в
процессе активной жизнедеятельности человека;
— способность противостоять вибрациям и высоким перегрузкам;
— тепло- и взрывостойкость;
— простота конструкции;
— минимальная потребляемая мощность;
— высокая надежность в эксплуатации;
— возможность автоматизации процесса для создания необходимых
условий микроклимата;
— возможность неограниченно длительного хранения кислорода на
складах.
Поглотители вредных примесей используются в ранце-
вых автономных системах жизнеобеспечения, продолжительность работы
которых рассчитана на продолжительное время. Обычно они вводятся
в патроны наряду с поглотителем СО2 и противоаэрозольными фильтра-
ми для поглощения из газовых смесей вредных примесей, в частно-
сти СО.
по
Окись углерода окисляется в углекислый газ с помощью гопкалито-
вых катализаторов, обычно состоящих из четырех (30% СгО; 50% МпО2;
15% Си2О3 и 5% Ag2O) или двух (60% МпО2 и 40% СпО) компонентов.
Активным компонентом является перекись марганца (МпО2), другие
компоненты играют роль промоторов, т. е. (веществ, усиливающих ката-
литическую способность активного компонента.
Гопкалит изготовляется в виде зерен размерами 2,5—3,5 мм, насып-
ной вес гопкалита 1,1 кгс/л.
При отрицательных температурах воздуха каталитическое действие
гопкалита прекращается. В связи с тем, что водяные пары оказывают
вредное (влияние на гопкалит, последний в патроне размещается между
двумя слоями осушителя.
Окисление окиси углерода в гопкалите сопровождается выделением
значительного количества тепла и происходит по реакции
2СО+О2—Н2СО2+136 ккал/кгс СО, (4.27)
что в некоторых случаях может привести к повреждению патрона. Од-
ним из (Способов уменьшения тепла является смешение гопкалита с алю-
минием.
Распространенным поглотителем различных вредных примесей явля-
ется активированный уголь.
Активированные угли представляют собой древесные угли, подверг-
шиеся специальной обработке для увеличения их адсорбирующей * по-
верхности и для освобождения их пор от смолистых веществ. Активиро-
ванные угли различаются по маркам и техническим характеристикам,
среди которых величина активной поверхности угля изменяется от 600
до 1700 м2/гс. При увлажнении угля его активность снижается.
Удельные веса активированных углей изменяются в зависимости
от марки угля [8], например, истинный удельный объемный вес ** от
1,75 до 2,1 кгс/дм3, кажущийся удельный вес*** от 0,5 до 1,0 кгс/дм3 и
удельный объем, насыпной, или гравиметрический вес, **** от 0,2 до
0,6 кгс/дм3.
Регенерируемые адсорбенты — вещества, поглотительная способ-
ность которых, после их обработки, может быть восстановлена тем или
иным способом.
В качестве регенерируемых адсорбентов могут применяться различ-
ного рода молекулярные сита, т. е. вещества, у которых размеры пор со-
измеримы с размерами молекул. При адсорбции в них происходит отде-
ление мелких молекул от более крупных. Такой способностью обладают
некоторые активированные угли, пористые стекла, особенно пористые
алюмосиликатные кристаллы — природные и синтетические цеолиты
(входной диаметр пор от 4 до 9 А).
Физические характеристики гранулированных синтетических цеоли-
тов приведены в табл. 4. 15.
Цеолиты обычно применяются в виде гранул, состоящих из кристал-
лических порошков и связующих веществ (10—15%).
Ценным свойством цеолитов является их способность самовосста-
навливаться в вакууме для последующего использования.
* Адсорбция — поглощение из окружающей среды молекул, атомов или ионов од-
них веществ поверхностью другого вещество, называемого адсорбентом.
** Вес единицы объема угля без учета имеющихся в .нем пор.
*** Вес единицы объема пористого угля.
**** Вес е,дИНИцЫ объема угольного слоя, включая объем пор и промежутков 'ме-
жду частицами угля.
111
Таблица 4.15
Физические свойства гранулированных синтетических цеолитов NaA, СаА, Сах, Nax
[Ю]
Физические свойства Количественное значение Физические свойства Количественное значение
Насыпной вес: в порошке в гранулах (^=1,6 мм) в гранулах (^=3,2 мм) Пористость Размеры входных кана- лов окон: цеолита NaA цеолита Сах цеолита Сах цеолита Nax Удельная теплоемкость 0,52 гс/см3 0,685 . 0,715 . 50—60% О 4 А 5 , 8 , 9-12 „ 0,25 ккал/кгс-°C Предельная адсорбци- онная емкость по воде Динамическая актив- ность по отношению к уг- лекислому газу (при ис- ходной концентрации СО2 0,05%) Термостойкость при многократной регенера- ции Предел термостойкости при кратковременных (до 6 ч) перегревах Теплота при десорбции воды Прочность целых таб- леток на раздавливание 0,25 см3/гс 4—6 гс/100 гс 300—400 °C 600-750 1000-1200 кал/гс 7,5—10 кге на таблетку
В табл. 4. 16 приведены данные, характеризующие адсорбционную
способность различных регенерируемых веществ [9].
Таблица 4. 16
Адсорбционная способность некоторых твердых веществ по отношению к СО2
при различной температуре [9]
Наименование адсорбента Парци- альное давление со2 мм рт. ст. Адсорбционная способность
в % от веса адсорбента при температуре в °C в °/( от соответствую- щей активности угля при температуре * в С
—78 —17 0 20 50 80 —78 —17 0 20 50 80
Активированный уголь СКТ 50 30,0 5,2 4,0 2,0 1,0 0,6 100 100 100 100 100 100
Силикагель КСМ 50 5,0 0,8 0,4 0,3 0,2 0,1 17 15 10 15 20 17
Цеолит 4А 50 16,0 12,6 11,4 9,0 7,5 6,0 53 242 285 450 750 1000
Цеолит 5А 50 22,2 16,7 15,7 13,8 7,6 5,0 74 322 392 690 760 835
Активированный уголь СКТ 300 54,0 17,3 12,2 7,3 4,4 2,4 100 100 100 100 100 100
Силикагель КСМ 300 9,8 2,4 1,5 0,8 0,4 0,2 18 14 12 11 9 8
Цеолит 4А 300 18,2 15,6 14,4 12,4 11,3 10,7 34 90 118 170 257 445
Цеолит 5А 300 24,7 18,4 18,0 16,8 13,6 11,6 46 106 148 230 310 485
Существуют также жидкие регенерируемые поглотители СО2. Крат-
кие сведения о некоторых из них приведены в табл. 4. 17.
112
Жидкие поглотители могут достаточно хорошо регенерироваться при
давлении 1—2 мм рт. ст. и нормальной температуре (20—30° С), вместе
с тем их применение затруднительно
Экспериментально установ-
лено, что в качестве адсорбентов
можно применять тонкие мембра-
ны (пленки), которые газопрони-
цаемы, но скорость проникнове-
ния через них разная для различ-
ных газов. Диффузионные свой-
ства пленок зависят от их тол-
щины и молекулярной структуры,
физических свойств молекул про-
никающих адсорбируемых газов
и их температуры. Важной осо-
бенностью тонких пленок яв-
ляется их селективность по отно-
шению к различным газам. Эта
особенность может быть исполь-
зована для поглощения углекис-
в условиях невесомости.
Таблица 4. 17
Поглотительная способность жидких
регенерируемых поглотителей СО2
Наименование поглотителя Поглотительная способность л(н)/кгс
Моноэтаноламин 153
Моноэтанолэтилендиа- мин 107
Полиэтиленполиамин 46
Диэтаноламин 35
лого газа и других газов и паров.
Устройство поглотительного патрона показано на рис. 4.23. Метал-
лический корпус 7 патрона изготавливается из латуни толщиной 0,5 мм
с защитным никелевым
Рис. 4.23. Поглотитель-
ный патрон:
1—-сетка фильтра; 2—горло-
вина; 3—распределитель га-
зового потока; 4—сетка; 5—
прокладка; 6—пружины; 7—
корпус фильтра; 3— крышка
фильтра; 9—сорбент (хими-
ческое вещество)
покрытием. Во входном раструбе патрона имеет-
ся распределитель газового потока 3, при-
крепленный к сетке 4. Между блоками с веще-
ством проложены прокладки 5. На выходе из
патрона расположен фильтр. Фильтр заклю-
Рис. 4.24. Поглотительный патрон:
/—наружный кожух; 2—перфорированный внутренний
цилиндр; 3—сорбент; 4—канал; 5—активированный уголь
для поглощения окиси углерода; 6—защитная сетка
чен между двумя сетками 1. Между блоками
установлены пружины 5, которые прижимают
блоки к крышкам 8.
Прижимные пружины не дают возможности зернам поглотителя на-
рушить их взаимное положение в патроне после его снаряжения и пре-
пятствуют этим образованию между ними свищевых ходов, через которые
могла бы проходить без очистки большая часть подаваемого в патрон
воздуха. Усилие, создаваемое пружиной, составляет примерно 10—
15 кгс/дм2.
Другим конструктивным вариантом является поглотительный пат-
рон, показанный на рис. 4. 24. Патрон состоит из наружного кожуха У,
внутрь которого вставлен перфорированный цилиндр 2, Подаваемый в
8 1341
113
патрон газ, содержащий СОг, заполняет пространство 4. Под действием
разности давления газ проходит через поглотитель 3.
Отличительной особенностью этого варианта патрона является боль-
шая площадь поверхности контакта между газом и поглотителем, а сле-
довательно, и лучшее сорбиро-
вание.
Алюминиевые сплавы не реко-
мендуется применять для изготовле-
ния поглотительных патронов из-за
разрушающего действия на них мно-
гих поглотителей.
Рис. 4.25. Графики для определения тол-
щины слоя сорбента h «и удельной на-
грузки в сечении патрона W:
Вес корпуса патрона обычно
не превышает 30—40% от веса на-
ходящегося в нем сорбента.
Эффективность действия сор-
бента существенно зависит от тол-
щины его слоя в поглотительном
патроне. Чем больше толщина этого
слоя, тем больше время контакта
очищаемого воздуха с сорбентом,
тем эффективнее использование сор-
бента, и в конечном счете, тем
меньше его вес. С другой стороны,
следует учитывать зависимость гид-
равлического сопротивления патро-
на от толщины сорбента.
l—h(W) по условию гидравлического сопро-
тивления патрона; 2—h(W) по условию необ-
ходимого времени для контакта газа с сор-
бентом
меньше толщина слоя, тем меньше гидравлическое сопротивле-
ние патрона, как это видно из формулы ('при размерах зерен сорбента
примерно 3 мм);
Лрпат = 4,18А1Г1’5 мм вод. ст. (кгс/м2), (4.28)
где h — толщина слоя сорбента в см; W—удельная нагрузка в сечении
патрона в л (н)/мин • см2.
При расчетах толщины слоя сорбента следует учитывать не только
удельную нагрузку в сечении, но и необходимое время контакта с газом,
определяемое по формуле
9 = -®1-й-528^-
где 0 — время контакта сорбента с газом; В2 — экспериментально
определяемые константы данного сорбента; д—средний размер зерен
сорбента в мм.
Уравнения (4.29) и (4.30) решаются .совместно относительно h гра-
фически (рис. 4.25), причем решение этих уравнений дает значения h
и W, удовлетворяющие условиям минимума гидравлического сопротив-
ления и веса поглотительного патрона.
При отсутствии достоверных значений констант Bi и В2 можно для
приближенных расчетов принимать значения W в зависимости от типа
сорбента от 0,20—0,25 до 0,4—0,6 л|(н)/мин-см2.
При значениях W> 1,0 может иметь место унос мелких частиц сор-
бента. Как показал опыт, для хорошей отработки сорбента толщина его
слоя в патроне не должна быть менее 10—15 см.
Пример. Рассчитаем размеры и гидравлическое сопротивление поглотительного
патрона СО2 варианта, изображенного на рис. 4.23, системы жизнеобеспечения для ска-
фандра при следующих исходных данных:
— поглотитель L1ON с действительной поглотительной способностью около 400 л (н)
СОг на 1 кгс и с гравиметрическим (насыпным) весом А=0,8 кгс/дм3,
114
(4. 29)
— интенсивность выделения СО2 человеком примерно 0,6 л(н)/мин,
— продолжительность непрерывной работы патрона т=4 ч.
В первом приближении примем й=10 см и №=05 л(н)/(мин ем2), тогда по урав-
нению (4.29) потери давления в поглотителе ДрПог = 1,48-10 0,51>5=>6,25 мм .вод. ст
lK этому значению ДрПог должны быть прибавлены потери давления на входе
и выходе из патрона и потери в пространстве между слоями поглотителя (см. рис. 4.23).
Общее количество выделяемого за 4 ч СО2 Гугл =0,16-240= 144' л(н).
144
Вес поглотителя (сорбента) для поглощения СО2 Gnor=^j =0,36 кге. При за-
пасе в 50% этому весу соответствует объем поглотителя
Упог=-’2^пог =0,54 дм3
д
и площадь сечения патрона
Ипог 0,54
Л1ат = = -1 0 - 0,54 дм2 (tZnaT = 0,83 дм).
Полученное значение Гпат должно быть согласовано с реальной удельной на-
грузкой в сечении патрона, определяемой по общему количеству проходящего через него
воздуха.
При принятом значении №=0,5 л(н)/(мин-см2) количество проходящего через пат-
рон воздуха
Q = №FnaT = 0,5-54=27 л(н)/мин, (4.30)
760
или, приводя к давлению в системе скафандра Др=160 мм рт. ст., Q = 27 —-=
160
= 12'8 л/мин.
Если это количество окажется недостаточным по условиям вентиляции, то в пре-
делах допустимых значений соответственно увеличивают № или ^пат.
Обычно эта задача решается методом последовательного приближения, и резуль-
таты решения проверяются экспериментально..
Вентиляторы
Вентиляторы, применяющиеся в систем-ах жизнеобеспечения ска-
фандров, должны иметь высокую надежность, возможно больший кл1.д.у
возможно малые вес и габариты. Они должны быть бесшумными и ра-
ботать в (кислородной атмосфере.
Отличительной особенностью таких вентиляторов является сравни-
тельно малый расход воздуха (150—300 л (н)/мин).
Напор вентилятора, определяемый общим сопротивлением всей
системы, обычно не превышает 100—250 мм вод. ст. (100—250 кге/м2).
Связь между производительностью вентилятора и давлением, созда-
ваемым им, при определенном числе оборотов и различных сопротивле-
ниях сети обычно выражают в форме графика и называют индивидуаль-
ной характеристикой вентилятора.
При сравнении различных конструкций вентиляторов, а также для
построения размерных характеристик геометрически подобных вентиля-
торов * используются следующие показатели:
тт Q
— безразмерная производительность Q=------------—%
3600SKt/
— Др к
— безразмерное давление др = ——- ;
— безразмерная мощность N=--------——ю2
* Геометрически подобными считаются вентиляторы, если все проточные размеры
одного из них могут быть получены умножением на одно и то же число соответствую-
щих размеров другого вентилятора.
8*
П5
с л/)2 х
где = —— площадь круга, диаметр которого равен диаметру рабо-
п т г TtDn
чего колеса вентилятора, ,в м2; = ----окружная скорость враще-
ния рабочего колеса в м/с; D — диаметр рабочего колеса в м; и — число
оборотов рабочего колеса в минуту; q—плотность воздуха в кгс-с2/м4;
Ар — давление (напор), создаваемое вентилятором,
Д/’=А-л + у (^-^1)-
(4.31)
Здесь pi и р2 — манометрическое давление во входном и выходном се-
чениях вентилятора в кгс/м2; и v2— средние скорости потока газа во
входном и выходном сечениях вентилятора в м/с.
Учитывая, что Ар = р2—р\.
Мощность, .потребляемая вентилятором, определяется по формуле
=
757]о6щ
где Лобщ —к. п. д. вентиляторной установки, Цобщ = Цв = Цпр; здесь т]в—
к. п. д. вентилятора; т|др — к. п. д. привода.
Вентиляторы разделяются на центробежные и осевые. Выбор того
или иного из этих конструктивных вариантов обычно производится по
значению коэффициента быстроходности, называемого удельным числом
обОрОТОВ Пуд.
Коэффициент быстроходности для оптимального режима работы
вентилятора (при максимальном к. п. д.) определяется по формуле [11]
Q^n
(4-32)
ЙуЛ Л 3/4
Коэффициент /гуд можно рассматривать в (качестве своеобразного
критерия подобия для семейства вентиляторов, близких между собой по
значениям и, Q и Ар. При (помощи этого коэффициента можно предвари-
тельно подбирать значения этих величин <по данным, полученным при
испытании вентилятора аналогичного семейства (типа).
Геометрически подобные вентиляторы вне зависимости от их раз-
меров, угловой скорости и плотности воздуха имеют одинаковое значе-
ние Пуд.
При Пуд<100 следует применять центробежные вентиляторы, а при
лУд> 100 — осевые [11].
Осевые вентиляторы обычно обладают большим к.п.д. (нет потерь
энергии, связанных с поворотом потока), они более компактны и ревер-
сивны.
Центробежные вентиляторы имеют рабочее колесо (крыльчатку) 1
(рис. 4. 26) с лопатками, вал 6 и корпус с диффузором 2, изолирующий
колесо от внешней среды.
Отверстие в корпусе, через которое пропускается вал колеса, снаб-
жено сальником 5.
Диффузоры обычно делаются двух типов — без направляющих ло-
паток и с направляющими лопатками.
При вращении крыльчатки увеличивается скорость засасываемого
воздуха и он уплотняется под действием центробежных сил. В диффу-
зоре кинетическая энергия воздуха преобразуется в энергию давления
вследствие плавного увеличения площади сечения в направлении дви-
женин воздуха.
Для центробежных вентиляторов характерным является большая
скорость вращения крыльчатки (10000—35000 об/мин), поэтому даже
416
при небольших размерах они обладают сравнительно большой произво-
дительностью. Обычно диаметры рабочих колес вентиляторов для АСЖ
весьма малы и не превышают 8—15 см.
С целью увеличения к.п.д. и уменьшения шума концы лопаток вен-
тиляторов несколько загнуты в направлении против угловой скорости,
как это показано на рис. 4. 26 [11].
С уменьшением размеров вентилятора его характеристики ухудша-
ются. Для выбора расчетных параметров малогабаритного вентилятора
следует пользоваться характеристиками, полученными при испытаниях
геометрически подобных ему малогабаритных вентиляторов. На рис. 4. 27
приведены безразмерные характеристики вентилятора, которыми обычно
пользуются для подбора вентиляторов.
Рис. 4.26. Конструктивная схема центро-
бежного вентилятора:
/—рабочее колесо (крыльчатка); 2—корпус с
диффузором; 3t 4—всасывающий и нагнетаю-
щим патрубки; 5—сальники; 5—вал
Рис. 4.27. Безразмерные характеристики
центробежного вентилятора:
ц—коэффициент полезного действия; N, И,
Q—безразмерные характеристики вентилятора
При пропорциональном .изменении геометрических размеров венти-
лятора для получения характеристик пользуются формулами пересчета,
если быстроходность измененного по размерам вентилятора близка или
равна быстроходности исходного вентилятора [11].
Следует учитывать, что при изменении плотности воздуха изменяют-
ся напор и мощность вентилятора, но объемная производительность его
остается неизменной.
Характеристики вентиляторов обычно определяются при стандарт-
ных условиях плотности воздуха ро (давлении 760 мм рт. ст. и темпера-
туре 15°С), поэтому напор вентилятора на высоте Н при значении
плотности qh вычисляется по формуле *
^Рн = ^PoQh/Ро» (4. 33)
а при изменении только температуры воздуха — по формуле
ЬРн=№ьТн1То-
(4-34)
Диаметр входного отверстия вентилятора определяется из условия
наименьших потерь в колесе [11]:
£>0=l,65^Qb (4.35)
где со —угловая скорость вращения колеса в рад/с.
* Влажность воздуха очень незначительно влияет на значение плотности. При изг
менении влажности от 0,5 до 1,0 плотность изменяется всего на 0,5%.
117
Для определения наружного диаметра и ширины /колеса можно на
основе статистической обработки результатов испытаний пользоваться
формулами [11]:
D = D.
60
/2уд
(4.36)
£=(0,3 н-0,6) Д),
(4.37)
где D — наружный диаметр колеса; b — ширина колеса.
По статистическим данным, у вентиляторов с быстр сходностью
пуд = 204-55 Umax=0,54-0,65 при лопатках, концы которых загнуты впе-
ред, Птах=0,654-0,7 при лопатках, оканчивающихся радиально, и
Птах=0,84-0,9 при лопатках, концы (которых загнуты назад.
Рис. 4.29. Суммарная харак-
теристика двух одинаковых
(по Q и Др) /параллельно
соединенных вентиляторов:
/—характеристика одного вен-
тилятора; 2—суммарная харак-
теристика двух вентиляторов;
3—характеристика сети возду-
хопроводов (индекс «1» —один
вентилятор, индекс «1+1» —
два одинаковых вентилятора)
Рис. 4.28. Совмещенные ха-
рактеристики воздухопрово-
да и вентилятора:
,7—характеристика вентилятора;
^—характеристика воздухопро-
вода; А—рабочая точка
Совмещенные характеристики воздухопровода и .вентилятора поз-
воляют по точке пересечения кривых (рабочей точке) определять про-
изводительность вентилятора и величину создаваемого им напора
(рис. 4. 28).
Для подачи воздуха .в общую сеть ib некоторых случаях могут при-
меняться несколько вентиляторов, соединяемых параллельно или после-
дователь но.
Суммарная характеристика двух одинаковых (по производительности
и создаваемому напору) и параллельно работающих на одну сеть венти-
ляторов приведена на рис. 4. 29.
При последовательном соединении (вентиляторы устанавливаются
один за другим, причем через каждый вентилятор проходит весь воз-
дух. Для построения их суммарной характеристики следует складывать
их давления (рис. 4. 30).
На рис. 4. 31 показан образец малогабаритного вентилятора с элект-
ромотором.
Колесо вентилятора (изготовлено из 1алюминиевого сплава, лопатки
вместе с диском изготовлены из цельной поковки (штамповки).
Осевой вентилятор представляет собой лопаточное колесо в цилинд-
рическом кожухе. При вращении колеса .поступающий через входное от-
верстие воздух сжимается и его давление увеличивается (рис. 4. 32).
Согласно ГОСТ 11442—65 и ГОСТ 10616—63 основные размеры осе-
вых вентиляторов, указанные на рис. 4. 32, связаны следующими соотно-
118
Рис. 4.31. Образец малогабаритного
центробежного вентилятора:
/—рабочее колесо; 2—корпус; 3—электро-
двигатель; 4—электроразъемная колодка;
5-отверстие для забора воздуха
Рис. 4.30. Суммарная характеристика
двух последовательно соединенных
одинаковых по производительности и
напору вентиляторов:
/—характеристика одного вентилятора;
2—суммарная характеристика двух венти-
ляторов; 3—характеристика сети воздухо-
проводов (значение индексов то же, чтс
и на рис. 4.3Э)
Рис. 4.32. Конструктивная схема и основные
размеры осевого вентилятора:
/—лопаточное колесо; 2—(цилиндрический кожух; 3—
входной коллектор; 4—обтекатель; 5—спрямляющий
аппарат
119
шениями: d=0,34-0,55 D, DK^1,2D, ZK = 0,2 Dt 1 = 0.25 d, r^O,26P.
r2=0,75/? гз = 4/, r4=0,5d; b выбирается из ряда в 20, 25, 30, 35, 40, 50
и 60 % от D.
Для увеличения производительности осевые вентиляторы соединя-
ются параллельно или последовательно. В этом «случае -суммарные ха-
рактеристики соединенных осевых вентиляторов 'Определяются та«к же,
как и для центробежных вентиляторов.
Жидкостные насосы
В системах жизнеобеспечения для скафандров жидкостные насосы
используются для принудительной циркуляции жидкости в контурах ох-
лаждения.
Конструктивно эти насосы могут быть центробежными или шесте-
ренчатыми. К обоим предъявляются такие же общие требования, что и
к рассмотренным выше вентиляторам.
Центробежные жидкостные насосы по принципу действия аналогич-
ны описанным центробежным вентиляторам, причем конструктивные
различия «между ними обусловлены различиями в физических свойствах
применяющихся в них рабочих жидкостей.
Характеристики жидкостных центробежных насосов определяются
так же, как и характеристики центробежных вентиляторов.
К. п. д. жидкостных центробежных насосов (без учета к. п. д. дви-
гателей) обычно равен 0,7—0,85, причем у насосов малой производитель-
ности он несколько меньше.
Мощность, потребляемая насосом, определяется по известной фор-
муле
(4.38)
где у — удельный вес жидкости в кгс/м3; Q — производительность насо-
са в м3/с; Н — полный напор в м; т]Общ — к. п. д. насосной установки,
Цобщ ~ ЦиЦпр (4.39)
(цн — к. п. д. насоса; цпр — к. п. д. привода).
Мощность приводных электродвигателей для насосов берется с не-
которым запасом против расчета, определяемым «коэффициентом 1,2—1,4.
Как и центробежные вентиляторы, жидкостные центробежные на-
сосы характеризуются коэффициентом быстроходности nSl определяемым
по формуле ,(4.32). Заменяя в последнем Ар3/* на напор Н в м вод. ст.,
получаем
«=3,65-^. (4.40)
5 /уЗ/4 V 7
По аналогии с центробежными вентиляторами коэффициент быстро-
ходности жидкостных центробежных насосов может рассматриваться
как критерий подобия для целого семейства (типа) насосов. Как крите-
рий «подобия он одинаков у всех насосов одного «се-мейства и позволяет
определять при проектировании параметры потребного насоса по изве-
стным характеристикам одного из насосов данного семейства.
Шестеренные насосы имеют в качестве движителя, перемещающего
жидкость, пару шестерен, помещенных в корпус (рис. 4.33).
При вращении шестерен жидкость, поступающая из линии всасыва-
ния, заполняет впадины между зубцами и перемещается вместе «с ними
к противоположной стороне насоса, где входящие в эти впадины зубцы
другой шестерни вытесняют жидкость в линию нагнетания.
120
Если шестерни по размерам диаметра и числу зубцов одинаковы,,
то приближенно производительность насоса можно определить по фор-
муле [12]:
QTeop = 2nm^r)H, (4.41)
где т — модуль зацепления шестерен в м; b—ширина шестерни в м;
со — скорость вращения шестерни в рад/с; Рн — диаметр начальных ок-
ружностей шестерен в м.
С учетом внутренних потерь действительная (Производительность
шестеренного, как и любого другого насоса, Р = ЦоРтеор, где т)о — объ-
емный КД1.Д. насоса (обычно 110 = 0,904-0,95).
Емкости для хранения запаса кислорода
Бортовой запас кислорода на летательных аппаратах хранится в
баллонах в газообразном состоянии под большим давлением или в жид-
ком состоянии — в газификаторах жидкого кислорода (ГЖК). Приме-
нение на космических кораблях ГЖК
усложняется условиями невесомости,
поэтому в системах жизнеобеспечения
скафандров в настоящее время исполь-
зуются баллоны для хранения кисло-
рода в газообразном состоянии. Одна-
ко в дальнейшем, по мере совершен-
ствования устройств для хранения
сжиженных газов, ГЖК также могут
найти применение.
Кислородные баллоны могут иметь
цилиндрическую и сферическую фор-
мы и рассчитываются на рабочие тем-
пературы окружающей среды от —60
до +100° С. При необходимости при-
менения баллонов при температурах
более 100° С должно быть соблюдено
условие
Рт < Р^1Я,
(4.42)
Рис. 4.33. Конструктивная схема ше-
стеренного жидкостного насоса:
/—корпус; 2, 3—'Шестерни; 4—ведущий вал
где рт — давление при заданной повышенной температуре; р — давление,,
соответствующее темпер ату ре, на которую рассчитан баллон; сг— предел
прочности материала при расчетной температуре; сгт — предел прочности
при повышенной температуре.
В зависимости от назначения системы кислородные баллоны могут
быть использованы один раз или многократно.
Баллоны систем многоразового пользования могут находиться под
давлением неограниченно долгое время, в то время как в системах од-
норазового пользования — ограниченное время (по техническим усло-
виям) .
В системах жизнеобеспечения для скафандров обычно применяются
баллоны многоразового пользования.
Толщина стенок цилиндрических и сферических баллонов опреде-
ляются из условия прочности по формулам
^цил
- и Зсф = ф
(4. 43)
где г — внутренний радиус баллонов цилиндрической и сферической по-
верхностей; р — расчетное давление в баллоне; сг — расчетное напряже-
ние в материале стенки баллона.
121
Разрушающее давление (рразр) для расчета (баллонов на прочность
определяется следующим образом:
— для систем с неограниченным сроком нахождения баллонов под
давлением рразР^2,8рраб;
— для систем с ограниченным сроком нахождения баллонов под
давлением рра3г> = 2,25рраб.
Рис. 4.34. Формы кислородных баллонов:
/—цилиндрический (высокого давления); 2—цилиндрический
сварной (низкого Давления)-. 3—сферический; 4—цилиндрический
с наружной оплеткой
Баллоны, содержащие газы под высоким давленном, могут служить
источниками •((аккумуляторами) энергии *.
Энергия сжатых в них газов может быть 'использована для выпол-
нения ими работы при их расширении и поглощении тепла вследствие
большого понижения температуры газов при их расширении.
Рис. 4.35. Сварной цилиндрический
баллон с наружной оплеткой из стек-
лопластикового жгута (на рисунке
показана пробоина, не повлекшая за
собой взрыва баллона, находившегося
под большим давлением)
Рис. 4.36. Шаровой сварной баллон
(на рисунке видна пробоина)
Цилиндрические баллоны высокого (давления обычно изготавлива-
ются из отрезков толстостенных бесшовных труб, концы которых при
горячей ковке превращаются в днище и горловину (рис. 4. 34). При ков-
ке толщины днища -и горловины баллона значительно увеличиваются.
* Князев В. Н. Энергетическая отдача и прочность газовых баллонов высокого
давления. — «Труды Московского авиационного института». Вып. 143, М., Обороигиз,
1961.
122
Сферические баллоны свариваются из двух штампованных (иногда
точеных) половин.
Для изготовления баллонов высокого давления применяются леги-
рованные стали (25ХГСА, 12ХНЗА и др.).
Для уменьшения веса баллонов, изготовленных из более тонкой
стали, чем это требуется по расчету прочности, они армируются высоко-
прочной стальной проволокой или стеклопластиковыми жгутами, нави-
ваемыми на баллон с большим натяжением. При применении стекло-
пластиковых жгутов вес баллонов снижается больше, так (как плот-
ность стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой и подвергнутого
полимеризации, почти в 4 раза меньше плотности стальной проволо-
ки [24]. В частности, вес баллонов емкостью 2 л при рабочем давлении
420 кгс/см2 при замене стальной проволоки стеклопластиковыми жгу-
тами (<т=130-Н40 кгс/см2) по расчетам уменьшается до 40%. Вес такого
баллона, отнесенный к единице веса хранящегося в нем кислорода, со-
ставляет 2—2,5 кгс/кгс Ог при запасе прочности около 2,5 [25].
Сварные баллоны с оплеткой из стеклопластикового жгута взрыво-
безопасны при поражении их метеорным веществом (рис. 4.35 и 4.36).
Весовые данные баллонов для хранения сжатых газов приведены в
табл. 4.18.
Таблица 4. 18
Весовые характеристики баллонов, изготовляемых в СССР, для хранения сжатых
газов *
Емкость бал;она в л Вес в кгс при различных рабочих давлениях в кгс/см2 Емкость баллона в л Вес в кгс при различных рабочих давлениях в кгс/см2
150 200 350 400 150 200 350 400
1 2 * В чи 1,3 1,0 2,5 1,8 [слителе 1,8 1,4 3,3 2,4 — вес д<г 2,4 4,7 (Я ЦИЛИН, 2 5?2 црически: 3 8 к баллонов 3,5 2,9 9,0 7,9 1, в знам 4,7 3,8 12,7 10,3 енателе - 6,8 17,9 — для ш< 7,5 19,4 1ровых.
Вес газа, находящегося в баллоне, при не очень больших давлениях
и не очень низких температурах обычно определяется по известному
уравнению Клапейрона для идеального газа pv = GRT. Реальные газы
при больших давлениях и низких температурах не -следуют этому урав-
нению. Указанные отклонения реальных газов от уравнения Клапейрона
вызваны, во-первых, тем, что молекулы реальных газов имеют конечные
размеры и, во-вторых, тем, что между молекулами имеются силы взаи-
модействия, которые особенно возрастают при весьма малых расстоя-
ниях между молекулами.
График pv(p) на рис. 4.37 иллюстрирует отклонения некоторых ре-
альных газов от идеального газа. Из уравнения Клапейрона следует, что
/w=const при Г —const, поэтому кривая pv для идеального газа при
Г = 273К должна лежать параллельно оси координат р, что и показано
на рис. 4. 37.
Уравнения, учитывающие физические особенности реальных газов,
сложны, и для их решения обычно используют таблицы и графики функ-
циональных зависимостей входящих в них величин, значительно облег-
чающие расчеты.
123
Данные о степени сжимаемости воздуха и кислорода в зависимости
от температуры и давления приведены в табл. 4.19 и 4.20.
Газификаторы для хранения жидкого кислорода обладают следую-
щими преимуществами перед баллонами для храпения кислорода в га-
зообразном состоянии при (высоком давлении:
— уменьшением физического объема емкостей вследствие большей
плотности жидкого газа;
Рис. 4.37. Кривые, характеризу-
ющие отклонения свойств неко-
торых реальных газов (N2 и О2)
от уравнения Клапейрона для
идеального газа
— уменьшением (веса емкостей (в результате того, что для жидкого
газа можно применять небольшие давления;
— повышением степени безопасности пользования емкостями в свя-
зи с более низким в них давлением.
Таблица 4. 19
Степень сжимаемости воздуха при различных температуре и давлении [21]
Давление воздуха . КГС/СМ2 Температура воздуха в °C Давление воздуха кгс/см2 Температура воздуха в °C
0 50 100 200 0 50 100 200
0 1,0006 1,1838 1,3669 1,7332 200 1,006 — 1,464 1,878
1 1,0000 1,1836 1,3669 1,7338 400 1,198 — 1,650 2,079
20 0,9899 1,1818 1,3707 1,7442 600 1,445 — 1,884 2,305
60 0,9775 1,1831 1,3823 1,7684 800 1,701 — 2,125 2,541
100 0,9710 1,1909 1,3989 1,7959 1000 1,951 — 2,376 2,785
Наряду с преимуществами следует указать и на недостатки газифи-
каторов:
— большая чувствительность к притоку тепла извне;
— некоторое усложнение систем питания кислородом из-за
устройств, обеспечивающих отбор кислорода из емкости и перевод его
в газообразное состояние.
Способы хранения кислорода определяются его физическим состоя-
нием, а именно:
— хранение при сверхкритическом давлении;
— хранение в двухфазном состоянии;
— хранение жидкого кислорода в однофазном состоянии при до-
критическом давлении.
При сверхкритическом давлении кислород — жидкость, если его
температура ниже критической, или газ, если она .выше критической.
Системы хранения и питания кислородом при сверхкритическом давле-
124
нии конструктивно достаточно просты, надежны в эксплуатации и имеют
высокие удельные объемные параметры. Однако сравнительно большое
в этом случае рабочее давление ведет ik увеличению веса емкости.
Таблица 4. 20
Степень сжимаемости кислорода при различных температуре и давлении *
Давление КГС/СМ2 Температура в °C Давление кгс/см2 Температура в °C
0 50 100 0 100 200
0 1,0010 1,842 1,3674 200 0,91 1,40 1,82
1 1,0000 1,1837 1,3672 300 0,96 1,45 1,89
10 0,991 1,180 1,366 400 1,05 1,53 1,96
20 0,982 1,175 1,365 500 1,16 1,62 2,05
40 0,965 1,167 1,363 600 1,27 1,72 2,14
60 0,949 1,161 1,363 700 1,39 1,83 2,24
80 0,936 1,156 1,363 800 1,50 1,93 2,34
100 0,923 1,152 1,365 1000 1,74 2,15 —
* Справочник химика. Т. I. Химиздат, 1951.
Возможная схема прибора для хранения кислорода при сверхкрити-
ческом давлении показана на рис. 4. 38.
Давление в сосуде 1 при отсутствии расхода кислорода из-за не-
избежного притока тепла извне повышается. При достижении давления
определенного значения клапан 3
открывается. Выходящий через
него кислород дросселируется,
охлаждается и, проходя по змее-
вику теплообменника 2, отбирает
тепло от жидкого кислорода, на-
ходящегося в сосуде /, и затем
выводится в атмосферу.
Питание кислородом потре-
бителей происходит при открыва-
нии электроклапана 7. В тепло-
обменнике 5 кислород нагревается
и затем поступает в перепуск-
ной клапан 8. В этом клапане
одна часть потока кислорода на-
правляется в теплообменник 4
для нагревания жидкого кислоро-
да в сосуде 1 и поддержания
в нем постоянного давления, дру-
гая часть поступает в тепло-
обменник 6, где кислород нагре-
вается до нормальной темпе-
ратуры.
Регулятор давления 9 авто-
матически поддерживает необхо-
Рис. 4.38. Одна из возможных схем прибора
для хранения кислорода:
1—сосуд Дюара; 2—змеевик теплообменника; 5—
клапан сброса избыточного внутреннего давле-
ния; 4—внутренний теплообменник; 5, 5—наруж-
ные теплообменники; 7—'пусковой электроклапан;
8—перепускной клапан; 9—регулятор давления;
заправочный штуцер; 11—предохранительный
клапан; /2—электронагреватель; 13—теплозащит-
ный слой
димое давление кислорода в коммуникациях, подводящих его к потре-
бителю. После включения электроклапана 7 давление в сосуде 1 пони-
жается до рабочего и клапан 3 закрывается. Постоянное рабочее давле-
ние в системе питания в дальнейшем поддерживается автоматически при
помощи клапана 8.
125
Данные об удельном вес-е и теплоемкости жидкого кислорода при
различных температурах и давлениях приведены в табл. 4.21.
Таблица 4. 21
Значение удельного веса и теплоемкости жидкого кислорода при различных тем-
пературах и давлении [21]
Темпера- тура °C Давление в кгс/см2
5 20 40 50 60 80
—185 —160 —140 —120 При Ср — г 1,138 0,415 м е ч а н и е. епло емкость 1,150 0,406 1,028 0,440 В числите. :в ккал/(кг • ° 1,175 0,396 1,058 0,427 0,924 0,490 0,717 0,498 че у — удель С). 1,187 0,392 1,073 0,421 0,945 0,474 0,773 0,695 0,636 0,922 • йный вес в 1,198 0,387 1,088 0,416 0,966 0,462 0,814 0,630 0,728 0,830 гс/см3, в 1,221 0,383 1,118 0,410 1,003 0,442 0,888 0,527 0,836 0,593 знаменателе
Средства для осушки воздуха
Воздух в скафандре с течением времени насыщается влагой, выде-
ляемой человеком в результате дыхания и потовыделения. Принудитель-
ная циркуляция воздуха не способствует испарению влаги и удалению
ее из скафандра, поэтому в системах жизнеобеспечения скафандра осу-
шение воздуха осуществляется с помощью регенерируемых и нерегене-
рируемых поглотителей путем конденсации влаги и сбора ее в специаль-
ном вл а госборн и ке.
В качестве регенерируемых поглотителей могут применяться различ-
ные сорбенты: цеолиты, силикагели, алюмогели и другие химические ве-
щества.
Поглотительная способность некоторых цеолитов приведена выше
(см. табл. 4.16).
Осушка воздуха минеральными сорбентами основана главным об-
разом на явлении адсорбции и последующей капиллярной конденсации
влаги в разветвленной пористой структуре осушителя. К таким осу-
шителям относятся силикагель, алюмогель и др.
Силикагелем (SiCb) называется продукт обезвоживания геля крем-
ниевой кислоты, получаемый в результате воздействия серной или соля-
ной кислоты или растворов различных солей на раствор силиката натрия
(растворимое стекло).
Алюмогель или активированный алюминий состоит в основном из
окиси алюминия А12О3, которая представляет собой цилиндрики или
шарики белого цвета.
Способность силикагеля поглощать пары воды с увеличением тем-
пературы и уменьшением парциального давления водяного пара сни-
жается.
126
В ходе реакции поглощения водяного пара силикагелем :выделяепся
теплота, состоящая из теплоты смачивания (ПО ккал/кгс) и теплоты
конденсации адсорбированной влаги (600 ккал/кгс).
Различают мелкопористый силикагель (с радиусами пор около 15А)
и крупнопористый (с радиусами пор более -50 А). Мелкопористый сили-
кагель применяют для поглощения водяных паров из воздуха при низкой
влажности.
Основные характеристики силикагеля приведены в табл. 4.22 и 4.23.
Таблица 4. 22
Характеристики мелкопористого кускового силикагеля [10]
Показатель Марка
КСМ шем | мем АСМ
Величина зерен в мм 2,7—7 1,5-3,5 0,25-2 0,20—0,5
Насыпной вес в пересчете на сухое вещество в гс/л (не менее) Влагоемкость по парам воды при 20° С и относительной влажности в % 670 670 670 670
20 не менее 9,5 9,5 9,0 9,0
40 » 20,0 20,0 20,0 19,0
60 » 29,0 29,0 29,0 28,0
100 » 35 35 35 35
Потери при высушивании при 150° С в % (не более) 10 10 10 10
Таблица 4. 23
Характеристики крупнопористого кускового силикагеля [10]
Показатель Марка
КСМ ШСМ МСМ АСМ
Величина зерен в мм 2,7—7 1,5—3,5 0,25—2 0,2—0,5
Насыпной вес в пересчете на сухое вещество в гс/л (не менее) 400—500 400—500 400—500 400—500
Влагоемкость по парам воды при 20° С и относительной влажности 100% в % (не более) 70 70 70 70
Потери при 'высупгиаан’ии при 150°С в % (не более) 5 5 5 5
При расчете силикагелевого фильтра-осушителя искомым прежде
всего является его объем, толщина слоя поглотителя h и площадь S:
V = hS=—, ,4 44)
7с«ПР
где h — толщина слоя поглотителя в .м; S —площадь сечения этого слоя
в м2; Овл. в — расход влажного воздуха в кге; dn, dK— соответственно
начальное (при входе в фильтр) и конечное (при выходе из фильтра)
влагосодержание воздуха кге/кге сухого воздуха; т — время работы по-
глотителя в ч; ус — гравиметрический (насыпной) удельный вес
127
силикагеля в кгс/м3; ипр— предельное влагопоглощение силикагеля
(в среднем ипр=0,084-0,1 кге влаги/кге геля).
Площадь слоя поглотителя (сечение (патрона) S -обычно определяют
по условию
S = °вл-в (1 + , (4.45)
7вл.в3600ив
где увл.в — удельный вес влажного воздуха на входе в фильтр в кгс/м3*
vB — скорость воздуха при входе в м/с.
Из последних двух уравнений получаем
h = 3600 7вл.вТОв . ,4_ 46)
(1 + dB) UпР7с
Рекомендуемые значения vB=0,154-0,5 м/с.
Потери напора из-за сопротивления фильтра с силикагелем, имею-
щим зерна диаметром 1—3 мм „при температуре воздуха 20° С
Др=((4704-535)АуВл.в, (4.47)
где ^вл.в берется в пределах 0,15—0,5 м/с.
Адсорбционная способность алюмогеля ниже, чем силикагеля, а сте-
пень осушки им воздуха выше. Алюмогель применяется при температуре
до 25° С.
Конструкция фильтра-осушителя воздуха с помощью веществ, впи-
тывающих влагу, показана на рис. 4. 39. В качестве такого вещества мо-
жет быть использован пенополивинилформаль, представляющий собой
вспененный продукт конденсации поливинилового спирта с формальдеги-
дом, жесткий в сухом состоянии и эластичный при увлажнении. В зави-
симости от плотности пенополивинилформаль выпускается трех м(а1рок:
ТПВФ-1, ТПВФ-2 и МПВФ.
Основные характеристики пенополивинилформаля приведены в табл.
4.24.
Таблица 4. 24
Основные характеристики пенополивинилформаля как осушителя воздуха (ТУВ-
86—67)
Наименование характеристик Марка
МПВФ ТПВФ-1 ТПВФ-2
Удельный вес в гс/см3 Влагопоглощение за 2 ч в '% (не ме- нее) Остаточное влагосодержание в % (не более) 0,1—0,23 8,0 Не более 0,13 700 8,0 0,1—0,23 700 8,0
После полного насыщения можно восстановить способность пенопо-
ливинилформаля поглощать влагу путем механического отжима из него
влаги, после чего он вновь может быть использов1ан.
Способ осушения воздуха путем конденсирования из него вл.аги
и сбора ее в специальном сборнике показан на рис. 3.19.
Конструкция такого осушителя представлена на рис. 4. 39. Благода-
ря перепаду давлений в трубе 2 и в полости 6 взвешенные в воздухе ка-
пельки влаги .впитываются фитилем 3 и от штуцера 5 по трубопроводу
направляются к влагосборнику. Влагосборник представляет собой ци-
линдрическую емкость с мембраной 1, разделяющей ее на две части
128
(рис. 4.40). Надмембранное пространство емкости сообщено с осушите-
лем (воздуха, а подмембранное пространство. является емкостью для
хранения запаса воды.
Рис. 4.40. Влагосборник осушителя воз-
духа:
/—эластичная мембрана; 2—надмембранное
пространстве; 3—подача воды в теплообмен-
ник; 4—вода из осушителя; 5—корпус влаго-
сборника
Рис. 4.39. Конструктивная схема осушителя
(водоотделителя) воздуха на основе конден-
сации из него водяных паров:
/—воздух, содержащий водяные пары; 2—перфо-
рированная труба; 3—фитиль, впитывающий в
себя капли влаги; 4—кожух влагосборника; 5—
штуцер для отвода жидкости; 6—полость пони-
женного давления воздуха
По мере расходования запаса воды ее уровень понижается и над-
мембранное пространство заполняется водой, поступающей из осуши-
теля.
Теплообменники
Теплообменники в системах жизнеобеспечения скафандров охлаж-
дают воздух ib вентилирующей Системе скафандра, и воду, циркулирую-
щую ib костюме с жидкостным охлаждением /КЖО).
Как показал опыт применения теплообменников, они должны обес-
печивать:
— охлаждение воздуха с 25 до 5° С при расходе до 300 л/мин и из-
быточном давлении в пределах 0,2—0,4 кгс/см2
— охлаждение воды или другого хладагента с 20 до 7° С при рас-
ходе от 1 до 3 л/мин.
Расчет теплообменника обычно сводится к определению необходи-
мой площади поверхности теплообмена на основании свойств выбранно-
го теплоносителя, расхода тепла, температур теплоносителя на входе
и выходе из теплообменника, а также полного гидравлического сопро-
тивления теплообменника при заданном давлении в нем теплоносителя.
Как уже отмечалось, полное гидравлическое сопротивление тепло-
обменника включает:
— потери напора теплоносителя на входе в него;
— внутреннее гидравлическое сопротивление теплообменника, обус-
ловленное трением, местными сопротивлениями и интенсивностью тепло-
обмена, определяемого специальными методами расчета внутренней гид-
рогазодинамики;
— .потери напора теплоносителя при расширении его потока на вы-
ходе из теплообменника.
Эффективность теплообменника оценивается обычно по его весово-
му коэффициенту E = QIG (отношение количества тепла, переданного
теплоносителю в единицу времени, в ккал/ч, к весу теплообменника
в кгс).
В системе жизнеобеспечения для скафандров обычно применяются
испарительные и сублимационные теплообменники.
Испарительные теплообменники, применяющиеся для охлаждения
воздуха, основаны на использовании скрытой теплоты испарения жид-
костей.
9 1341
129
Как •известно, кипение нагреваемой жидкости происходит в том слу-
чае, если температура ее поверхностного слоя выше температуры насы-
щенных паров жидкости при данном давлении
Количество тепла, передаваемого стенкой теплообменника кипящей
жидкости,
Q = aK(/cT-/H)Sr, (4.48}
где ак — коэффициент (конвективного теплообмена; S— площадь нагре-
ва; т — время.
Коли честв о тепл а, отводимо го исп арител ьн ым теп л оо б м е нн и ком г
определяется давлением, при котором происходит кипение хладагента
при заданной темпер1атуре, температурным напором (перепадом), со-
стоянием поверхности нагрева, физическими свойствами жидкости (теп-
лоносителя) и ее насыщенных паров.
Эффективность испарительного теплообменника характеризуется
также количеством испаряющейся жидкости, уносимой с паром, при раз-
личных тепловых нагрузка-х. Обычно оно составляет 8—45% от общего
количества теплоносителя в теплообменнике.
Хладагентам для испарительного теплообменника обычно служат
жидкости с большой скрытой теплотой парообразования, безвредные
для человека и безопасные в пожарном отношении. Такими жидкостями
являются вода, водо-спиртовые и водо-гликоливые смеси.
Основные теплофизические характеристики некоторых хладагентов
приведены в табл. 4.25 и 4.26.
Таблица 4. 25
Температура кипения воды при различных давлениях *
Давление мм рт. ст. Темпе- ратура кипения °C Давление мм рт. ст. Темпе- ратура кипения °C Давление мм рт. ст. Темпе- ратура кипения °C Давление мм рт. ст. Темпе- ратура кипения °C
760 100 — — 92,5 50 6,1 4
525 90 — — 55,3 40 4,58 0
355 80 17,5 20 42,17 35 3,28 —4
233,7 70 12,78 15 31,82 30 2 — 10
149,4 60 9,2 10 23,75 25 1,3 —16
— — 0,78 —20
* Карякин Н. И. и др. Краткий справочник по физике. М., 1962. «Высшая школа»,
Одна из возможных схем двухконтурного испарительного теплооб-
менника приведена на рис. 4.41. В этом теплообменнике температура
кипения хладагента должна быть ниже температуры циркулирующего
воздуха. Давление паров хладагента перед (клапаном 3 должно быть вы-
ше давления атмосферного воздуха, иначе они будут удалены из испа-
рителя и кипение хладагента при данной температуре станет невоз-
можным.
По второму контуру 4 течет вода, температура кипения которой так-
же выше температуры кипения испаряемого хладагента. Клапан 3 под-
держивает в теплообменнике заданное избыточное давление. Испаритель
теплообменника заполняется каким-либо пористым веществом (напри-
мер пенополивинилформалем) и насыщается жидким теплоносителем
130
(водой). Необходимость в .пористом испарителе обусловлена тем, что
при невесомости нет четкого разделения фаз (жидкость, пар) и содер-
жащийся и теплообменнике хладагент (’вода) будет (выливаться наружу
через клапан 3.
Таблица 4.26
Основные физические характеристики некоторых хладагентов (теплоносителей)
Хладагент Химическая формула Молекулярный вес гс Температура кипения (при /7=760 мм рт. ст.) °C Параметры крити- ческой точки Температура засты- вания t3 °C Показатель адиаба- h ты k = — Су
Температура ^°С Давление кгс/см2 Удельный объем м3/кгс
Аммиак NH3 17,03 —33,4 132,4 115,2 4,13 —77,7 1,3
Углекислый газ со2 44,01 —78,5 31,0 75,2 2,16 —56,6 1,3
Монофтортрихлорметан (фреон-11) CFC13 137,39 23,7 198,0 44,6 1,805 —111,0 1,13
Дифтордихлорметан (фреон-12) CF2C12 120,92 —29,8 112,0 41,96 1,793 —155,0 1,14
Трифтормонохлорметан (фреон-13) CF3C1 104,47 —81,5 28,78 39,36 1,721 — 180,0 —
Монофтордихлорметан (фреон-21) CHFC12 102,92 8,90 178,5 52,68 1,915 —135,0 1,16
Дифтормонохлорметан (фреон-22) CHF2C1 86,48 —40,8 96,0 50,33 1,905 —160,0 1,20
Тетрафтордихлорэтан (фреон-114) C2F4C12 170,91 3,5 145,8 33,4 1,715 — 94,0 1,107
Дифтормонохлорэтан (фреон-142) c2h3f2ci 100,48 —9,25 137,0 42,0 2,30 —130,8 1,135
Теплообменникам испарительного типа присущи следующие недо
статки, вытекающие из принципа их работы:
— потери жидкого хладагента (воды), выносимого из теплообмен-
ника .в атмосферу .вместе с его парами;
— необходимость применения (специального устройства, обеспечи-
вающего требуемую дозированную подачу хладагента для компенсации
его утечки в .атмосферу;
— температура хладагента в испарителе должна быть выше нуля;
— возможное обмерзание клапана, через который отводятся пары
хладагента в атмосферу.
Сублимационные теплообменники основаны на использовании скры-
той теплоты сублимации при испарении твердых тел. Эта теплота вклю-
чает скрытую теплоту испарения и замерзания. Например, для воды она
складывается из скрытой теплоты ее испарения при 0° С—около
600 ккал/кгс и скрытой теплоты замерзания — около 80 ккал/кгс. Поэто-
му при сублимации достигается наименьший расход испаряемого веще*
ства (хладагента).
Принцип действия сублимационного теплообменника поясняется на
схеме рис. 4. 42. Он заключается в сублимации льда, образующегося
в капиллярах пластин. Поток жидкого теплоносителя 1 (охлаждаемой
воды) проходит через щелевые каналы теплообменника, как это пока-
зано стрелками Л, и отдает свое тепло через стенки 6 из материала
S* 1з1
с хорошей теплопроводностью сублимируемой воде 2. Сублимация воды
происходит в пластинах 3, поры которых сообщены с каналами 5. В ка-
налы 5 поступают образующиеся при сублимации водяные пары, отво-
димые далее ib окружающую среду. Расход сублимируемой воды (попол-
няется (путем автоматически регулируемой ее подачи из расходной ем-
кости. Часовой расход сублимируемой воды
Qs
^исп "Ь гзам
(4. 49)
где Qs —суммарное количество отводимого тепла; гисп и г3ам — соответ-
ственно скрытая теплота испарения и замерзания воды при данном дав-
лении.
Рис. 4.41. Принципиальная схе-
ма двухконтурного испаритель-
ного теплообменника:
/—герметичный корпус; 2—контур
охлаждения воздуха; 3—клапан
давления; контур охлаждения
воды; 5—пористый испаритель;
пропитанный хладагентом; 6—
крышка; 7—горловина для заливки
хладагента
Рис. 4.42. Принципиальная схема двухкон-
турного сублимационного теплообменника:
/—жидкий теплсноситель (охлаждаемая вода);
2—сублимируемая вода; <3—пористые пластины;
4—'Каналы для газообразного теплоносителя; 5—
каналы пед вакуумом; 6—разделительные пере-
городки; 4—поток жидкого теплоносителя /;
Б—поток сублимируемой воды 2; В—поток газо-
образного теплоносителя
Формула (4.50) не учитывает расход тепла при изменении темпера-
туры подаваемой в теплообменник сублимируемой воды, которым ввиду
его незначительности можно пренебречь.
Основными элементами сублимационного теплообменника являются
пористые испарители, ib которых происходит процесс сублимации. Счи-
тается, что методами порошковой металлургии можно получить пори-
стые материалы из любых металлов.
Важнейшими характеристиками пористых испарителей являются
объемная пористость, определяемая как отношение суммарного объема
пор ко всему объему элемента и поверхностная пористость, определяе-
мая отношением суммарной площади поперечного сечения пор к пло-
щади элемента.
Зависимость скорости испарения жидкого хладагента от среднего
диаметра пор испарителя приведена на рис. 4.43 [13].
132
।
Характеристики перистых испарителей, изготовленных на базе алю-
миния:
объемная пористость........................................15—30%,
'средний размер пор........................................4—20 мкм
толщина пластин............................................2—3 мм
коэффициент теплопроводности........................9,46—21,5 ккал/(м-ч-
°С)=11—25 Вт/(м К)
Характеристики пористых испарителей, изготовленных на базе ти-
тана [13]:
объемная пористость......................................
средний размер пор ......................................
толщина пластин..........................................
коэффициент теплопроводности %...........................
20—40%,
3—20 мкм,
1—б мм
1,72—4,3 ккал/(м-щ
°С)=2—5 Вт/(м К)
Под воздействием сил давления и поверхностного натяжения проис-
ходит движение воды (в капиллярах пор испарителя. Кроме того, из-за
резкого снижения давления в
каналах 5 (см. рис. 4. 42) вода
вскипает в капиллярах, испа-
ряется и охлаждается. В зави-
симости от внешних условий
вода замерзает или в глубине
капилляров, или на выходе из
них. В последнем случае обыч-
но происходит выбрасывание
воды в окружающее простран-
ство. После замерзания воды
начинается собственно сам про-
цесс сублимации — упорядо-
ченное испарение льда.
Процесс замерзания воды
и испарения льда в микрока-
пиллярах пористых пластин ис-
парителя происходит при мини-
Рис. 4.43. Зависимость скорости испарения
(jm) жидкого хладагента в пористом испа-
рит еле от среднего диаметра его пор (dCp)
П8]
муме непроизводительного расхода хладагента.
При критическом давлении рКр происходит прорыв воздуха через
микропоры, предварительно заполненные водой. Это давление характе-
ризует величину сил поверхностного натяжения в капиллярах.
Расчеты показывают, что наиболее резко диаметр пор капилляров
изменяется при изменении давления до критического — 1 кгс/см2. Так,
если максимальный диаметр пор при ркр = 0,1 кгс/см2 составляет 30 мкм,
то при рКр = 1 кгс/см2 он соответственно уменьшается до 3 мкм.
В зоне испарения возникает давление, обусловленное резким увели-
чением удельного объема испаряющегося вещества и гидродинамическим
сопротивлением каналов пор.
При превышении некоторой определенной величины теплового пото-
ка сублимация льда становится невозможной и вода начинает просачи-
ваться через поры материала в вакуумированные каналы теплообмен-
ника. Величина этого критического потока зависит от пористости, диа-
метра пор материала и давления воды (чем больше пористость, меньше
диаметр пор и меньше давление воды, тем больше величина критиче-
ского теплового потока).
С увеличением теплового потока зона сублимации приближается
к наружной, соприкасающейся с вакуумированной средой поверхности.
Удельная холодопроизводительность пористых пластин (на едини-
цу поверхности) достигает (1,294-11,72) • 104 ккал/(ч-м2) = (1,54-2) • 104
Вт/м2.
133
Удельный нес льда, зависящий от температуры и наличия воздуш-
ных пузырьков, в расчетах практически принимается равным 0,917 кгс/л
(при переходе воды в лед объем ее увеличивается приблизительно на
9%). В расчетах следует также учитывать, что с повышением давления
температура плавления льда понижается (при нормальном давлении она
равна 0°С). Скрытая теплота плавления льда -с достаточной для прак-
тических расчетов точностью составляет 80 ккал/кгс. При температурах
от 0 до —20° С средняя теплоемкость льда — 0,5 ккал/(кгс-° С).
Теплопроводность льда в зависимости от его температуры:
t °C 0 —50 — 100
X ккал/(м-ч-°C) 1,92 2,39 2,99
Сопротивление льда сжатию оЛьда в зависимости от температу-
ры [14]:
/°C 0 —10 —20
а.|Ма К1'с/см2 15 30 50
Сублимационные теплообменники обладают рядом преимуществ по
сравнению с испарительными, так как при испарении твердого хлад-
агента разделение фаз происходит обычно более устойчиво и четко, чем
при испарении жидкого хладагента. Эта особенность важна для условий
с пониженной гравитацией и невесомости. Кроме того, фазовый пере-
ход при сублимации происходит .при более низких температурах.
Инжекторы
Принцип действия инжектора (эжектора) основан" на использовании
кинетической энергии струи вытекающего из сопла инжектирующего
сжатого газа или пара для подсасывания (нагнетания) другого инжек-
тируемого газа или жидкости (рис. 4.44). Перед инжектором обычно
поддерживается постоянное давление (2—8 кгс/см2).
Рис. 4.44. Схема инжектора для создания циркуляции воздуха
в системе скафандра:
/—нулевое сопло; 2—диффузор
В системах жизнеобеспечения скафандров инжекторы используются
для осуществления циркуляции газов в системах вентиляции.
134
В (инжекторе струя инжектирующего газа, пройдя через сопло или
ряд сопел, в которых происходит подсос воздуха, поступает в диффузор,
где ее скоростной напор преобразуется в статическое давление [16]. Чем
больше напор, который должен создавать инжектор, тем меньше будет
количество подсасываемого им воздуха. Эффективность инжектора ха-
рактеризуется коэффициентом инжекции
' (4.50)
^инж
где 6п0д и 6ИПЖ — соответственно вес подсасываемого и инжектирующего
газа.
Исходными данными для определения размеров инжектора являют-
ся секундный расход подсасываемого воздуха по весу бПод в кгс/с или
по объему И7ПОд в м3/с и напор Н, при котором подается в систему под-
сасываемый воздух, в (ММ вод. ст.
Рис. 4.45. График для определения входящего в форму-
лу (4.52) коэффициента инжекции qG
Под напором инжектора Н поднимается разность между давлением
во всасывающем трубопроводе инжектора и давлением в нагнетатель-
ном его трубопроводе за диффузором. Если скорость потока на входе в
инжектор и на выходе из него превышает 5 м/с, то к напору Н необхо-
димо прибавить скоростной напор.
При заданных исходных данных (Опос, //под, ^под) размеры инжек-
тора определяются следующим образом.
1. Работа адиабатического расширения инжектирующего газа

k-\ ~
I __/ Ркор \ k
'А1НЖ '
(4.51)
где k— показатель адиабаты; рИпж, ГИнж — абсолютные давление и тем-
пература инжектирующего сжатого газа; рКор — абсолютное давление
в корпусе инжектора; R — газовая постоянная инжектирующего газа.
2. По найденному значению £ад и заданному напору Н инжектора с
помощью графика на рис. 4. 45 определяется коэффициент инжекции gG.
График построен по результатам испытаний инжекторов [16] при
р = 760 мм рт. ст. и /под = 15° С подсасываемого воздуха, при рИнж='1,5-г-
6 кгс/см2 и /инж=1'5°'С инжектирующего газа (воздуха).
Если абсолютное давление и температура подсасываемого воздуха
не соответствует принятым, то в величину коэффициента инжекции qGi
получаемую по графику рис. 4. 45, следует внести поправку. Для этих слу-
135
чаев новое значение коэффициента инжекции #с = <7о]/у/у0, где qG— ко-
эффициент инжекции, найденный из графика рис. 4. 45; у — удельный вес
подсасываемого воздуха ,при условиях, отличных от условий для графи-
ка на рис. 4.45; у0 — удельный вес подсасываемого воздуха при 760 мм
рт. ет. и 15° С (уо= 1,2'25 кгс/м3).
Подставляя значение у0, получаем
qo=-0,9qoW- (4.52)
3. По заданному расходу СПОд подсасываемого воздуха и найденному
коэффициенту qG из формулы (4.51) определяется расход инжектирую-
щего газа:
^инж ^под/Q G*
4. Объемный расход газоврй смеси через входную горловину диф-
фузора инжектора (рис. 4. 46).
гг ПОД I Ипди
Рис. 4.46. Основные параметры диффузора инжектора
где И7ПОд — объем подсасываемого газа при заданном для него давлении
и температуре; И7ИНЖ— объем инжектирующего таза при расширении его
до давления в корпусе инжектора рКор и цри температуре смеси в нем Т .
U7 =G Vi м3/с* W =___________—___G
V ПОД ПОД 11 ш w инж ? 1Q4 инж
5. Средняя скорость инжектирующего газа во входной горловине
диффузора по заданному статическому напору Н инжектора
fm = l/ ------- м/с,
у @1?инж
где pi — массовая плотность газа при давлении и температуре в каме-
ре инжектора в 1кгс-с2/м4; <ринж— коэффициент использования скорост-
ного напора (ориентировочно можно принимать финЖ = 0,8).
6. Площадь входного сечения диффузора инжектора по объемному
расходу WE и скорости vm
Sm==WE/vm\M2.
Из найденной площади Sm определяются диаметр входной горлови-
ны диффузора dm и диаметр dK выходного сечения диффузора по зада-
ваемой скорости на выходе уд = 54-10 м/с.
Длина диффузора при обычном угле раствора диффузора йд = 5°4-8°
(см. рис. 4. 46)
l.= , (4.53)
о.„ ад
136
Определив размеры диффузора, можно уточнить значение коэффи-
циента финж (в долях от скоростного напора рУ™/2):
ч Г Cf Z/n2— 1\
а) потери на трение в диффузоре ^р=~~~сь /2 ~ —~2—) >
где С/ = 0,002 — коэффициент трения; m = SnISm—отношение площадей
выходного и входного сечений диффузора; ад — угол раствора диффу-
зора;
б) потери на расширение Lacm^510 ад ------- ;
\ т J
в) потери на выходе 5ВЫх= 1/т2-
С учетом приведенных потерь коэффициент использования скорост-
ного напора
Тинж 1 ( *тр “Н ^расш “Н ^вых)’
ЛИТЕРАТУРА
1. Проблемы космической биологии. Под ред. академика В. Н. Чернигорского.
Т. XI. «Наука», М., 1969.
2. И д е л ь ч и к И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Гос-
энергоиздат, I960.
3. Баш та Т. М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. М., «Машино-
строение», 1967.
4. Киселев П. Г. Справочник по гидравлическим расчетам. М., Госэнергоиздат,
1961.
5. Б а шт а Т. М. Машиностроительная гидравлика. М., Машгиз, I960.
6. Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. М., Воениздат, 1965.
7. Роонов В. В., Хаш ев Ю. М. Химические источники тока. М., «Совет-
ское радио», 1968.
8. Серпионова Е. Н. Промышленная адсорбция газов и паров. М., Госхим-
издат, 1956.
9. Дубинин М. М. Синтетические цеолиты. М., Изд-во АН СССР, 1962.
10. Справочник по космической биологии и медицине. Под ред. А. И. Бурназяна
и др., М. «Медицина», 1967.
11. Калинушкин М. М. Вентиляторные установки. М., «Высшая школа», 1967.
12. Чупраков Ю. П. Основы гидро- и пневмоприводов. М., «Машиностроение»,
1966.
13. Селиванов В. В., Ш м и г о р а В. Н. Исследование процесса испарения
жидкости из пористого металла в условиях вакуума.— «Инженерно-физический жур-
нал», Г968, т.' XIV, № 1.
14. Комаров Н. С. Холод. М., изд-во Министерства легкой и пищевой промыш-
ленности, 1963.
15. Быков Л. Т., Егоров М. С., Т а р а с о в П. В. Высотное оборудование
самолетов. М., Оборонгиз, 1958.
16. Ржаницын Н. А. Водоструйные насосы (гидроэлеваторы). ГОНТИ НКТП
СССР, 193'8.
17. Справочник химика. Т. I. М., Химиздат, 1951.
18. Степанов А. И.-Центробежные и осевые насосы. М., «Машгиз», 1960.
19. Карякин Н. И. и др. Краткий справочник по физике. М., «Высшая школа»,
1962.
20. Кочетков Н. Д. Холодильная техника. М., «Машиностроение», 1966.
21. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. М., Физматгиз, 1959.
22. М и х е е в М. А. Основы теплопередачи. М., ГЭИ, 1956.
23. Князев В. Н. Основные вопросы кислородного обеспечения высотных поле-
тов. М., Воениздат, 1947.
24. М е н ь ш о в А. И. Космическая энергономика. М., «Наука», 1971.
ГЛАВА 5
Конструкция аварийно-спасательного
скафандра
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Аварийно-спасательный скафандр представляет собой индивиду-
альное снаряжение для членов экипажей летательных аппаратов, ис-
пользуемое 'ими ib следующих случаях:
— при внезапной разгерметизации кабины;
— при нарушении необходимого газового состава воздуха в каби-
не и повышении или понижении в ней заданной температуры;
— при 1ПО1КИДании летательного аппарата в аварийной обстановке.
Конструкция скафандра должна быть согласована с системой, обес-
печивающей жизнедеятельность человека в скафандре.
Время пребывания человека в скафандре зависит от устройств,
обеспечивающих питание и отправление естественных надобностей. Со-
гласно опубликованным в печати данным оно составляет:
— 12—15 суток в условиях загерметизированной кабины, оборудо-
ванной системой для собирания жидких и твердых отходов;
— 2—3 суток © условиях разгерметизированной кабины, оборудо-
ванной системой подачи воды для питья и приемником жидких отходов.
Аварийно-спасательные скафандры в зависимости от типа ЛА,
на котором они применяются, можно подразделять на авиационные и
космические.
Высотные (авиационные) аварийно-спасательные скафандры приме-
няются на самолетах, а космические — на кораблях-спутниках, орби-
тальных космических станциях (ОКС) и межпланетных кораблях.
Основные элементы скафандра: оболочка и шлем.
В комплект скафандра входят верхняя одежда космонавта, натель-
ное белье, теплозащитный костюм (ТЗК), обувь, средства связи, спаса-
тельные средства.
Жизненно важные функции, выполняемые скафандром, обусловили
необходимость предъявления к ним высоких требований. В каждом кон-
кретном случае эти требования могут дополняться и изменяться в зави-
симости от конструкции летательного 'аппарата и целей полета.
Отечественный и зарубежный опыт позволяет привести примерные
общие требования, которые учитываются при разработке скафандров.
Общие требования к аварийно-спасательным скафандрам
1. Возможно меньшее ограничение подвижности человека при на-
хождении на корабле и вне его.
2. Высокая надежность в эксплуатации.
3. Возможно меньший вес и габариты.
4. Простота и удобство пользования и обслуживания, ремонтопри-
годность (возможность ремонта и замены отдельных элементов в про-
цессе эксплуатации).
138
5. Безопасность в пожарном отношении.
6. Возможно большая «живучесть» при механических поврежде-
ниях.
7. Высокие вибропрочность и теплостойкость в заданных диапазонах
температур.
8. Запас прочности:
— трехкратный по сравнению с рабочей статической нагрузкой;
— двукратный по сравнению с динамической нагрузкой (проверя-
ется в перепадной барокамере).
9. Возможность регулирования вручную давления в скафандре, ко-
личества и температуры подаваемого для вентиляции воздуха.
10. Ограничение содержания вредных примесей во вдыхаемом воз-
духе соответственно данным, приведенным в табл. 4.1.
И. Возможность без посторонней помощи надевать скафандр и
снимать его.
2. ОБОЛОЧКА СКАФАНДРА
Оболочка скафандра должна быть герметичной для поддержания
внутреннего избыточного давления и достаточно подвижной для выпол-
нения человеком заданного комплекса движений.
Многослойная оболочка состоит из нескольких оболочек (слоев):
силовой, герметичной и подкладочной, силовой системы и разъемов для
шлема и перчаток (рис. 5.2).
В оболочке для надевания скафандра делается распах, герметизи-
руемый специальным аппендиксом (рис. 5.3). В некоторых скафандрах
распах вместо аппендикса закрывается герметичной застежкой «молния».
Силовой слой воспринимает растягивающие усилия, возникаю-
щие в результате действия внутреннего избыточного давления.
Ткань, применяемая для его изготовления, должна обладать задан-
ной прочностью при двухосном нагружении по основе и утку и высокой
сопротивляемостью на раздирание.
На рис. 5.4 показаны различные типовые швы для соединения тка-
ней. Выбор того или иного типа шва производится с учетом характера
нагружения и конструктивных особенностей соединения. Так, при боль-
ших растягивающих усилиях применяется шов «в замок», причем коли-
чество строчек зависит от прочности ткани и возникающих в ней усилий.
Каждый из запроектированных швов рекомендуется подвергнуть
предварительным испытаниям на специально изготовленных образцах.
В качестве силового слоя может применяться сетка, показанная на
рис. 5. 5, изготавливаемая из прочных синтетических нитей (например,
из дакрона). Она удобна в эксплуатации, продольные усилия в ней вос-
принимаются лентами, расположенными вдоль туловища и конечностей.
При сетчатой силовой оболочке подвижность скафандра снижается.
Герметичный слой изготавливается из листовой резины или
прорезиненной ткани.
Несмотря на то, что материалы, из которых изготавливается герме-
тичный слой, в достаточной мере воздухонепроницаемы, оболочка ска-
фандра практически не сохраняет герметичности и прежде всего из-за
большого количества в ней разъемных соединений.
При избыточном давлении 0,2 кгс/см2 и обычной технологии изготов-
ления утечка воздуха из скафандра через неплотности разъемных соеди-
нений в его оболочке составляет 0,5—1 л(н)/мин. При более строгом
контроле технологии утечку можно снизить до 0,3—0,6 л(н)/мин.
Герметичный слой изготавливается из листовой резины толщи-
ной около 1 мм. Передний распах в ней герметизируется аппендиксом.
Герметичная оболочка может также изготавливаться из латексной рези-
ны методом погружения в раствор латекса.
139
Рис. 5.1. Типовой аварий-
но-спасательный ска-
фандр с многослойной
оболочкой:
/—шлем; 2—силовая сис-
тема; 3—силовой слой; 4—
герметический ввод прово-
дов средств связи; 5—объе-
диненный разъем шлангов
системы жизнеобеспече-
ния; 5—герметический слей
оболочки; 7—подкладка обо-
лочки; 3—трубка вентилиру-
ющей системы; 9—натель-
ное белье; 10—носок; 11—
съемная обувь; 12—верхняя
одежда; 13—съемная пер.
чатка; 14—регулятор давле-
ния; 15—шлемофон
Рис. 5.2. Оболочка аварийно-спасательного скафандра:
/—силовой слой; 2—коленный шарнир; 3—тазобедренный шарнир; 4—регулятор давления
внутри скафандра; 5—манометр, измеряющий давление внутри скафандра; 6—герметический
ввод проводов средств связи; 7—плечевой шарнир; 3— шейное кольцо; 9—предохранитель-
ный клапан; 10—трос натяжной системы; //—шланг для подачи воздуха; 12—манжета; 13-
клапан для подачи жидкой пищи; 14—пряжка для регулирования длины рукава; /5—лок-
тевой шарнир; /6—пряжка для регулирования длины штанины; /7—направляющие плечево-
го шарнира; 18—стяжной трос плечевого шарнира
140
Ста чной
Обта чной
Настрочной
Запоишвочный
Краевой
с закрытым срезом
Накладной
Двойной
накладной
—=S=—
Накладной
с тремя строчками
„В замок"
Окантовочный
Рис. 5.4. Типовые швы для тканей
оболочки скафандра
Рис. 5,3. Распах и аппендикс на аварийно
спасательном скафандре [2]:
/ — аппендикс; 2—силовая лента, воспринимающая
продольные усилия; >3—герметический ввод про-
водов средств связи; 4—направляющие втулки
плечевого шарнира; 5—локтевой шарнир с конст-
руктивными элементами в виде «корочек»
Рис. 5.5. Силовой слой оболочки
скафандра, изготовленный из
сетки;
Рис. 5.6. Коленный шарнир оболочки
скафандра, .изготовленный из латекс-
ной резины методом макания
а—общий вид; б—схема плете-
ния нитей
141
В частности, на рис. 5. 6 показан коленный шарнир герметичной обо-
лочки, выполненный из латексной резины толщиной около 0,5 мм.
Представляет интерес п а р о п р о в о д н а я (п а р о п р о н и ц а е-
м а я) герметичная оболочка, (которая исключает необходи-
мость в вентиляции скафандра для удаления водяных паров.
Рис. 5.7 и 5.8. Типовые швы для однослойных оболочек ска-
фандров из прорезиненной ткани:
1—прорезиненная ткань; 2—нитки; 3—накладка из прорезиненной тка-
ни; 4— регуляторная лента (прорезиненная однослойная ткань); 5—
ткань аппендикса (однослойная прорезиненная ткань)
В (настоящее время ведутся исследовательские работы .по созданию
такой оболочки, в частности на базе материала, представляющего собой
полиуретановую термопластическую смолу *.
Однослойная оболочка и уготавливается из
воздухонепроницаемой ткани, обладающей не-
обходимой прочностью.
Ткань раскраивается по шаблонам, затем
выкроенные отдельные части склеиваются и
прошиваются нитками. Для обеспечения герме-
тичности шва после прошивки на него сверху
накладываются и приклеиваются две полоски
из прорезиненной ткани.
Типовые конструкции швов для однослой-
ных оболочек из прорезиненной ткани пока-
заны на рис. 5.8. Прочность прошитых швов
проверяется при статических испытаниях спе-
циально изготовленных образцов.
Максимальная прочность прошитого шва
обычно не превышает 80—90% прочности ос-
новной ткани, минимальная — снижается из-
за возможных технологических дефектов до
60—70% И].
Для изготовления однослойных оболочек
скафандров применялись прорезиненные тка-
ни, прочностные характеристики которых при-
ведены в табл. 8.3. Высокая трудоемкость из-
готовления оболочек из таких тканей и срав-
нительно малая их прочность в эксплуатации
явились причинами перехода на многослойные
оболочки.
Рл.с. 5.9. Типовая сило-
вая система скафандра
[2]:
/—пряжка для регулирова-
ния длины штанины; 2—
пряжка для регулирования
длины корпуса скафандра;
3—пряжка для регулирова-
ния длины рукава; 4—попе-
речная стяжка; 5—пряжка
для подтягивания шлема
Силовая натяжная система ограничивает
увеличение объема оболочки благодаря внут-
реннему избыточному давлению в скафандре и
позволяет подгонять скафандр по размерам те-
ла человека. Она состоит из системы тросов
или прочных шнуров и лент (рис. 5.9).
Конструктивно силовая система ,может
быть единой или раздельной.
* Bixler Н. J., Hof man A. S., S р а п о L. A. New Poliirferic Material Holds
Key Pervaporative Space Suit Cooling, «Space /Aeronautics», 1967, vol. 48, No. 7.
142
В единой силовой системе одновременно регулируется как длина
корпуса, так и положение (подтяг) шлема (см. рис. 5. 75). При раздель-
ной силовой системе длина туловища скафандра регулируется независи-
мо от положения шлема.
Подгонка скафандра (может осуществляться летчиком самостоя-
тельно.
Для того чтобы подогнать скафандр по росту, предусматривается
регулирование длины рукавов и штанин.
Разъемы скафандра должны обеспечить -ср-авнительно быстрое на-
девание и снятие скафандра. Обычно аварийно-спасательные скафандры
имеют шейный разъем, разъем для перчаток и грудной распах. На не-
которых образцах -скафандров применяется еще разъем для обуви.
Оболочки скафандров изготавливаются нескольких типовых разме-
ров (ростовок), причем подгонка по росту производится при помощи
силовой системы, замки и пряжки которой позволяют обычно регули-
ровать размеры частей скафандра в соответствии с размерами туловища,
бедра,голени и руки.
В табл. 5. 1 приведены характерные размеры человека, принятые
в швейной промышленности.
Уменьшение числа ростовок ведет к увеличению складок при под-
гонке и в конечном итоге к ухудшению подвижности человека в скафанд-
ре. Поэтому в наиболее ответственных случаях, например для космиче-
ских полетов, оболочки изготовляются индивидуально в -соответствии с
антропометрическими размерами каждого космонавта.
Обычная полетная одежда для летчиков изготавливается шести размеров (46, 4-8,
50, 52, 54, '56) и шести ростов (155^—160-, 161—166, 167—172, 173—178, 179—184 и более
184 см).
Для каждого из указанных размеров делается от одного до трех ростов. Размер
одежды определяется величиной половины окружности груди в сантиметрах (ленты
для измерения должны накладываться под мышками) при надетых белье и рубашке.
Расчет силовой оболочки скафандра на прочность
Силовая оболочка скафандра при внутреннем избыточном давлении
способна воспринимать нормальные растягивающие погонные усилия,
возникающие от приложенных к ней растягивающих сил, и касатель-
ные напряжения (сдвига или кручения от сил растяжения. Таким обра-
зом, оболочки можно рассматривать как предварительно напряженную
конструкцию.
Если в ней произошел разрыв, то образовавшаяся щель под влия-
нием внутреннего давления будет раскрываться и чтобы сблизить два
края, надо приложить два равных и прямо противоположных усилия,
которые представляют собой погонные нагрузки в кгс/см или кгс/м.
По конструкции оболочки разделяются на каркасированные и не-
каркасированные. В качестве каркаса применяются различные силовые
элементы (ленты, тесьма), воспринимающие продольные или поперечные
усилия.
Для определения напряжений в оболочке, находящейся под избы-
точным внутренним давлением, рассмотрим равновесие -сил, приложен-
ных к некоторому бесконечно малому элементу ткани, вырезанному из
оболочки (рис. 5.10).
Уравнение, характеризующее равновесие действующих на элемент
сил, будет иметь вид:
pdSxdSn = 2TldSli sin -^--^-2TndS1 sin-^- ,
где I\ и Тц — искомые погонные нагрузки в кгс/м; р — внутреннее дав-
ление.
143
5
Таблица 5. 1
Примерные данные обмера человека
Размер и рост Рост человека см Обхватные размеры человека, см Длина, см
груди шеи за- пястья талии ягодиц бедра бедра над ко- леном туловища Рук • ног
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
48—1 161—167 92—96 38—39 17—18 76—80 87—91 50—53 35—36 155—160 73—76 78—81 с> хема замеров
Zu-2 /0 ) /М 7
50—2 50—3 50—4 167—173 173—179 179—185 96—100 39—40 17—18 80—83 91-95 53—55 36—38 160—165 162—167 165—170 76—78 78—81 81—83 81—84 84—87 87—90 5 7-~~

52-2 52—3 52—4 167—170 173—179 179—185 100—104 40—41 17—18 83—87 95—99 55—58 38—39 162—167 165—170 167—172 76—78 78—81 81—83 81—84 84—87 87—90
ГК -1
54—2 54-3 54—4 167—173 173—179 179—185 104—108 41—42 17—18 87—90 99—103 58-60 39—41 165—170 167—172 170—175 76—78 78—81 81—83 81—84 84—87 87—90
Уровень пола
56-3 173—179 108—112 42—43 18—19 90—94 103—107| 60—63 41—42 170—175 78—81 84—87
58—4 179—185 112—116 43-44 18—19 94—97 107—111 63—65 42—44 175—180 81—83 87—90
Учитывая, что dS1 = rid^1, dS =гх Лрпи что синусы малых углов
dqxlZ и rfcpn/2 .можно считать равными самим углам, уравнение равнове-
сия примет вид:
pdSxdSn= (J-L-^h.XdS^dS^
\ г\ г\\ /
откуда р= (—+—А . (5.1)
\ Г] гп /
В случае шара /'i = /'ii=^ и, следовательно,
7’i = Ai = p/?/2. .(5.2)
В цилиндре Гп = /?; О = оо, .следовательно,
T\=pRf2, (5.3)
Tn=pR. (5.4)
Для конической оболочки
Tn = 2T\ = pR^ , (5.5)
где а — угол конусности.
Допускаемые погонные напряжения материала оболочки Гдоп обыч-
но выражаются в долях от разрывного усилия Гразр, соответствующего
одноосному нагружению с учетом
коэффициента запаса прочности,
а именно:
^доп = ^разрМ? (5.6)
где п — коэффициент запаса проч-
ности, учитывающий ослабление ма-
териала при двухосном нагружении,
усталостные характеристики мате-
риала, возможные ослабления в
швах (обычно принимается п = 3).
Очевидно, что величину коэффи-
циента п следует учитывать при пе-
реходе от рабочего давления в ска-
фандре к расчетному.
Например, определим усилия, возни-
кающие в оболочке при расчетном избы-
точном давлении Др =1,2 кгс/см2 и диа-
метре цилиндрической части оболочки
Рис. 5.10. К выводу уравнения равно-
весия сил, приложенных к элементу обо-
лочки скафандра, находящемуся под
избыточным давлением
d=600 мм.
Нормальные погонные усилия определяем по формулам (5:3) и (5.4):
7’прод = = 1.2- 18 кгс/см;
х тг
d п 60
^поп = Др y = 1,2‘Т = 36 кгс/см-
При катапультировании из ЛА на большой скорости полета ска-
фандр испытывает нагрузку от скоростного (напора (встречного воздуш-
ного потока. Под скоростным напором оболочка сжимается и внутрен-
нее давление в ней увеличивается. Экспериментально установлено, что
увеличение внутреннего давления может достигать 80% от давления
скоростного напора [2].
10 1341
145
Если индикаторная скорость полета, на .которой рассчитывает-
ся катапультирование, задана, то истинная скорость (ин) определяется
по известной формуле:
— VH V Qtf/Qo — VhV
(5.7)
где qh — плотность воздуха на высоте Н\ qo — плотность воздуха у Зем-
0 TJ
ли; &н =--------относительная (плотность на высоте Н.
Со
Отсюда скоростной напор
^=e//^/2 = Qo^/2- (5.8)
Формулу (5.8) можно преобразовать так:
’“ж- <5-9>
Пр’И Vг В км/ч,
или 9 = 9,5 ряМ2,
где м —число Маха (М = Ун/ан, здесь ан — скорость звука на
те Н).
Тканевые материалы анизотропны, не следуют закону Гука и
ципу независимости действия сил. У таких материалов величина
(5.10)
высо-
Рис. 5.11. Диаграмма растяжения ткани
из капрона по основе при различных по-
стоянных нагрузках по утку (Тосн, Гут—
нагрузки по основе и утку, 8 — относи-
тельное удлинение [5])
п*рин-
коэф-
фициента Пуассона зависит от
напряженного состояния. По-
этому деформация ткани в любом
направлении зависит от соотно-
шения усилий, действующих по
основе и утку.
Нити основы и утка обра-
зуют клетки той или иной формы
в зависимости от характера пере-
плетения нитей.
При расчетах прочности кон-
струкции из ткани необходимо
учитывать ослабление прочности
последней, обусловленное рабо-
той в двух направлениях (по
основе и утку). Под действием
приложенной нагрузки одни вол-
нообразные нити стремятся вы-
прямиться и, следовательно, уве-
личивают высоту волны других
нитей, вызывая в них дополни-
тельные напряжения.
В отличие от металлов ткани под нагрузкой, как правило, получа-
ют неодинаковые удлинения по различным направлениям, поэтому их
деформации .существенно зависят от соотношения между величинами
погонных усилий, действующих во взаимно перпендикулярных направ-
лениях. Величины этих удлинений приводятся в характеристиках, полу-
чаемых при двухосном нагружении испытуемого образца ткани.
Для этого плоский испытуемый образец, имеющий форму .креста >
нагружается по концам силами, действующими в двух взаимно перпен-
дикулярных направлениях (вдоль нитей .основы и утка). В средней части
образца нанесен квадрат, деформация сторон которого фиксируется при
нагружении.
Характеристика тканевого материала при двухосном нагружении
обычно дается в виде диаграмм, подобных изображенной на рис. 5. 11.
146
Для тканей обычно принимается линейная зависимость между на-
грузкой и деформацией, что справедливо только в пределах небольших
(порядка 5%) относительных удлинений материала.
Исследованиями, проведенными Н. П. Стрекозовым [5], установлено,
что для капроновых тканей при удлинениях порядка 20% кривая растя-
жения достаточно точно аппроксимируется квадратичной зависимостью
BTOari = £'1e1+£';e2 + v2ir2;r2=£'2e24-£’^ + v12ri, где £;,£}, Е\, v12,
v21 — некоторые постоянные коэффициенты материала, определяемые из
аппроксимации кривых растяжения; 7\, Т2— главные нагрузки; ех, е2 —
главные удлинения.
Предельная прочность тканей при двухосном нагружении обычно
определяется испытаниями изготовленных из них цилиндрических или
сферических моделей. Экспериментами установлено, 'что прочность ткани
при двухосном нагружении составляет 0,4—0,6 прочности ее при одно-
осном нагружении [5].
Подвижность скафандра
Подвижность является одним из основных критериев, определяющих
качество скафандра. Рис. 5.2 иллюстрирует разнообразие движений тела
и конечностей человека, которое следует обес-
печить человеку в скафандре. Усилия, необхо-
димые для осуществления таких движений, не
должны чрезмерно утомлять человека.
Следует заметить, что величина этих уси-
лий обратно пропорциональна продолжитель-
ности их приложения и частоте повторения.
Человек может не обладать большой силой, но
какое-то умеренное усилие он может поддержи-
вать в течение продолжительного времени. Мы-
шечная сила, т. е. сила мышцы, приходящаяся
на 1 см2 поперечного ее сечения, в среднем со-
ставляет около 10 кге [6].
Величины усилий, развиваемых рукой че-
ловека, приведены на рис. 5. 13.
При поперечных движениях руки, согну-
той в локтевом суставе, создаваемое челове-
ком усилие при движении от себя больше, чем
при движении на себя.
Величина максимального момента, созда-
ваемого при повороте кисти правой руки
вправо, равна приблизительно 0,65 кге-м, на
практике этот момент рекомендуется регла-
ментировать величиной 0,14 кге-м.
При повороте кисти влево максимальный
момент составляет 1 кгс*м, для практических
целей его рекомендуется ограничивать вели-
чиной 0,15 кге-м [7].
Рис. 5.14 и 5.15 иллюстрируют усилия, -развиваемые человеком при
различных движениях [6].
Силы давления, развиваемые ногой на педали, приведены на рис..
5.16. При распрямлении ноги можно, опираясь спиной о спинку сиденья,
развить кратковременно усилие до 205—230 кге [8].
Для обеспечения подвижности человека в скафандре применяются;
шарниры: плечевые, локтевые, коленные, в области лодыжек, пальцев;
рук и ладоней. Конструкции шарниров в скафандрах различны и зави-
сят от xapi'aiKTepa осуществляемого с их помощью движения. Например,,
10* 147
Рис. 5.12. Схема движе-
ний, которые необходимо
обеспечить человеку в
скафандре:
/—голеностопный шарнир:
2—коленный шарнир: 3—та-
зобедренный шарнир; 4—
кистевой шарнир: 5—локте-
вой шарнир; 5—плечевой
шарнир; 7—шейный шарнир;
8—поясной шарнир
шарниры, обеспечивающие движения 'коленного сустава человека, конст-
руктивно менее сложны, чем шарниры для плечевого сустава.
Конструкции шарниров должны в первую очередь как можно (мень-
ше ограничивать движения человека. 'Вместе с тем шарниры должны
быть максимально просты по конструкции и хорошо подогнаны.
Рис. 5.13. Величины усилий, развиваемых рукой человека
По рекомендациям физиологов, допустимое значение изгибающего
момента не должно превышать 20% от максимального усилия, создавае-
мого человеком, Л1Ч. доп=0,2 ЛТИЗг, где Л4ч.доп — допустимый для человека
момент при сгибании сустава на определенный угол <р.
В табл. 5.2 приведены значения Л1Ч. доп для различных суставов.
Таблица 5.2
Усилия, развиваемые человеком [6]
Наименование шарнира Характер движения Угол изгиба град Момент, развива- емый человеком
макси- мальный кгс-м мини- мальный кгс-м
Коленный Сгибание Разгибание 0—100 10 2
Плечевой Сгибание Разгибание 0—90 5,5 1,8
Тазобедренный Сгибание Разгибание 0—100 16 8
Локтевой Сгибание Разгибание 0—90 5 3,5
Плечевой Отведение Приведение 0—90 5 1,8
148
Шарниры скафандра
Конструкции применяющихся в настоящее время шарниров обес-
печивают изгиб в одной плоскости, поворот (вращение), а также враще-
ние и изгиб в одной и двух плоскостях (комбинированные шарниры).
О 15 30 45 ВО 75 90 105 if° 90 ВО 30 0 ~30 \р°
О 15 30 45 60 75 90 lf° 0 15 30 45 60 75 90 ц>°
в) е)
Рис. 5.14. Усилия и моменты, развиваемые человеком [8]:
а—при сгибании ноги в коленном суставе; б—при вращении руки в плечевом суставе; в—при
сгибании руки в локтевом суставе; г—при толкании правой рукой; б—при сгибании ноги в та-
зобедренном суставе; е—при отведении руки в плечевом суставе
Ш а р н и;р ы, доп ус к а ю щ ие изгиб в одной плоскости,
широко .используются в скафандрах, они просты в изготовлении и отве-
чают предъявляемым к ним требованиям (рис. 5.17).
Шарнир, условно названный «гармошка», изготовлен таким обра-
зом, что ткань оболочки выполняет роль (наружного силового слоя, а для
герметизации применен гофрированный резиновый вкладыш. Продоль-
ные усилия воспринимаются стяжкой, непосредственно заделанной в кон-
149
Рис. 5к15. Становая
сила корпуса и ру-
ки при распрямле-
нии [6]
Рис. 5.16. Диаграмма сил давления ноги
на педаль (8]
Рис. 5.17. Коленный шарнир скафандра в
виде гофра (.видны пряжки для регули-
рования длины штанины)
Рис. 5.18. Изменение мо-
мента, необходимого для
сгибания шарнира типа
«гармошка» с 12 гофра-
ми по углу изгиба (дли-
на образца 360 мм) [14]:
/—при избыточном давле-
нии 0,2 кгс/см2; 2—при из-
быточном давлении
0,4 кгс/см2
150
струкцию шарнира. Подвижность гофрированного шарнира зависит от
геометрии гофров, из которых он состоит.
По конструкции гофры .могут быть:
— изолированными, когда каждый гофр отделен от смежных с ним
цилиндрическими вставками таким образом, что при изгибе оболочки
гофры друг с другом не соприкасаются;
— стесненными, когда соседние гофры соприкасаются друг с дру-
гом;
— полустесненными, когда каждый гофр ограничен соседним гоф-
ром только с одной стороны.
На рис. 5.17 крайние гофры являются полустесненными, а все про-
межуточные— стесненными. Кривые моментов по углу изгиба, необходи-
Рис. 5.Г9. Локтевой шарнир скафандра с
тремя «корочками»:
/—«корочки» ; 2—направляющая силовой лен-
ты
мые для изгиба шарнира «гар-
мошка» со стесненными гофрами,
приведены на рис. 5.18.
Шарнир с «корочками» *
хорошо работает при изгибе в од-
ной плоскости (рис. 5. 19). «Ко-
рочки» изготавливаются из того
же материала, что и силовая
ткань оболочки.
Рис. 5.20. Кривые моментов, необ-
ходимых для изгиба шарнира с
«корочками» при повороте на
угол Ф (внутренний диаметр
150 мм):
/—при избыточном давлении
0,2 кгс/см2; 2—при избыточном давле-
нии 0,4 кгс/см2
Кривые (моментов, необходимых для изгиба шарнира с «корочками»
на угол поворота <р при различных избыточных давлениях в скафандре,
показаны на рис. 5.20.
Шарниры, образованные путем сборки ткани в местах изгиба, про-
сты в .изготовлении и применяются в скафандрах для обеспечения под-
вижности рук и ног (рис. 5.21). Однако при изгибе могут образовывать-
ся складки, которые, оказывая давление на тело, вызывают болевые
ощущения.
На рис. 5.22 показан опытный образец шарнира со сборкой мате-
риала, изготовленный для проведения испытания, а на рис. 5.23 пред-
ставлена диаграмма изгибающего момента. Продольные усилия в этом
шарнире воспринимаются стяжкой 1, вставленной в направляющую на-
кладку 2. Степень затяжки регулируется путем увеличения или укора-
чивания стяжки 2.
* Шарнир, составленный и.з элементов, похожих на апельсиновые дольки (корочки).
151
Рис. 5.22. Шарнир со сборками (изгиб
производится на приборе, замеряющем
потребные моменты):
/—стяжная лента; 2—направляющая наклад-
ка; 3—фланец; 4—привод изгибающего меха-
низма
Рис. 5.2'3. Кривые моментов, необ-
ходимых для изгиба шарнира со
сборками при разных углах пово-
рота (диаметр начальной окруж-
ности 150 мм):
/—при давлении 0,2 кгс/см2; 2— при
давлении 0,4 кгс/см2
152
П о;в о р о тн ы е ш а р н и р ы, обеспечивающие вращательные дви-
жения, в большинстве случаев используются в шейном, плечевом и ки-
стевом соединениях. В качестве таких .шарниров наибольшее примене-
ние получили герметичные подшипники.
Устройство плечевого герметичного подшипника показано на
рис. 5.24. Он состоит из наружного кольца 6, внутреннего кольца 5 и уп-
лотнительного устройства. Герметизация подшипника достигается дав-
лением воздуха в скафандре, которым резиновый клапан 2 прижимает-
ся к кольцу 6. Если пренебречь силами трения, возникающими при вра-
Оболочка
Рис. 5-24. Устройство плечевого герметичного поворот-
ного подшипника ска1фандра:
/—наружный клапан, герметизирующий от проникновения во-
ды; 2—внутренний клапан, герметизирующий от проникновения
воздуха; 3—наружная обойма подшипника; 4—внутренняя обой-
ма; 5—внутреннее кольцо подшипника; 6—наружное кольцо
подшипника; 7—зажимная гайка; 8—герметизирующая
накладка
щении шариков, то момент, необходимый для вращения подшипника,
определится из уравнения
M = rfSAp, (5.111)
где г—радиус подшипника; f — коэффициент трения; S — площадь кон-
такта клапана с кольцом; Др — избыточное давление воздуха в ска-
фандре.
При сборке подшипника наружное кольцо нагревается и свободно
«садится» на шарики.
Для уменьшения величины момента вращения в поворотных под-
шипниках применяются комбинированные клапаны, изготовляемые из
различных материалов. Так, например, в подшипнике, показанном на
рис. 5.25, коэффициент трения для пары фторопласт — сталь уменьшен
до 0,04. Подшипник обеспечивает практически полную герметичность.
Утечка .воздуха составляет сотые доли литра в минуту.
Устройство шейного герметичного поворотного подшипника показа-
но на рис. 5.26.
Кистевой герметичный поворотный подшипник, схема которого дана
на рис. 5.27, соединен с разъемом перчатки и манжеты. Его внутреннее
разъемное кольцо состоит из двух колец (6 и 12). Имеющаяся на коль-
це 12 резьба позволяет поджать шарики к наружному кольцу 2 и тем
самым устранить люфт между кольцами.
На рис. 5.28 показан скафандр с семью герметичными поворотными
подшипниками, каждый из которых состоит из двух колец и герметизи-
рующих клапанов из профилированной резины.
К о м б и н и р о ванные ш а р н и р ы представляют собой соедине-
ния из двух шарниров, обеспечивающих возможность вращения и изгиба
или изгиба в двух плоскостях.
153
Рис. 5.25. Устройство плече-
вого герметичного поворот-
ного подшипника скафандра
с уплотнением:
/—внутреннее кольцо из фторо-
пласта (неподвижное); 2—фто_
ропластовый клапан; 3—гайка;
4—резиновый клапан; 5—внеш-
нее кольцо (подвижное); 6—
шарик подшипника; 7—резино-
вый клапан; 8—прижимное
кольцо
Рис. ’5.i26. Устройство шейного гер-
метичного поворотного подшипни-
ка скафандра:
/—каска шлема; 2—теплоизоляцион-
ный слой; 3—обойма подшипника; 4—
кольцо подшипника; .5—клапан герме-
тизации шлема; 6—защелка крепления
шлема; 7—шейное кольцо скафандра;
5—наружная обойма подшипника; 3—
разжимное кольцо (дуга); /6—оболоч-
ка
Рис. 5.27. Кистевой герметичный поворотный подшипник скафандра:
/—Шарик подшипника; 2—наружное кольцо; 3—прижимная гайка; 4—внутренний клапан;
5—наружный клапан; 6—внтуреннее кольцо; 7—замковое кольцо; 8—пружинное кольцо (с ре-
мешком); 9—кольцо перчатки; 10—уплотнение перчатки; //—кольцо манжетки; /2—кольцо
подшипника; 13—манжетка; 14—перчатка; 15—оболочка скафандра; 16—рука; 17—резиновое
кольцо манжетки
154
Один из таких шарниров — плечевой — представлен на рис. 5. 29. Он
отличается хорошей подвижностью и почти не ограничивает движения
руки. Мягкая часть шарнира состоит из трех «корочек», изготовленных
из ткани, жесткая часть является герметичным поворотным подшипни-
ком. Плечевой комбинированный шарнир ’был показан на рис. 5.2. В этом
Рис. 5.28. Скафандр с семью герметичными поворотными подшип-
никами:
/—шейный; 2—плечевой; 3—локтевой; 4—-кистевой; 5, 6, 7—клапаны гермети-
зации; стяжная лента; 9—оболочка скафандра; 10—шейная застежка «мол-
ния»; //—перчатка
шарнире сгибание руки в плечевом суставе происходит из-за сжатия
гофров, вращение — из-за перемещения троса по направляющим втул-
кам из фторопласта (для уменьшения трения).
Комбинированный шарнир, обеспечивающий изгиб в двух плоско-
стях, показан на рис. 5.30. У этого шарнира обычные стяжные ленты
заменены тросами с системой роликов.
3. ШЛЕМ СКАФАНДРА
Шлем скафандра должен обеспечивать:
— необходимый обзор для человека и защиту его глаз от ослеп-
ляющего действия Солнца;
— защиту головы от возможных ударов, а также от перегрева и
охлаждения;
— подачу кислорода для дыхания и удаления из него продуктов
дыхания.
155
Рис. 5.29. (Комбинированный плечевой шар-
нир скафандра:
/—«корочки»; 2—поперечная стяжная лента
Рис. 5.30. Комбинированный
шарнир скафандра, обеспечи-
вающий изгиб в двух плоско-
стях:
1—верхнее кольцо; 2—направляю-
щий трос; 3—гофрированный шар-
нир; 4—направляющие ролики; 5—
трос; 6—нижнее кольцо
Рис. 5.31. Съемный куполообразный шлем масочного скафандра:
/—шланг вдоха; 2—клапан приема жидкой пищи; 3—шланг выдоха; 4—иллю-
минатор; 5—шейное кольцо; 6—защелка шлема; 7—мягкая часть шлема из
ткани; 8—остекление шлема
156
Шлем скафандра, изготовленный в соответствии с антропометриче-
скими размерами головы, должен иметь возможно меньший нес и до-
статочную прочность, уменьшать уровень проникающего внешнего шума.
Летчик должен самостоятельно, без посторонней помощи, снимать и на-
девать шлем.
Вес шлема — важный фактор, характеризующий эксплуатацион-
ные особенности скафандра. При отсутствии давления в скафандре шлем
лежит на плечах летчика, вызывая неприятное ощущение. Шлем весом
более 2,5 кгс считается тяжелым.
Существующие конструкции шлемов подразделяются на неподвиж-
ные (куполообразные) и подвижные (поворотные).
Куполообразный шлем неподвижен и может быть съемным
или несъемным. Он имеет сравнительно большие габариты (300—320 мм
в диаметре) для поворота головы внутри шлема даже при надетой на
лицо маске (рис. 5.31). Несъемный куполообразный шлем применен в
скафандре Ю. А. Гагарина (см. рис. 5. 76).
Поворотный шлем фиксируется прижимами и вращается на
герметичном подшипнике вместе с поворотом головы, установленном на
шейном кольце оболочки скафандра. Когда нет избыточного давления
в скафандре, поворотный шлем оказывает небольшое сопротивление по-
воротам головы. При наличии давления сопротивление вращению уве-
личивается. Поворотный шлем может быть разделен лицевым уплотне-
нием на переднюю секцию, наполняемую кислородом, и заднюю, сооб-
щающуюся с пространством под оболочкой скафандра вентилируемым
воздухом. Чтобы предотвратить подсос воздуха из задней секции, дав-
ление в передней секции на 20—30 мм вод. ст. выше, чем в задней. Про-
дукты дыхания удаляются из шлема через клапан выдоха.
При наличии лицевого уплотнения уменьшается потребный расход
кислорода для вентиляции (удаления продуктов дыхания) шлема и уве-
личивается охлаждение головы.
Прочность шлема проверяется при статических испытаниях совме-
стно со скафандром, а при динамических испытаниях раздельно.
С возрастанием скоростей полета современных ЛА возникла необ-
ходимость в защите головы летчика от ударов .при взлете, полете и по-
садке (особенно при аварийной посадке). Удары о выступающие части
кабины вызывают серьезные повреждения костей черепа и потерю соз-
нания.
Специальные исследования пределов выносливости к перегрузкам
различных частей теля показали, что голова человека, защищенная проч-
ным шлемом, может выдержать:
— при удярях спереди перегрузку 38 единиц;
— при ударах сбоку перегрузку 25 единиц;
— при ударах сзади перегрузку 35 единиц.
Эти испытания были проведены в США с испытателями-доброволь-
цами, которые перенесли их без каких-либо повреждений черепа или
признаков сотрясения мозга.
Основными элементами конструкции шлема являются: каска, остек-
ление, светофильтр.
Каска шлема изготавливается из прочного материала (алюми-
ниевого сплава АМг-3 или стеклотекстолита), обладающего необходимой
ударной прочностью.
К нижнему концу каски крепится разъемное кольцо, которое при
надевании шлема соединяется с ответным шейным кольцом, установлен-
ным на оболочке.
Х арактерные размеры головы человека приведены на рис. 5.32 и в
табл. 5. 3.
157
Свободный диаметр разъемного -кольца (внутренний) .с учетом под-
кладки должен быть не менее 260 мм. Изнутри ка-ска оклеивается слоем
теплозвукоизоляционного материала (губчатой резины, поролона или пе-
нопласта толщиной 20—30 мм) и подкладкой из трикотажного полотна.
Весь этот пакет значительно снижает уровень внешнего шума, прони-
кающего внутрь шлема (см. табл. 2. 7).
Рис. 5.32. Характерные размеры головы мужчины [7]
В технических расчетах принято пользоваться степенью звукоизоля-
ции (ЗИ) конструкции, определяемой по формуле
3H = 101g 1/т, (5.12)
где т — (коэффициент звукопроводности.
Таблица 5.3
Характерные размеры головы мужчины [7]
Название измеряемой величины Обозна- чения по рис. 5.32 Размеры в мм Размеры в мм для 95% изме- рений
для 10%* из- мерений для 90% измере- ний среднее значение макси- мальное мини- мальное
Окружность — 551 551 — — —
Высота А — 250 228 254 193
Поперечный диаметр Б 144 159 155 172 137
Продольный диаметр В 186 203 196 211 175
Высота до глаз (сверху) И 99 130 ИЗ 136 86
Расстояние между зрачками глаз К 61 68 — — —
* Процент от общего числа людей, подвергнувшихся обмерам.
С достаточной степенью точности звукоизоляция может быть вычис-
лена по формуле
ЗИ= 14+12,5 lg G, (5. 13)
где G — вес одного квадратного метр а звукоизолирующего слоя (кгс/м2).
Подана воздуха в шлем производится через вентилирующее устрой-
ство 5 (рис. 5.33). При надевании шлема вентилирующий шланг соединя-
158
ется с системой вентиляции скафандра, и подаваемый через него воздух
подводится к стеклу шлема. Этим осуществляется обдув стекла, пре-
пятствующий его запотеванию.
Рис. 5.313. Куполообразный шлем скафандра с электрообогревае-
мым стеклом и подвижным иллюминатором:
/—каска; 2—светофильтр; 3—остекление шлема; 4— рамка; 5—вентилирую-
щее устройство; 6—переходная часть шейного кольца; 7—клапан питания;
8—разъемное кольцо; 9—разъем проводов электрообогрева; 10—замок (за-
щелка); //—байонетный замок
Остекление шлем может быть неподвижным и подвижным
(подъемное или опускающееся). Углы визуального обзора определяются
размерами остекления и его расположением на шлеме.
В куполообразном шлеме имеется возможность увеличить углы об-
зора за счет поворота головы
внутри шлема.
Считается нормальным об-
зором для шлема: угол вверх —
80°, угол вниз — 90° и углы
в стороны — 250°.
При зрении одним глазом
(монокулярном зрении) пра-
вильного восприятия глубины
быть не может. Оно достигает-
ся только при рассмотрении
предмета двумя глазами (би-
нокулярное зрение).
Зоны монокулярного и би-
нокулярного полей зрения
в куполообразном шлеме при-
ведены на рис. 5. 34.
Остекление, применяемое
Рис. 5.34. Зоны монокулярного и бинокулярно-
го полей зрения в куполообразном шлеме ска-
фандра (пунктир — монокулярное поле зрения
для левого глаза)
для иллюминатора шлема, дол-
жно быть прочным, обладать
необходимой теплостойкостью
и неизменностью оптических
свойств. Для оценки его опти-
ческих свойств можно исходить
из следующих требований:
— прозрачность или коэффициент светопропускания в видимой ча-
сти солнечного спектра не менее 90—92% для одинарных стекол и око-
ло 85% — для двойных и триплексированных;
159
— угловое отклонение линии визирования .вследствие (преломления
луча, зависящее от неравномерности толщины и кривизны стекла, не
более 10—12 мин;
— искажение формы видимого через остекление изображения (игра
изображения) не более 2—5 мин;
— непрозрачность для биологически вредной части солнечного
спектра с длиной волны короче 350 нм;
— коэффициент светорассеяния не более 5%.
К остеклению иллюминаторов шлемов космического аварийно-спаса-
тельного скафандра предъявляются дополнительные требования в отно-
шении стойкости к действию вакуума и ионизирующего излучения.
Прозрачность остекления характеризуется:
— коэффициентом свет о пр опускания
ФпРоп
— -100%, (5.14)
Фо
где Фпроп, Фо—световой поток, соответственно прошедший через остекление и пада-
ющий на него;
— коэффициентом отражения
Фотр
Q=-T—100%, (5.15)
Фо
где Фотр — световой поток, отраженный остеклением;
— коэффициентом поглощения
а_^погл 100% ' (5. 16)
Фо
где Фпогл — световой поток, поглощенный остеклением;
— оптической плотностью остекления
£>x=lg(-H= -lg*x. (5-17)
Для остекления иллюминаторов применяются органические стекла
(СТ-1, СОЛ), поликарбонат, триплексированные стекла с электрообо-
гревом *.
При соприкосновении выдыхаемого влажного воздуха с остеклени-
ем шлемз безмасочного скафандра на остеклении может возникнуть за-
потевание, если температура на его внутренней поверхности будет ниже
температуры выпадения росы.
Для исключения запотевания применяется двойное остекление и эле-
ктрический обогрев остекления при помощи вводимой в него проволоч-
ной сетки или токопроводящей пленки (рис. 5.35).
Данные о температуре выпадения росы в зависимости от темпера-
туры и относительной влажности воздуха приведены в табл. 5. 4.
При двойном остеклении его термическое сопротивление увеличива-
ется за счет воздушной прослойки между стеклами (10—15 мм). Неразъ-
емное соединение стекол производится путем склейки их с прокладкой
(рис. 5.36). После склейки пространство между стеклами продувается
сухим азотом через специальное отверстие (диаметром .1—2 мм), кото-
рое затем заклеивается. Соединение стекол может быть также разъем-
ным при помощи резиновой прокладки.
Проволочный обогревательный элемент размещается между двумя
слоями органического стекла. В качестве склеивающего материала при-
меняется бутвар,ная пленка. Диаметр проволоки 0,03 мм, шаг около
0,25 мм. Проволочный электрообогрев обеспечивает на внутренней по-
верхности стекла температуру порядка 30° С и полностью предохраняет
стекло от запотевания и обмерзания (см. гл. 3 [2]).
* Краткие физико-механические свойства материалов, применяемых для остекления
шлемов, приведены в гл. 8.
160
Таблица 5. 4
Температура выпадения росы (см. гл. 4 [15])
Температура воздуха Относительная влажность воздуха в %
60 70 80 90 100
+30 +20,9 +23,6 +25,9 +28,1 +30,0
28 19,0 21,7 24,0 26,1 28,0
26 17,2 19,8 22,1 24,1 26,0
24 15,3 17,8 20,1 22,1 24,0
22 13,4 • 15,9 18,1 20,1 22,0
+20 11,5 14,0 16,2 18,2 20,0
18 9,9 12,1 14,2 16,2 18,0
16 7,7 10,2 12,3 14,3 16,0
14 5,8 8,2 10,3 12,3 14,0
12 3,9 6,3 8,4 10,3 12,0
+ 10 2,1 4,4 6,4 8,3 10,0
8 +0,3 2,5 4,5 6,3 8,0
6 — 1,5 +0,7 +2,7 4,4 6,0
4 3,2 — 1,1 +0,7 2,5 4,0
2 4,9 3,0 — 1,2 +0,5 2,0
0 6,5 4,6 2,9 — 1,3 0,0
2 8,4 6,4 4,8 3,3 —2,0
4 10,3 8,3 6,7 5,3 4,0
6 12,1 10,3 8,7 7,3 6,0
8 13,9 12,2 10,7 9,3 8,0
—10 15,6 14,1 12,6 11,2 10,0
Температура стекла регулируется при помощи реостата вручную ли-
бо автоматически. Датчиком автоматического регулятора температуры
служит миниатюрный термистор, вклеенный в стекло.
Нагревательные элементы из проволочной сетки ухудшают види-
мость через остекление благодаря возникающему в нем дифракционному
эффекту. От этого недостатка свободны пленочные нагревательные эле-
менты.
Несъемный иллюминатор может быть соединен с каской путем при-
шивания нитками или с помощью металлической накладки (ом. рис. 5.36).
Подвижный иллюминатор шлема поднимается специальным при-
способлением в виде дуги /(рис. 5.37). При опускании этого приспособ-
ления стекло прижимается к каске (рис. 5.38). Герметизация стекла осу-
ществляется с помощью полой резиновой трубки, уложенной по перимет-
ру иллюминатор-а. Под действием избыточного внутреннего давления
герметизирующая трубка прижимается к поверхности остекления.
Светофильтр предназначен для защиты глаз от ослепляющего
и теплового действия солнечных лучей.
Спектр солнечного излучения на Земле, к которому приспособлено
зрение человека, значительно отличается от спектра за пределами зем-
11 1341 161
Рис. 5.35. Характеристики электрообогрев а ем ых стекол
Рис. 5.36. Узел
крепления стекла
к каске с помощью
металлической на-
|кладки1:
/—наружное стекло;
2—прокладка; 3—
каска шлема; 4—
стяжной болт; 5—
металлическая нак-
ладка; 6—уплотни-
тельная резина; 7—
герметизирующая
ткань
Рис. 5.317. Шлем скафандра с
поворотным шарниром и подъ-
емным иллюминатором:
/—дуга подъема иллюминатора;
2—ручка защелки дуги
Рис. 5.38. Схема способа гермети-
зации остекления иллюминатора
шлема:
/—прокладка; 2—каска шлема; 5—
окантовка остекления иллюминатора;
4—остекление иллюминатора; 5—рези-
новая трубка для герметизации; 6—
подвижный светофильтр внутри шле-
ма; 7—шланг для вентилирующего воз-
духа; 8—слой утепления шлема; 9—про-
кладка; 10—отверстие для подачи кис-
лорода; //—подкладка
162
ной -атмосферы. Объясняется это тем, что земная .атмосфера служит сво-
еобразным фильтром, существенно изменяющим исходный солнечный
спектр. Поэтому «непрофильтрованное» излучение Солнца за предела-
ми атмосферы не безопасно для незащищенного глаза. Расчеты показы-
вают, что уже на высоте 50 км воздействие солнечного излучения на
глаза человека в течение минуты может необратимым образом повре-
дить зрение (см. рис. 1.1).
Известно, что даже на уровне моря при нормальном направлении
солнечных лучей в течение нескольких минут на незащищенный глаз
наблюдается ожог сетчатки. Для сетчатки глаза особенно опасна ульт-
рафиолетовая часть солнечного спектра в диапазоне длин волн от 250
до 320 нм.
При полетах на сравнительно небольших высотах, где биологически
опасная часть солнечного спектра отфильтрована атмосферой, применя-
ются светофильтры, уменьшающие общий световой поток, проходящий
через остекление шлема.
Рис. 5.319. Спектральная характеристика светофильтра ,из
дымчатого стекла [15]
(d—толщина светофильтра; —коэффициент светопропускания;
А,—длина волны)
Светофильтры изготовляются из окрашенного органического стекла
толщиной 2—5 мм. Они устанавливаются снаружи и внутри шлема.
Применяются также съемные светофильтры, которые могут быть уста-
новлены в случае необходимости.
Органическое стекло, применяющееся для остекления иллюминато-
ра, само по себе не обладает нужными светофильтрующимм свойствами.
Придание ему этих свойств может быть достигнуто окрашиванием в мас-
се или нанесением соответствующего покрытия на наружную поверх-
ность.
Физико-механические свойства и оптические характеристики некото-
рых материалов, применяющихся для изготовления светофильтров, при-
ведены в гл. 8. Примерная спектральная характеристика светофильтра,
изготовленного из дымчатого стекла, приведена на рис. 5.39.
Для защиты глаз при полете на больших высотах светофильтр дол-
жен не только ослаблять интенсивность солнечного светового потока, но
и изменять его спектральный состав таким образом, чтобы он был ана-
логичен спектру солнечного света н.а Земле, т. е.:
— не пропускать к глазу биологически опасную для него часть
спектра с длинами волн короче 350 нм;
— ограничивать величину светового потока в видимой и инфракрас-
ной частях спектра до 5—10%, учитывая опасность воздействия созда-
ваемого ими большого теплового потока на лицо и голову человека.
Если принять, что солнечная постоянная составляет 1200 ккал/(м2*ч),
то при пропускании фильтром 10% тепловой поток уменьшится до
120 ккал/(м2-ч), что считается допустимым для глаз человека.
11* 163
При выборе материала светофильтра следует исходить из того об-
стоятельства, что температура на его поверхности может изменяться в
большом диапазоне.
Для уменьшения теплового потока, проходящего через остекление,
следует стремиться к тому, чтобы у наружного светофильтра отношение
коэффициента поглощения солнечной энергии As к излучательной спо-
собности е было минимальным.
Поставленным требованиям могут удовлетворять светофильтры, у ко-
торых в качестве светофильтрующего слоя используются тонкие пленки
металлов, имеющее высокий коэффициент поглощения солнечной энер-
гии. Такими металлами являются Ag, Au, Си, Al. Но так как серебряные
Рис. 5.40. Примерные спектральные характеристики покрытий на
кварцевой подложке [16]:
/—алюминиевое покрытие; 2—золотое покрытие на подложке из окиси ни-
келя (\т1'20з+Аи-1“Ы120з); 3—золотое покрытие на подложке из окиси вис-
мута (Bi2O3+Au + Bi2O3); 4—золотое покрытие на подложке из окиси свинца
(РЬС+Аи + РЬО)
и медные пленки недостаточно стабильны, то обычно применяются золо-
тые пленки.
В связи с тем, что золотые покрытия имеют плохую идгезию (сцеп-
ление) со стеклом, на поверхность стекла предварительно наносится под-
ложка из слоя некоторых оки-слов металлов, затем основной (золотой)
слой и защитный слой из того же материала, что и подложка (№зОз,
Bi2O3 и др.).
Примерные спектральные характеристики такого светофильтра пред-
ставлены на рис. 5.40.
С целью защиты светофильтрующего покрытия от механических
повреждений его можно наносить на внутреннюю поверхность остекле-
ния.
4. ВЕРХНЯЯ ОДЕЖДА
Верхняя одежда, надеваемая на аварийно-спасательный скафандр,
предназначена:
— для защиты оболочки скафандра от механических повреждений
в кабине летательного аппарата после приземления или при аварийном
покидании кабины;
— для закрепления и хранения необходимых аварийно-спасатель-
ных средств, документов и других предметов полетного снаряжения.
К тканям, из которых изготовляется верхняя одежда, предъявляют-
ся следующие требования:
— сопротивление раздирающим .усилиям не менее 10—15 кге;
’ — разрывающее усилие 150—200 кге (для полости шириной 5 см);
— вес ткани не более 200—300 гс/м2;
— негорючесть.
164
Рис. 5.41. Верхняя одежда для скафандра космо-
навта Ю. А. Гагарина:
/--шланг для наполнения воздухом ворота, обеспечи-
вающего плавучесть; 2—радиостанция связи; <3—сиг-
нальный пистолет с патронами; -/--шланг подачи кисло-
рода в шлем; 5—объединенный разъем шлангов, питаю-
щих скафандр воздухом
Кроме того, ткань должна иметь достаточно опрятный (внешний вид
и допускать окраску (,в белый, оранжевый и защитный цвета).
Верхняя одежда изготовляется в виде комбинезона (рис. 5.41). Она
должна легко сниматься и обеспечивать возможность (использования всех
расположенных на ней предметов и снаряжения. Цвет одежды выбирает-
ся в зависимости от назначения скафандра. Например, скафандры, пред-
назначенные для полетов над морем, окрашиваются в ярко оранжевый
цвет. Этот цвет хорошо виден на поверхности моря.
В качестве негорючего материала может 'быть применена ткань из
стекловолокна. Ткани из .полиэфирных волокон не поддерживают горе-
ние и при устранении источника горения самозатухают. К недостаткам
этих тканей следует отнести их низкую температуру плавления (при тем-
пературе 200—250° С они совершенно теряют прочность и разрушаются—
плавятся).
Для изготовления верхней одежды скафандра необходимо примерно
4 м2 ткани. Вес верхней одежды составляет 1 —1,5 кге.
5. ВЕНТИЛИРУЮЩИЙ КОСТЮМ
Рис. 5.42. Система раздельной
вентиляции скафандра:
/—шланг подачи кислорода для
дыхания; 2—магистраль вентиля-
ции; 3—разделительная шторка;
4—вывод воздуха наружу (через
регулятор давления); 5—объеди-
ненный разъем шлангов
Вентилирующий костюм, входящий в комплект скафандра, обеспе-
чивает вентиляцию подскафандрового .npocT.paiHCT.Bia и удаление выделяе-
мых организмом человека влаги и продуктов жизнедеятельности. Пода-
ваемый в костюм воздух способствует также сохранению температуры
тела человека.
При высокой температуре окружаю-
щей среды вентиляция скафандра холод-
ным воздухом способствует испарению
выделяемой организмом влаги (пота) п
тем самым его охлаждению. При отри-
цательной наружной температуре венти-
ляция скафандра нагретым воздухом за-
щищает организм человека от охлаж-
дения.
Вентилирующий костюм должен удов-
летворять следующим основным требова-
ниям:
— обеспечивать испарение выделяе-
мой организмом влаги;
— защищать человека от перегрева и
охлаждения;
— обладать малым гидравлическим
сопротивлением.
Воздух поступает в костюм через пат-
рубок герметического ввода и с помощью
распределительного устройства подво-
дится к различным участкам тела. Цир-
кулирующий в костюме воздух поглощает
тепло, испаряющийся пот и газообразные
выделения организма человека. Прост-
ранство (вентиляционный зазор), в котором движется вентилирующий
воздух, ограничено с одной стороны герметичной оболочкой скафандра,
а с другой — поверхностью тела.
В скафандрах может применяться раздельная или общая система
вентиляции.
При раздельной системе вентиляции в шлем обычно подается кис-
лород для дыхания, а туловище вентилируется воздухом или иным инерт-
ным газом (рис. 5. 42).
165
В общей системе вентиляции подаваемые газы поступают под обо-
лочку скафандра через одно входное отверстие. Конструктивно известны
следующие варианты этих систем .(рис. 5.43):
— с подачей воздуха (кислорода) в шлем и туловище (см. рис.
5.43, а);
— с подачей воздуха в туловище и конечности .и отводом его из
шлема (см. рис. 5.43, б);
— с подачей воздуха в шлем и отводом его из туловища и конечно-
стей с помощью трубок (см. рис. 5.43, в).
По способу распределения воздуха в скафандре эти системы можно
подразделять на шланговые, панельные и смешанные.
Рис. 5.43. Схемы -вентиляции скафандров [1]:
а—с подачей воздуха (кислорода) в шлем и туловище; б—-с подачей воздуха в туловище
и конечности и отводом его из шлема; в—с подачей воздуха в шлем и отводом его из
туловища и конечностей
В шланговой системе воздух подводится по гибким неизменяющим
внутренний диаметр шлангам к различным участкам поверхности тела
(рис. 5.44).
При панельной системе вентиляции вентилирующий костюм изготов-
ляется в .виде комбинезона с двумя .воздухонепроницаемыми оболочка-
ми (рис. 5.45).
Принцип действия этой системы пояснен на рис. 5.46. Подаваемый в
костюм .воздух поступает .в пространство между двумя оболочками 1 и
2. Вывод воздуха из этого пространства к телу человека осуществляет-
ся через малые отверстия 5 на внутренней оболочке 2. Отработанный
воздух выводится из-под костюма через большие отверстия 4.
Показанный на рис. 5.47 костюм со смешанной системой вентиляции
состоит из комбинезона, коллектора, комплекта шлангов и панелей. Ком-
бинезон изготавливается из легкой, но достаточно прочной ткани и слу-
жит основой, к которой крепится вся вентилирующая система. Коллектор
предназначен для приема подаваемого в костюм воздуха и дальнейшего
его распределения по всем частям тела.
Для вентилирующей системы применяются каркасированные резино-
вые и пластмассовые шланги с внутренним диаметром 8—12 м.м, а так-
же шланги из герметичной ткани с внутренними проволочными спираля-
ми жесткости.
Сопротивление системы вентиляции, зависящее от расхода вентили-
рующего воздуха и размеров проходных сечений шлангов, обычно не пре-
вышает 200—300 мм вод. ст. при расходе воздуха 300 л,(н)/мин. Расход
вентилирующего воздуха обычно изменяется в пределах от 50 до
300 л(н)/м.ин. При расходе воздуха, меньшем 50 л(н)/.мин, не удается
166
Рис. 5.44. Вентилирующий
костюм скафандра со шлан-
говой системой вентиляции:
/—коллектор, подводящий воз-
дух; 2—шланг вентилирующей
системы; 3—вентилируемые
стельки; 4—вентиляционные
трубки перчаток
Рис. 5.4'5. Вентилирующий костюм
скафандра с панельной системой
'Вентиляции {2]
Рис. 5.46. Часть панели вентилирующего ко-
стюма скафандра с панельной системой вен-
тиляции:
/—наружная оболочка; 2—внутренняя (к телу чело-
века) оболочка; 3—прокладка (шайба); 4—отверстие
для выхода воздуха; 5—отверстия на внутренней
оболочке для выхода воздуха; 6— поверхность тела
человека; 7—вентиляционный зазор; 8—герметичная
оболочка скафандра
167
полностью удалять из скафандра выделяемую человеком влагу. Темпера-
тура подаваемого в скафандр воздуха в зависимости от окружающих ус-
ловий может изменяться в пределах от 10 до 80° С; при температуре воз-
духа более 80 С не исключены ме-
стные ожоги тела (в местах вывода
воздуха к телу). Температура воз-
духа ниже —5° С может повлечь пе-
реохлаждение находящегося в ска-
фандре человека.
Примерные данные о рациональ-
ном распределении воздуха в венти-
лирующем костюме приведены в
табл. 5. 5.
Количество тепла, которое долж-
но отводиться вентилирующим ко-
стюм воздухом,
Q=Qn.n + QB. в, (5. 18)
где Qh.ii — тепло, затрачиваемое на
испарение пота; QB.B — тепло, расхо-
дуемое на подогрев проходящего че-
рез костюм влажного воздуха.
Первое из этих слагаемых
Qh. n = ^Gn, (5. 19)
где г — скрытая теплота парообра-
зования; Gn — количество влаги (по-
та), удаленное из костюма, в кгс/ч.
Рис. 5.47. Вентилирующий костюм ска-
фандра со смешанной {шланговой и
панельной) системой вентиляции:
/—комбинезон-вентилируюхций костюм; 2—
вентиляционные шланги; 3—коллектор по-
дачи воздуха; 4—вентиляционные панели
на спине; 5—-застежка «молния»
Количество тепла, которое может
быть отведено вентилирующим ко-
стюмом, находится в соответствии с
изменением теплосодержания {эн-
тальпии) вентилирующего воздуха.
Энтальпия 1 м3 влажного воздуха складывается из энтальпии сухо-
го воздуха и пара:
io = ycct + Yn (597 + 0,45/).
(5.20)
Таблица 5.5
Примерные данные о рациональном распределении воздуха в вентилирующем кос-
тюме скафандра
Части тела человека, к которым должен под- водиться воздух Количество воздуха % Части тела человека, к которым должен под- водиться воздух Количество воздуха %
Руки 20 Часть тела между спи- 5
Грудь 5 ной и бедрами
Живот 5 Бедра 10
Спина 15 Голень 5
Подошва ступни 35
Энтальпия 1 кпс влажного воздуха
^ = -^ = ^^ + ^(597 + 0,45/), (5.21)
То То То
168
где ус — удельный вес сухого воздуха; уп — удельный вес пара; с — ве-
совая теплоемкость воздуха, в среднем равная 0,24 ккал/кгс ° С (при
0° С и 760 мм рт. ст.);
Уо — удельный вес паровоздушной смеси, уо = Ус+уп.
Зависимость между удельный весом пара и влагосодержанием вы-
ражена (формулой уп = у0--5— •
Влагоюодержание воздуха выражают через соответствующие парци-
альные давления водяных паров рп и сухой части вентиляционного воз-
духа рв [Ю]:
d = 623 гс/кгс (5.22)
Рв
или с< = 623—Рп --- гс/кгс, (5.23)
Ро Рп
где ро — давление или упругость паровоздушной смеси (барометрическое
давление).
Ро = Рс+Рп, где рс — парциальное давление сухого воздуха; рп —
парциальное давление пара.
После приземления принудительная подача воздуха в костюм пре-
кратится.
6. НАТЕЛЬНОЕ БЕЛЬЕ
Нательное белье оказывает непосредственное влияние на темпера-
туру кожи человека и прилегающего к ней слоя воздуха, на функции,
выполняемые кожным покровом, угнетая или стимулируя последние.
Поэтому свойства нательного белья приобретают существенное значе-
ние.
К нательному белью предъявляются требования, основывающиеся
на следующих соображениях:
— белье должно быть достаточно мягким и эластичным, чтобы не
вызывать раздражения кожи;
— материалы, используемые для белья, должны возможно меньше
ограничивать теплоотдачу и удаление углекислого газа и влаги из ска-
фандра;
— материалы должны быть гигроскопичными, обладать повышенной
способностью впитывать продукты кожных выделений, высокой паро- и
воздухопроницаемостью как в сухом, так и мокром виде.
Бельевые ткани не должны прилипать к коже во влажном состоя-
нии, чтобы не препятствовать выделению и испарению пота. Этому тре-
бованию в значительной степени удовлетворяют ткани с ворсистой по-
верхностью и соответствующим переплетением нитей. Во избежание
раздражения кожи поверхность бельевых тканей должна быть мягкой и
не иметь узелков.
Белье должно хорошо сочетаться с конструкцией скафандра.
Гигроскопичность ткани характеризует способность материа-
лов поглощать (сорбировать) из воздуха воду в виде водяных паров и
удерживать ее при определенных условиях.
Ткани из растительных волокон быстро поглощают испаряемую те-
лом влагу и быстро ее отдают во внешнюю среду. Шерстяные ткани, на-
оборот, медленно впитывают и медленно отдают влагу.
Степень гигроскопичности текстильных тканей характеризуется ко-
личеством содержащейся в испытуемом образце влаги до и после его
высушивания, выраженным изменением веса в процентах от исходного
веса. Наибольшей гигроскопичностью обладает белье из вискозного три-
котажного полотна и из шерстяного трикотажа.
169
Гигроскопичность тканей измеряется обычно 'при 70 .и 100% влаж-
ности окружающего воздуха.
Воздухопроницаемость ткани характеризует способность ее пропускать
через себя воздух. Воздухопроницаемость зависит от перепада давлений, поэтому для
получения сравнимых результатов для различных тканей она определяется обычно при
перепаде давлений 5 мм вод. ст.
Степень воздухопроницаемости измеряется в см3/(см2с) {при нормальных техни-
ческих условиях). Воздухопроницаемость тканей способствует нормальному газообмену
между телом и окружающим его воздухом.
Паропроницаемость определяет способность материала пропускать через
себя пары воды из среды с большей влажностью воздуха в среду с меньшей влаж-
ностью. Паропроницаемость измеряется количеством влаги в миллиграммах, испаряю-
щейся за 1 ч с 1 см2 материала. Недостаточная паропроницаемость ведет к задержи-
ванию водяных паров в слое воздуха под бельем, т. е. к увлажнению белья, и затруд-
няет испарение пота.
Водо поглощаемость (или водоемкост ь) характеризует способ-
ность материала впитывать воду в капельно-жидком состоянии. Максимальной водо-
емкостью называется количество воды, удерживаемое испытываемым образцом при его
полном смачивании. Относительная водоемкость
GR — Gn
В = —------ЛОО, (5.24)
Go
где GB — вес смоченного образца; GQ—вес образца, высушенного до первоначального
веса.
Данные о гигиенических характеристиках для некоторых бельевых
тканей приведены в табл. 5. 6.
Кроме того, следует учитывать, что в течение недели со .всей поверх-
ности тела человека выделяется от 100 до 300 гс кожного жира, от 3 до
17 л пота (в жарком климате до 35—40 л) и от 40 до 90 гс мелких
чешуек поверхосгного рогового слоя кожи [9]. Белье очищает кожу от
этих кожных выделений, при этом воздухопроницаемость загрязненного
белья уменьшается почти на 20%, вес его увеличивается до 12%, толщи-
на — до 28%.
Таблица 5.6
Гигиенические характеристики некоторых бельевых тканей
Наименование ткани Г игроскопичность в % по весу при влажности воздуха Воздухопро- ницаемость смз/(см2-с) Паропро- ницае- мость мгс/(см2-ч) Водопо- глощае- мость гс/ч
70% 100%
Хлопковое трикотажное по- лотно б,б 22 2,61 — 3,67
Хлопко-льняное трикотажное полотно 7,5. 23 7 1,9 2,7
Льняное трикотажное полот- но 7 25 13 2 2,53
Шерстяное трикотажное по- лотно 10 26 3,75 1,9 2,5
Вискозное трикотажное по- лотно 4 36 1,46 1,81 4,65
Белье изготовляют в виде рубашек (фуфаек) и кальсон или в виде
комбинезона с передним распахом (рис. 5.48).
Для изготовления белья обычно применяется трикотажное полотно
(хлопко-льняное или хлопчатобумажное). Из шерстяного трикотажного
полотна изготовляют утепленное белье.
170
Физико-механические характеристики .некоторых бельевых тканей
приведены в табл. 5. 7.
Таблица 5. 7
Физико-механические характеристики бельевых материалов
Наименование материала Вес м2 ГС Крепость полоски на разрыв по длине кге Удли- нение по длине % Тол- щина мм Коэффици- ент тепло- проводности ккал/(м-ч,с'С) Термическое сопротив- ление (м2.ч-°С)/ ккал
Хлопчатобумажное трикотаж- ное полотно 135 23,4 90 0,85 — —
Хлопко-льняное трикотажное полотно 175 25,0 74 0,65 0,085 0,008
Шерстяное трикотажное по- лотно 335 32 96 1,25 0,08 0,015
Вискозное трикотажное по- лотно 135 15,3 68 0,4 — —
Вес хлопчатобумажного белья в зависимости от размера и роста
человека, для которого оно изготовлено, изменяется от 500 до 600 гс.
7. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ костюм
Для выяснения свойств, которыми дол-
жен обладать теплозащитный костюм, необ-
ходимо примерно установить наиболее ти-
пичные условия, в которых может находить-
ся экипаж ЛА при выполнении полета:
— нахождение на Земле в ожидании по-
лета в различных климатических условиях
(в частности, при температуре окружающей
среды от ^-50 до +60° С);
— полет в загерметизированной или
разгерметизированной кабине ЛА;
— спуск на сушу на парашюте в ризных
климатических условиях;
— спуск на парашюте в море при тем-
пературе воды около 0°С;
— аварийная посадка ЛА в арктиче-
ском районе.
Температурные условия в разгерметизи-
рованной кабине могут быть различными в
зависимости от высоты и скорости полета
ЛА. При дозвуковой скорости полета и от-
казе в работе системы кондиционирования
ЛА температура в кабине может снизиться
до минус 20° С. Если скорость полета
будет сверхзвуковой, то в тех же условиях
температура нагрева обшивки ЛА может
достичь нескольких сот градусов, а темпера-
тура в кабине повысится до 80° С.
О температурных условиях при спуске на
парашюте и времени их действия можно
судить по градиенту измерения температу-
ры по высотам, принятому в стандартной
Р.ис. 5-48. Нательное белье длл
скафандров, изготовленное в
виде комбинезона
171
атмосфере (ГОСТ 4401—64), и по характеристикам парашютного спуска,
приведенным на рис. 3. 13.
В случае спуска иа парашюте в воду, имеющую температуру 0—5° С,
у людей, не тренированных к пребыванию в холодной воде, уже через
несколько минут появляются признаки шока.
Таким образом, возникает 'Сложная задача защиты человека в тече-
ние полета от действия и низких и высоких температур. Эту задачу нель-
зя решить только путем
Температура окружающего
подбора оптимальной теплоизоляции одежды
(скафандра), так как в одних условиях че-
ловеку (будет слишком жарко, а в других
слишком холодно.
Как показал опыт эксплуатации ска-
фандров, рациональная теплозащита чело-
века достигается с помощью теплозащитно-
го костюма (ТЗК), входящего в комплект
скафандра дополнительно к вентилирующе-
му костюму.
При низких температурах окружающей
среды ТЗК уменьшает теплоотдачу из ска-
фандра, а при высоких уменьшает приток
тепла извне в такой степени, что в распо-
ложенном под ним вентилирующем костю-
ме сохраняется температура воздуха, обес-
печивающая нормальные теплоощущения и
те, р мор егул и р о в ан и е чело ве к а.
Теплозащитные свойства одежды могут
характеризоваться величиной ее термиче-
ского сопротивления, представляющего со-
Рис. 5.49. Необходимая тепло-
изоляция для обеспечения нор-
мального состояния человека
[2]:
/—во время сна; 2—при покое; 3—
при работе (теплопродукция
1С0 ккал/ч); 4—при работе (тепло-
продукция 150 ккал/ч); 5—при ра-
боте средней тяжести (теплопро-
дукция 21Э ккал/ч); 6—-при тяже-
лой работе (теплопродукция
420 ккал/ч)
бой отношение коэффициента теплопровод-
ности (Л) к толщине пакета одежды (б) и
имеющего размерность м2-ч-°С/ккал.
Коэффициент теплопроводности X пока-
зывает, сколько тепла проходит за 1 ч через
1 м2 поверхности одежды толщиной 1 м при
разности температур Г.
Величина, обратная Х/б, называется ко-
эффициентом теплопередачи.
В некоторых странах для характеристи-
ки величины теплоизоляции введена новая
единица измерения КЛО, 1 КЛО =
=0,18 (м2-ч-°С/ккал).
Одежда с теплоизоляцией в 1 КЛО обеспечивает условия комфорта
для человека, находящегося в покое ((теплопродукция примерно
50 ккал/|(м2-ч) при температуре воздуха 21° С, относительной его влаж-
ности менее 50% и при скорости движения воздуха не более 0,1 м/с (см.
гл. 2 [19]).
На рис. 5. 49 приведен расчетный график потребной теплоизоляции
одежды человека, необходимой для обеспечения его нормального со-
стояния, в зависимости от температуры окружающего его воздуха и от
количества выделяемого им тепла при различных физических нагрузках.
Изготовляется теплозащитный костюм в виде отдельно надеваемо-
го комбинезона или в виде теплозащитной оболочки, составляющей
единое целое со скафандром.
Комбинезон имеет передний распах для того, чтобы его надевать и
снимать. Распах обычно застегивается замком «молния». Для изготов-
ления костюма применяются легкие ткани, обладающие сравнительно
большим термическим сопротивлением .(шерсть, поролон, синтетические
172
волокна). На рис. 5.50 показан образец теплозащитного костюма, изго-
товленного из шерстяного'трикотажа.
Теплозащитный костюм для скафандра космонавта Ю. А. Гагарина
был изготовлен из поролона и чистошерстяного трикотажного полотна
(рис. 5.51). Снаружи и изнутри поролон обшит легкой тканью. Венти-
лирующая система пришита непосредственно к внутренней ткани (под-
кладке) теплозащитного ко-
стюма. Без скафандра ко-
стюм .может использоваться
как верхняя одежда.
Теплозащитный костюм,
когда он является одновре-
менно и герметичной обо-
лочкой, можно изготовить из
губчатой резины с закрыты-
ми порами. Эта резина отли-
чается малым весом. Ее ос-
новные недостатки: сравни-
тельно низкие показатели
прочности и горючесть.
Термическое сопро-
тивление скафандра оп-
ределяется совокупными теп-
лозащитными свойствами
всего пакета.
Процесс переноса тепла
от человека, одетого в ска-
фандр, наружной среде еще
недостаточно изучен, поэто-
му в расчетах применяются
упрощения.
Ввиду сложности геомет-
рических форм тела челове-
ка скафандр при расчетах
теплопер ед а чи з ам еня ется
системой цилиндрических
оболочек. Величины венти-
Рис. 5.50. Теплозащит-
ный костюм из шер-
стяного трикотажно-
го полотна для ска-
фандра i[2] (вес ко-
стюма 1,8 кге, терми-
ческое сопротивление
0,15 м ' ч - °С/ккал
ляционных зазоров в рас-
сматриваемых сечениях при-
нимаются постоянными, и собственная теплоем-
кость скафандра не учитывается.
В зависимости от расчетного случая обычно
задаются:
Рис-. 5.51. Образец
теплозащитного ко-
стюма из поролона и
шерстяного трикота-
жа для скафандра
космонавта Ю. А. Га-
гарина
(вес костюма 3,2 кгс/'ккал,
две шелковые оболоч-
ки—0,3 кге, поролон
толщиной 12 мм—0,4 кге,
шерстяное трикотаж-
ное полотно толщиной
5,0 мм—1,5 кге, вентили-
рующая система—1 кге.
Термическое сопротив-
ление—0,4 м2 • ч • °С/ккал)
— термическим сопротивлением отдельных элементов скафандра;
— размером вентиляционного зазор.а;
— скоростью движения .воздуха (кислорода) .в ‘вентиляционном за-
зоре;
— температурой и скоростью движения наружного воздуха;
— температурой вентилирующего воздуха на входе и выходе из
скафандра (/вхи/вых).
Общее тепловое сопротивление скафандра оценивается совокуп-
ным изолирующим действием всей конструкции и для схемы, показан-
ной на рис. 5.52, определяется:
— тепловым сопротивлением нательного белья при температурном
напоре /j—/ц;
— количеством тепла, отводимым вентилирующим воздухом от по-
верхности 2;
173
— теплом, передаваемым от поверхности белья поверхности ТЗК
радиационным излучением;
— теплом, отдаваемым вентилирующим воздухом поверхности
ТЗК;
— тепловым сопротивлением ТЗК при температурном напоре —
/iv;
— тепловым сопротивлением герметичной оболочки при темпера-
Рис. 5.52. К пояснению расчета тепло-
передачи от многослойного скафанд-
ра наружной среде:
1—тело человека; 2—белье; 3—вентилиру-
ющий зазор; 4—теплозащитный костюм
(ТЗК); 5—герметичная оболочка; 6—сило-
вая оболочка; 7—верхняя одежда;
б—толщина слоев, X—коэффициенты теп-
лопроводности, —^vin—температура по-
верхности в °C, Tji—T'jjj—температура
поверхности в 'К; Q3—радиационный теп-
ловой поток
турком напоре riy—/у;
— тепловым сопротивлением сило-
вой оболочки при температурном напо-
ре /у—^vi;
— тепловым сопротивлением верх-
ней одежды при температурном напоре
/vi—/уц;
— тепловым сопротивлением при
переходе тепла от наружной поверхно-
сти к окружающему (воздуху {сопро-
тивление теплоотдачи); оно вызывает
температурный перепад /уц—/ущ;
Очевидно, что теплообмен между
телом человека и прилегающему к не-
му белью происходит при различном
его положении по отношению к поверх-
ности тела. Белье может плотно при-
легать к телу или между ним и телом
может быть воздушная прослойка оп-
ределенной толщины. В расчетах обыч-
но принимается, что теплопередача
между телом и бельем осуществляется
путем кондуктивного обмена.
Количество тепла, передаваемое
телом человека через белье (см. рис.
5.52),
Qi=V-(zi-zn)^, (5.25)
51
где S — поверхность тела человека;
г — время, в течение которого проис-
ходит теплообмен.
Из формулы (5.25) получаем удель-
ный тепловой поток
= —(/, —/п) ккал/м2-ч. (5.2$)
Из формулы (5.26) можно получить
7! = ккал/м2 • ч.
(5.27)
Следовательно, тепловой поток q^ прямо пропорционален темпера-
турному напору и обратно пропорционален термическому сопротивле-
нию.
Температура поверхности /ц может быть определена из выражения
/п —fj -2- q.
174
Количество тепла, отводимого вентилирующим воздухом, в резуль-
тате конвективного теплообмена его с поверхностью белья в единицу
времени равно
Сгвозд — акон(^П /П)5Т,
(5.28)
где аКон — коэффициент конвективной теплопередачи от поверхности
белья к вентилирующему воздуху; — температура воздуха в скафанд-
ре в ° С.
Из равенства (5.28) следует, что удельный тепловой поток
Я акон(^Ц ^И)’
(5. 29)
При расчете количества тепла, отдаваемого телом путем конвекции,
наибольшую сложность представляет определение коэффициента аКон>
так как его величина не является постоянной и зависит от температуры,
давления и скорости движения воздуха, формы поверхности тела и его
размеров, состояния поверхности. Учет всех этих факторов очень сло-
жен.
С достаточной для практических расчетов точностью эти решения
аппроксируются сравнительно простыми расчетными формулами, приве-
денными в соответствующих справочниках [11].
Экспериментально установлено, что для уменьшения потерь напо-
ра воздуха и улучшения теплоотдачи течение воздуха через вентиляци-
онные зазоры должно быть ламинарным.
Критерий Рейнольдса, определяющий характер течения газа через
зазор,
Re=-^, (5.30)
V
где д — ширина вентиляционного зазора в м; v — скорость течения воз-
духа в вентиляционном зазоре в м/с; v — коэффициент кинематической
вязкости в м2/с.
Учитывая, что 5Пб (здесь П — средний смоченный периметр про-
ходного сечения), получим
2(7
Re=-(5.31)
П V7
Задавшись критическим значением ReKp=1000—1600, определяю-
щим ламинарное течение, можно из формулы (5.31) определить раз-
меры вентиляционного зазора, при которых течение воздуха в нем будет
ламинарным.
Пример. Определим критерий Рейнольдса при следующих условиях.
Температура воздуха, вентилирующего скафандр, 20° С. Периметр скафандра в об-
ласти груди Пн = 1,11 м. Периметр (обхват) груди человека Пв=0,96 м.
Q=0,4 м3/мин — расход воздуха.
v= 15-10—6 м2ус (см табл. 4.7).
Скорость течения воздуха в вентиляционном зазоре
Q 2Q 2-04
v =----=----------------=---------------------=0,02 м /с,
S (Пв 4-Пн) S (1,11 + 0,96)-0,046
Z)H
где 5 =-------
0,35 — 0,304
--------------= 0,023 м;
2
v2S 0,02-2.0,023.106
Re =-------= —----------z--------= 61.
v 15
Из полученного следует, что течение воздуха ламинарное.
175
Количество тепла, 'Создаваемое вентилирующим воздухом на по-
верхности ТЗК путем .конвективного теплообмена, равно
Фзвозд“ акон (/И (5.32)
Радиационный тепловой поток от 'поверхности белья к поверхности
ТЗК как процесс радиационного теплообмена между двумя параллель-
ными стенками определяется по известной формуле
Сз=ао=^пр5(П-^1!), (5.33)
где оо — постоянная излучения абсолютно черного тела; S — площадь
поверхности (S=Sn = SHI); Тп и Тш—температуры на поверхностях 2
и 3; ЕПр — приведенная степень черноты поверхности в случае теплооб-
мена между двумя поверхностями, расположенными одна в другой,
епр =----------------- , (5-34)
п₽ l/e2 + S,/SII(l/e3-l)
где 82 и 8з — степени черноты поверхностей 2 и 3.
Количество тепла, передаваемого через теплозащитный костюм
(температурный напор /щ — /iv), герметичную оболочку (температурный
напор Ziv—/у), силовую оболочку (температурный напор ty—Ли) и
верхнюю одежду (температурный напор /VI—/уц), рассчитывается по
формуле (5.25).
Теплообмен между внешней поверхностью скафандра и окружающей
средой осуществляется в результате конвективного теплообмена и из-
лучения. Общий коэффициент теплопередачи а в этом случае может
быть представлен так:
а = аКон+аи, (5.35)
где аКон — коэффициент теплоотдачи конвекцией; аи — коэффициент теп-
лоотдачи излучением.
Для определения аКОн можно воспользоваться формулой (5.32).
Коэффициент аи может быть определен по формуле
аи^О,О4епрао^) , (5.36)
__ Т
где Tm= —Т——-,здесь 1\—температура наружной поверхности ска-
фандра; Т2 — температура стенок герметической кабины; 8пр — приве-
денная степень черноты поверхности скафандра, определяемая по фор-
муле (5.34).
Общее тепловое сопротивление скафандра /?Сум может быть пред-
ставлено суммой тепловых сопротивлений
^?сум~ + (5.37)
где /?э — тепловое сопротивление пакета скафандра; — тепловое со-
противление наружной поверхности скафандра.
Очевидно, что суммарная удельная теплопередача через скафандр
<7=#-, (5-38)
^сум
где А/ — суммарный перепад температур.
Теплоотдача при нахождении человека в воде.
Наружная поверхность скафандра в течение короткого времени приоб-
ретает температуру воды.
Если принять температурный напор по рис. 5.53 и тепловыделение
человека, плавающего в воде, в среднем 100 ккал/(м2-ч), то по форму-
176
ле (5.38) скафандр должен обладать суммарным тепловым сопротив-
лением /?Сум = 0,34 м2-ч-°С/ккал.
При нахождении в воде скафандр обжимается, его вентиляционный
зазор уменьшается и фактически не повышает термического сопротив-
ления скафандра. Поэтому в этом случае суммарная теплопередача ска-
фандра будет определяться (см. рис. 5.53) только термическим сопро-
тивлением белья, ТЗК и герметичной оболочки *, т. е. /?Сум = ^б+^тзк +
+</?г. о-
Если принять, что термическое сопротивление хлопчатобумажного
белья /?б = О,ОЗ м2-ч-°С/ккал, <а /?г.о=0,025 м2 • ч • ° С/ккал, то в рассмат-
риваемом примере /?тзк =0,285 м2-ч-° С/ккал.
Рис. 5.53. Схема темпера-
турного напора при. .на-
хождении человека в
скафандре на плаву:
1—тело человека; 2—натель-
ное белье; 3—теплозащит-
ный костюм; 4—герметичная
оболочка
Рис. 5.54. Расчетные данные о потребной
теплоизоляции для человека при пребы-
вании в воде
На рис. 5.54 приведены расчетные данные о потребной теплоизоля-
ции для пребывания в воде в зависимости от активности теплопродук-
ции человека и от температуры воды.
Тепло от наружной среды переносится к человеку в скафандре, ко-
гда температура наружной среды больше температуры его тела (рис.
5.55). При этом тепло отводится исключительно путем вентиляции ска-
фандра охлажденным воздухом, и уравнение теплового баланса может
быть записано в следующем виде: Фвозд=<2чел + Фнар, где <2Чел и
Фнар — количество тепла, выделяемого человеком и подводимого к нему
извне.
Если принять, что путем вентиляции скафандра воздухом (Фвозд)
отводится 200 ккал/ч, теплопродукция человека (Счел) составляет
100 ккал/м2*ч, то, очевидно, тепло QHap не должно превышать 100 ккал/ч
(или 50 ккал/м2-ч). При этом тепловое сопротивление скафандра (при
данных, указанных на рис. 5.55)
Р 60~~34 =0 56 м2-ч-°С/ккал.
сум ? 50 1
8. ПЕРЧАТКИ
Перчатки предназначаются для защиты кистей рук от действия низ-
кого давления (вакуума) и от охлаждения или перегревания.
* Силовая оболочка и верхняя одежда те оказывают влияния на теплозащиту че-
ловека, поскольку в воде они намокают.
12 1341
177
Рис. 5.55. iK пояснению темпера-
турного напора в скафандре при
наружной температуре, более вы-
сокой, чем температура тела чело-
века:
/—тело человека; 2—нательное белье;
3—вентиляционный зазор; 4—теплоза-
щитный костюм; 5—герметичная обо-
лочка; 6—силовая оболочка; 7—верх-
няя одежда
Рис. 5.56. Образец перчатки ска-
фандра:
/—силовая оболочка; 2—герметичный
вкладыш; 3—шерстяной вкладыш; -/—разъ-
емное кольцо; 5—ограничивающее кольцо;
6—пряжка стяжного ремня; 7—стяжной
ремень; 8—трос крепления перчатки; 9—
защелка замка
Рис. 5.57. Образец перчатки, обеспе-
чивающей хорошую подвижность
пальцев и кисти руки
Рис. 5.58. Устройство манжеты:
/—разъемное кольцо; 2—силовая обо-
лочка (прорезиненная ткань); 3—рези-
новое кольцо; 4—ремешок для откры-
тия замка (снятия манжеты)
178
При воздействии холода на тело 'человека прежде всего наступает
переохлаждение конечностей. Это объясняется менее интенсивным кро-
вообращением в них, а также относительно большой теплоотдающей
поверхностью рук и ног по сравнению с их массой. Особо острой проб-
лема теплозащиты рук становится при разгерметизации кабины и ее ох-
лаждении. К перчаткам предъявляются такие требования:
— возможно меньшее ограничение подвижности пальцев и кисти
руки;
— наличие устройства, обеспечивающего вентиляцию перчаток (для
обогревания руки, удаления выделяемой кожей влаги);
— возможность самостоятельно снимать и надевать перчатку;
— механические повреждения перчатки не должны повлечь за со-
бой падение 'избыточного давления в скафандре.
Существенным недостатком обычных перчаток являются их слабые
теплозащитные свойства при длительном воздействии на человека низ-
ких температур. Дело в том, что усиление этих свойств путем увеличе-
ния толщины теплоизоляции затруднит работу пальцев руки и увеличит
5юве р хвост ь т е плоотд а ч и.
Защита пальцев рук от переохлаждения при помощи рукавиц не
приемлема из-за невозможности работать отдельными пальцами. Рацио-
нальным решением этой задачи является устройство принудительной
вентиляции перчаток теплым воздухом.
На рис. 5.56 показана перчатка для скафандра.
Ограничивающее кольцо 5 препятствует раздутию перчатки под
действием избыточного давления. После надевания перчатки автомати-
чески защелкивается разъем, закрепленный на рукаве скафандра. Для
снятия перчатки необходимо открыть защелку замка 9.
Перчатка, обеспечивающая большую подвижность пальцев и кисти
руки, показана на рис. 5.57. Наружная силовая оболочка ее изготовлена
из капрона. Для увеличения подвижности пальцев сделаны вставки
(«корочки») из растягивающейся ткани. Перчатка крепится с помощью
кольца 9, а разъем герметизируется клапаном 10, изготовленным из ре-
зины (см. рис. 5.27).
Для исключения утечки воздуха из скафандра при разрыве пер-
чатки надеваются манжеты (рис. 5.58). При повреждении перчатки из-
быточное давление обжимает внутреннее резиновое кольцо 3 манжеты
вокруг кисти руки и тем самым препятствует утечке воздуха из скафанд-
ра. Манжета легко снимается. Ее изготавливают различных размеров.
При наличии манжеты можно снимать перчатку, не опасаясь разгерме-
тизации скафандра.
Чтобы предотвратить запотевание пальцев, перчатки вентилируют-
ся воздухом, поступающим из системы вентиляции скафандра. На рис.
5.59 показана конструкция перчатки с вентиляцией пальцев. Воздух под-
водится к каждому пальцу, как это показано на рис. 5.44.
Перчатки выпускаются нескольких размеров, определяемых обхва-
том ладонной части кисти руки (в сантиметрах), разделенным на еди-
ницу перчаточного размера 2,67.
9. ОБУВЬ ДЛЯ СКАФАНДРА
Обувь предназначена для защиты ног от механических поврежде-
ний, охлаждения и перегревания, воздействия сырости и прочих внеш-
них факторов.
Обувь должна соответствовать форме стопы, она должна быть сво-
бодной (не вызывать деформаций стопы, не затруднять движения ног,
не создавать местных давлений на кожу, кровеносные сосуды и нервы).
Она должна быть удобной, быстро и легко надеваться и сниматься,
иметь малые габариты и вес, прочно держаться на ноге.
12*
179
Рис. 5.59. Устройство перчатки с вентиляцией пальцев:
/—оболочка перчатки: 2~подвод воздуха к пальцу; «^наружное кольцо; 4—герметичный
подшипник (кистевой); 5—подача воздуха; 6—манжета; 7—трубка вентилирующей системы;
8—оболочка скафандра-, 9—верхняя одежда; 16—замок перчатки
Рис. 5.61. Съемные ботинки для ска
фандра космонавта [2]
Рис. 5.60. Съемный гер-
метичный сапог для ска-
фандра [2]:
/—штуцер вентиляционной
трубки; 2—вентилируемая
стелька; 3—трубка, подво-
дящая воздух; 4—разъемное
кольцо; 5—-кожаный верх;
6—подкладка из кожи; 7—
герметизирующий слой из
прорезиненной ткани
180
Обувь для 'скафандров изготавливается в виде:
— несъемных герметичных сапог, составляющих одно целое с обо-
лочкой ска ф андр а;
— съемных герметичных сапог;
— негерметичных ботинок или сапог, надеваемых сверху на обо-
лочку скафандра.
В отечественной практике несъемные герметичные сапоги были при-
менены в скафандре космонавта А. А. Леонова. Они изготовлены из
той же ткани, что и силовая оболочка скафандра, причем в 'качестве
герметизирующего слоя и утеплителя была использована губчатая рези-
на с закрытыми порами.
Съемный герметичный сапог, показанный на рис. 5.60, изготовлен из
кожи и герметизируется прорезиненной тканью. Сапог заканчивается
разъемным ‘кольцом, (благодаря которому он легко снимается и наде-
вается.
Съемные ботинки 'изготовляются из кожи или резины. На рис. 5.61
показаны съемные ботинки для скафандра космонавта Ю. А. Гагарина.
Верх ботинок сделан из кожи, подошва — из облегченной микропори-
стой резины (вес ботинок 0,8 кге).
Из всех известных типов полетной обуви наибольшей теплозащитной способностью
обладают унты (меховые сапоги) и кожаные -сапоги с меховой подкладкой.
Существенные недостатки унтов — большой вес (3 кге) и быстрая пр ом окаем ость.
Общее тепловое сопротивление унтов, верх которых изготовлен из меха в два
слоя, а подошва — из кожи с толстым (20»—25 мм) войлочным вкладышем, составляет
0,5 м2 ч-° С/ккал.
Для увеличения теплозащитных свойств полетной обуви часто при-
меняются меховые чулки или шерстяные носки. В табл. 5. 8 приведены
данные о теплозащитных свойствах различных утеплителей для ног, а
в табл. 5.9 — характеристики теплозащитных свойств различных типов
обуви [12].
Таблица 5. 8
Теплозащитные свойства различных утеплителей для ног [12]
Тип утеплителя Толщина мм Показатели теплозащитных свойств
тепловое сопротив- ление м2-ч - °C/ ккал в едини- цах КЛО
Меховой чулок из овчины 10 0,3 1,67
Шерстяной чулок плюшевой вязки 4,2 0,12 0,66
Шерстяной чулок тонкой вязки 1,5 0,04 0,22
Портянка из хлопчатобумажной байки (2 слоя) 4,2 0,08 0,44
181
Таблица 5. 9
Теплозащитные свойства обуви [12]
Тип обуви, краткая конструктивная характеристика Вес пары гс Показатели теплозащитных свойств
суммарное тепловое сопротив- ление м2.ч- °C/ ккал в едини- цах КЛО
Ботинки хромовые, подошва кожаная (подкладка хлопчатобумажная) 860 0,22-0,24 1,22-1,34
Сапоги кожаные, утепленные мехом 2700 0,32 1,78
Сапоги кожаные, подошва кожаная 1900 0,24 1,34
Унты с мехом в 2 слоя, подошва из войлока 25 мм 3000 0,45—0,54 2,5—3
Валенки-чесанки с калошами 2200 0,29 1,6
Валенки-чесажки без калош 1400 0,27 1,5
Валенки обыкновенные 1600 0,32 1,78
Ботинки для ВКК * 1600 0,24 1,34
Ботинки для ВКК с шерстяным носком плюшевой вязки — 0,33 1,82
* Высотный компенсирующий костюм.
10. ПРИБОРЫ для скафандра
Регулятор давления в скафандре выполняет следующие
функции:
— автоматическое поддержание в скафандре заданного избыточного
давления на всех высотах;
‘ — выпуск воздуха из скафандра при чрезмерном увеличении его
давления;
— создание на Земле (или в полете) вручную избыточного давления
в скафандре.
К регуляторам давления предъявляются обычно следующие требо-
вания:
— автоматическое поддерживание в заданных пределах избыточ-
ного давления в скафандре, регулирование скорости его изменения со-
ответственно минимальному и максимальному расходу проходящего че-
рез него воздуха;
— высокая надежность в эксплуатации и простота в производстве;
— возможно меньшая степень неравномерности регулирования.
В соответствии с поставленными требованиями в скафандрах при-
меняются регуляторы абсолютного давления и комбинированные регу-
ляторы абсолютного и избыточного давлений.
Принципиальная схема устройства регулятора абсолютного давле-
ния показана на рис. 5.62. В качестве чувствительного элемента здесь
используется вакуумированный сильфон, находящийся под действием
давления в скафандре.
На Земле и во время полета в загерметизированной кабине клапаны
1 и 2 открыты, и при подаче воздуха в скафандр в нем будет поддер-
живаться небольшое избыточное давление (Др = 0,02 кгс/см2), необходи-
мое для расправления оболочки скафандра и вентиляционных зазоров
в вентили,руютцем костюме. При этом абсолютное давление в скафандре
182
близко по величине давлению в кабине и .находящийся под действием
этого давления вакуумированный сильфон 3 сжат.
С понижением абсолютного давления в кабине и в скафандре силь-
фон 3 с помощью пружины 6 удлиняется и, преодолевая сопротивление
пружины 4, приближает клапаны 1 и 2 к седлам.
Расход воздуха через клапаны 1 и 2 не будет изменяться до тех
пор, пока зазоры между седлами и клапанами не уменьшатся до за-
данной величины.
При достижении в кабине (и в скафандре) условной «высоты»
сильфон настолько удлинится, что изменение зазоров между седлом и
клапаном начнет влиять на расход воздуха, и только тогда регулятор
Рис. 5.62. Принципиальная схема регулятора давления в
скафандре с сильфоном:
1, 2—клапаны; 3— сильфон; 4—пружина клапана; 5—резиновый кла-
пан; 6—пружина сильфона; 7—крышка клапана; 8— корпус; 9—обо-
лочка скафандра; 10—^прижимная гайка
абсолютного давления вступит в работу. При этом, если абсолютное
давление в скафандре становится меньше заданного, то сильфон, допол-
нительно удлиняясь, прикрывает клапаны и уменьшает расход воздуха
через них, вследствие чего давление в скафандре повышается до уста-
новленного значения. Наоборот, при повышении давления в скафандре
открытие клапанов увеличивается и давление понижается.
Избыточное давление в скафандре определяется 'разностью ДрСк =
== Рск.абс Ркаб*
Поворотом крышки 7 можно полностью перекрыть выход воздуха
из скафандра и создать в нем повышенное давление.
По соображениям безопасности описанный регулятор обычно при-
меняется совместно с дополнительным предохранительным клапаном на
оболочке скафандра.
Для исключения возможности проникновения воды внутрь ска-
фандра через регулятор (при нахождении в воде) в нем имеется обрат-
ный резиновый клапан 5.
На рис. 5.63 приведена типовая характеристика регулятора давле-
ния при различном расходе воздуха.
Схема комбинированного регулятора давления приведена на
рис. 5.64.
Регулятор состоит из двух узлов: абсолютного и избыточного дав-
лений. При уменьшении наружного давления начинает работать узел
абсолютного давления, состоящий из пакета анероидов 3, клапана 2 и
пружины 7. Этот узел за счет расширения пакета анероидов, находя-
183
щихся под действием наружного давления, постепенно прикрывает кла-
пан 2 и этим поддерживает в скафандре постоянное абсолютное дав-
ление.
Когда в скафандре устанавливается заданное избыточное давление,
начинает работать узел избыточного давления.
Рис. 5.63. Возможная характеристика регулятора дав-
ления авиационного аварийно-спасательного ска-
фандра:
/—по стандартной атмосфере; 2—при расходе 53 л/мин; 3—
при расходе 100 лумин; 4—при расходе 200 л/мин
Если избыточное давление на клапан 2 начинает превышать усилие
пружины 5, клапан 2 приоткрывается и избыточное давление в скафанд-
ре возвращается к заданной величине.
Для проверки скафандра на герметичность (на Земле) поворотом
крышки 8 перекрывается выходное отверстие регулятора и под действи-
ем подаваемого в скафандр воздуха создается требуемое избыточное
давление в скафандре.
Рис. 5.64. Схема комбинированного регулятора дав-
ления [2]:
/—корпус; 2—клапан; 3—.пакет анероидов; 4—втулка; 5—та-
рельчатая пружина; 6—шайба; 7—пружина; 8—крышка; Э—
оболочка скафандра
Пружина 7 позволяет создавать в скафандре малое избыточное дав-
ление порядка 8—16 мм рт. ст. для расправления оболочки скафандра
и расширения вентиляционных зазоров.
184
Предохранительный к л .а л а н предназначен для понижения
избыточного давления в скафандре при повышении его сверх допустимо-
го значения (рис. 5.65). Клапан открывается тогда, когда это давление
будет превышать усилие предварительно сжатых пружин 2 и 8.
Рис. 5. 65. Предохранительный клапан ска-
фандра:
/—корпус; 2—пружина; 3—тарелка клапана; 4—
крышка; 5—защитная сетка; 6—донная часть; 7—
регулировочная шайба; 8—регулировочная пру-
жина; 9—сетка; 19 и И—‘Шайбы для крепления
клапана на скафандре
При расчетах следует учитывать, что с увеличением диаметра пре-
дохранительного клапана его ход уменьшается, но при этом снижается
его чувствительность.
11. СРЕДСТВА СВЯЗИ В СКАФАНДРЕ
Применяемые в скафандрах средства связи и информации предна-
значаются для совместной работы с имеющейся на летательных аппара-
тах связной радиоаппаратурой, а также
для передачи на Землю с помощью телемет-
рической системы информации о физиологи-
ческом состоянии членов экипажа и о работе
отдельных агрегатов скафандра.
В состав средств связи скафандров вхо-
дят: шлемофон, герметический ввод прово-
дов связи, датчики телеметрического конт-
роля (рис. 5.66).
Шлемофон. Основными элементами
шлемофона являются шлем, малогабарит-
ные телефоны, один или два микрофона с
держателем или ларингофоны, вводы связи
и разъемы проводов.
Шлем изготовляется из кожи или проч-
ной ткани. Подкладка его делается из саржи
или другой ткани, обладающей хорошей гиг-
роскопичностью (рис. 5.67).
Кроме шлема, полностью закрывающего
голову, применяется также облегченный
шлем, у которого верхняя часть сделана из
капроновой сетки (рис. 5.68).
Телефоны монтируются в шумоизолирую-
щих заглушках. Резиновые заглушки обеспе-
чивают ослабление шума на 10—12 дБ, за-
Ри.с. 5.66. Средства связи в ска-
фандре:
/—шлемофон; 2—герметический
ввод проводов связи; 3—телемет-
рический пояс; 4—датчик телемет-
рического контроля; 5—малогаба-
ритный разъем
глушки с жидкостным наполнителем умень-
шают шум до 20 дБ.
Заглушки одновременно защищают уши
и кости черепа от болей, вызываемых давле-
нием телефонов при продолжительном ноше-
нии шлема. Микрофоны должны находиться
у края рта и могут быть удалены от него не более чем на 10 мм. Для
увеличения надежности радиосвязи часто применяются два микрофона.
Могут применяться также шлемофоны с ларингофонами вместо микро-
фонов.
185
В зависимости от конструкции кожаный шлем может весить от 500
до 600 гс, тканевый — от 400 до 500 гс и шлем с сетчатым верхом — от
300 до 400 гс.
Г е р iM е т и ч е с к и й в в о д про .*в од о в связи крепится к оболоч-
ке скафандра, -наружный конец его заканчивается многоштырьковым
Рис. 5.67. Кожаный шлемо-
фон с ларингофонами:
1—разъем радиосвязной аппа-
ратуры; 2—пряжка для крепле-
ния кислородной маски; 3—ла-
рингофоны; 4—шумоизолирую-
щие заглушки с телефонами
Рис. 5.68. Шлемофон с сетчатым верхом
для скафандра':
/—микрофон; 2—шумоизолирующие заглушки;
3—разъем; 4—телефон
штепсельным разъемом. Герметизация ввода проводов в оболочку ска-
фандра осуществляется прижимной шайбой и резиновой прокладкой.
Провода, идущие внутри скафандра, заканчиваются малогабаритными
разъемами.
Средства телеметрии в скафандре используются для
оперативного врачебного контроля за состоянием организма человека и
для получения (информации о работе отдельных агрегатов скафандра.
Необходимая информация получается с помощью датчиков, уста-
навливаемых на теле ’человека или закрепляемых на скафандре (табл.
5. 10).
Таблица 5. 10
Виды физиологического контроля на кораблях «Восток-5» и «Восток-6» [13]
Метод Исследуемый параметр Краткая характе- ристика получае- мой информации Тип датчика Места размещения датчиков
Электрокар- диография Биопотенциалы сердца в грудном отделении Биопотенциалы с амплитудой до 2,5 мВ и частотным спектром 0,5— 40 Гц Электроды По средней под- мычешной линии слева и справа в 5-ом межреберья
Сейсмокардиог- рафия Механическая ра- бота сердца Вибрации груд- ной стенки в диа- пазоне частот до 18 Гц Сейсмограф индукцион- ный В области груди- ны или несколько влево
Пневмография Дыхательные движения грудной клетки Изменение пери- метра грудной клетки на уровне 5-го межреберья Реостатный (угольный) На грудной клет- ке на уровне 5-го межреберья
186
/Продолжение
Метод Исследуемый параметр Краткая характе- ристика получае- мой информации Тип датчика Места размещения датчиков
Электроэнце- фалография Биоэлектрическая активность голов- ного мозга Биопотенциалы с амплитудой до 100 мкВ и частот- ным спектром от 0 до 18 Гц Электроды Лоб, затылок, ле- вая сторона
Электроокуло- графия Движения глаз- ных яблок Биопотенциалы с амплитудой до 500 мкВ и частот- ным спектром от 0 до 18 Гц Наружные углы глаз
Кожно-гальва- ническая реак- ция Электрическое сопротивление ко- жи Быстрые колеба- ния сопротивления кожи в диапазоне 2—100 кОм Нижняя треть го- лени и подошвен- ная часть стопы
12. СПАСАТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
Устанавливаемые ла скафандре спасательные средства предназна-
чены для оказания помощи в аварийной обстановке:
— при приводнении и нахождении на плаву;
— после приземления в различных климатических условиях.
Рис. 5.69. Положение на воде человека в (Скафандре с надувным воротом
(остекление шлема опущено; необходимый для дыхания воздух подсасывается
через зазоры между остеклением и каской шлема)
Спасательными средствами, входящими в комплект скафандра и
монтируемыми ла нем, являются:
— надувной ворот (воротник), жилет или пояс для обеспечения пла-
вучести на воде;
— радиостанция с (блоком питания;
— сигнальный пистолет с запасной обоймой;
— нож, компас и сигнальное зеркало.
Надувной вор от обеспечивает находящемуся в воде человеку
в скафандре плавучесть в удобном положении и возможность плыть в
нужном направлении (рис. 5.69).
187
Для удержания головы человека над .водой (необходима дополни-
тельная плавучесть не менее 5—7 кге. На самом деле, большинство спа-
сательных средств обеспечивает дополнительную плавучесть 10—20 кге.
Важно, чтобы затылок был над 'водой. Имеет существенное значе-
ние также и положение человека на плаву (вертикальное, наклонное или
горизонтальное). При вертикальном положении кровообращение ухуд-
шается и тело человека быстрее охлаждается.
Существующие спасательные средства поддерживают тело человека
в наклонном положении под углом 20°—45° к поверхности воды.
Надувной ворот укладывается в специальный карман на верхней
одежде, который закрывается клапаном, изготовленным из той же ткани,
что и верхняя одежда.
Рис. 5.70. Надувной ворот скафандра:
1—мундштук для наполнения ворота; 2—лямки крепления ворота;
3—.ручной привод для открытия баллона; 4--баллоя с углекислым
газом-. 5—предохранительный клапан; 6—^боковые секции для уве-
личения боковой устойчивости на плаву
Надувной ворот изготавливается из прорезиненной ткани. Объем
углекислого газа при заполнении ворота составляет 30—40 л. Ворот
может надуваться человеком с помощью мундштука 1 или автоматиче-
ски наполняться углекислым газом из небольшого .баллона 4 (рис. 5.70).
Баллон смонтирован вместе с пусковой головкой (рис. 5.71). В ава-
рийной .ситуации необходимо дернуть за трос, при этом рычаг 3 пуско-
вой головки нажмет на шток ударника 4, который своей иглой проколет
мембрану баллона 5 и откроет доступ газу в ворот.
Вес плавательного ворота 700—1000 гс, рабочее давление в нем
0,1—0,2 кгс/см2.
Спасательный пояс американского скафандра G-3C показан на
рис. 5.72.
В походном положении пояс уложен в тканевый чехол, прикреплен-
ный к ремням привязной системы парашюта.
Пояс надувается ртом или автоматически наполняется от баллона
с газом, находящимся под большим давлением (обычно углекислым га-
зом). При погружении в воду автоматически срабатывает пускатель, от-
крывающий подачу газа в пояс.
Скафандр G-3C снабжен также надувным воротником, который
препятствует попаданию воды под оболочку скафандра при нахождении
в воде со снятым шлемом.
188
Р адиюст ан ция, предназначенная
передатчика, блока питания и антенны.
для связи, состоит из приемо-
Рис. 5.71. Баллон с углекислым газом для наполнения ворота скафандра:
/—корпус баллона; 2—пусковая головка; 3—рычаг; 4—*шток ударника; 5—мембрана; в—ворот,
7—резиновый обратный клапан
Рис. 5.72. Надувной воротник и спаса-
тельный пояс американского скафандра
G-3C:
/—надувной воротник; 2—спасательный пояс;
5—баллон для наполнения жилета
В походном (положении радиостанция хранится <в кармане верхней
одежды. Вес ее околю 1 кге.
Н А 3. Кроме устанавливаемых на скафандре спасательных средств, в кабину ЛА
укладывается НАЗ (носимый аварийный запас). Состав НАЗ комплектуется в соответ-
ствии с назначением летательного аппарата и условиями, в которых может оказаться
экипаж в аварийной обстановке. Так, например, носимый аварийный запас на космиче-
ском кцрабле «Восток» весил 40 кге. На самолете-истребителе вес НАЗ обычно состав-
ляет 10—12 кге.
189
13. ВЕС АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНОГО СКАФАНДРА
Если справедливс, что всякое тяжелое снаряжение, носимое челове-
ком, создает больше недостатков, чем преимуществ, то для скафандра
вес приобретает особо важное значение. Прежде всего потому, что ска-
фандр применяется на современных летательных аппаратах, требующих
от 'человека максимальной мобилизации всех сил.
Вечный вопрос о том, что следует считать легким, а что тяжелым,
не может иметь однозначное 'решение. Ясно, что чем скафандр легче, тем
он меньше утомляет человека.
По мере соверше1нствован1ия конструкции скафандра и создания но-
вых материалов вес скафандра будет уменьшаться и сейчас затрудни-
тельно определить вес скафандра даже ближайшего будущего.
Многие элементы не являются частью скафандра и используются в
зависимости от климатических условий и назначения полета. К ним,
в первую очередь, можно отнести теплозащитный костюм, плавательный
ворот и т. д. Поэтому при определении веса следует различать вес ска-
фандра и вес комплекта скафандра.
Вес скафандра складывается из веса оболочки и шлема.
Вес комплекта скафандра учитывает все то, что надевается летчи-
ком (космонавтом) в зависимости от климатических условий и задач по-
лета.
Сравнительная характеристика различных комплектов летного сна-
ряжения приведена в табл. 5. 11.
Таблица 5. 11
Сравнительная характеристика различных комплектов летного снаряжения [2]
Зимний комплект обмундирования Зимний комплект с компен- сирующим костюмом
Наименование вес кгс Наименование вес кгс
Костюм нагольный меховой 4 Костюм нагольный меховой 4
Сапоги кожаные утепленные 2,5 Ботинки для ВКК 1,5
Защитный шлем 2,0 Гермошлем 3,0
Кислородная маска 0,5
Перчатки 0,25 Перчатки 0,25
Теплые носки 0,25 Теплые носки 0,25
Свитер шерстяной 1,5 Свитер шерстяной 1,0
Брюки 0,75 Компенсирующий костюм 4,0
Белье 0,5 Белье 0,5
Итого 11,25 кгс Итого 14,5 кгс
14. ИСПЫТАНИЯ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ СКАФАНДРОВ
Новые образцы скафандров подвергаются наземным и летным ис-
пытаниям.
В программу наземных испытаний входят:
1) статические испытания для определения давления, разрушающе-
го оболочку скафандра (с затянутыми и распущенными силовой систе-
мой и шнуровкой);
190
2) функциональные испытания для проверки работоспособности всех
агрегатов скафандра;
3) динамические испытания для определения прочности и работо-
способности оболочки и узлов скафандра при мгновенной разгермети-
зации кабины;
4) проверка действия на скафандр скоростного напора при ката-
пультировании;
5) испытание скафандра в термобарокамере (рис. 5.73), предусмат-
ривающее проверку:
— работы .регулятора давления и определение избыточного давле-
ния, создаваемого им на различных высотах,
— содержания кислорода и углекислого газа во вдыхаемом возду-
хе и сопротивления дыха-
нию,
— аварийной подачи кис-
лорода,
— температурного режи-
ма, теплоощущения, потреб-
ного расхода кислорода и
вентиляционного воздуха в
заданном диапазоне темпе-
ратур,
— незапотеваемости сте-
кол;
6) определение подвижно-
сти скафандра (зон досягае-
мости) целесообразно произ-
водить в условиях, близких
к реальным, в кабине ЛА
(или .макете кабины) с уста-
новленными рычагами уп-
равления, которыми должен
пользоваться летчик в поле-
те.
Для получения предвари-
тельной оценки испытатель
выполняет несколько харак-
терных движений стоя или
Рис. 5.73. Примерная схема стенда для испы-
тания вентилируемого скафандра в термобаро-
камере:
/—форкамера; 2—большая барокамера; 3—кислород-
ный баллон; 4—кислородный прибор; 5—разъем шлан-
гов; 6—электроподогреватель; 7—охлаждающее уст-
ройство; 8—нагнетатель; 9—электродвигатель; 10—осу-
шитель влаги; //—клапан для быстрого спуска
сидя в кресле;
7) испытания на :воде с целью определения плавучести, устойчиво-
сти, способности плыть в нужном направлении, теплозащитных свойств
скафандра.
В программу летных испытаний входят:
1) проверка возможности управления летательным аппаратом на
всех режимах полета (при избыточном давлении в скафандре и без
давления);
2) проверка скафандра при мгновенной разгерметизации кабины;
3) проверка скафандра при вынужденном .покидании летательного
аппарата.
15. ТИПОВЫЕ ОБРАЗЦЫ СКАФАНДРОВ
Отечественные скафандры
Скафандр СИ-ЗМ — аварийно-спасательный вентиляционный
масочный скафандр (1953 г.), предназначенный для полетов на высотах
до 20 км. Рабочее (избыточное) давление скафандра 0,15—0,19 кгс/см2
(рис. 5.74).
191
Скафандр '.изготовлен из прорезиненной ткани. Шлем с открываю-
щимся иллюминатором крепится к оболочке байонетным зам-ком (см.
(рис. 5. 33).
С левой стороны расположены -ввод проводов связи и штуцер пода-
чи воздуха в противоперегрузочный костюм.
Показанный на рисунке пояс предназначен
для подгонки скафандра по росту.
Вес скафандра СИ-ЗМ 9,5 кгс (оболочка —
5,0 кгс, съемные герметичные сапоги —1,8 кгс,
перчатки — 0,4 кгс, шлем—2,3 кгс).
Вес комплекта скафандра СИ-ЗМ 14,1 кгс
(скафандр СИ-ЗМ — 9,5 кгс, верхняя одеж-
да — 1,2 кгс, теплозащитный костюм— 1,2 кгс,
белье — 0,5 кгс, шлемофон — 0,4 кгс, плава-
тельный ворот — 0,9 кгс, прочие детали —
0,2 кгс).
Авиационный аварийно-спаса-
тельный скафандр снабжен поворотным
шлемом и съемными перчатками (рис. 5.75).
Скафандр космонавта Ю. А. Га-
гарина применялся при полетах на кораб-
лях «Восток» (см- рис. 5.41).
Оболочка скафандра многослойная: сило-
вой слой изготовлен из прочной синтетической
ткани, внутренний — герметичный слой — из
тонкой резины, подкладка (для скольжения
при надевании и для защиты герметичной обо-
лочки) сшита из легкой ткани (рис. 5.76).
Распах расположен в передней части туло-
вища.
На оболочке скафандра имеется ввод эле-
ктрических проводов, а внутри скафандра —
разъем для присоединения проводов от датчи-
ков телеметрической аппаратуры.
Шлем составляет с оболочкой единое целое.
Остекление шлема в аварийной ситуации ав-
томатически опускается. Космонавт может так-
же вручную опустить и поднять его. Для защи-
ты от запотевания остекление шлем«а двойное.
Теплозащитный костюм изготовлен в виде
комбинезона (см. рис. 5.51). Гидравлическое
сопротивление вентилирующей системы не пре-
вышает 150 мм вод. ст. при расходе воздуха
Рис. 5.74. Скафандр
СИ-ЗМ без верхней одеж-
ды [2]:
1—разъем сапога; 2—регу-
лятор давления; 3—ввод
проводов связи; 4—штуцер
подачи воздуха в противо-
перегрузочный костюм; 5—
шланг подачи кислорода в
шлем; 6—шланг подачи воз-
духа для вентиляции; 7—
компенсирующий шланг
150 л/мин.
Давление в скафандре регулируется двумя регуляторами давления
и одним предохранительным клапаном, рассчитанным на максимальное
рабочее давление 205 мм рт. ст. (избыточное давление 0,27 кгс/см).
Два малогабаритных телефона расположены в шумоизолирующих
заглушках шлемофона. Микрофоны смонтированы на шарнирных кон-
сольных держателях, (которые обеспечивают фиксацию микрофонов про-
тив краев рта. В системе радиосвязи предусматривается также исполь-
зование ларингофонов, которые подключаются вместо микрофонов на
активном участке полета (при работающих двигателях).
Кожаные ботинки надевают поверх скафандра.
В состав аварийно-спасательных средств этого скафандра входят:
спасательный (плавательный) ворот, малогабаритная радиостанция, сиг-
нальный пистолет и нож. Ворот крепится к верхней одежде и в нерабо-
192
чем положении уложен на спине и закрыт клапаном, изготовленным из
той же ткани, что и верхняя одежда.
В момент приводнения ворот автоматически наполняется углекис-
лым газом из баллона. Предусмотрены также ручное включение балло-
на и наполнение ворота воздухом самим космонавтом.
Рис. 5.75. Аварийно-спасатель-
ный скафандр:
/—регулятор давления; 2—меха-
низм регулировки силовой систе-
мы; 3—предохранительный клапан
Рис. 5.76. Скафандр космонавта
Ю. А. Гагарина без верхней одежды:
/—регулятор давления (первого режима —
0,27 кгс/см2); 2—'подтяг силовой системы;
3—шланг подачи кислорода; 4—объединен-
ный разъем; 5—ввод проводов связи: 6—
клапан для дыхания
Надевается скафандр с помощью одного человека в течение 5—
10 мин, снимается самостоятельно космонавтом.
Вес скафандра 11,5 кге (оболочка — 7,9 кге, шлем — 3,6 кге).
Скафандры США
Скафандр М к -1 V — авиационный аварийно-спасательный ска-
фандр (1955 г.).
Скафандр надевается на белье и состоит из оболочки, шлема, съем-
ных перчаток и ботинок (рис. 5.77). Оболочка скафандра двухслойная.
Наружная (силовая) оболочка изготовлена из нейлоновой ткани, внут-
ренняя (герметичная) — из нейлоновой ткани, пропитанной неопрено-
вым каучуком.
Малогабаритный кислородный прибор установлен на шлеме. Кис-
лород для дыхания поступает в переднюю часть шлема. Задняя (заты-
13 1341 193
лочная) часть шлема отделена от передней лицевым уплотнением .и вен-
тилируется воздухом.
Шлем состоит из пластмассовой каски и подъемного стекла. Для
защиты глаз от ослепления
Рис. 5.77. Американский
авиационный аварийно-спа-
сательный скафандр MK-IV:
имеется светофильтр. Стекло герметизиру-
ется резиновым шлангом, который, расши-
ряясь, прижимается к стеклу по всему пери-
метру.
Внутри шлема установлены телефоны и
микрофон. Телефоны вмонтированы в за-
глушки, которые, прижимаясь к ушам, фик-
сируют шлем. При поворотах головы шлем
вращается на герметичном подшипнике. Вес
скафандра Мк-IV около 9,0 кге (оболоч-
ка — 6,0 кге, шлем — 2,4 кге).
Рис. 5.78. Американский скафандр M1K-IV
для полетов по программе «Меркурий»
1—регулятор давления; 2—си-
ловая оболочка; 3—карман для
ножа; 4—указатель давления;
v—предохранительный клапан;
6—шлем; 7—карман для каран-
даша; 8— перчатки; 9—шланг
подачи воздуха для вентиля-
ции; 16—карман для теплых
перчаток; 11—съемные ботинки;
12—‘подтяг шлема; 13—кисло-
родный прибор; 14—герметич-
ная застежка «молния»
Кислород поступает в
Модернизированный вариант скафандра
М'к-IV применялся при осуществлении кос-
мических полетов по программе «Мерку-
рий».
Силовая оболочка этого скафандра изго-
товлена из алюминированной нейлоновой
ткани (рис. 5.78).
скафандр через штуцер, расположенный на
груди, с левой стороны. Из скафандра газы выводятся через вывод, раз-
мещенный на шлеме (рис. 5.79).
Для герметизации скафандра при нахождении в воде имеется рези-
новая шторка. В нормальных условиях шторка свернута и не стесняет
движений головы.
Перчатки крепятся к кистевым герметичным подшипникам. На
тыльной стороне 'перчаток имеется шнуровка для индивидуальной под-
гонки. На концах указательного и среднего пальцев обеих перчаток на-
ходятся электрические лампочки (5 кд) для освещения приборной доски
194
пр'и 'нахождении в затененной части орбиты. Внутренняя сторона перча-
ток покрыта мягкой кожей.
Скафандр надевается на хлопчатобумажное белье, изготовленное
в виде комбинезона.
Скафандр G-3C изготовлен для обеспечения полетов по про-
грамме «Джемини» (рис. 5.80).
Рис. 5.&1. Система венти-
ляции скафандра G-3C:
/—штуцер подачи кислорода; 2—
разъем средств связи; 3— клапан
питания; 4—спасательный пояс; 5—
штуцер для отвода газов из ска-
фандра; 6— верхняя одежда; 7—си-
ловая оболочка; 8—герметичная
оболочка; 9—подкладка; 10—на-
тельное белье; //—иллюминатор
шлема
1—-разъем для подачи кис-
лорода; 2—разъем для вы-
хода кислорода
Рис. 5.80. Американский ска-
фандр G-3IC:
Рис. 5.79. Схема вен-
тилирующей системы
скафандра Mk-IV:
1—разъем подачи кисло-
рода; 2—штуцер /'разъ-
ем) для выхода газов;
<?—трубки вентилирую-
щей системы
Скафандр четырехслойный: внутренний слой из нейлоновой ткани
является скользящей подкладкой, следующий слой — герметичная обо-
лочка — из прорезиненного нейлона с неопреновым покрытием, силовая
оболочка выполнена в виде сетки из дакрона, наружный слой — верх-
няя одежда — изготовлен из нейлона (НТ-1).
Скафандр снабжен герметичной застежкой «молния». Разъемы пер-
чаток и шлема снабжены герметичными подшипниками. Ботинки изго-
13* ; 195
топлены из того же материала, что и оболочка скафандра. Остекление
шлема выполнено из поликарбоната толщиной 3,1 мм.
Весовая сводка скафандра G-3C приведена в табл. 5. 12.
Устройство вентилирующей системы этого скафандра показано на
рис. 5.81.
Подаваемый в скафандр кислород распределяется по трубкам вен-
тилирующей системы, часть кислорода подается в шлем и используется
для дыхания.
Рис. 5.82. Американский
скафандр G-5C
Таблица 5.12
Примерная весовая сводка скафандра G-3C
Наименование элементов Вес в кге
элементов общий
Оболочка: 8,8
защитная оболочка 1,8
силовая оболочка (сетка) 2,0
герметичная оболочка 2,2
подкладка 0,6
вентилирующая система 0,6
приборы и разъемы 1,2
перчатки 0,4
Шлем 2,8
Прочие детали 0,1
Итого 11,7 кге
Скафандр G-5C применялся при полете корабля «Джемини-
VII». Он снабжен мягким шлемом, соединяющимся с оболочкой герме-
тичной «молнией». Непосредственно на голову космонавт надевает обыч-
ный шлем военного летчика (рис. 5.82).
Скафандр двухслойный: внутренняя герметизирующая оболочка из-
готовлена из прорезиненного нейлона, наружная — из нейлона НТ-1.
Для увеличения подвижности в местах сгиба расположены участки из
сетки, которая растягивается только в одном направлении.
Вес скафандра G-5C—7,4 кге (оболочка — 3,5 кге, шлем—0,9 кге,
перчатки — 0,3кге, защитный шлем — 2,2 кге).
ЛИТЕРАТУРА
1. Ум «а некий С. П. Человек ib космосе. М., Воениздат, 1970.
2. Уманский С. П. Снаряжение летчика и космонавта. М., Воениздат, 1967.
3. Иванов Д. И., X р о м у ш к и н А. И. Системы жизнеобеспечения человека
три высотных и космических полетах. М., «Машиностроение», 1968.
4. П р о к о ф ь е в В. М. и др. Экспериментальные исследования прочности проши-
тых швов резино-тканевых баллонных конструкций.— «Каучук и резина», 1966, № 8.
196
5. С т.р е к о з о в Н. П. Некоторые вопросы прочности конических и цилиндриче-
ских оболочек из 'Мягких материалов.— «Труды VI Всесоюзной конференции по теории
оболочек и пластинок (Баку, -1966)». М., «Наука», 1966.
6. К о с и м о в С. А. Очерки физиологии труда. М., «Медицина», 1965.
7. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для ин-
женеров и художников-конструкторов. М., «Мир», 1968.
8. Сидоров О. А. Физиологические факторы человека, определяющие компо-
новку поста управления машиной. М., Машгиз, 1962.
9. Колесников П. А. Теплозащитные свойства одежды. М., «Легкая индуст-
рия», 1965.
10. Ладыженский Р. М. Кондиционирование воздуха. М., Государственное
издательство торговой литературы, 196'2.
11. Кутателадзе С. С., Боришанекий В. М. Справочник по теплопере-
даче. М., Энергоиздат, 1959.
12. Кедров Л. В. Утепленная обувь. М., Ростехиздат, 196-2.
13. Второй групповой космический полет и некоторые итоги полетов советских
космонавтов на кораблях «Восток». Под ред. Н. М. Сисакяна. М., «Наука», 1965.
ГЛАВА 6
Скафандр для выхода в космос
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
Скафандр, предназначенный для выхода космонавта из корабля,
обеспечивает необходимые жизненные условия 'космонавту, вышедшему
в окружающее космическое пространство с целью:
— проведения научных наблюдений;
— ремонта поверхности корабля;
— монтажа или демонтажа различных объектов;
— сборки орбитальных станций из отдельных секций и т. п.
Скафандр для выхода в космос (СКВ) может быть полностью ав-
тономным или связан с кораблем фалом, шлангами и проводами, по ко-
торым подается кислородное питание, электроэнергия, осуществляется
связь.
В автономном варианте система жизнеобеспечения, источники пита-
ния и средства передвижения размещаются в наспинном ранце. Космо-
навт может перемещаться относительно корабля в любом направлении.
Конструкция оболочки скафандра в сравнительно малой степени за-
висит от того, имеет ли он автономную систему жизнеобеспечения или
все необходимое для поддержания жизнедеятельности космонавта пода-
ется в скафандр по шлангам и проводам.
К скафандру для выхода в космос предъявляются общие и специ-
альные требования.
Общие требования к СКВ
1. Скафандр для выхода в космос должен удовлетворять общим
требованиям, предъявляемым к аварийно-спасательному скафандру (см.
гл. 5).
2. Скафандр должен быть снабжен дозиметрами, сигнализирующи-
ми о величине проникающей радиации.
3. Для непрерывного контроля за состоянием космонавта должна
быть предусмотрена возможность передачи на борт корабля или Землю
данных телеметрических измерений.
4. Для пребывания в скафандре более 2—3 ч желательно предусмот-
реть устройство для приема жидкой пищи (соков, кофе, воды и т. д.) и
приспособление для сбора жидких отходов.
Специальные требования к СКВ
1. Скафандр должен удовлетворять специальным требованиям,
предъявляемым к космическому аварийно-спасательному скафандру.
2. Скафандр должен обеспечивать:
— защиту человека от перегрева при пребывании на солнечной сто-
роне и от переохлаждения при нахождении в тени;
198
— защиту от поражения при столкновении с метеорным веществом
размером до 300—400 мкм.
— защиту органов зрения от вредного действия радиации Солнца,
— подвижность, необходимую для 'выполнения заданного объема
работ.
3. Материалы, используемые для изготовления скафандра, должны
быть стойкими к длительному воздействию физических факторов косми-
ческого пространства и не изменять физико-механические и оптиче-
ские свойства под действием вакуума и солнечной радиации.
4. Конструкция скафандра должна быть в требуемой мере надежна
и безотказна в работе, иметь дублирующие системы, которые 'автомати-
чески включаются в работу в случае аварийной необходимости.
Измерения, проведенные при выходе в космос А. А. Леонова, и дан-
ные, полученные при полете американских космонавтов, показали, что
работа в космосе связана с большими энергозатратами.
Так, при выходе в космос из кабины корабля «Джемини-IX» у космонавта Ю. Сер-
нана в момент открытия люка частота пульса была 155 ударов в минуту и затем под-
нялась до 170 ударов в минуту (в зависимости от затрачиваемых усилий). Наиболь-
шая частота пульса зарегистрирована' при закрытии крышки люка — 180 ударов
в минуту. По оценке Ю. Сернана, выполнение запланированных операций в космосе
потребовало от него в 4—5 раз больших усилий, чем при тренировке в барокамере.
Второй пилот корабля «Джемини-XI» Р. Гордон, совершивший выход в космос,
70% усилий затратил на то, чтобы удержаться на месте при выполнении работ. Частота
его дыхания достигла 40—50 в минуту. Средняя частота пульса в период выхода в кос-
мос составляла 162 удара в минуту, пиковая— 180 ударов в минуту. Р. Гордон сильно
потел. Эксперимент продолжался 44 мин (вместо 107 мин по плану). Пиковые энерго-
затраты достигали 15 ккал/мин.
Эти хотя и предварительные данные указывают на то, что при вы-
боре автономной системы жизнеобеспечения необходимо исходить из
условия обеспечения подачи кислорода для дыхания от 1,5 до 2 л(н)/мин.
Средний расход кислорода в течение 3—4 ч составит 90—120 л(н)/ч и
будет компенсировать энергозатраты от 450 до 600 ккал/ч.
В связи с тем, что тепловыделение в количестве «15—20 ккал/мин
возможно только в течение короткого времени, а известные в настоящее
время способы охлаждения не обеспечивают отвод тепла в таком коли-
честве, обычно исходят из величины среднего количества отводимого
тепла 450—600 ккал/ч.
2. УСТРОЙСТВО СКАФАНДРА ДЛЯ ВЫХОДА В КОСМОС
Требования, предъявляемые к скафандру для выхода в космос, вы-
зывают необходимость внесения в его конструкцию новых элементов:
— верхней одежды, обладающей необходимыми характеристиками
отражения и поглощения «солнечного излучения;
— экранно-вакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ);
— противометеорного костюма;
— дублирующей герметичной оболочки;
— остекления шлема, способного защитить глаза космонавта от
вредного воздействия космического пространства.
Верхняя одежда
Верхняя одежда является наружным защитным слоем, предохраняю-
щим скафандр от возможных механических повреждений при выходе
из корабля.
Наружная поверхность одежды должна обладать необходимыми оп-
тическими свойствами и в возможно большей степени отражать лучи-
стую’энергию Солнца.
199
Материалы, из (которых изготовлена одежда, должны быть темпе-
ратуростойкими и не изменять своих физико-механических свойств при
соприкосновении с поверхностью корабля (около ±150° С).
Так как количество тепла, проходящее внутрь скафандра, будет не-
велико по сравнению с теплом, отраженным и поглощенным наружной
поверхностью верхней одежды (вследствие большого теплового сопро-
тивления скафандра), то температура
этой 'поверхности будет приближаться
к равновесной температуре адиабати-
ческой стенки, т. е.
у ____ I / AsQ
2 в.о I/ с >
F ео0*^и
где As — коэффициент поглощения сол-
нечной радиации; qs — солнечная по-
стоянная— 1200 ккал/(м2-ч); е—сте-
пень черноты; сг0 — постоянная Стефа-
на-Больцмана (<то=4,9-10-8 ккал/
(м2ч-°С4).
Для одежды, наилучшим образом
отвечающей поставленным требовани-
ям, величина Л8/е должна иметь мини-
мальное значение.
У белой ткани Л8 = 0,27, 6 = 0,9, а
Лs/e = 0,3. Оптические характеристики
некоторых тканей приведены в гл. 8.
При выборе материала для верхней
одежды предпочтение следует отдать
материалам, имеющим наиболее вы-
сокую температуру самовоспламенения,
минимальную скорость горения при
заданных условиях и самозатухаю-
щим *. Поставленным требованиям на-
илучшим образом будет отвечать одеж-
да, изготовленная из .стеклоткани.
Верхняя одежда изготовляется в ви-
де комбинезона (рис. 6. 1) из прочной
ткани (лавсана, фенилона, дакрона),
хор ошо со проги в л я ю щ е й ся раздира-
нию (не менее 10—15 кгс).
Комбинезон крепится к скафандру
Р.ис. 6.1. Скафандр космонавта
А. А. Леонова:
/—шланг подачи кислорода (при нахож-
дении в корабле); 2—ранец системы жиз-
необеспечения
шнуровкой или ворсовыми за-
стежками.
Для того чтобы одежда не ограничивала подвижности, в местах су-
ставов делаются сборки или вставляются «корочки» /(ластовицы). Одеж-
да снабжается карманами (рис. 6.2) для хранения личных вещей, доку-
ментов и других вещей.
Экранно-вакуумная тепловая изоляция
Экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) ** применяется для
защиты космонавта от перегрева или охлаждения при выходе из кораб-
ля в космическое пространство.
К ЭВТИ предъявляются следующие требования:
— защита от .проникновения тепла внутрь скафандра при пребы-
вании на Солнце и от отвода тепла при нахождении в тени;
* Краткие сведения об огнезащитных свойствах различных материалов приведе-
ны в гл. 8.
** В литературе встречается также определение ЭВТИ как многослойной изоляции.
200
Рис. 6.2. Скафандр для Космического корабля «Союз» (без автоном-
ной системы жизнеобеспечения):
/—карман; 2, 4—защитные клапаны регулятора давления; 3—зеркало; 5—объ-
единенный разъем; ь—разъем проводов связи
— хорошая сочетаемость со скафандром (ЭВТИ не должна ограни-
чивать подвижность человека в скафандре);
— минимальные вес и габариты при (максимальном термическом
сопротивлении;
— достаточная механическая прочность;
— негорючесть;
— высокая химическая стойкость по отношению к физическим фак-
торам космического пространства.
ЭВТИ представляет собой ряд экранов, помещенных в вакуумиро-
ванное пространство. Тепло в этом случае переносится тремя путями:
излучением, теплопроводностью оста-
точных газов, теплопроводностью по
твердому телу.
Экранирующее действие многослой-
ной конструкции иллюстрируется рис.
6.3. Предположим, что между двумя па-
раллельными плоскостями 1 и 2 находит-
ся экран из тонкого теплопроводящего
материала, так что разностью температур
на двух его плоскостях (поверхностях)
можно пренебречь. Если принять, что
промежуточной средой является вакуум,
а степень черноты поверхностей 1 и 2 и
экрана одинакова и равна е, то приведен-
ная степень черноты определяется по
формуле [il]
Sn₽=T7~'ZZ----Г=Т^-
1 / £ J 1/£о — 1 2 — £
Рис. 6.3. Схема лучистого теп-
лообмена при наличии экрана
Если экран отсутствует, то результирующий тепловой поток, излу-
чаемый телом 1 на тело 2, вычисляется по формуле
^о=епр%(П-Т4)( (6.2)
где по — постоянная излучения абсолютно черною тела.
Когда между плоскостями 1 и 2 будет установлен экран, то его
температура примет некоторое значение Тэ, а количество тепла, воспри-
нимаемого экраном от плоскости 1, должно равняться количеству тепла,
передаваемого плоскости 2,
?!= Wo(^-^) =®Пр’о(^-^). (6. 3)
Отсюда следует, что +
Подставляя это значение в формулу 6.3, найдем количество тепло-
ты, передаваемой плоскостью 1 плоскости 2 при наличии одного экрана
между ними,
=Wo - Yт\ - т =Т е"₽°о (П - ть=т • (6-4)
Таким образом, один экран уменьшает интенсивность лучистого теп-
лообмена в два раза. При наличии п экранов qn=<h)ln-\- 1-
Кинетическая теория газов обычно рассматривает два крайних слу-
чая переноса тепла газами, а именно LC6 и L^>6 (L — средняя дли-
на свободного пробега молекул в газе; д — расстояние между теплооб-
менивающими поверхностями). Отношение L/d называется критерием
Кнудсена Кп.
201
Средняя длина свободного пробега L связана с давлением р и темпе-
ратурой Т газа соотношением
L—
" 1+->
где К и Ту — постоянные, зависящие от рода газа. Для воздуха К=
= 8,42-10-4 кгс/м, ТУ=113К.
При условии Кп<С1 теплопроводность газа не зависит от величины
его давления и связана с коэффициентом динамической вязкости ц и
теплоемкостью cv газа соотношением [2]
(6.5)
(6.6)
где
9k — 5
е =---------
4
(6.7)
k= ——отношение изобарной и изохорной теплоемкостей.
При достаточно низких давлениях, когда выполняется условие
Кп^>1, молекулы газа пролетают от стенки к стенке, не сталкиваясь
между собой. В этих условиях количество переносимого тепла пропор-
ционально количеству молекул, принимающих участие в теплообмене и,
следовательно, давлению газа.
При увеличении расстояния между стенками увеличивается путь мо-
лекул, а также возрастает их количество, приходящееся на единицу по-
верхности. В результате скорость переноса теплоты не зависит от
расстояния между стенками. Поэтому здесь неприменимо понятие ко-
эффициента теплопроводности, выражающего проводимость вещества,
отнесенную к единице толщины его слоя. Кинетическая теория газов
приводит в случае Кп^>1 к следующему решению для переноса тепла
между двумя поверхностями, которые параллельны или расположены
одна в другой.
гл £4-1
Q = a-----
k—\
Р
VMT
^(Л-Л);
(6.8)
(6.9)
a
где Q_—количество переносимого тепла; a—коэффициент аккомода-
ции; R — универсальная газовая постоянная; М — молекулярная масса;
Sj и S2 — площади поверхностей.
Индексы «1» и «2» относятся соответственно к внутренней и наруж-
ной поверхностям.
Коэффициент аккомодации учитывает степень полноты теплообме-
на между молекулами газа и поверхностью.
Коэффициент аккомодации всегда меньше единицы.
В сосудах Дьюара (для жидкого кислорода) расстояние между стенками находит-
ся в пределах 10—20 мм. В этом случае перенос тепла газом начинает уменьшаться
при давлениях ниже 5,02-10-5 кгс/см2 и при давлении ниже 1,02-10—6 кгс/см2 изменяется
пропорционально давлению. Для уменьшения переноса тепла теплопроводностью оста-
точных газов до очень малой величины (не более 5% от переноса тепла излучением)
необходимо поддерживать в пространстве между стенками сосуда Дьюара давление
не более 1,02- 10-8 кгс/см2 (0,001 Н/м2) или 7,5- 10~6 мм рт. ст. [2].
Передача тепла теплопроводностью по твердому телу описывается
законом Фурье и, в первую очередь, зависит от значения коэффициента
теплопроводности Л.
202
В ЭВТИ все три способа передачи тепла взаимосвязаны и неразде-
лимы. В то же время в общем случае вполне приемлемое приближение
получается при рассмотрении теплового потока через ЭВТИ как суммы
трех отдельных независимых слагаемых:
<7о=<7г+<7т + <7и, (6. 10)
где — общий тепловой поток через ЭВТИ; qr — тепловой поток, пере-
даваемый по газу; qT— тепловой поток, передаваемый по твердому телу;
q^ — тепловой поток, передаваемый излучением.
Рис. 6.4. Зависимость коэффициента теплопроводности ЭВТИ
(X) и удельного теплового потока (д) от величины вакуума
Анализ уравнения (6.10) позволяет сформулировать основные требо-
вания, которым должна удовлетворять ЭВТИ.
1. Давление остаточного газа в слоях изоляции не должно превы-
шать 1 • КН мм рт. ст. (рис. 6.4).
2. Степень черноты экранов должна иметь возможно меньшее зна-
чение (менее 0,03—0,05).
3. Прокладочный материал должен иметь возможно .меньший коэф-
фициент теплопроводности, обеспечивать минимальное число контактов
с экранами и возможно меньший размер 'контактирующей площади.
4. Материалы экрана и прокладки должны иметь минимально воз-
можное газовыделение.
На практике в ЭВТИ, работающей при температурах ниже 550° С,
используется алюминиевая фольга толщиной 10 мкм (ГОСТ 618—62).
Алюминиевая фольга имеет сравнительно малый вес, низкую стоимость
и небольшую степень черноты. При рабочих температурах от 550 до
1200° С экраны изготавливаются из фольги никелевого сплава НИВО-
ЗТУЦМО-ЮЗ № 88—67 толщиной 5—6 мкм (вес 1 м2 54 гс). При темпе-
ратурах ±150° С широко применяются экраны из лолиэтилентерефта-
латной пленки (ПЭТФ) МРТУ 6-05-1108—68, покрытой с одной (ПЭТФ-
ОА) или двух сторон (ПЭТФ-ДА) алюминием. Они имеют малое
газовыделение в вакууме при температурах ниже 150° С. Алюминий на
пленку напыляют испарением в вакууме по 65ТУ68, толщина напылен-
ного слоя алюминия порядка 0,03—0,05 мкм. Для ЭВТИ применяют
пленку толщиной 5—42 мкм. К достоинствам пленки по сравнению с ме-
таллическими экранами относятся высокая прочность, малый вес (1 м2
пленки толщиной 5 мкм весит 7 гс), а также низкий коэффициент теп-
лопроводности самого материала, что позволяет ее использовать без
прокладочного материала между экранами. Для уменьшения контактной
площади между соседними слоями экранам придают рифленую поверх-
ность (рис. 6. 5).
203
В качестве 1прокл'адок в ЭВТИ в настоящее время применяются волокнистые ма-
териалы типа стекловуали МРТУ 6M-8I85—62. Стекловуаль (изготавливают из стеклян-
ных волокон диаметром до 10 мкм (вес 1 м2 не более 7 гс). Стекловуаль из кварцевого
волокна прочна, не горит и не выделяет большое количество газов в вакууме.
Широкое применение находит изоляция из пленки ПЭТФ и алюминиевой фольги,
сдублированной со стекловуалью. Дублирование пленки стекловуалью происходит на
вакуум-формовочных машинах при температуре порядка 150° С с использованием в ка-
честве подложек металлических сеток. При этом (происходит склейка прокладки экрана
связующим материалом, находящимся в прокладке. Одновременно экран и прокладка
приобретают рифленую поверхность. Возможность клеесварки комбинированного мате-
риала упрощает технологический процесс изготовления теплоизоляции. Из такого мате-
риала можно изготавливать цилиндрические, сферические, конические оболочки, соответ-
ствующие форме изолируемого изделия. Это позволяет сохранить изотермичность от-
дельных слоев по всей поверхности изоляции. Послойное нанесение изоляции в виде
отдельных оболочек, выполненных по раскрою, гарантирует сохранение плотности ук-
ладки, соответствующей необжатому состоянию.
В результате 1ис-сл-едо.ва-н,ий физико-механических свойств ЭВТИ
получены следующие характеристики, приведенные в табл. 6.1.
Рис. 6.5. Схема пакета
ЭВТИ:
а—с прокладкой из сетки (ву-
али): б—из рифленой пленки
без прокладки; 1—защитная
ткань; 2—гладкая пленка; 3—
прошивочные нитки; 4—сетка;
5—-рифленая пленка
а)
5)
Применение ЭВТИ в скафандрах налагает ряд ограничений к ис-
пользованию прокладочных материалов. Так, например, исключено при-
менение экранов из алюминиевой фольги и прокладок из стекловолок-
нистых материалов.
В скафандрах применяется экранно-ваофумная тепловая изоляция,
состоящая из металлизированной полимерной пленки и прокладок в ви-
де сетки ।(вуали), изготовленных также из полимерных материалов (кап-
рона) .
Как способ изготовления ЭВТИ, так и технология ее крепления су-
щественно влияют на эффективность ЭВТИ. Большое значение имеет
плотность укладки экранов (степень обжатия).
С увеличением плотности укладки проводимость по твердому телу
возрастает, а проводимость за счет излучения уменьшается. Для каждо-
го типа ЭВТИ существует оптимальная плотность укладки, при которой
эффективный коэффициент теплопроводности имеет наименьшее значе-
ние. Опыт показывает, что оптимальная плотность укладки, как прави-
ло, соответствует плотности укладки свободно лежащего (без нагрузки)
пакета ЭВТИ.
Внешняя механическая нагрузка, вызванная действием атмосферно-
го давления, весом космонавта, прошивкой и т. л., значительно увеличи-
вает плотность укладки изоляции (табл. (6.2), нто приводит к увеличению
эффективного коэффициента теплопроводности на несколько порядков.
Применение в ЭВТИ рифленых металлизированных пленок и прокладок
в виде сеток обеспечивает почти <100% восстановление свойств пакета
при снятии механической нагрузки.
Эффективность ЭВТИ в значительной мере зависит от температуры.
Экспериментальные и расчетные данные показывают, что тепловой по-
ток, проходящий через ЭВТИ, в значительной мере есть функция темпе-
204
ратуры стенки в четвертой степени. Это указывает на то, что с увеличе-
нием температуры теплопередача через ЭВТИ осуществляется преиму-
щественно излучением.
Таблица 6.1
Основные характеристики экранно-вакуумной теплоизоляции
Материал Опти- мальная Эффектив- ный коэффи-
экрана прокладки плотность укладки 1/см циент тепло- проводности X—105 ккал/ (м-ч-°С)
Пленка ПЭТФ-ОА Стекловуаль 25—35 5,5
Пленка ПЭТФ-ДА Стекловуаль 25—35 4
Пленка ПЭТФ-ОА, рифление 4X1 10—15 10
Пленка ПЭТФ-ДА, рифление на сетке 4X1 10—15 6
Алюминиевая фольга Стекловуаль 30—40 5—7
Алюминиевая фольга, рифление 4X1 Стекловуаль 10—15 7
Никелевая фольга Холст из шта- пельного квар- цевого волокна 10 6
Примечание. Значения эффективного коэффициента теплопроводности приведены для граничных температур Ti = 20l и Т2 = —196° С в вакууме менее
1 • 105 мм рт. ст.
Таблица 6. 2
Зависимость плотности укладки ЭВТИ от приложенной внешней нагрузки
Тип ЭВТИ Нагрузка кгс/см2
0,01 0,1 0,2 0,4
Пленка ПЭТФ-ОА (ДА) толщиной 12 мкм, рифление 4X1, и капроновая трикотажная сетка 20 . 50-55 65 70
Пленка ПЭТФ-ОА (ДА) толщиной 5 мкм и капроновая трикотажная сетка 50 85 90 90
К числу недостатков многослойной теплоизоляции, изготовленной из
полимерной пленки, можно отнести горючесть и слабое сопротивление
истиранию. Все эти обстоятельства способствуют быстрому ухудшению
теплозащитных свойств ЭВТИ в процессе эксплуатации [11].
В результате испытаний, проведенных в США, рекомендуются [И]:
а) отражающие экраны из полиамидной пленки толщиной 0,5 мм
с алюминиевым покрытием толщиной 500—800 А или германиевым по-
крытием толщиной порядка 500 А. Хорошие теплозащитные свойства
имеют экраны из полиамидной пленки с золотым покрытием толщиной
1000 А, нанесенным с двух сторон;
б) прокладки из стекловуали, обеспечивающие необходимую проч-
ность и негорючесть;
205
в) экранно-вакуумная теплозащита, состоящая из 7—8 экранов и
прокладок; такая комбинация обеспечивает необходимую теплозащиту
при выходе космонавта из кабины корабля в открытый космос;
г) все вновь разрабатываемые конструкции испытывать на циклич-
ный изгиб в условиях, моделирующих реальные.
ЭВТИ в сочетании с оболочками скафандра обеспечивает необходи-
мую защиту от поражения метеорным веществом.
Другим критическим (параметром, определяющим эффективность
работы ЭВТИ, является давление остаточного газа между слоями. Эф-
фективный коэффициент теплопроводности ЭВТИ относительно быстро
увеличивается при повышении давления в системе более 1-10~3—4 • 1СН
мм рт. ст. Давление газов между слоями ЭВТИ может поддерживаться
на относительно высоком уровне вследствие большого газовыделения
компонентов ЭВТИ, затрудненного отвода газа из пространства между
слоями и утечки газа из скафандра.
Применение перфорации экранов существенно понижает давление
газов между слоями в пакетах ЭВТИ.
Оптические свойства скафандра существенно влияют на тепловые
потоки к поверхности и от поверхности скафандра. Использование раз-
личных спектральных селективных покрытий уменьшило поглощение
солнечной энергии при сохранении излучательной способности в инфра-
красной области на высоком уровне.
Исследование подвода тепла, когда космонавт находится вблизи
космического корабля, показывает, что тепловая нагрузка увеличивается
на 20% во время нахождения на солнечной стороне и уменьшается на
30% в тени. Увеличение тепловой нагрузки происходит в основном из-за
солнечной энергии, отраженной от поверхности корабля, а также из-за
непосредственного излучения, исходящего от самого корабля. Лучистый
теплообмен с кораблем может быть принят равным нулю в том случае,
когда космонавт удален от него более чем на 1,5 м.
Для проведения тепловых расчетов, связанных с применением ЭВТИ
в инженерных конструкциях, в том числе и скафандрах космонавтов,
необходимо иметь следующие данные для выбранного типа ЭВТИ.
1. Зависимость толщины пакета h ЭВТИ от числа слоев n, h = f(n).
2. Зависимость плотности укладки от приложенной внешней нагруз-
ки рвн,/г=/(Рвн) (см. табл. 6.2).
3. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности от
плотности укладки и граничных температур K=f (П11\Т2).
4. Зависимость эффективного коэффициента теплопроводности от
величины вакуума Х=/(рВак) (см. рис. 6.4).
Знание всех этих свойств изоляции позволяет выбрать наиболее эф-
фективные типы ЭВТИ и необходимое число слоев для обеспечения теп-
л ового режим а скаф андр а.
В скафандрах ЭВТИ применяется:
— в виде комбинезона, надеваемого на оболочку;
— как прокладки, вмонтируемые в конструкцию обуви или перча-
ток;
— в качестве варежек, надеваемых поверх перчаток;
— для защиты агрегатов системы жизнеобеспечения (ранца, трубо-
проводов, проводов связи и т. д.).
При изготовлении комбинезона необходимо обеспечить закрепление
изоляции и в то же время сохранение ее высокой эффективности. Выпол-
нить эти требования сложно, так как улучшение крепления изоляции
приводит к ее сжатию и, как следствие, к увеличению теплопроводно-
сти.
206
Крепление отдельных элементов ЭВТИ производится по периметру
путем прошивки или склейки. Чехол крепится с помощью капронового
штуцера, продеваемого в петельную ленту.
Вес комбинезона зависит от применяемых материалов и количества
экранов. Если принять, что толщина пленки 10 мкм, вес 1 м2 12 гс, то
при наличии 10 слоев (поверхность 2,5 м2) его вес составит:
— пленка (10 слоев) — 300 гс
— защитная ткань (50 гс/м2) — 250 гс
— детали крепления — 200 гс
Итого: 750 г с
Противометеорный костюм
Противометеорный костюм предназначен для защиты космонавта
от удара метеорного вещества, который возможен при выходе космо-
навта в открытый космос.
При ударе .метеорного вещества (тела) может произойти разгерме-
тизация скафандра, механическое повреждение конструкции, пожар, ос-
лепительная вспышка и тепловой ожог. Все эти явления в настоящее
время исследуются. По опубликованным в печати данным, можно с до-
статочной степенью точности говорить только о проникающем действии
метеорного тела, в результате которого может произойти разгерметиза-
ция скафандра.
Исследование действия высокоскоростных частиц на материалы ве-
дется как путем разработки теории их удара, так и путем проведения
экспериментов на специальных установках.
Важным параметром при оценке метеорной опасности является
вероятность со хранения герметичности его оболочки
PQ = exp(-NSxi]Kl (6. 11)
где Ро — вероятность сохранения герметичности оболочки при столкно-
вении с метеорным телом; S — площадь поверхности скафандров в м2;
т — время экспозиции в с; г]—экранирующее действие Земли относи-
тельно скафандра; — коэффициент надежности.
Расчетную массу метеорного вещества можно получить, объединяя
уравнения (1.3) и (6.11)
m = (lnP0/aSr^F. (6. 12)
Пример. Для обеспечения безопасного выхода из корабля в течение двух часов
могут быть приняты следующие значения входящих в формулу (6.11) величин:
Р0=О,999; 5 = 2 м2; т=7'200 с.
И =0,5; К=1,О;
По найденному значению массы метеорного вещества т, принятым значениям его
средней скорости и средней плотности находят энергию метеорного вещества, которая
должна быть поглощена оболочкой скафандра или защитным слоем.
Многими исследователями выведены формулы для определения глу-
бины кратера при ударе. В формуле, предложенной Бъерком (Biork)
глубина проникновения алюминиевой частицы в алюминиевую мишень
при ударе со скоростью v [12]
Л=1,09 (ту)1/3, (6.13)
а железной в железную
/г = 0,606 (ту)1/3, (6.14)
207
где h — глубина и радиус образовавшегося полусферического кратера
в см; т — масса шарика, имитирующего метеорное тело в гс*с2м-1;
v — скорость удара шарика в км-с-1.
В -более поздних работах Бъерк дает формулу для определения глу-
бины проникновения для железной мишени с учетом плотности как ча-
стицы, так и мишени:
/г=0,0404(-^)1/3(т^)13, (6.15)
\7миш /
где уМет — удельный вес метеорного тела в гс/см3; уМиш — удельный вес
материала мишени в гс/см3.
Эйхельбер-гер и Геринг (Eichelberger, Gehring) предлагают учиты-
вать прочность мишени, в частности ее твердость по Бринеллю. Предло-
женная ими формула имеет вид:
(mvfl, \1/3
НВ )
(6.16)
где h — глубина проникновения в см; т— масса метеорного тела гс*с2м-1;
НВ — твердость по Бринеллю; v — скорость метеорного тела.
Советскими учеными К. П. Станюковичем, Э. И. Андрианкиным,
В. М. Титовым и другими были выполнены работы, посвященные взаи-
модействию метеорного тела с преградой [3, 4].
Данные теоретических расчетов не всегда согласуются с результа-
тами, полученными при испытаниях на реальных образцах.
Прежде всего это, очевидно, объясняется тем, что глубина кратера
зависит от многих обстоятельств, влияние которых трудно учесть с по-
мощью математического анализа. Поэтому при определении защитных
свойств той или иной конструкции пока в большей степени предпочтение
отдается результатам испытаний.
Рис. 6.6. Действие удара стального шарика (см.
гл. 5 [1]):
6пр—толщина материала (мишени);
—диаметр стального шарика
Существующие в настоящее время установки позволяют разгонять
частицы до скоростей 20—30 км/с.
На рис. 6. 6 показаны результаты действия стального шарика на
преграду из стали 10 и алюминиевого сплава Д16. При скорости 10 км/с
208
стальной шарик способен пробить стальную преграду толщиной в
5,5 диаметров шарика и соответственно 7,5 диаметров для преграды из
алюминиевого сплава Д16. При определении пробивающего действия
стеклянного шарика диаметром d (имитирующего удар каменного мете-
орита) установлено, что при скорости 5,8 км/с он пробивает преграду
из сплава Д16 толщиной 2,9 d, из стали 10 толщиной 1,28 d и из стали
У12А толщиной 1,45 d.
При пробивании преграды из органического стекла толщина проби-
ваемого материала составляет 12 диаметров .пробивающей частицы при
скорости ее 11 км/с.
При пробивании преграды из алюминиевого сплава кратер имеет
вид цилиндра, окруженного сеткой микротрещин, причем диаметр ци-
линдра в 2—3 раза больше диаметра пробивающей частицы. ‘
Физика явлений, возникающих при проникновении частицы в пори-
стый материал, иная, чем при ударах о твердое тело [3]. В пористом ве-
ществе частица, действуя как поршень, -сжимает перед собой материал
и сначала закрывает поры, а потом движется как бы в сплошном мате-
риале. При закрытии пор резко возрастает температура (до Ю7 К). Теп-
ловое давление, подобное давлению высоконагретого газа, замедляет
проникновение частицы. В диапазоне скоростей до 15 км/с проникнове-
ние частицы в пористую среду аналогично процессу проникновения в газ
{так называемое газодинамическое обтекание), при этом на частицу
действует лобовое сопротивление, пропорциональное v2 [4].
Из графиков, приведенных на рис. 6. 7 и 6.8, видно, как изменяется
пробиваемая толщина авиационного войлока и губчатой резины в зави-
симости от скорости полета частицы (стеклянного шарика).
Рис. 6.7. Пробивание высокоскорост-
ными частицами авиационного войло-
ка (материалы исследований, прове-
денных И. Н. Потаповым с сотруд-
никами) [10]:
диаметр частицы (стеклянного шарика)
0—500 мкм; диаметр частицы (стеклян-
ного шарика) 422- мкм; диаметр час-
тицы (стеклянного шарика) ф—250 мкм
Рис. 6.-8. Пробивание высокоскорост-
ными частицами резины (материалы
исследований, проведенных И. Н. По-
таповым с сотрудниками):
диаметр частицы (стеклянного шарика)
0—500 мкм; диаметр частицы (стеклян-
ного шарика) 422- мкм; диаметр час-
тицы (стеклянного шарика) ф—250 мкм
Скафандр представляет собой .многослойную 1конструкц1ию, состоя-
щую из различных материалов. При ударе о первую стенку частица рас-
калывается и ее 'кинетическая энергия оказывается распределенной
между несколькими частицами, благодаря чему уменьшается вероят-
ность поражения второго слоя.
14 1341 209
Экспериментальные исследования показывают, что алюминиевый
шарик разрушается при ударе аб алюминиевую пластинку в 1/10 его соб-
ственной толщины при скоростях от 6 до 20 км/с. Стеклянный шарик
разрушался при ударе о пленку из этилентерефталата толщиной 0,4%
от его собственной уже (при скорости около 2 км/с.
Степень разрушения ткани зависит от толщины волокон и плотно-
сти их переплетения. Если диаметр частицы меньше или равен толщине
нити, то степень разрушения выше *.
Противометеоритная защита американского скафандра обеспечива-
лась пакетом *, состоящим из:
— защитной одежды — 180 гс/м2
— нейлонового войлока толщиной 3 мм — 270 гс/м2
— Э/ВТИ (семь слоев алюминированного майлара толщиной около
6 мкм) — 190 гс/м2
— силовой оболочки (сетки) — 100' гс/м2
— прорезиненной нейлоновой ткани — 280 гс/м2
Итого: 970 гс/м2
Оболочка скафандра
К оболочке скафандра для выхода в космос предъявляются более
высокие требования, чем к оболочке аварийно-спасательного скафандра
в отношении герметичности и стойкости к факторам космического про-
странства.
Для увеличения надежности в некоторых скафандрах применяются
две герметичные оболочки. Вторая оболочка является резервной и вклю-
чается в работу после повреждения основной (наружной) оболочки.Это
достигается путем установки на резервной оболочке регулятора давле-
ния, который начинает действовать только после падения давления в
скафандре ниже заданного уровня. Регулятор давления поддерживает
в скафандре заданное избыточное давление 0,27 кгс/см2. Регулятор дав-
ления, установленный на резервной оболочке, открыт и не препятствует
свободному выходу воздуха.
При нарушении герметичности основной оболочки включается в ра-
боту регулятор давления (клапан) и в скафандре поддерживается дав-
ление не менее 0,25 кгс/см2.
С помощью регулятора в скафандре может быть создано давление
0,4 кгс/см2. Для этого необходимо предварительно закрыть регулятор
поворотом крышки.
Аналогичным образом поступили американские конструкторы. При
полете «Джемини-IV» скафандр G-4C для выхода в космос отличался от
скафандра G-3C наличием ЭВТИ, противометеорного костюма и допол-
нительного светофильтра.
3. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ В КОСМОСЕ
Общие сведения
В ближайшем будущем космонавты, находящиеся на борту косми-
ческих кораблей-спутников, должны будут выполнять следующие опера-
ции:
— -оборку и монтаж доставляемых с Земли секций корабля;
* «А1АА Paper», 1969, № 366.
210
— ремонт, установку и замену агрегатов на наружной поверхности
корабля;
— переход с одного корабля на другой с целью оказания помощи
или замены экипажа.
Результаты исследований, проведенных А. А. Леоновым, Э. Уайтом
и другими космонавтами не дали ответа на вопрос, в какой степени мо-
жет находящийся в условиях невесомости человек, не будучи связанным
с кораблем, передвигаться в космосе, двигаться в нужном направлении
и сохранять выбранное положение. Космонавту, движущемуся рядом с
кораблем, достаточно неосторожно оттолкнуться от него, чтобы начать
неудержимо вращаться. Вращение не прекратится до тех пор, пока ка-
кая-нибудь сила не остановит его.
Если космонавт решится удалиться от корабля на значительное рас-
стояние, то, казалось бы, что его товарищ, находящийся на корабле,,
сможет втащить его в кабину, воспользовавшись фалом. Но исследова-
ния показали, что космонавт, которого втягивают на корабль при помо-
щи фала, может серьезно пострадать, если не будут приняты соответст- «
вующие меры предосторожности. Совершая вместе с кораблем полет
вокруг Земли, космонавт фактически вращается еще и вокруг корабля.
Поэтому, если его подтягивать к кораблю за конец фала, он начнет
вращаться вокруг корабля все быстрее, по мере того как будет укора-
чиваться фал. В действие вступают те же силы, которые заставляют,
например, вращающегося фигуриста ускорить вращение, когда его руки
окажутся прижатыми к телу.
Для стабилизации положения человека, вышедшего из корабля в
космос, а также для его перемещений в настоящее время разрабатыва-
ются специальные двигательные установки, снабженные системой стаби-
лизации. Стабилизирующее устройство способствует сохранению нор-
мального положения космонавта (головой вверх) и устраняет любое вра-
щение.
Системы для передвижения человека в космосе и стабилизации его
положения могут быть выполнены:
— в виде реактивного движка (пистолета), который космонавт дер-
жит в руке. Необходимый силовой импульс создается за счет реактивной
тяги, возникающей при работе движка;
— в виде силовой установки, снабженной большим количеством ре-
активных движков (сопел). Такие установки могут автоматически вы-
держивать заданный курс и в случае необходимости допускают переход
на ручное управление.
Автоматическая стабилизация во всех плоскостях может обеспечи-
ваться тремя гироскопами. Сигнал, снимаемый с гироскопа, подается
через усилитель на управляющие клапаны соответствующих сопел. Соп-
ла включаются, если сигнал превысит установленный уровень и компен-
сирует возмущение в пределах ±5°.
В качестве топлива (рабочего тела) может применяться сжатый газ
или перекись водорода (Н2О2). Килограмм перекиси водорода способен
создать импульс 100 кгс-с. Суммарный импульс двигательной установки
(при наличии 13—16 кгс топлива) равен 1300—1600 кгс-с.
По мнению специалистов США, космонавты, снабженные такими ус-
тановками, могут перемещать по орбите грузы и устанавливать их в не-
обходимое для монтажа положение.
Поскольку установка работает непрерывно, то руки космонавта ос-
вобождаются. Он включается в процесс управления, когда необходимо
поступательное перемещение или изменение ориентации.
Описание установок для перемещения в космосе выходит за рамки
рассматриваемой темы, поэтому ниже приведены только краткие сведе-
211
14*
ния об их устройстве, которые '.могут быть полезны конструктору ска-
фандра.
Реактивный пистолет
Рис. 6.9. Реактивный пистолет
Zip для передвижения в космосе
(США):
/—.фотоаппарат; 2—сопло для движе-
ния вперед; 3 — сопло для движения
назад; 4 — баллоны с кислородом
Для передвижения в космосе фирма Гаррет по заданию NASA спро-
ектировала реактивный пистолет (Zip).
Реактивный пистолет (рис. 6.9) представляет собой рукоятку,
в верхней части которой установлено сопло, направленное вперед, и в обе
стороны отходят две трубки длиной по
406 мм, заканчивающиеся соплами, на-
правленными назад. Рукоятка снабже-
на двуплечим курком. Для передвиже-
ния в космосе необходимо, удерживая
пистолет у центра тяжести своего те-
ла, нажимать на верхнее или нижнее
плечо курка, в результате чего космо-
навту сообщается движение вперед или
назад. Тяга, создаваемая пистолетом,
0,9 кге.
Реактивный пистолет в качестве
рабочего тела использует газообраз-
ный кислород. Запас кислорода в ко-
личестве 308 гс хранится в двух бал-
лонах под давлением 280 кгс/см2.
На пистолете установлен фотоаппа-
рат. Общий вес пистолета и аппарата
р-авен 3,4 кге, суммарный импульс —
18 iktC’C.
Схематически устройство пистолета
показано на рис. 6. 10 [5].
В дальнейшем при осуществлении
полетов на корабле «Джемини-VIII»
реактивный пистолет был значительно видоизменен. В качестве рабочего
тела для создания реактивной тяги использовался фреон-14, запас ко-
торого хранился в наспинном ранце; суммарный импульс, обеспечивае-
мый фреоном, был равен 270 кге-с.
При полете на корабле «Джемини-IX» для работы пистолета
использовался сжатый азот, запас которого хранился на борту корабля.
Подача азота к пистолету производилась по шлангу, который’ крепился
к фалу (рис. 6. 11).
Установка AMU
Ранцевая установка AMU для передвижения в космосе разработана
по заказу ВВС США (рис. 6. 12).
Установка AMU работает в комплекте с системой жизнеобеспечения,
размещенной в нагрудном ранце
Установка должна обеспечивать перемещение по всем направлени-
ям и стабилизацию положения космонавта.
Команды от руки космонавта подаются посредством рычагов, раз-
мещенных на специальных кронштейнах. Для того чтобы обеспечить
продвижение вперед, рычаг также выдвигается вперед и соответственно
назад, когда необходимо движение назад.
Положение космонавта в пространстве обеспечивается тремя гиро-
скопами. При переходе на ручное управление автоматическая стабилиза-
ция выключается.
212
Рис. 6.10. Устройство пистолета для перемещения в кос-
мосе:
/—ручка пистолета; 2—регулятор тяги; 3—регулятор давления; 4—
кран подачи газа; 5—-зарядный штуцер; 6—баллоны; 7—реактивный
движок; 8—соединительная муфта
Рис. 6.11. Реактивный пистолет и
система жизнеобеспечения, приме-
няемая на космическом корабле
«Джемини-1Х»:
/—движок реактивного пистолета; 2—
реактивный пистолет; 3—реактивное
сопло для движения назад; 4—ранец
системы жизнеобеспечения; 5—шланг
подачи топлива к пистолету
Рис. 6.12. Размещение установки
AMU на космонавте корабля
«Джемини-IX»:
/—ранец системы жизнеобеспечения;
2—установка для геремещения в кос-
мосе; 3—фал, связывающий космонав-
та с кораблем; 4—рычаги управления
213
Вое жизненно важные системы дублированы. При возникновении не-
поладок в основной системе подается соответствующий сигнал для
включения дублирующей системы.
Вес установки AMU около 75 кгс. Вес системы жизнеобеспечения
примерно 20 кгс. Вес космонавта в полном снаряжении (включая ска-
фандр) около 1'85 .кгс [5].
Рис. 6.13. Двигательная система установки AMU:
1—топливный бак с перекисью водорода; 2—баллон с азотом; 3, 8—
реактивные движки; 4—кран азота; 5—азотный манометр; 6—зарядный
штуцер азота; 7—клапан дублирующей системы; 9—клапан основной
системы
В установке AMU (можно выделить следующие основные системы:
двигателей, управления, .кислородную, электроснабжения, сигнализации
и связи.
Система двигателей. В качестве топлива используется 90-%
перекись водорода (Н/)2). Запас перекиси водорода в количестве
, 10,8 кгс хранится в баке. Суммарный импульс, обеспечиваемый уста-
новкой, около 1350 кгс-с. Основные элементы двигательной системы по-
казаны на рис. 6.13. Перекись водорода содержится в резиновой камере,
которая, в свою очередь, вставлена в бак. Для подачи топлива к движ-
кам используется изот, запас которого хранится в баллоне под давлени-
ем 210 кгс/см2.
Подача топлива регулируется вручную. Два движка обеспечивают
тягу вперед, два — тягу назад, два — для перемещения вверх, два —
для перемещения вниз. Номинальная тяга каждого движка 1 кгс.
Движки, создающие тягу для движения вперед и назад, использу-
ются в различных комбинациях, предусматривающих управление по кур-
214
су и тангажу. Движки, обеспечивающие тягу для движения вверх и вииз,
предусматривгают перемещение в вертикальной [плоскости и управление
краном.
Система управления дает возможность космонавту переме-
щаться в трех плоскостях и стабилизирует его положение. Система ра-
ботает автоматически и вручную (рис. 6.14).
Рис. 6.14. Система управления установки AMU:
/—источник электроэнергии дублирующей системы; 2—реактив-
ные движки; 3—блок электронной аппаратуры дублирующей
системы; 4—источник электроэнергии основной системы; 5—
блок электронной аппаратуры основной системы; 6—блок гиро-
скопов основной системы; 7—блок гироскопов дублирующей
системы
Кислородная с.ис т е-м а размещена в наспинном ранце. Запас
кислорода, равный 3,1 кгс, хранится в баллоне под давлением 525кгс/см2.
Редуктор понижает давление кислорода до 6,8 кгс/см2.
Аварийный запас кислорода в нагрудном ранце рассчитан на ра-
действуют два независимых друг от друга аккумулятора.
Система электроснабжения. Питание потребителей эле-
ктроэнергией производится серебряно-цинковым аккумулятором. Эта
система также полностью дублирована. Фактически в одном корпусе
действуют два независимых друг от друга аккумулятора.
Сигнализация. Эта система предусматривает подачу аварий-
ного сигнала в случае выхода из строя того или иного устройства. Кри-
тическими параметрами являются: низкое давление в топливном баке,
падение давления кислорода, малый запас топлива. При указанных не-
поладках в системе управления подается звуковой сигнал в наушники
или загорается световое табло на пульте управления, расположенном на
груди.
215
Система связи обеспечивает передачу на борт корабля данных
телеметрических измерений и двустороннюю связь.
4. ОБРАЗЦЫ СКАФАНДРОВ ДЛЯ ВЫХОДА В КОСМОС
Скафандр космонавта А. А. Леонова
Снаряжение, в котором А. А. Леонов вышел в космос, включало
скафандр, наспинный ранец и фал, которым космонавт был связан с ко-
раблем (см. рис. 6.1 и рис. 6.15).
Рис. 6.15. Скафандр космонавта
А. А. Леонова без верхней одежды:
/—предохранительный клапан; 2—манометр;
3—регулятор давления
Рис. 6.16. Скафандр для космическо-
го корабля «Союз» с автономно4 си-
стемой жизнеобеспечения:
1—замок привязных ремней; 2—объеди-
ненный разъем; <3—дистанционное управ-
ление; 4—ранец системы жизнеобеспече-
ния
Оболочка скафандра представляет собой пакет, состоящий из сило-
вой и двух герметичных (основной и резервной) оболочек.
Шлем скафандра космонавта А. А. Леонова состоит из каски, подъ-
емного стекла и светофильтра. Каска изготовлена из алюминиевого
сплава. Остекление двойное, выполнено из органического стекла. Подъ-
ем стекла осуществляется вручную. Подъем и опускание светофильтра
производится вращением соответствующей ручки. Шлем фиксируется
замком. Размеры шлема не мешают вращению головы.
В ранце размещены: запас кислорода, кислородный прибор и ди-
станционное управление. Крепится ранец на спине с помощью быстро-
действующего разъемного соединения.
216
Кислородный прибор обеспечивает подачу чистого кислорода для
дыхания в шлем скафандра и для вентиляции в оболочку скафандра.
Величина подачи кислорода меняется с высотой.
Комплект скафандра включает: скафандр, верхнюю одежду, шле-
мофон, ботинки, белье и другие детали.
Скафандр космического корабля «Союз»
Скафандр космического корабля «Союз» предназначен для обеспе-
чения выхода человека в космос (рис. 6. 16). Скафандр применяется в.
комплекте с системой жизнеобеспечения регенерационного типа. Он ра-
ботает в двух режимах.
Циркуляция кислорода в скафандре осуществляется центробежным
вентилятором. Электроэнергия подается из корабля по проводам. Преду-
смотрена аварийная подача кислорода из баллона.
Скафандр состоит из верхней одежды, изготовленной из лавсановой
ткани, силовой оболочки из капрона, двух герметичных оболочек, венти-
лирующего костюма, съемного шлема, перчаток. Шлем скафандра снаб-
жен подъемным остеклением и светофильтром.
Скафандр G-4C
В этом скафандре Э. Уайт первым из американских космонавтов,
вышел в (космос из люка корабля-спутника «Джемини-IV» 3 июня 1965 г..
Э. Уайт был связан с кораблем нейлоновым фалом длиной около 7 м„
шлангом-трубопроводом, по которому из корабля подавался кислород
для дыхания и вентиляции скафандра (около 60 л/мин), проводами для
связи и передачи биомедицинских данных. Суммарный вес фала — око-
ло 4 кге.
В нагрудном ранце было размещено управление подачей кислорода
и аварийный запас кислорода (см. рис. 4.2). В правой руке Э. Уайт дер-
жал реактивный пистолет с укрепленным на нем фотоаппаратом'
(рис. 6. 17).
Как уже было сказано, от скафандра командира корабля G-3C
скафандр G-4C отличался наличием экранно-вакуумной изоляции, про-
тивометеоритного костюма и специального светофильтра (рис. 6. 18).
В связи с этим вес комплекта скафандра G-4C увеличился до 14,4 кге..
ЭВТИ изготовлена из семи слоев алюминированной пленки
из майлара. Противометеоритный костюм сделан из прорезиненного*
нейлона.
Шлем скафандра—поворотный, светофильтр расположен снаружи..
Остекление поднимается вверх; изготовлено оно из поликарбоната. Бо-
тинки изготовлены из той же ткани, что и верхняя одежда (см.
рис. 6. 12).
В скафандре G-4C поддерживается давление 207—186 мм рт. ст. (со-
ответствует высоте 9500—1050 м), или 0,273—0,245 кпе/ом2, при этом
давлении утечка газа из скафандра не превышает 0,2 л/мин [8].
При последующих полетах «Джемини-VIII» была применена систе-
ма жизнеобеспечения вентиляционного типа с принудительной циркуля-
цией кислорода инжектором (см. рис. 4.3). Кислород подавался от бор-‘
та и частично находился в наспинном ранце (3,2 кге). Фал увеличивался
до 38 м.
При полетах на корабле «Джемини-IX» скафандр G-4C был моди-
фицирован введением огнезащитной ткани на но'гах для защиты от дей-
ствия высокой температуры при работе реактивных движков установки
AMU (см. рис. 6. 13).
217
bo
oo
Рис. 6.17. Космонавт Э. Уайт в космосе:
/—реактивный пистолет; 2—агрегаты системы жизнеобеспе-
чения; 3—фал, связывающий космонавта с кораблем
Рис. 6.18. Скафандр G-4C [5]:
а—расположение слоев в скафандре при полете на корабле
«Джемини-IV»; б—расположение слоев в скафандре при
полете на корабле «Джемини-VIIJ»; /—штуцер подачи кис-
лорода; 2—штуцер забора газов из скафандра; 3—карман
для ножа; 4—карманы с картами; 5—карман для ножниц;
6—манометр; 7—карман для шейного герметизирующего во-
рота; 8—верхняя одежда из нейлона НГ-1; 9 —противометеор-
ный слой (нейлон НГ-1); 10—’ЭВТИ; 11—противометеорный
слой из нейлона; 12—противометеорный слой из прорези-
ненного нейлона
ЛИТЕРАТУРА
1. Кутателадзе С. С., Бор.и шанский В. М. Справочник по теплопере-
даче. М., Госэнергоиздат, 1959.
2. Каганер М. Г. Тепловая изоляция в технике низких температур, М., «Маши-
ностроение», 1966.
3. Альтшуллер Л. В. Ударные волны в твердых телах.— «Успехи физиче-
ских наук», 1965, т. 85, вып. 2.
4. А н д р и а н к и н Э. И., Степа нов Ю. 6. О глубине пробивания при ударе
метеорных частиц,— «Искусственные спутники Земли», М., Изд-во АН СССР, 1963,
вып. 15.
5. Gemini summary conference, NASA, February, 1—2, 1967.
6. Wand D. I. J. Multiplilayer Insulations Aerodinamically Heated Structures.
Pater F. Glaser, 1962.
7. MonroeG. M. and Me M i 11 i n W. C. Description of the Astronaut Maneu-
vering Unit. Доклад на XVII астронавтическом съезде в Мадриде, сентябрь 1966 г.
С. Jonston R. С. and Hays Е. L. The Development and Optration of Extra-
vehicular Equipment. Доклад на 17 конгрессе Биоастронавтики, IX. 1966, Мадрид.
9. И с а е в С. И. и др. Основы термодинамики, газовой динамики и теплопередачи.
М., «Машиностроение», 1963.
10. Драчев Н. М., Морозкин В. Н., Потапов И. Н. Исследование про-
никания малых высокоскоростных частиц в разные материалы. «Инженерно-физиче-
ский журнал», т. XXII, 1972, № 3.
11. AIAA Paper № 70-851.
ГЛАВА 7
Скафандр исследователя Луны
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Разработке первого образца скафандра для космонавта-исследова-
теля Луны предшествовали полеты космических аппаратов, с помощью
которых Луна изучалась без посадки на ее поверхность, и целый ряд ис-
следовательских работ, анализирующих поведение человека в условиях,
близких к лунным условиям.
Результаты этих работ .позволили сформулировать следующие спе-
цифические требования, выполнение которых должен обеспечивать ска-
фандр исследователя Луны:
— возможность самостоятельного передвижения космонавта по по-
верхности Луны с учетом ее рельефа, возможность встать на ноги в слу-
чае падения;
— возможность проведения научных наблюдений (работа с прибо-
рами, сбор образцов лунных пород, примитивное бурение);
— возможность (контакта с лунной поверхностью, имеющей темпе-
ратуры от —130 до 4-1160° С;
— возможность подъема и опускания светофильтра одной рукой;
— возможность приема жидкой пищи и вывода жидких отходов
(мочи);
— сохранение нормальных температурных условий в скафандре с
учетом температурных колебаний, свойственных поверхности Луны;
— защиту от поражения при столкновении с метеорным веществом
(первичным и вторичным);
— защиту глаз от вредного действия солнечной радиации и инфра-
красного излучения нагретой лунной поверхности.
Требования к автономным системам жизнеобеспечения изложены
в гл. 4.
Приведем обоснования указанных требований к скафандру.
2. ОСОБЕННОСТИ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ
КОСМОНАВТА НА ЛУНЕ
Выход человека на Луну связан прежде всего с необходимостью са-
мостоятельного его передвижения в условиях пониженной по сравнению
с Землей силы тяжести (ускорение 1/6 g, или 0,165 g).
Чтобы найти рациональное решение этой задачи, потребовались спе-
циальные исследования движения человека при пониженной силе тяже-
сти в условиях Земли. Для имитации таких условий использовались
самолеты, летающие лаборатории и различные стенды. Однако ни одно
из этих устройств не может создать условия, полностью идентичные ус-
ловиям на Луне.
220
На самолете пониженная весомость может быть создана в течение
20—30 с. Но за это время не удается выполнить необходимые исследо-
вания. Устройства с погружением человека в воду из-за гидростатиче-
ского давления оказывают стабилизирующее действие и затрудняют дви-
жение конечностей. Специальные стенды с системой тросов, на которых
человек подвешивается для уменьшения давления его веса на опорную
поверхность, также оказывают заметное влияние на кинематику движе-
ния конечностей.
Рис. 7.1. Стенд для исследования на Земле движения кос-
монавта в условиях, соответствующих силе тяжести на
Луне:
G—вес тела
На рис. 7.1 и 7.2 изображен стенд для исследования кинематики дви-
жения человека. Угол наклона тросов, на которых подвешивается чело-
век, выбирается таким, чтобы составляющая его веса была равна 0,166
земного веса. При этом условии очевидно, что
sincp-^- = 0,165 и <p = 9J30\
ёз
где й'л и — ускорения силы тяжести на Луне и Земле.
Исследования, проведенные В. А. Богдановым, В. С. Гурфинкелем
и В. Е. Панфиловым *, показали, что при уменьшении силы тяжести из-
меняется привычная для земных условий поза человека, когда он стоит
и когда движется. В частности, на Луне для человека характерна поза,
показанная на рис. 7.3.
Суждение о подвижности человека в скафандре могут дать экспери-
ментальные данные, приведенные в табл. 7.1.
Интенсивность движения человека лучше всего оценивать путем
сравнения энергозатрат при прохождении определенного расстояния.
В табл. 7.2 приведены некоторые данные о таких затратах при ходьбе по
горизонтальной плоскости.
Ходьба по наклонной плоскости была также предметом многих ис-
следований, результаты которых приведены на рис. 7.4.
Максимальная мощность и энергозатраты человека при выполне-
нии работы иллюстрируются графиком на рис. 7.5.
* «Биофизика», 1969, т. 15, вып. I.
221
Участок кривой, близкий к горизонтали, равный периоду времени от
5 мин до 50 .мин, свидетельствует о том, что хорошо тренированные люди
Рис. 7.2. Общий вид стенда
способны развить сравнительно высокую мощность (около 0,5 л. с.).
Следует учитывать, что этот уровень гораздо выше того, который могут
выдержать средние по физической подготовке космонавты.
(0,165 О)
Рис. 7.3. Поза человека в положе-
нии стоя .на Луне (0,165g) .и на
Земле (1g) (а=16±1°; ₽ = L2±1°;
Т=5±1°)
Рис. 7.4. Энергозатраты челове-
ка при ходьбе по наклонной
плоскости с различной ско-
ростью (3]
В условиях пониженной силы тяжести энергозатраты при ходьбе
значительно ниже, чем в условиях Земли, и в большой степени зависят
от конструктивных особенностей скафандра [10].
* Aviation Week, 1966, 15.08, vol. 85, No. 7.
222
Рис. 7.5. Максимальная мощность и энергозатраты че-
ловека при выполнении работы [3]:
/—'При тренировке; 2—без тренировки
Рис. 7.6. Примерный комплекс движений, применяемый для сравнительной оценки
подвижности человека в скафандре:
/—//—различные виды движения
223
Таблица 7. 1
Некоторые характеристики подвижности
человека в скафандре при различном из-
быточном давлении в нем и различных
величинах силы тяжести [3] (по результа-
там испытаний на стенде)
Сила тяжести Давление в скафандре КГС/СМ2 Прыжок вверх см Прыжок в длину см
1 0 52 165
1 0,245 30,5 101
0 235 366
1/6 0,245 140 213
Таблица 7. 2
Энергозатраты человека при ходьбе
по горизонтальной плоскости с раз-
ным грунтом (вес человека — около
70 кге, вес одежды и приборов —
9 кге [3]
Характер грунта 6 « ° S О си Энерго- затраты ккал/мин
Твердая поверхность 5,5 5,5
Травяной покров 5,6 6,3
Вспаханное поле 5,4 7,0
Твердый снег 3,8 11,9
Рыхлый снег 4,0 20
Измерения, проведенные при пребывании на Луне космонавта
Н. Армстронга (экипаж корабля «Аполлон-11»), показали, что энергоза-
траты не превышали 250—340 ккал/ч *.
Предварительную оценку скафандров, предназначенных для пере-
движения по Луне, можно делать после замера их подвижности (поз.
1—6) и энергозатрат (поз. 9—11) при выполнении комплекса движений,
приведенного на рис. 7.6.
3. ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ КОСМОНАВТОМ И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
В УСЛОВИЯХ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Температура лунной поверхности меняется во времени с изменением
угла падения солнечных лучей. Расчетами определено, что максималь-
ная температура достигает +126° С, минимальная — 153° С.
Температура на лунной поверхности определялась по формуле
Л 5^о cos у
ела0
(7.1)
где As — коэффициент поглощения солнечных лучей поверхностью Луны;
qQ — солнечная постоянная на поверхности Луны (^о=1200ккал/(м2-ч));
<р — угол падения солнечных лучей на лунную поверхность; 8 — степень
черноты лунной поверхности; о0 — постоянная Стефана — Больцмана
(оо = 4,88 ккал/(м2-ч-К4).
Вследствие теплоизлучения в космическое пространство температура
лунной поверхности ночью быстро падает и стремится к некоторой посто-
янной величине, определяемой неизвестным пока притоком тепла из глу-
бинных слоев лунной почвы.
График, представленный на рис. 7.7,6, показывает суточный
(28 земных суток) ход температуры лунной поверхности по данным
астрономических наблюдений.
Теплообмен между космонавтом и окружающей его средой в услови-
ях лунного дня складывается из следующих тепловых потоков (рис.
7. 7, п):
Qs — количество тепла, получаемого космонавтом вследствие погло-
щения скафандром прямой солнечной радиации;
QK — количество тепла, получаемого космонавтом в результате кон-
такта его обуви с лунной поверхностью;
* Н. Армстронг. Исследование поверхности Луны. Доклад на заседании коми-
тета по исследованию космического пространства (Cospar Meeting), 1970.
224
рл — количество тепла, получаемого космонавтом через скафандр
вследствие отражения лунной поверхностью солнечного излучения;
Qo.c — количество тепла, получаемого космонавтом через скафандр
ют теплового излучения лунной поверхности;
Сизл — количество тепла, излучаемого космонавтом в окружающую
среду через поверхность скафандра.
Тепловой поток QK имеет местное значение и учитывается только при
расчете теплоизоляции обуви. Тепловой поток вследствие малой отра-
жающей способности лунной поверхности сравнительно мал и в общем
тепловом балансе скафандра может не учитываться.
Рис. 7.7. Теплообмен между космонавтом и средой да поверхности Луны в условиях
лунного дня:
5)
а—схема тепловых потоков; б—зависимость температуры лунной поверхности от угла падения сол-
нечной радиации ср; /—тепловой поток от Солнца; 2—приток тепла при непосредственном контакте
с лунной поверхностью; 3—тепловое излучение нагретой поверхности Луны; 4—тепло, излучаемое
человеком через скафандр в среду; 5—тепло солнечного излучения, отраженное лунной поверх-
ностью
Часовой приток тепла в результате поглощения скафандром прямой
соли ечно й р а ди аци и
Q^=5M^5cK^oSinT, (7.2)
где SM — площадь проекции поверхности скафандра на плоскость, пер-
пендикулярную направлению падения солнечных лучей; ЛзСк — коэффи-
циент поглощения солнечной энергии для наружной поверхности ска-
фандра.
Собственное тепловое излучение Луны, воспринимаемое скафандром,
Зл = 0,5есЛ£Г4, (7.3)
где 8ск —степень черноты наружной поверхности скафандра; 0,5 — ко-
эффициент взаимной облученности (для вертикального цилиндра на го-
ризонтальной плоскости); S — полная площадь поверхности скафандра.
Изменение теплового потока Qs + Qn в зависимости от угла падения
лучей Солнца при различных постоянных значениях коэффициента
поглощения XSCk и постоянном коэффициенте еСк=0,9 приведено на
рис. 7. 8. Здесь рассмотрены возможно худшие условия (расчетный слу-
чай), когда поверхность скафандра покрыта лунной пылью (е = 0,9).
В расчетах угол <р ограничен в пределах 0°—160°.
Количество тепла, излучаемого поверхностью скафандра,
<?изл=^0^, (7.4)
где S —площадь излучающей поверхности скафандра; Т\—равновес-
ная температура наружной поверхности скафандра в К.
15 1341
225
Уравнение теплового баланса для наружной поверхности скафандра
может быть записано в следующем виде:

(7.5)
Из этого уравнения может быть определена температура Ti наруж-
ной поверхности скафандра.
(д3+Кл)^ал//
Рис. 7.I&. Примерное изме-
нение теплового потока
(Фз + Фл), воспринимаемо-
го. космонавтом через ска-
фандр, в зависимости от уг-
ла падения лучей Солнца и
при различных постоянных
значениях коэффициента по-
глощения AS СК
Для определения теплового потока, /проникающего к телу, сложная
по своей форме оболочка скафандра заменяется системой эквивалент-
ных цилиндрических оболочек, /при этом величина вентиляционного за-
зора принимается постоянной (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Расчетная схема тепловых
потоков в скафандре:
1—2—пакет скафандра; 2—3—вентиляци-
онный зазор; 3—4—нательное белье; 5—
поверхность тела человека; Qs—тепловой
поток от прямой солнечной радиации,
воспринимаемый скафандром; QSq —энер-
гия солнечной радиации, QJl() —тепловой
поток от нагретой лунной поверхности;
<2изл^тепло’ излучаемое поверхностью
скафандра; <2Л—тепловой поток от излу-
чения Луны, воспринимаемый скафан-
дром; Qj_2—тепловой поток, проникаю-
щий к поверхности 2; Q2 в03—тепло, вос-
принимаемое вентилирующим воздухом от
поверхности 2; Qp 2_з—радиационный
тепловой поток от поверхности 2 к по-
верхности 3; Q3 воз—тепло, отдаваемое
вентилирующим воздухом поверхности 3;
<23_4—тепловой поток, проходящий через
оболочку 3 к телу человека и воспри-
нимаемый системой охлаждения скафан-
дра вместе с теплом, выделяемым челове-
ком; Q's— отраженная солнечная энергия;
Q'jj—отраженная энергия теплового из-
лучения Луны; Л—/4—температура поверх-
ности в ° С
При расчете обычно задаются:
— термическим сопротивлением ЭВТИ и белья '(термическое сопро-
тивление оболочки скафандра в расчете не учитывается);
— размером вентиляционного зазора;
— скоростью движения воздуха в вентиляционном зазоре;
— температурой воздуха на входе и выходе из скафандра.
226
Тепловой ’поток Qi~2 в общем случае определяется из формулы
Qi-2 = —7- £Ср 1-2 (/1 —
01
(7. 6)
где Zi — коэффициент теплопроводности материала наружной оболочки
скафандра в ккал/(м-ч-° С); 61— толщина наружной оболочки /пакет
скафандра) 1—2 в im; t2— температура поверхности 2 в °C; Scp 1-2—
средняя площадь наружной цилиндрической оболочки 1—2 в м2;
Так как толщина пакета скафандра 'Сравнительно мала, можно при-
нять, что Sj—*S2 = <SCp i—2.
Рис. 7.11. Изменение теплового .потока
(?з_4, проникающего через оболочку 4 к
телу человека, в зависимости от положе-
ния Солнца <(угол ср) при различных зна-
чениях коэффициента поглощения Аа Ск
наружной оболочки. (Кривые рассчитаны
при степени черноты 8=0,9, расходе вен-
тилирующего воздуха 150 л(н)/мин и
термическом сопротивлении пакета обо-
лочки скафандра д1Д1=5 (м2 • ч • °C)/ккал
Рис. 7.10. Примерное количество теп-
ла Qi_2, проникающего внутрь ска-
фандра через ЭВТИ, при различном
ее термическом сопротивлении в за-
висимости от положения Солнца:
di/A,|—термическое сопротивление ЭВТИ;
ср—угол падения солнечных лучей на по-
верхность скафандра
Изменение теплового потока Qi_2, проникающего внутрь скафандра,
при различном термическом сопротивлении.экранно-вакуумной тепловой
изоляции -в зависимости от положения Солнца показано на рис. 7.10.
Количество тепла, отводимого вентилирующим воздухом с поверх-
ности 2 (см. рис. 7.9) в единицу времени,
^2 ВОЗД ^2*^2 (^вх ^вых)> (7. 7)
где а2 — коэффициент теплоотдачи от поверхности 2 воздуху
в ккал/м2-ч- К); S2— площадь поверхности 2 в м2; /Вых—температура
воздуха на выходе из скафандр.а в °C; /вх — температура воздуха на вхо-
де в скафандр -в °C.
Радиационный тепловой поток между поверхностями 2 и 3
Qp 2_3 = ал5з (/2 /3), (7.8)
где ал — приведенный коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием в
ккал/м2-ч-°С); 53 — площадь поверхности 3 в м2; /2 — температура по-
верхности 2 в °C; /3 — температура поверхности 3 в °C.
В формуле (7.8) коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием
(Т \ 3
7^) ’ (7*9)
где Т= + (^2 и Т3 — температуры поверхностей 2 .и 3 в К); <7о =
=4,9 1ккал/(м2-ч-К4) —коэффициент излучения черного тела; еКр — при-
15* 227
веденная степень черноты системы, состоящей из поверхностей 2 и 3, оп-
ределяемая из формулы
_ 1
£“₽^ / 1 \
1 / + •$ з/S 2 I — 1)
\ е2 /
(7. Ю)
где 82 и 83 — степени черноты поверхностей 2 и 3.
Количество тепла, отдаваемого вентилирующим воздухом поверхно-
сти 3 в единицу времени,
Сзвозд — а3^3 (^воз М’ 11)
где «з — коэффициент теплоотдачи
ккал/м2-ч-°С).
от воздуха к поверхности 3 в
Приток тепла Расход тепла
Рис. 7.12. Диаграмма теплового баланса человека
в скафандре на поверхности Луны. (При расчетах
принято: Дзск = 0,2; е = 0,2, расход воздуха
150 л(н)/мин, термическое сопротивление —
3 (м2-ч-°С)/ккал)
Тепловой поток, проникающий через поверхность 3 к телу человека,
q3_4=2^5 з-4(/3-/Д (7.12)
S3
где Хз — коэффициент теплопроводности оболочки 3 (нательногобелья)
в (м2-ч-°С)/ккал; 5срз-4 — средняя площадь .между поверхностями 3 и
4 в м2; /4 — температура поверхности тела человека 4 в °C.
Так как толщина нательного белья мала, можно считать, что S4=S3.
На рис. 7.11 представлена расчетная зависимость теплового потока,
проникающего через белье к телу человека (<?з_4), от положения Солн-
ца (угла ср) при различных значениях коэффициента поглощения (Л8СК)
наружной оболочки. Следует заметить, что в зависимости от положения
Солнца изменяется величина облучаемой поверхности, а следовательно,
и количество проникающего в скафандр тепла.
Из диаграммы теплового баланса скафандра, представленной на
рцс. 7.12, видно, что большую часть расхода тепла составляет тепловой
поток, излучаемый скафандром, меньшую часть — тепловой поток, отво-
димый вентилирующим воздухом. Остающаяся часть тепла должна
быть удалена путем испарения пота или применением костюма с жидко-
стным охлаждением.
•228
4. СИСТЕМЫ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
ЧЕЛОВЕКА В СКАФАНДРЕ
Выполнение (различного рода работ на .поверхности Луны связано с
большими энергозатратами и соответствующим выделением тепла чело-
веком. Это объясняется усилиями, которые человек должен затрачивать
на преодоление сопротивлений в шарнирах скафандра. Кроме того,
значительное количество тепла будет проникать <в оболочку скафандра
снаружи, несмотря на ее большое термическое сопротивление.
Отвод тепла путем испарения большого количества пота (может при-
вести к обезвоживанию организма и связан со значительным напряже-
нием системы терморегуляции человека.
Охлаждение скафандра увеличением количества вентиляционного
воздуха практически нецелесообразно из-за значительного увеличения
связанного с этим расхода энергии. Более целесообразным .является
применение костюма с жидкостным (водяным) охлаждением (КЖО) или&
испарительной системы охлаждения.
Костюм с жидкостным охлаждением
/Проведенные испытания показали, что при правильной организации
теплосъема КЖО (или КВО) способен обеспечить удаление тепла в ко-
личестве 450—650 ккал/ч.
Основными требованиями, предъявляемыми к КЖО, являются на-
дежность в эксплуатации, возможно малое гидравлическое сопротивле-
ние и минимальный вес.
Кроме того, костюм должен легко сниматься и надеваться, не огра-
ничивать движения человека и конструктивно сочетаться с другими эле-
ментами скафандра.
Костюм с жидкостным охлаждением состоит из комбинезона и си-
стемы трубок, по которым циркулирует хладагент .(рис. 7.13 и 7.14).
Комбинезон изготовляется из полотна трикотажного переплетения.
Для снятия и надевания комбинезона имеется распах с застежкой. Под-
гонка комбинезона по обхвату достигается с помощью шнуровки.
Трубопроводы КЖО изготовляются из гибких трубок с внутренним
диаметром от 1,5 до 3 мм и толщиной стенки 0,5—4 мм. Эти трубки вы-
полнены из полимерных материалов. Полихлорвиниловые трубки обла-
дают достаточной прочностью, термостойкостью и эластичностью, хорошо
свариваются. Количество трубок зависит от конструктивной схемы (20—
80 шт.). Общая длина трубок 80—120 м.
На рис. 7. 14 показана возможная схема расположения трубок КЖО.
Поступающая в коллектор 4 жидкость распределяется по трубкам
вверх по груди и спине. По трубкам 5 жидкость течет вниз и,
сделав поворот в области голеностопного сустава, — вверх. Всего име-
ется 40 трубок. Разъемный штуцер снабжен обратным клапаном, так что
при отсоединении костюма от магистрали имеющаяся в нем жидкость
не выливается.
На рис. 7.15 показана другая схема расположения трубок КЖО, где
поступающая жидкость подводится к конечностям, затем распределяется
по трубкам и собирается в коллекторе 4.
Еще один вариант схемы костюма с жидкостным охлаждением по-
казан на рис. 7.16. У этого костюма коллекторы подвода и сбора жид-
кости расположены вдоль рук и ног.
Соединение трубок с коллектором .может быть осуществлено сваркой
(рис. 7.17) или с помощью специального металлического переходника
(рис. 7.18) . Соединение с переходником более надежно, поскольку конт-
роль качества сварного щва весьма затруднен.
229
Вес костюма \(в зависимости от принятой -схемы трубок) равен 1,8—
2,5 кге (комбинезон — 1—1,3 кге, трубки — 0,5—0,7 кге, коллектор —
0,2—0,4 кге, разъемы — ОД кге).
В качестве хладагента обычно применяется вода, однако не исключе-
но применение и других жидкостей с более низкой температурой замер-
зания.
Гидравлическая схема
Рис. 7.13. Костюм с жидкостным охлаж-
дением:
/—шнуровка для подгонки костюма по разме-
ру человека; 2—распах для надевания кос-
тюма
Рис. 7.14. Возможная схема располо-
жения трубок КЖО (вариант 1):
/—ПОДВОД ВОДЫ; 2—выход воды из костю-
ма; 3, 5—^трубки с охлаждающей жидко-
стью; 4—коллектор
Минимально допустимая температура воды на входе в костюм в
значительной степени зависит от субъективных особенностей человека.
При надевании костюма на тело (без белья) температура подводимой в
него воды должна быть 14—1-6° С. При надевании костюма на белье эту
температуру (можно снизить до 10—12° С.
Передача тепла от тела к циркулирующей в трубках воде является
малоисследованным процессом, в котором в сложном взаимодействии
происходят все виды передачи тепла (рис. 7.19):
— кондуктивный теплообмен при непосредственном контакте тру-
бок с телом;
— конвективный теплообмен при обдуве трубок воздухом;
— лучистый теплообмен между телом и трубками КЖО.
230
Рис. 7Л5. Возможная схема располо-
жения трубок КЖО (вариант 2):
/—коллектор подачи воды в костюм; 2—
забор воды; <3—трубки; 4—-коллектор ' сбо-
ра воды; 5—шланг, подающий воду для
охлаждения ноги; 6—шланг, подающий
воду для охлаждения руки
Рис. 7.Гб. Возможная схема располо-
жения трубок КЖО (вариант 3):
1—подача воды; 2—выход воды; 3—кол-
лектор подачи воды в ногу; 4—коллектор
подачи воды в руку; 5—коллектор отйода
воды из ноги; 6—коллектор отвода воды
из руки; 7—^коллектор подачи воды к ту-
ловищу; 8—^коллектор забора воды из ту-
ловища
Рис. 7.17. Сварное соединение трубок с
коллектором:
/—трубка; 2—коллектор
Рис. 7.18. Соединение трубок с кол-
лектором:
/—коллектор; 2—трубка; 3—переход-
ник; 4—шпановка прочными нитками;
5—защитная накладка (ленточка)
231
Поэтому количество тепла, снимаемое КЖО, обычно определяется
экспериментально, путем измерения разности температур жидкости на
входе и выходе из костюма (А/=/Вых—^вх), по формуле
Q=A/GBc,
i(7.13>
где GB— расход воды в кгс/ч; с — теплоемкость воды в ккал/(кг-° С).
Для того чтобы при испытаниях исключить рассеяние тепл а в окру*
жающее пространство, на испытываемый костюм надевается теплозащит-
ный комбинезон, обладающий большим термическим сопротивлением.
Физическая нагрузка создается при работе испытателя на велоэргометре
или при ходьбе на третбане — ходовой дорожке )(рис. 7.20).
11
Рис. 7.20. Схема стенда для испытания
КЖО на ходовом мостике третбана [5]:
/—костюм с водяным охлаждением; 2—датчи-
ки температурного контроля;* 3—теплоизоли-
рующий костюм; 4—третбан; 5—кран; 6—рас-
ходомер; 7—резервуар с водой; 8—подогрева-
тель воды; 9—трубопровод; 10—насос; //—
теплообменник (холодильник)
Рис. 7.19. Сечение пакета обо-
лочки скафандра при наличии
костюма с водяным охлаждени-
ем и белья:
/—верхняя одежда; 2—ЭВТИ; 3—
противометеорный костюм; 4—сило-
вая оболочка; 5—основная герме-
тичная оболочка; 6—дублирующая
герметичная оболочка; 7—вентиля-
ционный зазор; 8— костюм с водя-
ным охлаждением; 9—нательное
белье; 10—тело человека
Подаваемый в костюм хладагент (вода) может подогреваться в по-
догревателе 8 или охлаждаться в теплообменнике И. Циркуляция воды
осуществляется насосом 10. Расход воды регулируется краном 5.
Определением эффективности КЖО и влиянием различных факторов
на количество снимаемого тепла занимались многие исследователи
[4, 5, 6].
На рис. 7.21, 7.22 и 7.23 приведены результаты расчетов, показываю-
щие изменение количества снимаемого КЖО тепла в зависимости от
длины трубок, их диаметра и температуры хладагента (воды).
Увеличение длины трубок способствует повышению теплосъема. Так»
например, костюм с общей длиной трубок L = 50 м при наружном диа-
метре 4 мм отводит 245 ккал/ч, а при L=100 м — 500 ккал/ч.
Гидравлический расчет КЖО производится для опреде-
ления потери напора и выбора конструкции, обеспечивающей минималь-
ное гидравлическое сопротивление протекающему хладагенту. В качест-
ве примера определим потери напора в КЖО, изображенном на рис. 7.14»
при следующих условиях:
— длина трубки системы охлаждения 4,5 м;
232
Рис. 7.21. Изменение количества тепла
(Q ккал/ч), снимаемого КЖО, в зависимо-
сти от общей длины L и диаметра d трубок
Рис. 7.22. .Изменение длины трубок L в зависимости от количества
снимаемого КЖО тепла Q при различных диаметрах трубок d
Рис. 7.23. Изменение количества тепла,
снимаемого КЖО, в зависимости от мас-
сового расхода воды при различной ее
температуре на входе
233
— диаметр трубки 3X4 мм;
— количество трубок 20;
— расход охлаждающей жидкости /(воды) 2 л/мин;
— температура воды на входе в костюм 18° С;
— температура воды на выходе 22° С;
— коллектор изготовлен из трубы ,0 32 X35.
Потеря напора будет складываться из:
— потерь в разъемных штуцерах (Араз);
— потерь на входе в трубку 3 (А1М);
— потерь в трубке 3 (Ат);
— потерына выходе из трубки в коллектор 2 (Ам);
Потеря напора в разъемных штуцерах (Араз) при расходе 2 л/мин
составляет 2X15 = 30 мм вод. ст. (результаты испытаний).
При расходе воды 'через КЖО в количестве 120 л/ч по трубке будет
соответственно протекать 0,12 :20=0,006 м3/ч или 1,6-10-6 м3/с.
Скорость течения жидкости по трубкам находим по формуле
4Q
v=—^—
4-1,67-10—6
3,14-9-10—6
0,23 м/с.
Для определения характера движения жидкости найдем число Re
< /л i\ 0,23-0,03
по формуле <(4.1), Re = ——--—^690.
Коэффициент кинематической вязкости для воды при температуре
20° С находим из данных табл. 4.8. Так как Re=556, то режим течения
ла/минарный. В этом случае коэффициент сопротивления для круглой
трубы определяем по формуле >(4.8)
k =-51
лам Re
64
690
0,064.
Потерю напора на трение при течении жидкости по трубке длиной
4,5 м определяем из выражения ^(4.6)
и \ 1
D
у!
2g
0,064--^-
0,003
0,232
2-9,81
0,25 м.
Потерю напора на входе в трубку из коллектора и выходе из трубки
в коллектор определяем по формуле (4.19)
v2 . Q 0,2362 о 0,055 л плое
. АМВ----= 1,3 —-----==1,3—г-----= 0,0036 м.
2g 2-9,81 19,62
Значение коэффициента потерь £ находим из данных, приведенных на
рис. 4.19.
Суммарная потеря напора 2А = Ат + 2Ам+1Араз, или 2А=0,25+ 0,0036 +
+0,0036 + 0,03=0,287 м.
Испарительная система охлаждения
Принципиальная схема испарительной системы охлаждения приве-
дена на рис. 7. 24. На скафандр надеваются две герметичные оболоч-
ки 11 и 14, между которыми расположен слой из пористого вещества 8,
способного впитывать влагу. Поступающий из бачка 7 хладагент впи-
тывается фитилем 8. При открытии вакуумного клапана 9 ib пространст-
ве между оболочками И и 14 падает давление, что вызывает бурное
кипение находящейся в фитиле жидкости.
234
Тепло, необходимое для процесса парообразования (примерно
570 ккал/кгс воды), поступает из скафандра.
Слой 8, впитывающий влагу, может быть изготовлен из нескольких
слоев трикотажного хлопчатобумажного полотна [9].
Рис. 7.24. Схематическое устрой-
ство испарительной системы ох-
лаждения [9]:
/—тело человека; 2—белье; 3—вентили-
рующий зазор; 4—герметичная обо-
лочка скафандра; 5—силовая оболочка
скафандра; 6—трубка подвода воды;
7—водяной бачок; <5— слой, впитываю-
щий воду (фитиль); 9—вакуумный
клапан; 10—теплозащитный слой ска-
фандра; //—герметичная оболочка;
12—резиновая емкость (мембрана);
13—(Кран подачи воздуха; 14—защит-
ная оболочка
Работа испарительной системы охлаждения может быть автомати-
зирована путем соединения клапана 9 с датчиком температуры, распо-
ложенным на коже человека.
5. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ СКАФАНДРА
ИССЛЕДОВАТЕЛЯ ЛУНЫ
В разработке скафандра для исследования Луны наметились (на-
правления, заключающиеся в модификации и доработке конструкции
мягкого скафандра и в создании новой конструкции жесткого и полу-
жесткого скафандров.
Первое из этих направлений предусматривает доработку мягкого
скафандра в увеличении защитных свойств верхней одежды, термическо-
го сопротивления ЭВТИ, подвижности человека в скафандре, усилении
противометеорной защиты, улучшении оптических характеристик шлема,
а также в разработке лунной обуви.
На рис. 7.25 показан один из возможных вариантов мягкого ска-
фандра для выхода космонавта на поверхность Луны, включающего
верхнюю одежду, противометеорный костюм, экряннонвакуумную тепло-
вую изоляцию, защитную оболочку, силовую оболочку, герметичную обо-
лочку (одну или две), подкладку (для облегчения надевания), вентили-
рующую систему, шлем, костюм с жидкостным охлаждением, теплые
носки и ботинки. Колени и локти имеют дополнительную защиту в виде
сетки из тонких металлических волокон (рис. 7.26).
Верхняя одежда 'американского скафандра A7L изготовлена из
стеклоткани (рис. 7.27). Для изготовления стеклоткани применено очень
тонкое стекловолокно толщиной 3—5 мкм .(0-волокно).
Увеличение термического сопротивления ЭВТИ объясняется наличи-
ем значительного теплового потока от нагретой . поверхности Луны, а
также увеличением количества тепла, воспринимаемого скафандром в
результате изменения оптических характеристик верхней одежды при
оседании на ней лунной пыли.
Усиление противометеорной защиты связано с наличием вторичных
метеорных тел (осколков), обладающих сравнительно малой скоростью
(1—1,5 км/с), но значительной поражающей силой.
На рис. 7.28 показано устройство противометеорной защиты ска-
фандра A7L, состоящей из нейлоновой ткани, покрытой неопреновым
каучуком. Испытание противометеорной защиты производилось шарика-
235
ми из силикатного стекла диаметром 0,25—0,4 мм при скорости в мо-
мент удара 7,2 ikm/с * **.
Увеличение подвижности скафандра связано с необходимостью пере-
движения по поверхности Луны, а также выполнения заданного объема
работ (бурения, собирания образцов и т. п.). Увеличение подвижности
скафандра достигается установкой шарниров типа «гармошка», как это
Рис. 7.25. Один из возможных вари-
антов мягкого скафандра для выхода
космонавта на поверхность Луны [1]:
/—верхняя одежда; 2—ЭВТИ; 5—защит-
ная оболочка; 4—силовая оболочка; 5—
гермооболочка; 6—дублирующая гермо-
оболочка; 7—«подкладка; Я—трубки венти-
лирующей системы; 9—костюм с жидкост-
ным охлаждением; 10—носки; //—ботинки;
/Транцевая система жизнеобеспечения;
13—'антенна
Рис. 7.26. Верхняя одежда амери-
канского скафандра A7L**:
/—система аварийной подачи кислоро-
да; 2—радиостанция; 5—карман для
защитных очков; 4—автономная систе-
ма жизнеобеспечения; 5—шланг пода-
чи кислорода из аварийной системы;
6—съемная защитная перчатка; 7—до-
зиметрический датчик; 8—разъем
сборника урины; 9—-защитная сетка из
металлических нитей; 16—карман для
инструмента; //—светофильтр; 12—
лунные ботинки; 13—дистанционное
управление агрегатами ранца; 14—кар-
ман для фонарика; /5—антенна
сделано в скафандре А4-Н (рис. 7.29), или герметичных локтевых под-
шипников {рис. 7.30).
Улучшение оптических характеристик шлема связано с необходимо-
стью выполнения работ при различной освещенности (в условиях лун-
ного дня или ночи).
Шлем американского скафандра A7L не имеет подъемного иллюми-
натора. Прозрачная часть шлема изготовляется из поликарбоната. В пе-
* Aviation Week and Space Technology 1969, 90, No. 9.
** Flight, 10 July, 1969.
236
Рис. 7.27. Обший вид американского скафандра A7L
(Aviation Week and Space Technology, March, 3, 1969)
Рис. 7.28. Сечение пакета верхней
•одежды американского скафандра
A7L (типовой пакет):
/—алюминированная пленка из полиамида
(2 слоя); 2—стеклоткань; 3—стеклоткань —
сетка (2 слоя); 4—вуаль из дакрона; 5—
пленка из майлара (5 слоев); 6—противо-
метеорный слой из нейлона с неопрено-
вым покрытием
Рис. 7.29. Американский скафандр А4-Н
мягкого типа
237
Рис. 7-30. Американский скафандр A7L *:
/—ввод проводов связи; 2—локтевой герме-
тичный подшипник; 3—шнуровка крепления
защитной одежды
редней части шлема имеется клапан для приема жидкой пищи и воды
(рис. 7.31).
Перед выходом на поверхность Луны на шлем надевается съемная
часть шлема 6 с защитным козырьком 2 (противометеорная защита).
Два светофильтра предназначены
для работы в открытом космосе и на
поверхности Луны. Внутренний све-
тофильтр задерживает не более 30%
световой энергии в видимой части
спектра. Внешний светофильтр ис-
пользуется при прямом солнечном
освещении и пропускает только 16%
видимого света. Золотое покрытие
наносится на светофильтр путем
осаждения паров металла в глубо-
ком вакууме * ** ***.
Обувь для скафандра должна об-
ладать хорошими теплозащитными
свойствами и защищать ступни ног
от перегрева при хождении по нагре-
той лунной поверхности (рис. 7.32).
Вместе с тем она должна быть проч-
ной, легкой и термостойкой в диапа-
зоне температур от +150 до —200° С.
Поставленным требованием может удовлетворять обувь, изготовленная в
виде съемных ботинок из термостойкой ткани. В ней для подошвы при-
меняется силиконовая резина или кожа. Не исключено также использо-
вание деревянной подошвы по типу голландских башмаков.
Рис. 7.31. Шлем американского скафандра A7L***:
/—клапан для приема жидкой пищи; 2—защитный козырек;
3—наружный светофильтр; 4—шлемофон; 5—колпак из по-
ликарбоната; 6—съемная часть шлема; 7—внутренний свето-
фильтр; 3—'вентилирующее устройство
Рис. 7.32. Съемный лун-
ный ботинок
Вторым направлением в разработке скафандра для -исследователя
Луны, как уже было сказано, является жесткий скафандр.
К их преи|Мушества1М можно отнести возможность создания большого
избыточного давления (до 1 кгс/см2) и сравнительно высокую пожарную
* Aviation Week, 1969, 6. 1, vol. 90, No. 1.
** Реферативный журнал «Ракетостроение», 2.41.256, 1970, № 2.
*** Flight, 10 July, 1969.
238
безопасность. Однако жестким скафандрам свойственны такие недостат-
ки, как большой вес, большее ограничение подвижности человека, чем у
мягких скафандров, при отсутствии избыточного давления, сложность
подбора удобного сиденья на космическом корабле.
Высказываются мнения, что в (ближайшем (будущем жесткие ска-
фандры найдут применение в качестве защитного снаряжения для иссле-
дователей Луны. Однако только по результатам испытаний можно будет
иметь окончательное суждение об их достоинствах и недостатках.
Рис. 7.331 Американский же-
сткий скафандр АХ-1 [8]:
1—1ПОЯСНОЙ шарнир в виде
«гармошки»; 2— мягкие шарни-
ры, обеспечивающие отклоне-
ние ноги в сторону; 3—герме-
тичные подшипники
Рис. 7.34. Американский скафандр
RX-1A:
/—разъем по поясу; 2— плечевой
разъем; 3—стяжной трос, воспринима-
ющий продольные усилия
На рис. 7. 33 показан жесткий скафандр АХ-1, разработанный амери-
канским научно-исследовательским центром Эймса [8]. Вес скафандра
32,8 кге. В основном он изготовлен из стеклоткани, пропитанной эпок-
сидной смолой. Особенностью этого скафандра является наличие боль-
шого количества герметичных подшипников (более 20).
Показанный на рис. 7.34 жесткий скафандр RX-1A изготовлен фир-
мой Литтон. Оболочка скафандра состоит из двух половин, разъем осу-
ществляется по поясу. Кроме того, имеется еще один разъем, идущий
через правое плечо.
Скафандр снабжен шестью герметичными подшипниками (два пле-
чевых, два локтевых и два кистевых). Поднятие руки в плечевом суста-
ве, изгиб руки в локтевом суставе и изгиб ноги в коленном суставе осу-
ществляются с помощью шарнира. Продольные усилия воспринимают-
ся тросами 3.
Голеностопный шарнир Гука обеспечивает поворот стопы во всех
направлениях. Изгиб кисти руки осуществляется также с помощью шар-
нира Гука. Тазобедренный шарнир — мягкий. Возможно, что он изго-
239
товлен из прорезиненной ткани. Продольные усилия воспринимаются
тросами, установленными в нагар авляющих. Скафандр снабжен куполо-
образным шлемом, остекление не
Рис. 7.35. Жесткий скафандр RX-5
(Aviation Week, vol. 90, No 15, 14.04.1970)
поднимается. Ботинки выполнены по
форме голландских башмаков с по-
дошвами из дерева.
Другая модификация жесткого
скафандра, получившего обозначе-
ние RX-5, показана на рис. 7. 35.
Существуют также проекты полу-
жесткого скафандра, у которого кор-
пус сделан из металла, а рукава и
штанины выполнены из тканей.
Жесткий корпус скафандра из-
готавливается из алюминиевых спла-
вов или полимерных материалов
(стеклопластик).
6. СКАФАНДР ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
ЛУНЫ ПО ПРОГРАММЕ
«АПОЛЛОН»
Для того чтобы иметь более пол-
ные сведения о возможных характе-
ристиках мягкого скафандра, приве-
дем дополнительные сведения об
американском скафандре A7L с ав-
тономной системой жизнеобеспече-
ния.
Скафандр A7L изготовлен фирмой Латекс (см. рис. 7. 26 и 7. 27).
Краткая весовая сводка комплекта скафандра дана в табл. 7.3 и 7.4.
Таблица 7. 3
Примерная весовая сводка скафанд-
ра A7L
Наименование элементов Вес в кге
эле- мен- тов сум- марный
Оболочка скафандра: 14,6
защитная оболочка 1,2
силовая оболочка 6,5
герметичная оболоч- ка 3,5
подкладка 0,6
вентилирующая сис- тема 1,5
перчатки 0,3
ввод связи 1,0
Шлем 2,2
Съемные светофильтры 2,0
Прочие детали 1,0
Итого 19,8 кге
Таблица 7. 4
Примерная весовая сводка комплек-
та скафандра A7L
Наименование элементов Вес в кге
эле- мен- тов общий
Скафандр Верхняя одежда: оболочка из стекло- ткани пленка (7 слоев) противометеорный слой Лунные перчатки Лунные ботинки Костюм с жидкостным охлаждением Шлемофон Прочие детали 2,0 0,5 2,0 19,8 4,5 1,2 2,2 2,0 0,4 1,2
Итого 31,3 кге
240
заоирается и выводится наружу с по-
Рис. 7.36. Вентилирующая система ска-
фандра A7L **:
/—штуцер подачи кислорода в скафандр; 2—
штуцер забора газов из скафандра; 3—шту-
цер аварийной подачи кислорода
Система вентиляции скафандра A7L имеет устройство для
подключения к бортовой и ранцевой системам жизнеобеспечения
(рис. 7. 36).
Подаваемый в скафандр кислород из штуцера 1 по шлангу посту-
пает в шлем, где используется для дыхания. Из шлема газовый поток
направляется к рукам и ногам, где
помощью штуцера 2.
Испытания эксплуатационных
особенностей скафандра, прове-
денные в Научно-исследователь-
ском центре пилотируемых кос-
мических полетов (MSC) в Хью-
стоне, показали следующие ре-
зультаты:
— время надевания скафанд-
ра не более 5 мин;
— время надевания перчаток
21—58 с;
— регулирование системы
подтяга около 1 мин;
— присоединение шланга по-
дачи кислорода 6 с;
— присоединение шланга по-
дачи воды 8 с.
При испытаниях на третбане
получены следующие показатели:
а) без избыточного давления
при скорости движения 1,3 км/ч
энергозатраты составили 234
ккал/ч, а при скорости движения
4 км/ч — 443 ккал/ч;
б) при избыточном давлении
0,26 кгс/см2 и скорости движения
2,4 км/ч энергозатраты составили
530 ккал/ч.
Автономная система
жизнеобеспечения, изго-
товленная фирмой Гамильтон
(Hamilton) * **, позволяет космо-
навту в течение четырех часов
выполнять заданный комплекс ра-
боты на поверхности Луны. На
случай аварийной необходимости
имеется резервный блок, рассчи-
танный на подачу кислорода в течение 30 мин. Суммарный вес системы
54 кгс, из них 18 кгс — вес системы аварийной подачи кислорода
(табл. 7.5).
Система обеспечивает:
— подачу кислорода при давлении около 200 мм рт. ст.;
— поглощение СО2;
— подачу воды в КЖО;
— радиосвязь между членами экипажа и с кораблем.
' Система подачи воды вмещает около 6 л воды, содержащейся под
давлением 1,4 кгс/см2. Имеется дополнительная емкость для хранения
еще 113 гс жидкости, получаемой из системы регенерации.
* Space World, July, 1969, vol. F—7—67, No. 7.
** Flight, 10 July, 1969.
16 1341
241
Таблица 7. 5
Ориентировочная весовая сводка автономной системы жизнеобеспечения
Наименование агрегатов Вес в кгс Наименование агрегатов Вес в кгс
агрега- тов суммар- ный агрега- тов суммар- ный ।
Система подачи кисло- рода: кислородный баллон (70 кгс/см2) агрегаты системы трубопроводы Система регенерации: поглотительный пат- рон вентилятор агрегаты системы шланг и разъемы Система охлаждения: сублимационный теплообменник водяной бак агрегаты системы трубопроводы Система подачи воды в КЖО: водяной насос агрегаты системы трубопроводы Электрооборудование: аккумулятор 1,8 2 1 1,7 0,8 1 1 2 0,8 1,1 0,8 0,5 1 0,8 3 4,8 4,5 5,7 2,3 3,5 агрегаты провода Средства связи: радиостанция агрегаты провода Дистанционное управ- ление Корпус ранца Система аварийной по- дачи кислорода: кислородный баллон агрегаты системы трубопроводы Расходуемые вещества: кислород в баллоне вода для охлажде- ния вода в системе КЖО аварийный запас кис- лорода 1 0,9 2,2 1,2 0,8 0,5 3,8 0,9 2,6 4,2 1,5 ' 2,5 18 7
Итого 54,4 кгс
АСЖ состоит из шести основных подсистем: подачи кислорода, ре-
генерации, охлаждения, подачи воды в КЖО, электрооборудования,
связи.
Размеры ранца: высота 650 мм, ширина 445 мм и толщина 262 мм.
Серебряно-цинковый аккумулятор с напряжением 16,8 В обеспечи-
вает работу вентилятора подачи кислорода, насоса подачи воды в КЖО
и радиотелеметрической аппаратуры. Кожух ранца изготовлен из стекло-
пластика.
Как сказано выше, аварийная система подачи кислорода весит 18кгс
и располагает запасом кислорода-1,81 кгс. Эта система рассчитана на ра-
боту в течение 30 мин, кислород хранится при давлении 471 кгс/см2.
Сублимационный холодильник -снабжен пористой никелевой пласти-
ной.
Регулирование температуры подаваемой в КЖО воды .производится
с помощью байпасной линии в следующих пределах: 7—10, 15—18, 23—
26 °C (рис. 7.37).
Поглотитель регенерационного патрона состоит из гидроокиси лития
(LiOH).
Система подачи кислорода обеспечивает его циркуляцию в количе-
стве 40 л (н)/мин. Запас кислорода хранится в баллоне при давлении
70 кгс/см2. Баллон вмещает около 460 -гс кислорода. Длина баллона
.242
era
кислород под высоким дав-
лением
циркуляция кислорода в
системе скафандра
сбор конденсата (кисло-
род и влага)
подача воды в К ВО
подача воды (хладагента)
в теплообменник
электропроводка
ручной клапан
регулятор давления
датчик давления
датчик температуры
расходомер
<£3: перепускной клапан
® разъем
л. разъем с обратным
клапаном
§
ПП1П1П1
7
10
11
S
9
15
17
53
43
39
47
49
IIIIIHIHIIIIIIIIIIIIHIIUIIII
iiihiihh
ЯНИ1НПШНШ11Н1Н111
J
E233
74
13
20
29
3D
31
32
33 44
47-х
ЛШППШШПШЙЙП
\^35
45
Рис. 7.37. Принципиальная схема
АСЖ:
I. Система аварийной подачи кислорода;
II. Ранцевая система жизнеобеспечения;
/—приводной механизм включения систе-
мы продувки кислородом; 2—блок дистан-
ционного управления; 3—кислородный
разъем; 4—кислородный разъем; 5—разъ-
ем системы подачи воды в КЖО; 6—ска-
фандр; 7—баллоны аварийной системы
подачи кислорода; 8—антенна; 9—нагрева-
тель; /(/—заправочный штуцер; //—мано-
метр высокого давления; 12—отсечной
кран; 13—система нагревателя; 14—управ-
ление нагревом кислорода; /5—регулятор;
16—клеммная колодка; 17—термодатчик;
18—выключатель питания; 19—аккумуля-
тор; 20—провод антенны; 2/—система свя-
зи скафандра; 22—регулятор давления;
23—разъем для заправки; 24—датчик дав-
ления основного запаса кислорода; 25—
баллон с кислородом; 26—клеммная ко-
робка; 27—источник энергоснабжения-,
28—датчик расхода электроэнергии; 29—
датчик кислородного потока; 36—датчик
давления в скафандре; 31— сигнализатор
низкого давления в скафандре; 32—обрат-
ный клапан; 33—датчик измерения вели-
чины вентиляции; 34—вентилятор; 35—по-
глотительный патрон; 36— вывод в ваку-
ум; 37—ограничитель расхода; 38—влаго-
отделитель; 39—резервуар с водой; 40—
слив воды; 41—сублимационный теплооб-
менник; 42—датчик температур КЖО; 43—
насос; 44—вывод в вакуум; 45—датчик
давления питающей воды; 46—отсечной и
перепускной клапан подачи воды; 47—
разъем для наполнения водой резервуара;
48—датчик температуры на входе в КЖО;
49—перепускной кран; 50—перепускной и
контрольный клапаны
430 мм, диаметр 150 мм. Баллон может быть перезаряжен на борту ко-
рабля для повторного использования. При уменьшении подачи кислоро-
да ниже заданного уровня срабатывает звуковой сигнал.
ЛИТЕРАТУРА
1. Уманский С. П. Снаряжение летчика и космонавта. М., Воениздат, 1967.
2. Гришаков И. Г., Уманский С. П. Скафандр летчика и космонавта.—
«Авиация .и космонавтика», 1965, № 7.
3. R о t h Е. М. Bioenergetics of Space Suits for Lunar Exploration, NASA SP—84.
4. Bui ton D. R. Engineering view of personal thermal Conditioning «World
Aerospace Systems», 1965, X, vol. 1, No. 10.
5. Jen ni ng D. C. Water Cooled Space Suit. «Journal of Spacecraft and Rockets»,
vol. 3, No. 8, 1966.
6. Burton D. R. Performance of Water conditioned Suits, «Aerospace Medicine»,
1966, vol. 5, 37, No. 5.
7. Heater M. D. NASA considering Utt on Developed Hard — Shell Suit for
Explorations. «Missiles and Rockets», VIII, 24, 1964.
8. В и к у к а л. Усовершенствование технологии жестких скафандров. — «Конст-
руирование и технология машиностроения», 1968, № 4.
9. V о 11 a F., S р а п о L. A. Experimental Study of a Passive Thermal Control
System of Space Suits, «Aerospace Medicine», 1969, vol. 40, No. 4.
ГЛАВА 8
Материалы и ткани
в скафандростроении
Развитие скафандростроении обусловило необходимость поиска и
разработки новых материалов для улучшения качества конструкции ска-
фандров, повышения надежности и увеличения срока их эксплуатации.
Разработка таких материалов усложнялась необходимостью учета
возможных физико-химических изменений материалов под действием
космических факторов (глубокого вакуума, радиации, большого перепа-
да температур). Известно, что под влиянием этих факторов у большой
группы полимеров возникают процессы разрыва молекул — деструкция.
Так, например, фторлон почти полностью утрачивает прочность при пяти-
сотчасовом облучении электронами, в то время как капрон и лавсан при
этом мало изменяют свои прочностные характеристики. Деструкция по-
лимеров обычно сопровождается образованием и выделением в окружаю-
щее пространство газообразных продуктов, многие из которых токсичны.
Под действием различных факторов в полимерах может происходить
процесс структуирования, обратный деструкции. При этом полимер мо-
жет не только не уменьшать свою первоначальную прочность, но и, на-
оборот, существенно ее увеличивать.
Рассмотрим свойства и особенности материалов, применяемых в
ск аф андр о строени и.
1. ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В скафандростроении текстильные материалы применяются, глав-
ным образом, для изготовления оболочек, верхней одежды и теплозащит-
ного костюма.
Важнейшими из них являются ткани, ленты и нитки.
Ткани
Общие сведения и классификация волокон. Ткань образуется из
двух взаимно перпендикулярных переплетенных между собой систем
нитей — основы нитей, расположенных вдоль ткани, и утка нитей, рас:
положенных поперек ее.
Тканевые нити изготовляются скручиванием (прядением) волокон
(пряжи) различного происхождения.
Прочность нитей существенно ниже прочности составляющих их во-
локон, так как разрыв нитей происходит вследствие преодоления растя-
гивающим усилием сил сцепления между волокнами нитей, которые мо-
гут быть меньше прочности самих волокон.
В свою очередь, прочность тканей, изготовленных из нитей, может
быть значительно меньше прочности самих нитей из-за увеличения дей-
245
ствующих в них напряжений в местах резких изгибов нитей в тканевых
переплетениях.
Свойства волокон в значительной степени зависят от их геометриче-
ских размеров.
Среднюю толщину текстильных волокон принято выражать в микро-
метрах, метрическим номером, в единицах денье или толщиной волокон
в тексах.
Метрический номер волокна определяется по формуле
Лг=^-, (8.1)
где I — длина волокна в м; G — вес волокна в гс.
Иначе можно сказать, что номер волокна (нити) показывает, какое
количество метров нити имеет вес 1 гс.
Соотношение между диаметром волокна в микрометрах и (метрическим номером
определяют выражением
_4 /4> 106
г ayN
(8. 2)
где d — диаметр волокна в мкм; N — метрический номер волокна; у — удельный вес
волокна в гс/см3.
Зависимость между метрическим номером волокна и денье определяют соотноше-
нием
7000
D= N
(8.3)
Зависимость между метрическим номером и толщиной волокна в тексах определя-
ется соотношением [1]
1000
Т — ——— текс. (8. 4)
Текс означает толщину волокна (нити), один километр которого имеет вес 1 г.
В сопротивлении материалов прочность (разрывное напряжение) выражают через
временное сопротивление аВр = /)А$,
где Р — действующая (разрушающая) сила в кге; S — площадь поперечного сечения
в мм2.
Сложность точного определения (измерения) размеров поперечного
сечения нити (волокна) обусловила для оценки их прочности принятие
условной единицы — разрывной дл и н ы, т. е. длины нити, при ко-
торой она разрушается под действием собственного веса. Разрывная
длина вискозного волокна равна 13—22 км. Наиболее прочные волокна,
выпускаемые промышленностью, имеют разрывную длину 60—80 км [2].
По своему происхождению тканевые волокна разделяются на при-
родные, искусственные и синтетические.
К числу природных волокон относятся хлопок, шерсть, лен, шелк, ас-
бест.
Хлопковое в ол окно в основном состоит из целлюлозы. Проч-
ностные характеристики его приведены в табл. 8.1.
Прочность хлопкового волокна при увлажнении повышается. В ска-
фандрах хлопковые ткани используются для изготовления различных
оболочек и бельевого трикотажа.
В зависимости от прочности хлопковое волокно согласно ГОСТ
3279—63 делят на семь сортов. Тонина средневолокнистого хлопка соот-
ветствует номерам от 4500 до 6000 (0,17—0,22 текс).
Шерстяное волокно в основном состоит из кератина
(белкового вещества). Высококачественная шерсть имеет длину до 50—
200 мм. Толщина волокон шерсти может быть в пределах от 7 до 240 мкм.
Ценными свойствами шерсти являются ее высокая гигроскопичность
и сравнительно большое термическое сопротивление. Шерсть применяет-
ся для изготовления теплозащитной одежды, белья, носков.
246
Таблица 8.1
Физико-механические показатели некоторых текстильных волокон [3]
Наименование волокна Удельный вес гс/см3 Прочность на разрыв КГС/ММ2 Разрывная длина км Удлинение при разрыве % Устойчи- вость к истиранию тем же во- локном в от- носительных единицах
сухого мок- рого сухо- го мок- 1 рого |
Шерстяное 1,28—1,33 15—25 1 23,0—28 27—30 25—40 30—60 430
Хлопковое 1,52 23—45 8,5—13 7-12 7—10 9—12 50
Льняное — 60—95 — — 2—3 20—25 —
Вискозное 1,52 16—78 13,0—22 7—11 15—30 25—35 79
Ацетатное 1,32 16—60 10,0—13,5 7—9 17—30 28—35 50
Триацетатное 1,28 — 10,5-11 6—7 25 28—30 —
Капроновое (полиа- мидное) 1 ,14 35—72 31,5—46 27—40 20-80,25—90 1 640
Лавсановое (полиэфир- ное) 1,38 50—80 32,0—40 31—40 20—60 120—60 290
Нитроновое (полиакри- лонитрильное) 1,17 20—40 23,0—30 21—28 16—30 16—30 53
ХлоринО|Вое (на основе 1,50 18—40 18,0—25 18-25 20—40 20—40 34
хлорированного поливи- нилхлорида)
Лубяное волокно ((лен) состоит в основном (до 80%) из цел-
люлозы. Прочность волокна достигает 95 кгс/мм2, удлинение — .всего
2—3%. Волокна льна отличаются высокой гигроскопичностью, и в мок-
ром состоянии их прочность и удлинение увеличиваются. Средний диа-
метр волокон 12—17 мкм.
Льняные ткани применяются для изготовления бельевых материа-
лов и силовых лент.
Среди искусственных волокон наибольшее применение в скафандро-
строении получило стеклянное волокно. Вискозные и ацетатные волокна
используются в качестве добавок к хлопку при изготовлении нательного
белья.
Стекловолокно получают из расплавленного стекла. В тек-
стильной промышленности применяют волокна толщиной от 3 до 100 мкм.
Пределы рабочих температур для стеклотканей в зависимости от исход-
ного материала составляют 600—1000° С. По сравнению с другими во-
локнами стеклянное волокно при наименьшем диаметре сечения имеет
наибольшую прочность (180’—400 кгс/мм2).
Вискозное волокно получается путем химической перера-
ботки древесной целлюлозы. Оно отличается высоким водопоглощени-
ем. Недостатками этого волокна являются малая устойчивость к исти-
ранию и низкая теплостойкость.
Ацетатное волокно получают в результате обработки хлоп-
ка или древесной целлюлозы уксусной кислотой. Это волокно отличается
мягкостью, но имеет низкие прочность и сопротивляемость к истиранию.
Синтетические волокна изготавливают из полиэтилена, полипропи-
лена, полиамида, полиэфира и других высокомолекулярных соединений.
Полиэтиленовые волокна изготовляют из полиэтилена
высокого, среднего и низкого давлений. За рубежом они называются
курлен, марлекс и др.
247
Основные физикочмеханические свойства полиэтилена приведены на
рис. 8.1.
Полиэтилен ВД (высокого давления) обладает стойкостью к агрес-
сивным средам, при определенных условиях стоек к действию спиртов,
мыл и жирных ;масел, легко и прочно сваривается.
Полиэтилен НД (низкого давления) — более жесткий материал и
обладает более высокой теплостойкостью, чем полиэтилен ВД (см.
рис. 8.1).
-80-40 0 40 80 120
Температура С
Рис. 8.1. Зависимость предела прочности и относительного удлинения
полиэтилена от температуры [4]:
/—полиэтилен ВД; 2—полиэтилен НП с молекулярным весом 30 СЭС; 3—поли-
этилен НД с молекулярным весом 35X00
Недостатком полиэтиленовых материалов является их старение .(из-
менение физико-механических свойств) под воздействием солнечной ра-
диации и кислорода воздуха.
П о л ип р о п и л ен о в ы е волокна по химическим свойствам
мало отличаются от полиэтилена. Влатогазонепроницаемость и механи-
ческие свойства полипропилена гораздо выше, чем полиэтилена, а удель-
ный вес ниже. К недостаткам полипропилена следует отнести низкую
морозостойкость некоторых сортов и старение под воздействием солнеч-
Рис. 3.2. Диаграмма растяже-
ния полиамидов:
1—П-гЗ; 2—П—АК-7; 3—капрон [41
ных лучей.
Полиамидные волокна. Наи-
более распространенными из полиамид-
ных волокон являются капроновые волок-
на (в США — нейлон, в ГДР и ФРГ —
перлон, в Чехословакии — силон, в Гол-
ландии — энкалон). Коэффициент терми-
ческого расширения полиамидов прибли-
зительно в 10 раз больше, чем у металлов.
Температура их плавления 180—220° С.
Полиамиды могут отливаться под дав-
лением, хорошо сверлятся, точатся и фре-
зеруются.
На рис. 8.2 приведена диаграмма ра-
стяжения полиамидов, а на рис. 8.3 пока-
зано изменение прочности полиамидов
при изгибе в зависимости от температуры.
Из полиамидных волокон изготавли-
ваются ткани для оболочек скафандров и
силовые ленты.
Полиэфирные волокна в СССР известны под названием
лавсан (в США — дакрон, в Англии — терилен, в ГДР — ланон).
.Полиэфирное волокно, хотя и несколько уступает полиамидному по
^прочности,, но в то же время отличается высокой эластичностью, свето-
стойкостью и повышенной теплостойкостью.
•248
Фирма Дюпон (США), выпускающая полиэфирное волокно (дак-
рон), сообщает, что оно имеет прочность от 36 до 62,1 разрывных кило-
метров с разрывным 'удлинением соответственно 40 и 11 % [2].
Удельный вес полиэфирного волокна около 1,4 гс/см3.
Температура, в °C.
Рис. 8.3. Зависимость предела прочности полиа-
мидов при изгибе от температуры [4]:
/ —П-68; 2—капрон; З-П-6; 4— П-АК7
Р.ис. 8.4. Прочностные характери-
стики некоторых волокон [2]:
/—терилен высокой прочности; 2—ней-
лон; 3—терилен средней прочности; 4—
вискозный шелк; б—ацетатный шелк
Характеристики некоторых полиэфирных волокон приведены на
рис. 8.4.
Благодаря сравнительно (большой термостойкости полиэфирные во-
локна применяются для изготовления верхней одежды космонавтов и
оболочек скафандров. Ниже приведены данные, характеризующие теп-
лостойкость различных волокон (табл. 8.2).
Таблица 8. 2
Характеристика теплостойкости волокон [3]
Волокно Температура в °C, при которой происходит
разложение потеря прочности размягчение плавление
Хлопок 150 120 — —
Лен — 120 — —
Шерсть 130—135 — — —
Шелк 150—170 — — —
Вискозное 180—200 120—130 — —
Медно-аммиачное 150 120 — —
Ацетатное 90—105 95-105 200 230
Белковое (зеиновое) — 177 — 243—246
Полиэтиленовое — — — 110—120
Полипропиленовое — 100 140 160—165
Поливинилхлоридное — 65—75 65—75 —
Перхлорвиниловое (хлорин) — 70—80 95—100 —
Поливинилиденхлоридное — 100 140—160 —
Полиамидное — 90—100 170—235 215—255
Полиэфирное — 160—170 230—240 250—255
Полиакрилонитрильное — 180—200 235 —
Стеклянное — 315—350 500—815 1200—1600
Асбестовое — 200—400 — 1450—1550
17 1341
249
Фенилон — ароматический полиамид. Для фенидона, как и для
других ароматических полиамидов, характерны высокая температура
плавления 430° С [5] и, следовательно, высокая (до 260° С) теплостой-
кость, .повышенная радиационная и химическая стойкость. Ниже при-
ведены основные физико-механические свойства пластмасс из фенидона.
Удельный вес.........................................
Предел прочности при растяжении......................
Удельная ударная вязкость (по Шарли).................
1,33—1,36 гс/см3
800—1200 кгс/см2
15—3'5 .кгс • см/см2
Фенидон ВА (ТУ № В-1 T9—68) предназначается для получения во-
локна с температурой эксплуатации 200—250° С, с температурой хруп-
кости до —70° С [5].
В скафандростроении фенилов применяется для изготовления верх-
ней одежды и в качестве уплотнительного материала, работающего в
диапазоне температур от—70 до +250° С.
1
0 0 0 0 0 0
5
Рис. 8.5. Схема возможных пере-
плетений нитей .в тканях:
1—саржевое 3/3; 2—атласное 8/2; 3—
полотняное; 4—«саржевое 1/2; 5—полот-
няное; 6—атласное 5/3
Испытание ткани на прочность. Тканевые материалы анизотропны,
не подчиняются закону Гука и принципу независимости действия сил,
поэтому деформация ткани в каком-либо направлении зависит от соот-
ношения между нагрузками, действующими по основе и утку.
Основные и уточные нити в зависимости от характера переплете-
ния образуют клетки той или иной формы (рис. 8.6). В оболочках ска-
фандров, изготовленных из ткани, необходимо учитывать ослабление тка-
ни, обусловленное тем, что под действием приложенной нагрузки вытя-
гивающиеся нити увеличивают закрутку ненагруженных нитей, вызывая
в них дополнительные напряжения.
Ассортимент тканей. В скафандростроении применяется обширный
ассортимент различных тканей. Требования, предъявляемые к тканям,
зависят от назначения ткани. Так, например, ткань для силовой оболоч-
ки должна удовлетворять заданной прочности, иметь малое удлинение,
хорошо сопротивляться истиранию и раздиранию. Физико-механические
свойства некоторых тканей даны в табл. 8.3, а схема нагрузки при испы-
тании на раздирание приведена на рис. 8.6 (ГОСТ 3813—47).
Если прочность ткани на разрыв зависит главным образом от проч-
ности нитей, то сопротивление ее раздиранию — от структуры ткани.
Например, синтетические ткани саржевого переплетения обладают боль-
шим сопротивлением раздиранию, чем ткани другой структуры (рис. 8.7).
250
Если силовая оболочка скафандра является одновременно и герметизи-
рующей, то она изготовляется из прорезиненной ткани.
В зависимости от предъявляемых требований герметичная оболочка
может изготовляться из однослойной, двухслойной и трехслойной проре-
зиненной ткани (рис. 8.8). В двухслой-
ной ткани герметизирующий резиновый
слой (толщиной до 0,5 мм) находится
между слоями ткани, в трехслойной
средний слой прорезинен >с обеих сто-
рон.
Характеристики некоторых проре-
зиненных тканей приведены в табл. 8.4.
В зависимости от расположения ни-
тей в слоях двухслойные и трехслойные
пр о р ез ин ен н ы е т к а н и п о др а з д е л я ют ся
на ткани с параллельно-дублированны-
ми и диагонально-дублированными ни-
Ри>с. 3.6. Схема испытания ткани
на раздирание
тями. При параллельно-дублированных
нитях основы в обоих слоях располагаются параллельно, при диагональ-
но-дублированных нитях нити основы и утка в разных слоях ткани рас-
положены под углом 45° соответственно друг к другу.
Таблица 8. 3
Физико-механические свойства некоторых тканей
Наименование ткани Вес ГС/М2 Разрывная нагрузка на полоску (50x200) в кге Удлинение % Сопротивление раздиранию кге
по основе по утку ПО основе по утку
Лавсановая 300 280 200 13 — 10
Капроновая 400 480 400 25 — 20
300 400 280 25 — 30
140 155 100 25 — 5
250 410 145 30 25 10
45 40 32 20 — —
Фенилоновая 200 140 135 15 — 10
Прочность двухслойных прорезиненных тканей с параллельно-дуб-
лированными нитями при одноосном нагружении примерно в два раза
больше прочности одного слоя ткани, однако они обладают пониженным
сопротивлением раздиранию.
Кроме необходимых прочностных свойств, ткани для верхней одеж-
ды космонавтов должны быть негорючими и теплостойкими, а их поверх-
ность должна обладать, помимо этого, еще заданными значениями ко-
эффициентов поглощения и отражения света. Хорошими огнезащитными
свойствами обладают ткани из стекловолокна. Эти ткани не теряют сво-
17* 251
Рис. 8.7. Ткани из синтетических волокон:
1—ткань из капрона полотняного переплетения; 2—ткань
из капрона саржевого переплетения
3^
^^zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzn
3\
/§
z-^zzzzzzzzzzzzzzzza
7- ..........—
I
Рис. 8.8. Конструктивные схемы
герметичных тканей:
/—ткань; 2— герметизирующий слой;
3—защитное покрытие
Таблица 8. 4
Технические характеристики прорезиненных тканей (МРТУ 38-5-6040—65)
Характеристика ткани Тип текстиля ГОСТ Вес прорези- ненной ткани ГС/М(2 Прочность при разрыве не менее кгс/пог,м Водородопроницае- мость за 24 ч не более л/м2 Прочность при рас- о Is О С S 2 о»
слаивании 500X200 1 нее кгс/м
основа уток
Однослойная прорезиненная лип- кая Перкаль А 12125—66 — — — — 2
Двухслойная ди- агонально-дубли- рованная Перкаль А 12125—66 300—400 800 750 4,5 3
Трехслойная ди- агонально-дубли- рованная Перкаль А 12125—66 450—490 1550 1300 2,5 3
Однослойная прорезиненная лип- кая Перкаль Б 12125—66 — — — — 2
Двухслойная ди- агонально-дубли- рованная Перкаль Б 12125—66 220—245 480 460 4,5 3
ей прочности в’большом диапазоне температур. К их недостаткам можно
отнести сравнительно слабое сопротивление истиранию, большой удель-
ный вес и высокую хрупкость.
Физико-механические характеристики некоторых тканей из стеклян-
ного волокна приведены в табл. 8.5.
Таблица 8. 5
Физико-механические свойства стеклотканей
Величина показателей
марка
Наименование Э 1 А | АС 1 Т1 1 1 ъ 1 СЭ
показателей толщина, мм
0,06 0,08 0,1 по согла- сованию о,1 0,27 0,27 0,20
Вес 1 м2 ткани в гс Число нитей на 1 см: по основе по утку Разрывная на- грузка полоски ткани размером 25X100 мм в кгс не менее: по основе по утку Содержание за- масливателя в % не более 61—75 19-21 19-21 25 20 1,5 85—115 19—21 20—24 30 25 1,5 90—120 19—21 20-24 30 30 1,5 Не более 80 19—21 16—18 28 20 2,5 90—120 19—21 20—24 35 35 1,5 270—300 15—17 9—11 170 105 2,5 270—300 15—17 9—11 160 85 2,5 180—220 9—11 8—10 НО 100 1,5
253
Для изготовления белья применяется трикотажное полотно из хлоп-
чатобумажной, хлопкольняной и шерстяной пряжи.
Швейные нитки
Нитки в скафандрах применяются
товленных из различных тканей.
Для увеличения прочности нитки
сложений. Нитки в 3 сложения имеют
одну крутку, нитки в 6 сложений — 2
крутки (рис. 8.9).
Номер нитки N (по метрической
системе) определяется отношением ее
длины I к весу G, т. е. N = l/G, причем
номер показывает, какое количество
метров приходится на 1 г ее веса.
Прочностные характеристики ни-
ток определяются временным сопро-
тивлением разрыву и разрывной дли-
ной (табл. 8.6).
Нитки из капрона горят очень
медленно, плавятся, не тлеют. Стек-
лянная нить не горит.
для соединения его частей, изго-
окручиваются в 3, 4, 6, 9 и 12
Рис. 8.9. Строение -швейных ниток:
а—в три сложения; б—в шесть сло-
жений
Таблица 8. 6
Прочностные характеристики швейных ниток
Наименование ниток ГОСТ, ТУ, СТУ Услов- ный номер Проч- ность кге Й £ >> X о - Вес 100 м гс Примечание
Льняные ГОСТ 2350—43 9,5/5 13,5 3-3,5 50
» 9,5/8 20,5 3,5 80
Хлопчатобу- мажные ГОСТ (6309—59 30 1,5 5,1 5,9 В три сложения
» ГОСТ 6309—59 20 1,95 5,8 8 В шесть сложе- ний
» ГОСТ 6309-59 10 2,2 6 9,8-11 В шесть сложе- ний
» ГОСТ 6309—59 0 5,8 8 24—27 В двенадцать сложений
» ГОСТ 6309—59 00 7,6 8,5 34—38 В двенадцать сложений
Капроновые ТУ РСФСР 17-2710—68 5,5 10 20 — Вырабатывается из блестящего кап- рона 5 текс (№ 200)
» ТУ РСФСР 17-2710—68 9 3,7 25 —
» ТУ РСФСР 17-2710—68 13 2,8 25 —
» ТУ РСФСР 17-2710—68 15 2,2 25 —
» ТУ РСФСР 17-2710—68 18 1,6 25 —
254
/Продолжение
Наименование ниток ГОСТ, ТУ, СТУ Услов- ный номер Проч- ность кгс Удли- нение % Вес 100 м г с Примечание
Капроновые СТУ 86-12-206—62 10 4,0 25 —
» СТУ 86-12-206—62 7 6,7 25 —
» СТУ 86-12-206—62 3 11,0 25 —
Стеклянные НС-75/24 ГОСТ 8325—61 3 15 1—2,5 —
» НС-76/6 ГОСТ 8325—61 12,5 4,1 — —
Лавсановые СТУ 30-12311—64 34/4 4,6 18—20 12—13,5
СТУ 30-12311—64 34/2 2,3 14—16 6—7
Ленты и шнуры
В •скафандрах применяется широкий ассортимент различных лент и
шнуров в качестве силовых элементов, накладок и декоративных де-
талей.
Ленты вырабатываются на лентоткацких станках из основы и утка,
причем для их изготовления применяется хлопчатобумажная пряжа,
крученый шелк, крученые нитки из капрона, лавсана и льна .(рис. 8.10).
Рис. 8.10. Лента капроновая ЛТК-16-400
Отечественная номенклатура лент приведена в та/бл. 8.7.
Шнуры в зависимости от способа выработки могут быть плетеными
(рис. 8.11) и витыми. Некоторые плетеные шнуры имеют основу, состоя-
щую из нескольких хлопчатобумажных, капроновых и других нитей.
Основные характеристики некоторых плетеных шнуров приведены в
табл. 8.8.
Витые шнуры получаются скручиванием нескольких однородных
прядей. Чаще всего они состоят из двух, трех и четырех прядей.
2. КАУЧУКИ
Каучуки применяются для .пропитки тканей с целью их герметиза-
ции, кроме того, они используются для изготовления отдельных деталей
(изделий).
Успехи, достигнутые в синтезе силиконовых каучуков, обладающих
повышенной теплостойкостью, и хлоропреновых каучуков, характеризую-
щихся сравнительной стойкостью к действию огня, расширяют области
применения этих материалов в скафандростроении.
255
Таблица 8. 7
Основные характеристики некоторых видов лент отечественного производства
Наименование лент Условное обозначение Ширина мм Сопротив- ление раз- рыву кге Удлине- ние % Вес 1 пог. м гс
Капроновая ЛТК-8-130 8 130 25—35 4,7
ЛТК-20-260 20 260 30—50 10
ЛТК-10-40 10 40 25—45 1,9
» ЛТК-20-195 20 195 25—45 20
» ЛТК-9-180 9 180 25-45 6,5
» ЛТК-45-70 45 700 35—50 26
ЛТК-12-300 12 300 35 8
» ЛТК-16-400 16 400 35 12
ЛТК-25-600 25 600 35 14
» ЛТК-20-500 20 500 35 13
Хлопчатобумажная ЛХБ-13-65 13 65 12-20 4,5
» ЛХБ-25-150 25 150 12—20 10
Натуральный каучук (НК). В скафандрах натуральный каучук не
применяется. Вместо него используется резина, представляющая собой
Рис. 8.11. Шнур плетеный капроновый
ШКП:
/—оплетка; 2—сердцевина (основа)
продукт вулканизации каучука — взаимодействия его с .серой, органи-
ческими примесями и другими веществами. Резина обладает высокой
эластичностью, газонепроницаемостью, устойчивостью ко многим аг(рес-
256
сивным средам. При температуре —70° С она становится хрупкой, а при
+804-+ 100° С — пластичной. Некоторые сорта резины .могут обрати-
мо растягиваться более чем на 1000%, предел прочности ее при растя-
жении доходит до 350 кгс/см2. Резины имеют низкую теплопроводность
(0,32—0,44 ккал/ (м • ч • ° С)).
Таблица 8.8
Основные характеристики некоторых плетеных шнуров отечественного производства
Наименование шнуров ТУ, ГОСТ Диаметр м Сопро- тивление разрыву гс Удли- нение % Вес 1 м гс
Капроновые:
ШКП-60 ТУ РСФСР 17-2660—68 2,5±0,2 60 35—50 2,0
ШКП-150 » 4±0,3 150 35—50 5,5
шкп-зоо » 5±0,3 300 35—50 12,5
Хлопчатобумажные
ШХБ-125 ГОСТ 2297-43 6±1 125 20—30 13
ШХБ-60 » 3,5±0,5 60 15—30 6,5
Сопротивление резины раздиранию определяется как отношение
разрушающей (раздирающей) нагрузки ^разд к начальной толщине до:
«разд = -^-КГС/СМ. (8.5)
50
Воздухопроницаемость резины (прорезиненных тканей) определяет-
ся путем создания разности давлений 5—-10 мм вод. ст. по обеим сторо-
нам испытываемого образца площадью 10 см2 и измерения количества
прошедшего через образец воздуха в л /мин.
Удельной газопроницаемостью называется о'бъем газа в кубических
сантиметрах, проходящий в секунду через поверхность, равную 1 м2, при
толщине слоя 1 см и при разности давлений 4 мм рт. ст. [6].
Для характеристики упругих свойств резины часто применяются мо-
дули растяжения ((условные модули). Модулями растяжения для рези-
ны называются напряжения, возникающие в образцах при удлинениях
их на 100, 200, 300, 400 или 600%. Обозначаются они оюо (модуль сто)
или 0200 (модуль 200). В соответствии с этим расчет производится по
формуле [6]
азоо= -Vе- кгс/см2, (8. 6)
где Озоо — напряжение при удлинении, равном 300 %;
f3oo— нагрузка в кге при удлинении, равном 300%;
So — первоначальная площадь поперечного сечения.
Синтетические каучуки (СК) представляют собой каучукоподобные
материалы, из которых изготавливают резины.
И: з о п р е н о в ы е каучуки получают путем полимеризации изо-
прена в среде инертного растворителя. По своим свойствам они практи-
чески равноценны натуральному каучуку.
Хлоропреновые каучуки* -(найриты) вследствие наличия
хлора в их молекулах обладают ограниченной горючестью и в отличие
* В США — неопрены.
257
от других каучуков горят только при непосредственном воздействии
пламени. При удалении пламени их горение прекращается. Они доста-
точно стойки к действию кислорода и озона, хорошо сопротивляются
раздиранию и действию света, медленно стареют, обладают высокой
клеющей спосо1бностью. Однако по морозостойкости хлоропреновые кау-
чуки уступают многим синтетическим.
Кр е м ни йор г ан ич е с к и е каучуки -(силиконы) обладают
большой стойкостью к действию кислорода, озона и солнечного света,
наибольшей теплостойкостью, но малым сопротивлением истиранию.
Клейкость резиновой смеси на основе 1кремнийорганического каучука
неудовл етвор ител ьн а.
Уретановые каучуки обладают высокой прочностью и элас-
тичностью, высоким сопротивлением старению и раздиранию. Газонепро-
ницаемость уретанового каучука в 10 раз больше, чем натурального.
В настоящее время наша промышленность выпускает резину из син-
тетических каучуков, которые по своим физико-механическим показате-
лям не уступает резине, изготовленной из натурального каучука. Свой-
ства резиновых смесей после вулканизации приведены в табл. 8.9.
Резиновые детали для кислородно-дыхательных аппаратов могут
выбираться в соответствии с ТУ 1428—57.
Латексы. Для изготовления отдельных элементов скафандра широ-
кое применение получили натуральные и синтетические латексы и ис-
кусственные дисперсии каучуков. Применение латексов .позволяет изго-
товить тонкостенные бесшовные резиновые изделия, резино-трикотажные
изделия, эластичные губчатые детали. Наиболее целесообразно изго-
товлять на основе латексов тонкостенные бесшовные полые изделия
сложной конфигурации. Изготовление таких изделий по обычной техно-
логии из твердого каучука чрезвычайно сложно либо вообще невоз-
можно.
Изделия, изготовленные из латексов, характеризуются высокой
эластичностью и низкой газопроницаемостью.
При соответствующем выборе типа латекса и рецептуры латексных
смесей -могут быть созданы изделия с высокой морозостойкостью, теп-
лостойкостью и огнестойкостью [10].
Латексы представляют собой водные дисперсии каучуков, стабилизованные по-
верхностно-активными веществами. Каучук в латексе находится в виде микроскопиче-
ских и ультра.микроскопических частиц (глобул), покрытых защитным слоем поверхност-
но-активных веществ. Частицы имеют отрицательный заряд *. По своему происхожде-
нию латексы делятся на натуральные, синтетические и искусственные дисперсии.
Товарные марки натурального латекса представляют собой концентраты с содер-
жанием сухого вещества 60—73°/о. Для предотвращения самопроизвольной коагуляции
под воздействием бактерий, а также для увеличения стабильности латекса по. отно-
шению к химическим, механическим и другим воздействиям латекс стабилизуют, вводя
в него антисептики.
Отечественная промышленность использует .в основном марки латек-
са, выпускаемые под торговыми названиями квалитекс, лесантекс и др.
При всем .разнообразии способов изготовления изделий из латексов
их можно разделить на два основных:
— получение пленки путем удаления 'влаги,
— получение пленки при взаимодействии латекса с электролитами
или другими стабилизирующими агентами.
В первом случае может быть использован метод получения резиновых изделий
многократным маканием. Этот метод заключается в погружении в латексную смесь
формы, моделирующей по внешнему виду изделие, с последующим извлечением ее из
латексной смеси, высушиванием отложившегося геля и повторном макании формы в ла-
тексную смесь. Эта операция продолжается 3—5 раз r зависимости от требуемой
толщины стенок изделия. После подсушивания последнего слоя изделие вулканизуют.
* Для некоторых изделий может быть получен латекс vc положительно заряжен-
ными частицами.
258
о со 00 03 Сл 4з- СО ND >—i Группа резины
S 2 СО СО СО со >—1 00 *0 00 Q0 ' ND ND ND >— СО ° 00 98-1 В-14 В-14-1 ИРП-1078 НО-68-1 3687 5168 4094-Н-1 2696 ND ND •— 4^ СО ОО 03 Сл 4з- ND СО -О СО СО СО СО -о •— о о 1— СО 4з- 4з- ND nd Z- —» ND О 3109-Н 2542-Н 3508-Н 3853 Б-201 ИРП-1029 6Ж 4^ СО СО ND ND ND Марка резиновой смеси
сктв Наирит НК СКВ СКВ НК сксв НК CKC-10 СКСВ Тип каучука
Си О О 00 со о о о о о со •—‘ ND о СП о о о о о СО СО СЛ о о о О 03 03 ООО •—1 ND >—1 Сл О 03 ООО 4з- Сл сл Сл О Сл О -4 О 00 ООО ND Сл ND СО О О О О 45 40 Предел прочности при разрыве в кгс/см2 не менее
СО 1—t Сл со со о nd о о о о о о о о ND Сл Сл 4^ 03 ОЗ О О О О О ND Сл о о о о ND О СО О о СО Сл 03 ООО ООО Сл СО ООО ND ь- ND ND ОООСЛ О ОСЛ О 4з- i—1 СО Сл оо Сл ООО Сл Оз 03 4^ ОСЛ О О О О О О СО СО СЛ О О о Относительное удлине- ние при разрыве в % не менее
ОЗ 1 1 1 1 1 СО •— СО Сл •ч СО СЛ ND -о II 1 1 1 •—1 ND ND >—* t—। СЛ — о со СО 5—10 6—11 30—70 20—40 О Сл 4з- 1 1 1 ND СО — О СО ф- Сл 1 1 1 ОЗ СО ND О 5—11 6—12 6—12 Сл О 03 1 1 1 ND ~ н-1 О0 СО 10—13 4,5—9,9 5—10,6 4—8 Твердость по твердо- меру ТШН-2 КГС/СМ2
о о о О 1 00^^0 00 ООСЛ О 0,70 0,75 О о О Сл О о Си ОЗ СЛ о ООО "о S S ООО оо оо g 0,6 0,70 0,70 ООО "ogg 0,75 0,60 О о as Коэффициент старения за 144 ч при темпера- туре 70° С не менее
—45 —27 —30 1 1 1 1 1 СЛ 43- ел СЛ ОЗ СЛ ND О О О —55 —40 । L о 1 1 1 Сл Сл Сл О Сл Ос 1 1 1 Сл Сл Сл Сл Сл О Nil 03 -О 4^ Сл О О Сл 1 1 1 4з- 4з- СО ООО сл । । L о оо । । 4з- 43- СО О Температура хрупкости при замораживании в °C не менее
1 СО СО СО ND О СП Сл >—1 ь—1 н-1 ►—* 1—* NDCONDNd"*-- 4з- -О 00 00 ОЗ F-‘ I ND ND ОЗ ОО 1,73 1,37 4^"н— О О Сл О н-х н- О О ND 00 СО О ~ 1 ~~ <1 4^ СО со СО СО 00 ОЗ СЛ 4з». 1 I Ъ1 43- ^4 »—* h— SX Удельный вес в гс/см3
Таблица 8. 9
Свойства резиновых смесей после вулканизации [9] (ТУ 1166—58, 1428—57р)
Этот метод находит ограниченное применение, и его целесообразно использовать только
при получении изделий с толщиной стенки, не превышающей 0,15»—0,20 мм.
В отечественной промышленности, получил широкое распространение метод ионно-
го отложения. В основе этого процесса лежит взаимодействие положительно заряжен-
ных ионов электролита с защитными веществами латекса. При этом происходит как
снятие отрицательного заряда с глобул при их соприкосновении с положительно заря-
женными ионами электролита, так и образование нерастворимых солей эмульгатора при
химическом взаимодействии их с коагулянтом.
Процесс ионного отложения происходит следующим образом. Форма погружается
в раствор электролита {фиксатора). В качестве последнего чаще всего применяют ра-
створ хлористого кальция или азотнокислого кальция. Затем форма погружается
в латекс, и на ней откладывается пленка латексного геля. Время выдержки формы
в латексной смеси в зависимости от требуемой толщины изделия обычно находится
в пределах от 1 до Г5 мин.
Латексы могут быть использованы цри получении резино-трикотаж-
ных изделий.
Способ изготовления таких изделий состоит в обработке трикота-
жа, надетого на форму, в спирто-уксусной смеси ,(иногда изделие обра-
батывается без формы, а заготовка трикотажа надевается на форму пос-
ле обработки) с последующим погружением в латекс. На поверхности
трикотажа откладывается пленка. В этом случае обеспечивается одно-
стороннее наложение пленки без сквозной пропитки трикотажа.
Из латексов могут быть получены губчатые резины с объемным ве-
сом от 0,08 до 0,18 гс/см3.
Способ изготовления их заключается в следующем. Латексная смесь
вспенивается механическим методом, и к пене добавляется желатини-
рующий агент. Пену заливают в форму, где она желатинируется, а за-
тем подвергается вулканизации. После вулканизации изделия промыва-
ются и сушатся.
3. СВЕТОПРОЗРАЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Светопрозрачные материалы применяются для изготовления остек-
ления (иллюминаторов) шлемов скафандров и светофильтров для них.
К ним относятся полимерные светопрозрачные материалы и силикатные
стекла.
Полимерные светопрозрачные материалы
Полиакрилаты {органическое стекло) изготовляются в виде листов
в формах из силикатного стекла.
Для остекления шлемов скафандров используются различные сор-
та органических стекол, обладающих высокой светопрозрачностью,
низкой теплопроводностью, термопластичностью и удовлетворительной
прочностью. Новые сорта органических стекол (СТД, 2-55, ТСТ-1 и др.)
хорошо формуются, ориентируются, свариваются, склеиваются и меха-
нически обрабатываются [11].
Ориентацией органического стекла называется его равномерное плоскостное рас-
тяжение в пластичном (нагретом) состоянии с последующим охлаждением под нагруз-
кой, оптимальная вытяжка материала при этом составляет 50—70%.
Ориентация существенно повышает механические характеристики стекла. Напри-
мер, после ориентации стекла СТ-1 предел прочности на растяжение его при темпе-
ратуре 20° С увеличивается от 780 до 8*30 кгс/см2, относительное удлинение — от 4 до
20%, ударная вязкость — от 13,8 до 33,3 кгс-см/см2 (табл. 8.10).
Теплофизические свойства органических стекол приведены в табл.
8.11. Оптические свойства органических стекол даны в табл. 8.12.
Материалы, применяемые для остекления шлема, должны быть
прочными к воздействию статической и динамической нагрузки, обла-
дать теплостойкостью и неизменностью оптических свойств при нагре-
вании.
260
Таблица 8.10
Физико-механические свойства органических стекол [4]
Показатели Марки органических стекол
СОЛ СТ-1 2-55 Т-2-55
Температура °C
—20 20 60 80 —60 20 60 80 100 —60 20 60 80 100 120 20 60 80 100 , 120
Предел прочно- сти в кгс/см2: при растяжении при статичес- ком изгибе Модуль упругос- ти при растяжении в кгс/см2 Относительное удлинение при раз- рыве в % Удельная удар- ная вязкость в кгс • см/см2 П р и м е ч ; 1410 1120 1540 55000 3,3 1,6 25,8 14,5 а н и е. 775 710 1195 990 30600 29000 23,2 3,6 25,5 13,0 В чис^ 430 410 690 735 19200 18000 31,0 21,0 29,8 14,2 штеле , 205 150 395 530 11400 14000 43,7 60 364 15,4 даны п 1440 1135 1835 3,9 2,2 31,4 14,9 юказ; 830 780 1010 1180 30900 32100 20,0 4,0 33,3 13,8 атели с 500 510 565 885 20800 23750 27,0 6,0 39,9 14,9 свойств 340 380 425 610 16200 21750 60 30,7 49,9 15,5 ДЛЯ О] 185 120 235 365 7300 12900 60 60 JOO 18,2 риентщ 1415 1225 1945 3,4 2,0 30,5 15,7 юван 1080 925 1550 1210 39800 41600 12,9 2,8 32,0 14,8 1НОГО С1 700 635 1075 975 28250 29300 13,3 4,0 33,1 15,3 гекла, ; 535 520 745 810 23900 25300 17,6 4,8 36,2 15,6 а в зна 335 365 555 560 18300 20500 51,0 11,0 38,7 15,9 менате. 160 175 350 210 8300 10900 60 12,0 200 164 не — дл 1055 1000 1760 1200 39200 40800 10,4 3,3 28,9 15,0 я неорз 730 1100 30100 4J2 16,5 иентирс 580 980 25200 4~5 16,2 )ванног 305 370 465 720 14800 19100 50 21,2 23,8 17,1 о стекл 215 315 12200 7\5 17,4 ia.
Таблица 8. 11
Теплофизические свойства органических стекол [4]
Марка стекла Температура размягчения °C Коэффициент теплопроводности ккал/(м-ч- °C) Удельная теплоемкость кал/(гс-0 С) Коэффициент линейного расши- рения а-10б.°С-1
СОЛ 90—95 0,158 0,3 71
СТ-1 110—120 0,156 0,4 77
2-55 133—138 0,160 0,4 69
Т-2-55 133—138 0,155 0,37 75,6
Таблица 8. 12
Оптические свойства органических стекол [4]
Показатели Марки стекла
СОЛ СТ-1 2-55 Т-2-55
Коэффициент преломления
при 21° С 1,4930 1,4895 1,4961 1,4960
» 45 » 1,4892 1,4870 1,4933 1,4945
» 60 » 1,4873 1,4848 1,4919 1,4930
» 75 » 1,4850 1,4830 1,4900 1,4910**
» 90 » 1,4825 1,4820 1,4890 1,4900
Игра изображения в мин 2—3 2—3 2—3 2-3
Угловое смещение в мин 3—9 3-9 3-9 3-9
Светостойкость * в % не более 2 2 2 2
Оптический коэффициент напряжения при 18—20° С, брюстеры 2,2-2,4 4,6—4,8 2,0 1,2—1,5
* Снижение прозрачности при облучении стекла лампой ПРК-2 в течение 200 ч. ** Испытания проводились при 80° С.
Оптические свойства материалов для остекления характеризуются
величиной светопропускания. Очень важно, чтобы материалы были од-
нородными, имели низкий уровень люминесценции, малое светорассеи-
вание. Оптические свойства остекления шлема практически не должны
изменяться в интервале рабочих температур и при действии ионизирую-
щего излучения.
Коэффициент пропускания в ультрафиолетовой части спектра для
всех сортов органических стекол повышается с увеличением длины вол-
ны (табл. 8.13).
Поликарбонаты имеют высокие ударную прочность, теплостойкость
и морозостойкость. Они хорошо обрабатываются литьем под давлением,
прессованием и всеми видами механической обработки, свариваются и
склеиваются.
262
Таблица 8. 13
Спектральное светопропускание * органических стекол [4]
Коэффициент спектрального пропускания, %
Марка стекла Интегральная светопрозрач- ность, % ультрафиоле- товой области нм видимой области нм инфракрасной области, нм
о СО со о со 8 со 380 | о о о К о о 00 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 о о о со
СОЛ 90-92 11 53 76 86 88 89 92 90 90 61 60 70 45 49 7 0 2 12 0
СТ-1 90—92 0 0 И 85 89 90 90 92 92 90 60 69 42 49 5 1 8 20 0
2-55 90-92 0 0 0 67 85 88 90 88 88 82 50 49 25 20 2 0 3 9 0
Т-2-55 90—92 0 0 0 45 74 80 90 89 90 80 60 49 33 21 3 3 4 9 2
* Спектральное светопропускание измерялось на образцах стекол толщиной
5 мм спектрофотометрами СФ-4, СФ-2М, ИКС-14 и СФ-10.
Основные физиконмеханические свойства поликарбоната дифлон[4]:
Удельный вес -в гс/см3............................................1,2
Предел прочности в кгс/см2:
при растяжении.................................................. 600—700
при сжатии.................................................... 300—900
при изгибе.................................................... 1000—1100
Удельная ударная вязкость в кгс • см/см2 (без надреза)............120—140
Относительное удлинение при разрыве в %........................... 80—100
Твердость по Бринеллю б кгс/мм2................................... 15—16
Поликарбонат, изготовленный из
ным материалом (особенно в тонких
тухающим» материалам и обладает
свойствами [4]:
чистого сырья, является прозрач-
слоях). Он относится к «самоза-
сл ед у ющим и тепло физическими
температура шла вмени я в °C........................................ 235—275
температура размягчения в °C........................................132—138
удельная теплоемкость в ккал/(кгс-° С).............................. 0,28
температура самовоспламенения в °C.................................500
морозостойкость в ° С...............................................—100
максимальная рабочая температура в °C...............................135—137
Зависимость предела прочности поликарбоната от температуры по-
казана на рис. 8.12.
Силикатные стекла
Существующие оптические силикатные стекла отличаются высоки-
ми показателями светолропускания в видимой части спектра, ничтожно
малой величиной рассеяния света и неизменностью оптических свойств
при нагревании. Из силикатного стекла (методом оптической шлифовки
и полировки) может 'быть получено остекление сложной (конфигурации
с высокими оптическими характеристиками.
Радиационная оптическая устойчивость специальных оптических си-
ликатных стекол на три-четыре порядка выше, чем у органических,
люминесценция — на несколько порядков ниже.
Силикатное стекло в связи с высокой твердостью хорошо противо-
стоит царапанью. Для увеличения механической прочности силикатных
263
стекол применяются их закалка, травление, нанесение на них поверхно-
стных покрытий и т. д.
Из силикатного стекла изготовляется 'весьма прочная триплексная
конструкция, которая состоит из двух или более пластин или сфер, скле-
енных органической прозрачной прослойкой (бутвар, бутафоль). Трип-
лексная конструкция сочетает в себе механическую прочность, безоско-
лочность при ударе и (высокие оп-
тические свойства.
Из силикатного триплекса мо-
жет быть изготовлено телескопи-
ческое остекление, обладающее
высокими оптическими свойства-
ми. Такое остекление в виде по-
лусферы (сегмента) имеет *в цент-
ре большую толщину, чем на кра-
ях.
К недостаткам силикатного
стекла следует отнести сравни-
тельно большой вес и малую удар-
ную прочность.
Закаленные стекла применяют
в тех случаях, когда требуется по-
неболыпом весе,
при разрушении.
Ри-с. в. 1'2. Зависимость предела прочно-
сти поликарбоната от температуры при
растяжении [4]
вышенная механическая прочность при сравнительно
относительно высокая теплостойкость и безопасность
Прочность на удар при закалке увеличивается в 3—5 раз, а на из-
гиб — в 5—6 раз. Испытание ударной прочности стекла следует произ-
водить на готовых изделиях с учетом особенностей их заделки.
Свойства силикатных стекол приведены ниже.
’Интервал изменения
Удельный вес в гс/см3...................................2,2—3
Предел прочности:
.при растяжении .и статическом изгибе в кгс/см2 .... 200
три ударном .изгибе в кге • см/см2 . . ..............2—2,5
Модуль упругости первого рода в кге/мм2................. 6000—8000
Относительное удлинение при разрыве в %.................доли процента
Удельная теплоемкость в кал/(гс-°С )....................0,08—0,25
Коэффициент:
теплопроводности в кал/(с • см • ° С).................0,0010—0,0032
теплопроводности в ккал/(ч • м • ° С).................0,3—1,2
температуропроводности в см3/с........................ 0,0063—0,0010
температуропроводности в м3/ч......................... 0,0024—0,0004
линейного расширения в 1/град.........................(5—‘150) • 10-7
Термостойкость в°С........................................50—100
Спектральное пропускание силикатного стекла показано на
рис. 8.13.
4. ПОЛИМЕРНЫЕ ПЛЕНКИ
Полимерные пленки, ориентированные и неориентированные, тол-
щиной от 2 до 200 мкм отличаются высокой эластичностью, механиче-
ской прочностью, стойкостью к действию окружающего пространства.
В конструкции скафандра полимерные пленки применяются при из-
готовлении экранно-вакуумной тепловой изоляции (ЭВТИ) и для упа-
ковки. Могут быть также использованы сорбционные свойства некото-
рых пленок. Так, например, пленки из полиэтилена обладают малой
влагопроницаемостью, но пропускают углекислый газ и воздух.
264
Наибольшее применение для ЭВТИ .получили полиэфирные пленки,
изготовленные на основе полиэтилентерефталата (лавсановые).
Полиэтилентерефталатные пленки (пленки ПЭТФ) представляют
собой прозрачный и упругий материал с сильным поверхностным блес-
ком. Пленка не имеет запаха, очень прочна, поэтому ее можно изготав-
ливать толщиной до 5—12 мкм. Она имеет высокую прочность на раз-
рыв, удар и истирание. Пленка до разрушения выдерживает более 2Х
X 104 деформаций.
Высокая прочность полиэтилентерефталатных пленок сохраняется
при температурах от —*00 до + )150°С. Продолжительное нагревание их
Рис. 8.13. Спектральное светопропускание [14]:
/—силикатное стекло; 2—трипликсированное силикатное стекло
при 150° С незначительно снижает механическую прочность, и даже при
температуре 180—200° С эти пленки сохраняют устойчивость формы.
При продолжительном действии низких температур (до —70° С) свойст-
ва этих пленок практически не меняются, даже при температуре жидкого
воздуха пленка не теряет гибкости. Пленка практически газонепроницае-
ма и не пропускает биологически активную коротковолновую часть сол-
нечного спектра. Она плавится при температуре 240—260° С.
Удельная теплоемкость пленки при 25° С 0,315 кал/гс [4], коэффи-
циент теплопроводности 3,63-10-4 1кал/(см-с*° С). Пленки ПЭТФ склеи-
вают клеем, представляющим собой 4%-ный раствор смолы ТФ45О (ВТУ
П-264—66) в метиленхлориде [4].
Для улучшения оптических свойств пленки на ее поверхность с од-
ной или двух сторон в условиях глубокого вакуума- наносится слой алю-
миния толщиной 0,01—0,02 мкм. Степень черноты алюминированной
поверхности не более 0,05* (степень черноты пленки 0,3—0,4).
Значения коэффициентов поглощения и излучения е (степени
черноты) для различных пленок приведены в табл. 8.14.
Физико-механические характеристики некоторых пленок приведены
в табл. 8.15.
5. ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Теплозащитные материалы разделяются на волокнистые, зернистые
и ячеистые (пеноматериалы).
Волокнистые теплозащитные материалы. К ним относятся различ-
ные изделия из шерсти, синтетических волокон и стекловолокна.
* 65ТУ—457.
18 1341 265
Таблица 8. 14
Значения коэффициента поглощения А8 и степени черноты е для некоторых пле-
ночных материалов
Наименование пленки Толщина пленки мкм >1. £ As/S
Полиэтиленовая 60 0,01 0,18 0,055
Мелинекс * 12,5 0,01 0,26 0,0385
Териленовая 20 0,01 0,35 0,0285
Полиэтилентерефталатная 12 0,02 0,3—0,4 0,667—0,50
Полиэтилентерефталатная, металлизиро- ванная алюминием 12 0,12 : о,оз—0,04 4,0V3,0
Майлар, металлизированный золотом ** — 0,12 0,06 2,0
* Мелинекс (меИпех) — пленка из полиэтиленгликольтерефталата. * * Майлар (му1аг) — пленка из полиэтиленгликольтетрафталара.
Таблица 8.15
Физико-механические характеристики некоторых пленок [4; 5]
Наименование пленки ТУ Удель- ный вес гс/см3 Тол- щина мкм Проч- ность при разрыве кгс/см2 Относи- тельное удлине- ние % Диапазон темпера- туры °C
Полиэтиленовая МРТУ6-05-1042—67 0,92—0,93 26—70 Не менее 160 Не менее 300 От —70 до +110
ПЭТФ МРТУ6-05-1108—68 1,3—1,4 5—60 1300— 1500 Не менее 50 От —60 до +150
Полиамидная ПК-4 ТУ УХП № 17—58 — 50—70 300-600 — —
Высокими теплоизоляционными свойствами обладает вата из ульт-
ратонкого стекловолокна (0,7—1,5 мкм) с плотностью без нагрузки 5—
6 iKtc/iM3, ее коэффициент теплопроводности около 0,025 ккал/(м-ч-°С).
У текстильных материалов между волокнами пряжи находится воз-
дух, поэтому коэффициент теплопередачи текстильных материалов опре-
деляется не столько теплопроводностью самих волокон, сколько объемом
воздушных нор в нитях и тканях. Таким образом, величина коэффици-
ента теплопередачи зависит от структуры ткани в большей степени, чем
от теплопроводности волокон, и герметическое сопротивление ткани про-
порционально количеству заключенного в ней воздуха. Поэтому с точки
зрения теплозащиты следует отдавать предпочтение таким материалам
(тканям), структура которых обеспечивает их несжимаемость и остает-
ся постоянной при всех условиях эксплуатации. Хорошие теплозащитные
свойства шерсти объясняются именно тем, что она при всех условиях
сохраняет постоянство толщины заключенного в ней воздушного слоя.
Шерстяное трикотажное полотно применяется для из-
готовления теплозащитной подкладки или теплозащитного костюма.
Основные характеристики этого полотна приведены в табл. 8.16.
Войлок АТ ИМ-9 (МЛ и ППТУ 218—53Л) изготовляется из
высококачественной овечьей шерсти в виде листов различной толщины.
266
Удельный вес войлока АТИМ-9 около 0,14 гс/см3, войлока АТИМ-8 око-
ло 0,09 гс/см3. Войлок можно применять при температурах от —60 до
+120° С, он слабо горит, после удаления источника пламени горение его
прекращается.
Таблица 8. 16
Физико-механические свойства теплозащитных материалов
Наименование материала Тол- щина мм Вес 1 М2 ГС Крепость полоски 50x200 на разрыв кге Удлинение при разрыве % Коэффициент теплопроводности ккал/(м2-ч°С) Термическое сопротивление (м2-ч-°С/ккал)
по длине по ши- рине по длине по ши- рине
Шерстяное трикотаж- ное полотно (арт. 211) 1,25 330 34 17 95 185 0,08 0,015
Шерстяное трикотаж- ное полотно с начесом 4,0 460 17,5 18 75 170 0,045 0,09
Шерстяное полотно с поролоновыми нитями 4,0 475 33 25 90 80 0,052 0,07
Из шерстяного войлока может быть изготовлена противометеорная
оболочка.
На рис. 8.14 приведена зависимость коэффициента теплопроводно-
сти различных материалов от давления воздуха. И|з этого графика вид-
но, что существенное увеличение
коэффициента теплопроводности
происходит уже при давлении
7,5-10-3 мм рт. ст.
Зернистые (порошковые) теп-
лозащитные материалы применя-
ются в основном для изоляции
емкостей со сжиженными газами.
Из ячеистых материалов в ска-
фандростроении наибольшее при-
менение нашли пористая резина и
пенопласты.
Пористая резина (Р-30)
СТУ 49-2565—'63 выпускается в
виде пластин с тонкими наружны-
ми пленками и замкнутыми пора-
ми. В одном кубическом санти-
метре резины имеется 20 000 яче-
ек, средняя толщина стенок кото-
рых составляет 0,012 мм,
0,028 ккал/(м-ч-°С) при +15° С.
О б л е г ч е н н а я пористая
ХккалЦи-ч К)
0,04
0,03
0,02
0,01
0
7,5:10~* ф-ЯГ3 ф-ИГ* ф-Ю'1 15-П*
МН рТ.СТ.
Рис. 8.14. Зависимость коэффициента тепло-
проводности теплозащитных материалов от
давления воздуха [15]:
/-—материал из стекловолокна; 2—зернистые ма-
териалы
коэффициент теплопроводности около
резина применяется в качестве
теплоизолирующего, герметизирующего и теплозащитного материала.
Резина выпускается в виде пластин. Марка резины — ОМ-12 (ВТУ
1211-1002), объемный вес резины не более 0,2 гс/см3. Предел прочности
при растяжении не менее 10 кгс/см2. Относительное удлинение при раз-
рыве около 250%. Коэффициент теплопроводности около 0,035 ккал/
(м-ч-°С).
Резина ОМ-12 горит с выделением вредных для организма человека
веществ в виде окиси углерода, азота и др. Горючие свойства резины
18*
267'
усиливаются при пребывании в среде чистого .кислорода, В условиях ва-
куума физико-химические свойства резины ухудшаются. Диапазон ра-
бочих температур от —50 до +50° С.
Вспененные пластмассы. Газонаполненные (вспененные) пластмассы
можно получать почти из всех известных полимеров. От монолитных
пластмасс они отличаются легкостью, хорошими тепло- и звукоизоляци-
онными свойствами.
.По своей структуре газонаполненные пластмассы делятся на две
группы: материалы с закрытыми порами — пенопласты; материалы с
открытыми (сообщающимися) порами — поропласты.
Пенопласт П С - 1 (МРТУ 6-05-L178—69) изготовлен на основе
полистирола. Предел прочности при сжатии — не менее 8 кгс/см2, объ-
емный вес 100 кгс/м3, удельная ударная вязкость—не менее 1,1 кг-см/см2.
Рабочие температуры ±60° С. Коэффициент звукопоглощения пено-
пласта ПС-1 составляет 0,02—0,05. Коэффициент теплопроводности за-
висит от объемного веса пенопласта и находится в пределах от 0,025 до
0,04 ккал/(м-ч-°С).
Пенопласт ПС-1 применяется для звукоизоляции, а также в каче-
стве трудно затопляемого и упаковочного материала. Недостаток этого
материала — горючесть.
Пенопласты ПВХ-1 и ПВХ-2 (МРТУ 6-05-1179—69) изго-
товлены на основе поливинилхлорида. Они отличаются пониженной го-
рючестью и поэтому применяются для изготовления спасательных
средств.
Пенопласт ПУ-101 (СТУ 35-ХП-674—64) изготовлен на базе
полиэфира. Он применяется для изготовления изделий, устойчивых к
действию бензина, керосина и органических масел.
Поропласт полиуретановый эластичный ППУ-Э-25 —
1,8 (МРТУ 6-05-1150—68) выпускается объемным весом 25 кгс/м3, сред-
ний размер ячеек (пор) 1,8 мм, предел прочности при растяжении
1,2 кгс/см2, относительное удлинение при разрыве не менее 150%.
Эластичные поропласты применяются для изготовления амортизи-
рующих прокладок, в качестве теплоизолирующего слоя, а также для
защиты органов дыхания в пылеулавливающих фильтрах.
6. КЛЕИ
В скафандростроении клеи применяются для прочного и герметич-
ного соединения текстильных материалов, металлов между собой и сне-
металлЪчеакими материалами, а также неметаллических .материалов
(пластмасс, каучуков и т. д.).
Классифицировать клеи по областям их применения практически
невозможно, так как одни и те же клеи используются для склеивания
различных материалов в изделиях самого разнообразного назначения.
В настоящее время принято классифицировать клеи по принадлеж-
ности основного компонента к термореактивным или термопластичным
полимерам [13].
На основе термореактивных смол (феноло-формальдегидных, эпок-
сидных и др.) создаются в большинстве случаев теплостойкие клеевые
соединения, применяемые при изготовлении силовых конструкций из
металлов и неметаллических материалов.
На основе термопластичных смол (полиизобутилена, поливинила-
цетата и др.) создаются клеи, имеющие невысокие показатели прочно-
сти, особенности при эксплуатации в условиях повышенных температур.
Применяются эти клеи, в основном, для несиловых соединений неметал-
лических материалов.
< Резиновые клеи, представляющие собой клеевые композиции на ос-
нове эластомеров (главным образом каучуков), обладают высокой
268
эластичностью и применяются для склеивания резин между собой и ре-
зин с .металлами.
Прочность клеевого соединения определяется адгезией — сцеплени-
ем между клеящим веществом и склеиваемой поверхностью. При рас-
смотрении адгезии необходимо учитывать и когезию — сцепление внут-
ри клеевых материалов.
При исследовании прочности склейки двух тел принят метод опре-
деления прочности при равномерном отрыве, а также широко приме-
няется метод испытания прочности при отслаивании и сдвиге.
Определение прочности клеевого шва на отслаивание и сдвиг про-
изводится по схеме, приведенной на рис. 8.15.
Показатель сопротивления отслаиванию вычисляют по формуле
Зотсл = ^ кгс/см, (8.7),
ь
где ^отсл — действующая сила в кгс; b — ш,ирина образца в см.
Рис. 8.15. Схема испытания клеевого шва:
а—на отслаивание; б—на сдвиг
Определение прочности клеевого шва на сдвиг производится по фор-
муле
ac№=~s~ кгс/см2, (8.8)
где огСдв — удельная разрушающая нагрузка при сдвиге в кгс/см2;
ГСдв— нагрузка, вызвавшая разрушение образца в кгс; S — площадь
контакта в см2.
Резиновые клеи делятся на невулканизирующиеся и вулканизирую-
щиеся.
К первой группе относятся клеи на основе натурального каучука,
термопрена, представляющие собой растворы указанных полимеров в
органических растворителях. Прочность склеивания невулканизирующи-
мися клеями относительно невелика.
Клей 4508 (ТУ МХП 1105—50<) представляет .собой раствор резиновой смеси
4508 в бензине. Этот клей предназначен для склейки вулканизированных резин и хлоп-
чатобумажных тканей.
Связующая сила клея на расслаивание должна быть не менее 3 кгс на полоску
шириной 5 см, состоящую из двух склеенных полосок миткаля или бязи.
Найритовый клей 88 Н (МРТУ 38-5-8)80—66) применяется для приклеи-
вания вулканизированных резин к металлу, стеклу и другим материалам, а также для
склеивания холодным способом резины с резиной. Изделия, склеенные клеем 38.Н, могут
эксплуатироваться в морской воде.
Прочность связи клея 88-Н на расслаивание резины со сталью или дуралюм.ином
должна быть не менее 2 кгс/см, а сопротивление отрыву 11 кгс/см2.
269
(Клей 8 8НП (МРТУ 38-5-6022—65) представляет собой раствор резиновой
смеси № 31-Н.П и бутилфенолформальдегидной смолы .в смеси этилацетата с бензином.
Клей 88НП предназначен для прикл'ейки холодным способом различных резин
к металлам, а также резины к резине, работающих в диапазоне температур от —50
до +70° С.
Основой клея термопрена является термически обработанная смесь из
натурального каучука .и фенолсульфокислоты. Этот клей применяется для склеивания
металла с невулканизированными резинами. Нормальная прочность достигается через
ГО—20 суток при нормальной температуре и через 1—2 суток при +50i° С.
Клеи второй группы, кроме каучуков, содержат и вулканизирующие вещества.
После вулканизации получаются более прочные клеевые соединения по сравнению с не-
вулканизирующимися клеями.
Вулканизация производится как при 140—150О|С, так и при 25>—30°С (в послед-
нем случае клеи называются самовулканизирующимися и в их состав входят ускори-
тели и активаторы).
Самовулканизирующийся клей СВ-1 (клей лейконат) (МРТУ
38-5-6064—65) состоит из двух компонентов: основного раствора (клей 4508) и раствора
вулканизирующего агента. Он применяется для склеивания резиновых изделий, рабо-
тающих при температуре до 100° С. Жизнеспособность клея СВ-1 — не менее 4 ч.
Самовулканизирующийся клей СВ-2а (ТУ № 38-5-390—69) состо-
ит из двух компонентов: клея СВ-2 и вулканизирующего состава (клея лейконат).
Клей СВ-2 представляет собой раствор резиновой смеси на основе найрита в смеси
с растворителями (этилацетатом и бензином). Жизнеспособность клея СВ-2А — не
менее 8 ч. Применяется клей для склеивания резин и резино-тканевых изделий.
Для склеивания теплостойких кремнийорганических резин применя-
ются клеи холодной вулканизации КТ-30 *, а также силиконовые герме-
тики типа Виксинт-У-1-18 или Виксинт-У-2-28.
Почти все полимерные материалы, .подвергнутые специальной по-
верхностной обработке, могут быть склеены отверждающимися при
обычных условиях клеями на основе полиуретанов (ПУ-2) и полиэпок-
сидов. Однако соединения, выполненные клеями холодного отверждения,
могут оказаться недостаточно прочными в условиях эксплуатации, в
особенности при повышенных температурах [13].
Для склеивания деталей из органического стекла друг с другом и с
капроновыми и лавсановыми лентами применяются клеи ВЗ-1-Ф9 и ПУ-2.
Теплостойкое органическое стекло Э-2 склеивается, а также и при-
клеивается к лавсановой ленте клеем ВС-10ТМ. Известен также процесс
склеивания органического стекла 2—5%-ным раствором его в дихлор-
этане.
Кожа и ее заменители склеиваются между собой и с другими ма-
териалами с помощью каучуковых, перхлорвиниловых и полиуретановых
клеев, применяются также некоторые клеи на основе полиамидов. Наи-
более прочные соединения удается получить, применяя полиуретановые
композиции (например клейПУ-2).
Для склеивания тканей и других текстильных материалов применя-
ются 'феноло-поливинилбутиральный клей БФ-6, .поливинилбутиральный
клей ПВБ-К-4.
Для оклеивания металлов с неметаллическими материалами (стек-
лотекстолитами, пенопластами и др.), а также металлов между собой
используются клеи как холодного, так и горячего отверждения различ-
ных марок (Л-4, БК-9, ВС-10Т, БФ-2, ПУ->2, ;ВК-1, ВК-3 и т. д.).
Инертные материалы (фторопласт и полиэтилен) перед склейкой
подвергают специальной химической обработке, после чего их склеива-
ют обычными клеевыми композициями.
7. ОГНЕСТОЙКОСТЬ И ГОРЮЧЕСТЬ МАТЕРИАЛОВ
Увеличение огнезащитных свойств материалов, применяемых в ска-
фандрах, имеет большое практическое значение.
Ткани, изготовленные из целлюлозных волокон **, при соприкосно-
* КТ-3£) — кремнийорганический теплостойкий клей ВТУ П-63-64.
** В хлопковом волокне содержится 94—95% целлюлозы.
270
вении с тепловым источником достаточной мощности быстро воспламе-
няются ,и* сгорают. Целлюлозные волокна могут также тлеть, т. е. гореть
без пламени. Это тление может привести не только к уничтожению .(раз-
рушению) этих материалов, но и к пожару, так как оно часто протекает
незаметно, а затем по мере накопления горючих газовых фракций может
дать вспышку пламени.
Шерстяные и шелковые ткани менее горючи по сравнению с тка-
нями, изготовленными из целлюлозных волокон. Они не тлеют и при
действии пламени обугливаются и спекаются в массу, которая затем
отваливается.
Искусственный ацетатный шелк спекается в твердый стекловидный
комок с выделением неприятного запаха. Вискоза горит более интенсив-
но, чем хлопок. Капроновая ткань расплавляется и горит. Хлориновая
ткань горит только в пламени. В табл. 8.17 приведены характеристики
горения некоторых тканей.
Таблица 8. 17
Характеристики горения некоторых материалов [16]
Наименование материала Температура воспла- менения в воздухе в °C Характер горения в воздухе
Хлопок 520 Сгорает быстро, ярким пламенем
Лен 600 То же
Шерсть 800 Горит медленно, вспышками. Вне пламени горение прекращается
Шелк натуральный — То же
Вискоза — Сгорает быстро, ярким пламенем
Ацетатное волокно — Горит быстро, вне пламени горение прекращается
Капрон 1000 В пламени размягчается, а затем расплавляется (при /=215° С) и го- рит вспышками
Лавсан 1000 То же. Температура плавления око- ло 260э С
Резина ИРП-1029 800
Кожа шевро 650
Исследованиями установлено, что с увеличением парциального
давления кислорода в атмосфере, а также с увеличением суммарного
давления газовой среды температура воспламенения {самовоспламене-
ния), минимальная энергия поджигания и время задержки воспламене-
ния * для большинства материалов уменьшаются, а скорость сгорания
возрастает (рис. 8. 16).
Можно сделать вывод, что использование в скафандрах атмосферы,
обогащенной кислородом, а тем более состоящей из чистого кислорода,
должно значительно повысить внимание конструкторов к вопросам обес-
печения максимальной пожаробезопасности.
* Время задержки воспламенения — время от начала разогревания до момента
воспламенения.
271
На процесс горения влияет процентное содержание инертных газов
в окружающей -среде и их природа. Результаты исследований горения
в азотно-кислородной и гелиево-кислородной атмосферах, проведенных в
США, приведены в таблице 8. 18 *. Эксперименты производились в ци-
Парциальное давление кислоро-
да в снеси с азотом в кгс/см2
Рис. 8. 16. Скорость горения в
зависимости от величины пар-
циального давления кислорода
в смеси с азотом [16]:
I—фенилон; 2—лавсан; 3—капрон
линдрической камере диаметром 37 см, длиной 84 см и объемом 0,09<м\
Образцы воспламенялись нагретым проводником и излучением. Резуль-
таты экспериментов позволили сделать следующие выводы.
1. Распространение пламени происходит быстрее в гелиево-кисло-
родной атмосфере, чем в азотно-кислородной.
Таблица 8.18
Скорость распространения пламени при горении различных материалов в различ-
ной атмосфере
Материал Скорость распространения пламени при горении материалов в различной атмосфере в мм/с
Воздух (760 мм рт. ст.) 20% О2> 80% Не (760 мм рт. ст.) 46% О2> 54% N2 (380 мм рт. ст.) 46% О2, 54% Ге (380 мм рт. ст.) 70% О2> 30% n2 (258 мм рт. ст.) 70% О2, 30% Не (258 мм рт. ст.) 100% О2' (258 мм ( рт. ст.) I
Дерево 0,6±0,6 1 ±о,1 3±0,5 4,5±0,8 4,5±0,8 6,8±0,8 8,9±0,8
Бумага 2±0,2 8± 1,5 10±0,5 1б±1,2 14±1,2 19± 1,5 23± 1,7:
Ацетат цел- люлозы 0,2±0,1 — 2,8±0,2 4±0,5 5±0,8 4,5±0,5 8±0,2
Хлопчатобу- мажная ткань 2,5±0,2 4±0,2 23 ±8 28±2 45 ±5 30 ±5 81 ±5
Пенопласт 3,5±0,5 0 68 ±20 53±8 154 ±13 152 ±15 330 ±25
Провод в пластмассовой изоляции 0 0 6,3±0,2 9±0,5 12±0,2 15±0,5 21 ±0,8
Окрашенная поверхность 0 0 5,3±0,2 7±0,2 8 ±0,5 10±1,5 11 ±1,3
* Technology Week. 1967, 30, 1, vol. 20, No. 5.
272
2. Скорость распространения пламени не зависит от давления среды
в исследованном диапазоне (258—760 мм рт. ст.).
3. -В 1кислородао-гел.иевой атмосфере наблюдалось значительное по-
вышение потребной энергии для воспламенения материала.
Для увеличения огнестойкости тканей применяется химическая про-
питка их специальными составами, что. может обеспечивать полную не-
возгораемость ткани при местном воздействии высокотемпературного
источника зажигания. Материал, обработанный надлежащим образом,,
при действии огня обугливается и разрушается, но после удаления пла-
мени не горит и не тлеет. При кратковременном действии пламени на
огнезащитный материал заметно повреждается только участок, непос-
редственно соприкасающийся с огнем [17].
ЛИТЕРАТУРА
1. Бузов Б. А., Пожидаев Н. Н. и др. Лабораторный практикум по мате-
риаловедению швейного производства. М., «Легкая индустрия», 1964.
2. Монкриф ф Р. Ц. Химические волокна. М., Изд-во научно-техн, литерату-
ры, 1961.
3. Тихомиров В. Б. Нетканые клееные материалы. М., «Легкая индустрия»,.
I960.
4. Справочник по пластическим массам. Под ред. М. И. Гарбара и др., т. I, М.,
«Химия», 1967.
5. Справочник по пластическим массам. Под ред. М. И. Гарбара и др., т. II. М.>
«Химия», 1969.
6. Б е л о з е р о в Н. В. Технология резины. М., «Химия», 1967.
7. Кукин Г. Н., Соловьева А. Н. Текстильное материаловедение, ч. III, М.г
«Легкая индустрия», 1967.
8. Жеребков С. К. Крепление резины к металлам. М., «Химия», 1966.
9. Ч е р н я к К- И. Неметаллические материалы в судовой электро- и радиотех-
нической аппаратуре. М., «Судостроение», 1966.
10. Нобль Р. Дж. Латекс в технике. М., Гос. научно-техн, изд-во химической
литературы, 1962.
11. Перов Б. В. и Гудимов М. М. Ориентированное органическое стекло.
М., Оборонгиз, 1961.
12. Резнико вский М. М., Луком ска я А. И. Механические испытания
каучука и резины. М., «Химия», 1964.
13. К aip д а ш ев Д. А. Синтетические клеи. М., «Химия», 1968.
14. Справочник по производству стекла, т. I, М., Гос. изд-во литературы по стро-
ительству, архитектуре и строительным материалам, 1963.
15. М о д е.с т о в а Т. А., Ф л е р о в а Л. Н., Бузов Б. А. Материаловедение
швейного производства. М., «Легкая индустрия», 1969.
16. Абдурагимов И. М., Серков Б. Б., Янтовский С. А. — «Космиче-
ские исследования», 1971, т. 9, вып. 6.
Приложения
Таблица П. 1
ТАБЛИЦА СТАНДАРТНОЙ АТМОСФЕРЫ (ГОСТ 4401-64)
Высота м Темпе- ратура Барометрическое давление Плотность
мбар мм рт. ст. кгс/м2 кгс/м3 КГС-С2-/м4
-2 000 28,04 1277,9 958,50 13031,0 1,4781 1,5072-10-1
-1 000 25,52 1139,27 854,52 11617,4 1,3469 1,3735-10-1
0 15,00 1013,25 760,00 10332,3 1,2250 1,2492-10-1
500 11,75 954,53 715,96 9733,5 1,1672 1,1902-10-1
1000 8,5 898,76 674,12 9164,8 1,1117 1,1336-10-1
1500 5,25 845,66 634,30 8623,3 1,0582 1,0791-10-1
2 000 1,99 794,98 596,28 8106,5 1,0066 1,0265-10-1
2 500 —1,26 746,93 560,24 7616,6 9,5706-10-1 9,7593-10-2
3 000 —4,51 701,25 525,98 7150,8 9,0941-10-1 9,2734-10-2
3 500 —7,77 657,74 493,35 6707,1 8,6345-10-1 8,8048-10-2
4 000 —11,02 616,56 462,46 6287,2 8,1942-10-1 8,3558-10-2
4 500 —14,27 577,49 433,15 5888,8 7,7714-10-1 7,9246-10-2
5 000 —17,52 540,45 405,37 5511,1 7,3654-10-1 7,5106-10-2
5 500 —20,77 505,35 379,04 5153,1 6,9758-10-1 8,1134-10-2
6 000 —24,02 472,13 354,13 4814,4 6,6022-10-1 6,7324-10-2
6 500 —27,27 440,69 330,54 4493,8 6,2441-10-1 6,3672-10-2
7 000 —30,52 410,98 308,26 4190,8 5,9010-10-1 6,0174-10-2
7 500 —33,77 382,90 287,20 3904,5 5,5725-10-1 5,6824-10-2
8 000 —37,01 356,48 267,38 3635,1 5,2591-10-1 5,3628-10-2
8 500 —40,26 331,47 248,62 3380,1 4,9585-10-1 5,0563-10-2
9 000 —43,51 307,91 230,95 3139,8 4,6712-10-1 4,7633-10-2
9 500 —46,75 285,79 214,36 2914,2 4,3977-10-1 4,4844-10-2
10 000 —50,00 264,91 198,70 2701,3 4,1357-10-1 4,2172-10-2
10 500 —53,25 245,28 183,98 2501,2 3,8859-10-1 3,9625-10-2
11 000 —56,49 226,90 170,90 2313,7 3,6485-10-1 3,7204-10-2
11500 —56,49 209,76 157,33 2139,0 3,3728-10-1 3,4393-10-2
12 000 —56,49 193,91 145,44 1977,0 3,1180-10-1 3,1795-10-2
13 000 —56,49 165,72 124,30 1689,9 2,6648-10-1 2,7173-10-2
14 000 —56,49 141,64 106,24 1444,3 2,2776-10-1 2,3225-10-2
15 000 -56,49 121,07 90,810 1234,6 1,9467-10-1 1,9851-10-2
20 000 —56,49 55,269 41,450 563,59 8,8870-10-2 9,0623-Ю-з
25 000 —56,49 25,262 18,948 267,6 4,0621-10-2 4,1422-Ю-з
30 000 —42,8 1,1836.10-1 8,8777 120,69 1,7901-10-2 1,8254-Ю-з
40 000 —15,49 2,9586 2,2191 30,169 4,0003-Ю-з 4,0792-10-4
50 000 —0,85 8,4581-10-1 6,3441-10-1 8,6249 1,0754-Ю-з 1,0966-10-4
274
Таблица П. 2
СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА (СМ. ГЛ. 5 [10])
Температура Вес 1 м3 при баро- метрическом давлении 760 мм рт. ст кгс Содержание водяного пара при баромет- рическом давлении 760 мм рт. ст. и полном насыщении в кгс
в 1 м3 воздуха в 1 кгс влажного воздуха
—20 1,396 0,0011 0,0008
18 1,385 0,0013 0,0009
16 1,374 0,0015 0,0011
14 1,363 0,0017 0,0013
12 1,353 0,0020 0,0015
10 1,342 0,0023 0,0017
88 1,332 0,0027 0,0020
6 1,322 0,0031 0,0024
4 1,312 0,0036 0,0028
2 1,303 0,0042 0,0032
0 1,293 0,0049 0,0038
2 1,284 0,0056 0,0043
4 1,275 0,0064 0,0050
6 1,265 0,0073 0,0057
8 1,256 0,0083 0,0066
10 1,248 0,0094 0,0075
12 1,239 0,0107 0,0086
14 1,230 0,0121 0,0098
16 1,222 0,0136 0,0112
18 1,213 0,0154 0,0127
20 1,205 0,0179 0,0144
22 1,197 0,0194 0,0163
24 1,189 0,0218 0,0184
26 1,181 0,0244 0,0207
28 1,173 0,0272 0,0234
30 1,165 0,0304 0,0263
32 1,157 0,0338 0,0295
34 1,150 0,0376 0,0331
36 1,142 0,0417 0,0370
38 1,135 0,0462 0,0414
40 1,128 0,0511 0,0463
42 1,121 0,0565 0,0516
44 1,114 0,0623 0,0575
46 1,107 0,0687 0,0640
48 1,100 0,0756 0,0711
50 1,093 0,0831 0,0790
52 1,086 0,0911 0,0877
54 1,080 0,0998 0,0972
275
Таблица /7. 3
СП
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВ
Вещество Химическая формула Молекуляр- ный вес, м Удельный вес кгс/м3 Плотность относитель- но воздуха Объем моля нм3/моль Температура в °C Критическое давление Ар кгс/см2
кипения (^Кип) плавления (^пл) критическая </кр)
Азот n2 28,016 1,2505 0,9673 22,4 — 195,81 —210,02 —147,0 34,6
Аммиак NH3 17,031 0,7714 0,6967 22,08 —33,4 —77,7 —132,3 115,0
Ацетилен с2н3 26,04 1,1709 0,9057 22,22 —83,6 —81 35,7 63,7
Ацетон с3н6 58,08 (2,595) 2,005 (22,41) 56,1 —94,3 235,5 48,1
Водород Н2 2,0156 0,8987 0,06952 22,43 —252,78 —259,2 —239,9 13,2
Воздух (сухой) 28,96 1,2928 1,000 22,4 — 193 —213 —140,7 38,4
Гелий Не 4,003 0,1785 0,1381 22,42 —288,93 — —267,9 2,33
Двуокись углерода СО2 44,01 1,9768 1,5291 22,26 —78,48 —56 31,04 75,28
Закись азота n2o 44,016 1,9780 1,53 22,05 —88,7 —90,8 36,5 74,1
Йодистый водород NJ 127,93 5,789 4,478 22,1 —36 —51 150 83,7
Кислород о2 32,000 1,42895 1,033 22,39 — 182,97 —218,83 118,4 51,7
Метиловый спирт СН4О ' 32,04 1,426 1,103 22,47 64,51 —98 240 81,1
Окись азота NO 30,008 1,3402 1,0367 22,39 — 152 —163,5 —93 66,1
Окись углерода СО 28,01 1,2500 0,9669 22,40 — 191,5 —205 —140 35,6
Таблица П. 4
НАПРЯЖЕНИЕ ВОДЯНЫХ ПАРОВ В ВОЗДУХЕ В ММ РТ. СТ. ПРИ РАЗЛИЧ-
НОЙ СТЕПЕНИ ВЛАЖНОСТИ [19]
Температура воздуха и кожи °C Относительная влажность в %
30 40 50 60 70 80 90 100
0 1,4 1,8 2,3 2,8 3,2 3,7 4,1 4,6
5 2,0 2,6 3,2 2,9 4-, 6 5,2 5,9 6,5
10 2,7 3,6 4,6 5,4 6,3 7,2 8,2 9,2
12 3,1 4,2 5,2 6,2 7,3 8,3 9,4 10,4
14 3,5 4,7 6,0 7,0 8,2 9,4 10,8 11,7
16 4,0 5,4 6,7 8,1 9,4 10,8 12,9 13,5
18 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 13,4 15,0
20 5,0 6,8 8,5 10,2 11,9 13,6 14,6 17,0
22 5,8 7,8 9,8 11,7 13,6 15,7 17,3 19,6
24 6,7 8,8 И,1 13,4 15,6 17,8 20,0 22,2
26 7,5 10,0 12,2 15,0 17,5 20,0 22,0 25,0
28 8,4 11,2 14,0 16,8 19,6 22,4 25,2 28,1
30 9,4 12,6 15,8 18,8 22,0 25,3 28,4 31,5
32 10,6 • 14,2 17,6 21,3 24,7 28,4 31,6 35,3
34 12,3 15,8 19,8 24,6 28,6 31,6 35,6 39,5
36 13,3 17,7 22,1 26,6 31,0 35,4 40,0 44,2
38 14,8 19,7 24,6 29,6 34,4 39,4 44,2 49,3
40 16,4 22,3 24,4 32,9 38,2 44,6 49,4 54,7
42 18,2 24,3 30,4 36,4 42,4 48,6 54,8 60,7
44 20,1 26,9 33,7 40,3 47,0 53,9 60,8 67,4
46 22,4 29,9 37,2 44,8 52,2 59,2 62,7 74,7
48 24,2 33,1 41,3 49,5 57,7 66,2 74,4 82 ;7
50 27,8 37,0 46,2 55,5 64,5 74,0 83,2 92,5
Таблица П. 5
СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
Единица измере- ния Н/м2 кгс/м2; мм. вод. ст. кгс/см2 кгс/мм2 бар (гектопьеза) мм рт. ст. (тор)
1 н/м2 1 0,102 1,02-10-5 1,02-10-7 10-5 7,5-Ю-з
1 кгс/м2 9,81 1 10-4 10-6 9,81-10-5 7,356-10-2
1 мм вод. ст.
1 кгс/см2 9,81-104 104 1 10-2 0,981 7,356-10-2
1 кгс/мм2 9,81-106 106 100 1 98,1 7,356-10-4
1 бар (гектопье- за) 105 1,02-104 1,02 1,02-10-2 1 750
1 мм рт. ст. (тор) 133 13,6 1,36-Ю-з 1,36-10-5 1,33-Ю-з 1
1 акустический бар — — 1 -10-6 — -1-10—6 —
277
Оглавление
Стр.
Предисловие . . ............................................ 3
Введение.....................................................................5
Литература............................................................10
Глава 1. Основные характеристики планет солнечной системы и межпланетного
пространства ........................................................... 11
1. Солнце...............................................................11
2. Земля . . ..................................................13
3. Радиационная обстановка в околоземном пространстве..................15
4. Луна . . . . ......................................20
5. Марс и Венера.......................................................21
6. Метеорные тела и межпланетная среда.................................22
Литература..............................................................26
Глава 2. Физические факторы, сопровождающие полет, и их действие на ор-
ганизм человека..........................................................27
1. Влияние физических факторов на процесс дыхания.......................27
2. Декомпрессионные расстройства в организме человека...................34
3. Перепады давлений при разгерметизации кабины (взрывная декомпрессия) 35
4. Процессы тепловыделения и теплоотдачи в организме человека ... 35
5. Перегрузки в полете и их действие на организм человека...............41
6. Влияние вибраций и шумов.............................................47
7. Биологическое действие ионизирующих излучений........................51
Литература..............................................................53
Глава 3. Системы жизнеобеспечения для аварийно-спасательных скафандров 55
1. Физиолого-гигиенические условия в кабинах летательных аппаратов . . 55
2. Системы вентиляции и кислородного питания для аварийно-спасательных
скафандров вентиляционного типа.........................................60
3. Системы жизнеобеспечения для аварийно-спасательного скафандра реге-
нерационного типа . :.............................................73
4. Смешанные системы кослородного питания и вентиляции скафандров . 76
Литература..............................................................77
Глава 4. Автономные системы жизнеобеспечения для космических скафандров 78
1. Назначение и предъявляемые требования...............................78
2. Автономные системы жизнеобеспечения вентиляционного типа .... 81
3. Автономные системы жизнеобеспечения регенерационного типа ... 84
4. Агрегаты и арматура системы 'жизнеобеспечения........................94
Литература.............................................................137
Глава 5. Конструкция аварийно-спасательного скафандра.......................138
1. Назначение и предъявляемые требования................................138
2. Оболочка скафандра...................................................139
3. Шлем скафандра.......................................................155
278
Стр.
4. Верхняя одежда.....................................................164
5. Вентилирующий костюм.............................................. 165
6. Нательное белье.....................................................169
7. Теплозащитный костюм................................................171
8. Перчатки.......................................................... 177
9. Обувь для скафандра.................................................179
10. Приборы для скафандра...............................................182
11. Средства связи в скафандре..........................................185
12. Спасательные средства...............................................187
13. Вес аварийно-спасательного скафандра................................190
14. Испытания аварийно-спасательных скафандров..........................190
15. Типовые образцы скафандров..........................................191
Литература.............................................................196
Гл а в а 6. Скафандр для выхода в космос...................................198
1. Назначение и предъявляемые требования...............................198
2. Устройство скафандра для выхода в космос............................199
3. Индивидуальные средства передвижения в космосе......................211
4. Образцы скафандров для выхода в космос..............................216
Литература.............................................................219
Глава 7. Скафандр исследователя Луны.......................................220
1. Общие сведения......................................................220
2. Особенности кинематики движения космонавта на Луне..................220
3. Теплообмен между космонавтом и окружающей средой в условиях лунной
поверхности . . . .........................................224
4. Системы для охлаждения человека в скафандре.........................229
5. Особенности конструкции скафандра исследователя Луны .... 235
6. Скафандр исследователя Луны по программе «Аполлон».................240
Литература.............................................................244
Глава 8. Материалы и ткани в скафандростроении...................... 245
1. Текстильные материалы...............................................245
2. Каучуки.............................................................255
3. Светопрозрачные материалы w ш 260
4. Полимерные пленки...................................................264
5. Теплозащитные материалы.............................................265
6. Клеи................................................................268
7. Огнестойкость и горючесть материалов................................270
Литература.............................................................273
Приложения.................................................. .... 274
Семен Михайлович Алексеев
Семен Петрович Уманский
ВЫСОТНЫЕ И КОСМИЧЕСКИЕ
СКАФАНДРЫ
Редактор издательства Н. В. Кор женевская
Техн, редактор Н. Н. Скотникова
Художник Е. Г. Байтман
Корректор А. И. Карамышкина
Сдано в набор 20/VI 1972 г.
Подписано в печать 11/IV 1973 г. Т-05466
Формат 70X108716 Бумага № 1
(Усл. печ. л. 24,85 в т. ч. 2 цв. вкл.)
Уч. изд. л. 22,75 Тираж 2300 экз. Изд. зак. 2281
Цена 1 р. 57 к.
Издательство «Машиностроение», Москва Б-78,
1-й Басманный пер., 3.
Московская типография №8 «Союзполиграфпрома»
при Государственном комитете
Совета Министров СССР
по делам издательств полиграфии
и книжной торговли,
Хохловский пер., 7. Тип. зак 1341
ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
SHEBA.SPBPU/ZA
Хочу всё знать (теория)
ЮНЫЙ ТЕХНИК (ПРАКТИКА)
ДОМОВОДСТВО (УСЛОВИЯ)