Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Отличительные особенности и преемственность в развитии внекорабельной деятельности 13
1.1. Условия для внекорабельной деятельности на поверхности Марса и требуемое вспомогательное оборудование 13
1.2. Техническая декомпозиция взлетно-посадочного комплекса как базы для деятельности марсонавтов 25
1.3. Анализ модели обеспечения эффективности орбитальной внекорабельной деятельности космонавтов 35
1.4. Целевой подход к постановке задач исследования 47
Выводы 53
Глава 2. Математическое моделирование деятельности марсонавтов на различном удалении от взлетно-посадочного комплекса 54
2.1. Структура системы планетной внекорабельной деятельности и комплекса математических моделей деятельности экипажа на поверхности Марса 54
2.2. Математическая модель готовности и оценки эффективности исследовательской работы марсонавтов 58
2.3. Математическая модель перемещений и разгрузки марсонавтов с использованием мобильного модуля поддержки 73
2.4. Математическая модель перемещений пилотируемого марсохода 82
2.5. Метод анализа иерархий в оценке средств деятельности марсонавтов 88
Выводы 94
Глава3, Исследование и отработка компонентов системы планетном внекорабслыюй деятельности экипажа на поверхности Марса 95
3.1. Экспериментальный анализ фактора рабочего позиционирования марсонавта 96
3.2. Экспертиза современных приспособлений, адаптированных к скафандру, на пригодность к деятельности марсонавтов І 06
3.3. Экспериментальная оценка номенклатуры целевых задач и операций с оптимизацией маршрутов перемещений марсонавта ... 114
3.4. Адаптация математической модели орбитальной внекорабельной деятельности к условиям гравитации 121
В ы в од ы 127
Глава 4. Направления по использованию результатов работы для принятия инженерных решений и формирования элементов концепций 129
4.1. Разработка технико-эргономических требований к научной аппаратуре и приспособлениям для ареологических исследований на поверхности Марса 129
4.2. Разработка мероприятий по управлению внекорабельной деятельностью марсонавтов 137
4.3. Положения концепции группировки средств инструментальной поддержки экипажа в составе экспедиционного комплекса 141
4.4. Положения антропоцентрической концепции взлетно-посадочного комплекса 151
4.5. Положения концепции целевого опережения для фактора «квалификация марсонавта» 160
Выводы 165
Заключение 166
Список использованной литературы 168
- Техническая декомпозиция взлетно-посадочного комплекса как базы для деятельности марсонавтов
- Математическая модель готовности и оценки эффективности исследовательской работы марсонавтов
- Экспериментальная оценка номенклатуры целевых задач и операций с оптимизацией маршрутов перемещений марсонавта
- Положения концепции группировки средств инструментальной поддержки экипажа в составе экспедиционного комплекса
Введение к работе
На сегодняшний день, уже обозрима проектная граница полета первой
десантной (с высадкой на поверхность) экспедиции на Марс (не позднее 2030г). Космонавтам предстоит работать в новых условиях. Дело в том, что, в отличие от долювременных орбитальных станций, успех практически каждой операции марсианской экспедиции напрямую влияет на безопасность экипажа. Сит>ацня более сложная чем при полете на Луну. Количество операций и их масштаб, по сравнению с лунной программой, делают экспедицию на Марс качественно иной [64].
Выполнение научной программы зависит от полноты реализации деятелыюстных задач экипажа при взаимодействии с научной аппаратурой и другим оборудованием на поверхности планеты и, в целях исключения принятия неэффективных решений, требуется аванпроектная проработка средств обеспечения внекорабелыюй деятельности (ВКД) па Марсе с учетом большого положительного орбитального опыта ВКД.
В процессе многолетней эксплуатации долговременных орбитальных станций «Салют», «Мир», международной космической станции (МКС) решение ряда задач требовало выхода космонавтов в открытый космос (см. приложение 1). Непрерывно изучались проблемы ремонта, размещения и использования научной аппаратуры на внешней поверхности станций, и сопрягаемых с ней инструментов, контейнеров, приспособлений пригодных для взаимодействия с оператором в скафандре (СК), разрабатывалось экспериментальное оборудование для проведения тренировок экипажа[83]. Тем самым была обеспечена эффективность и безопасность исследовательской деятельности в открытом космосе в процессе полета, при успешном выполнении всех поставленных в проектах и программах задач.
Проведенные в данной работе исследования ставят своей целью дополнение научно-технической базы деятельности человека в открытом космосе, с учетом специфики условий десантной марсианской экспедиции.
Первым шагом в этом направлении является анализ отличительных планетных условий, разрабатываемых проектов и преемственности существующей математической модели внекорабельной деятельности, разработанной для космонавта в СК под избыточным давлением в состоянии невесомости [5], что позволит осуществить заданный в практике орбитальной ВКД высокий уровень безопасности и эффективности при работе экипажа на поверхности Марса.
Актуальность темы проводимых исследований состоит в обеспечении положений Федеральной космической программы на 2006 - 2015 г. В рамках подраздела "Пилотируемые полеты" предусмотрено проведение мероприятий по «... разработке научно-технического и технологического заделов и отработке ключевых элементов перспективных средств реализации пилотируемых программ, а также разработке базовых средств для реализации пилотируемой экспедиции на Марс» [84].
В сферу обеспечения планетных программ, окажется вовлеченным большое число организаций, предприятий и специалистов, что актуализирует задачу упорядочения знаний и опыта, полученного и сконцентрированною в данной области космической техники.
Моделирование и исследование деятельности десантной группы экипажа на поверхности Марса, как тематическое направление, поддержано положительными заключениями ФГУП ЦНИИМаш, ФГУП «АГАТ», решением проблемного совета №10 РК НТС ФКА от 07.07.04, секции ЖЗ 1ІГС РОСКОСМОСа от 06.07.05, обсуждалось в рабочем порядке со специалистами П1Ц ИМБП РАЇ І в плане совместного продолжения работ по этой теме.
Проблемой данного исследования является отсутствие системы для обеспечения процесса исследований на поверхности Марса, которая позволит реализовать функциональные возможности космонавта в СК иод избыточным давлением на поверхности Марса (далее марсоиавта) вне базового гермообъема. С учетом того факта что, стоимость доставки каждого
килограмма полезного груза на поверхность Марса будет в 50-100 раз больше стоимости доставки той же массы на околоземную орбиту [77], к средствам системы средств ВКД экипажа на поверхности Марса и методам обеспечения процесса исследований марсонавтами уделяется особенное внимание.
Таким образом, возникает необходимость в разработки' единого комплекса требований к проектируемым элементам экспедиции: научной ашіараіуре, оборудованию поддержки высадки, и специальным приспособлениям.
Объект диссертационного исследования - система планетной внекорабельной деятельности, которая предназначена для решения исследовательских и вспомогательных задач. В систему включены: марсонавт, взлетно-посадочный комплекс (ВПК), оборудование поддержки ВКД, научная аппаратура (НА), специальные приспособления (инструментарий), физическая среда и объекты исследования на поверхности Марса.
Предмет исследования - технико-эргономические требования к средствам обеспечения ВКД на поверхности Марса и элементы концепции обеспечения продуктивной работы экипажа.
Цель работы - обоснование и формулирование технико-эргономических требований и предложений для реализации инженерных решений по обеспечению ВКД на поверхности Марса с помощью математических моделей деятельности и перемещений на различном удалении от базы, с учетом эрготсхнических особенностей взаимодействия марсонавта с НА и другим вспомогательным оборудованием вне базового гермообъема.
Me юлы диссертационного исследования. Постановка и решение задачи осуществляется на основе методов системного анализа. При разработке комплекса математических моделей использованы элементы теории управления запасами, целочисленные методы оптимизации, различные методы одномерного поиска, метод ветвей и границ, метод анализа иерархий. Методы математической статистики применялись при обработке экспериментальных данных.
Научная новизна результатов работы состоит в следующем:
разработана модель структуры системы планетной внекорабельной деятельности;
разработан комплекс математических моделей деятельности и перемещений марсонавтов на различном удалении от места посадки (впервые учитывалась конфигурация доминирующих структур рельефа на поверхности Марса);
разработана модель готовности системы планетной ВКД и введен показатель оценки качества деятельности тандема марсонавтов;
сформированы положения концепции применения инверсных элементов в построении взлетно-посадочного комплекса для увеличения расстояния между точками посадки отдельных модулей, обеспечивающих высадку экипажа и возвращение с поверхности планеты (что расширяет границы исследуемою пространства).
Практическая ценность состоит в использовании:
технико-эргономических требований к ВПК, НА, приспособлениям и оборудованию поддержки ВКД для принятия проектно-конструкторских решений;
разработанных методов и предложений по реконструкции и заірузке экспериментальной стендовой базы РКК «Энергия» (стенд «Селен») для обеспечения аванпроектной отработки ВКД;
разработанного программного продукта информационной поддержки для экспериментальною моделирования решения исследовательских задач;
проекта технического задания на разработку мобильного модуля поддержки, полученного по результатам математического моделирования перемещений и элементов концепции группировки средств инструментальной поддержки экипажа в составе экспедиционного комплекса;
5) положений концепции целевого опережения при обучении школьников и студентов как будущих марсонавтов, а именно, в рамках образовательной программы «АСКЕТ» на базе студенческой летающей лаборатории (с учетом фактора «квалификация марсонавта») и как экспериментального полигона для оценки предложений по марсианскому СК, которые изложены в приложении к техническому заданию на космический эксперимент «РадиоСкаф».
Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается при сопоставлении результатов проведенных экспериментов с результатами математического моделирования. А также использованным в диссертации практическим опытом обеспечения ВКД на орбитальных станциях «Мир» и МКС, приобретенным в процессе:
экспериментальной испытательной деятельности в скафандре,
создания и применения специализированных инструментов для
ВКД,
разработки бортовой документации для работ в открытом
космическом пространстве. Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены автором и обсуждены:
на научных чтениях, посвященных разработке творческого наследия К.Э. Циолковского в Калуге [10,13, 14, 15, 19, 21, 22, 24,26,27,30,31, 83, 86];
на международной научно-практической конференции в Алма-Ате [66];
на международных конференциях в Евпатории [23,25, 67];
в ходе конкурса на соискание премии им академика СП. Королева и на XVI научно-технической конференции молодых ученых специалистов [18] в Королеве;
на международных конференциях в Москве [9, 20].
Кроме тезисов и материалов перечисленных конференций, результаты опубликованы в работах [II, 12, 33, 16, 17, 28, 29]. Имеются акты о внедрении результатов работ автора в тематику РКК «Энергия».
На защиту выносятся следующие основные положения работы:
модель структуры системы планетной внекорабельной деятельности, сформированная на основе системного анализа орбитальной ВКД;
комплекс математических моделей деятельности и перемещений марсонавтов;
технико-эргономические требования к системе средств внекорабельной деятельности экипажа на поверхности Марса;
элементы концепции:
группировки средств инструментальной поддержки экипажа в составе экспедиционного комплекса;
применения инверсных элементов в построении взлетно-посадочного комплекса;
применения целевого опережения для фактора «квалификация марсонавта».
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и шести приложений. Работа изложена на 216-ти страницах машинописного текста, содержит 75 рисунков, 34 таблицы, и 95 наименований литературных источников.
Техническая декомпозиция взлетно-посадочного комплекса как базы для деятельности марсонавтов
Взлетно-посадочный комплекс (ВПК) обеспечивает выполнение следующих основных задач десантной экспедиции:
- доставку экипажа на поверхность Марса с околомарсианской орбиты ожидания, где находится межпланетный экспедиционный комплекс (МЭК);
- жизнедеятельность экипажа на поверхность Марса,
- доставку транспортных и технических средств, научной аппаратуры (НА), для проведения исследований на поверхности Марса;
- возвращение экипажа и результатов исследований на межпланетный экспедиционный комплекс.
Наличие экипажа и вся совокупность выполняемых операций и решаемых задач определяет высокий уровень потребной массы взлетно-посадочного комплекса, его значительные габариты.
Рассмотрим существующие требования к ВПК из материалов работы [63]. На этапе посадки на поверхность Марса:
При посадке экипаж размещается во взлетной кабине (является полезной нагрузкой взлетного модуля).
Все двигательные установки взлетно-посадочного комплекса должны использовать одинаковые высококипящие компоненты топлива (АТ+НДМГ, АТ+гидразин).
Системы взлетно-посадочного комплекса обеспечивают управление движением во время аэродинамического торможения в атмосфере с ограничением на максимальную перегрузку ns 4.
На этапе операций на поверхности Марса:
Системы взлетно-посадочного комплекса обеспечивают функционирование научной аппаратуры и деятельность экипажа по проведению программы исследований на поверхности Марса. Взлетный модуль должен обеспечивать возможность экстренно покинуть поверхности планеты.
Взлетно-посадочный комплекс обеспечивает прием, размещение, предварительный анализ до 200 кг образцов грунта и другого полезного груза.
На этапе возвращения взлетной кабины на межпланетный экспедиционный комплекс:
Конструкция взлетно-посадочного комплекса обеспечивает старт взлетного модуля.
Взлетный модуль обеспечивает выведение взлетной кабины с экипажем на орбиту высотой 400 км.
Взлетная кабина обеспечивает сближение и стыковку с межпланетным экспедиционным комплексом.
Элементы взлетно-посадочного комплекса могут быть доставлены на поверхность планеты как в составе одного корабля, так и отдельно, что предполагает две различные концепции, описанные в материалах [63, 64].
В первом варианте ВПК - А в виде единого модуля отсутствует необходимость сближения элементов взлетно-посадочного комплекса на поверхности или перехода экипажа в скафандрах из одного модуля в другой. Данный вариант включает в свой состав следующие основные элементы (рис. 1.9):
взлетный модуль для возвращения экипажа с поверхности Марса на околомарсианскую орбиту ожидания межпланетного экспедиционного комплекса;
жилой модуль, обеспечивающий жизнедеятельность экипажа на поверхности Марса;
шлюзовой отсек, обеспечивающий выход экипажа на поверхность планеты (на рисунке не показан);
аэродинамический контейнер (или аэродинамический экран) 27 силовой корпус, обеспечивающий аэродинамическое торможение в атмосфере и тепловую защиту элементов взлетно-посадочного комплекса (на рисунке не показан);
посадочный модуль с тормозной двигательной установкой, обеспечивающий мягкую посадку на поверхность планеты;
двигательная установка схода с орбиты ожидания у Марса (на рисунке не показана);
полезная нагрузка (марсоход, технические средства и научная аппаратура для проведения исследований).
Концепция ВПК - А на основе одного тяжелого аппарата массой до 70 т (ВПК-70) обеспечивает: выигрыш в массе, компактное размещение всех элементов комплекса, герметичный переход между взлетным и жилым модулями, возможность использования систем жилого модуля в нештатных ситуациях, увеличение радиационной защиты, единые бортовые служебные системы и дополнительные возможности по резервированию. В то же время, эта концепция требует использования РН повышенной грузоподъемности, для выведения на промежуточную геоцентрическую орбиту, отличается сложной компоновочной схемой и усложняет отработку комплекса.
Концепция ВПК - А в виде единого модуля может быть реализована также при использовании ракетоносителя грузоподъемностью 35 т при
условии реализации схемы с дозаправкой и в схеме со сборкой. В схеме с дозаправкой взлетно-посадочного комплекса на орбите Земли осуществляется заправка взлетного модуля и тормозной двигательной установки. В схеме со сборкой взлетно-посадочного комплекса на геоцентрической орбите в первом пуске выводится аппарат без взлетного модуля, жилого модуля и шлюзового отсека. Вторым пуском осуществляется вывод сборки (взлетного модуля, жилого модуля и шлюзового отсека). Оба этих варианта снижают надежность, усложняют конструкцию взлетно-посадочного комплекса и его систем. Таблица 1.2. Проектные характеристики варианта А [79].
Масса перед сходом с орбиты ИСМ 62т
Масса на поверхностиМарса 40т
Масса взлетного модуля -22 т
Масса взлетной кабины -4,3 т
Длительность работы на поверхности Марса 30-60сут.
Системы жизнеобеспечения взлетной кабины обеспечивают жизнедеятельность экипажа из трех человек, в течение трех суток с момента отделения взлетно-посадочного комплекса от межпланетного экспедиционного комплекса до момента посадки, включая период адаптации экипажа к условиям гравитации на поверхности планеты. Система жизнеобеспечения жилого модуля обеспечивает жизнедеятельность на поверхности Марса экипажа из трех человек до 60 суток.
Второй вариант (Концепция ВПК - Б) предполагает разделение на грузовой и пилотируемый блоки. Он ориентируется только на использование ракетоносителя грузоподъемностью 35 т. Этот вариант позволяет упростить конструкцию модулей и, благодаря функциональной специализации и меньшей размерности аппаратов, предоставляет большую гибкость с точки зрения обеспечения потребностей долговременной программы исследования
Марса. Системы жизнеобеспечения взлетной кабины обеспечивают жизнедеятельность экипажа из двух человек, в течение трех суток с момента отделения взлетно-посадочного комплекса от межпланетного экспедиционного комплекса до момента посадки, включая период адаптации экипажа к условиям гравитации на поверхности планеты.
Вместе с тем, данная концепция раздельной посадки комплексов со взлетным и жилым модулями имеет ряд принципиальных недостатков по сравнению с ВПК - А, главные из которых следующие: усложнение требований к системе посадки за счет необходимости "компактной" посадки двух аппаратов, дополнительные "выходы" для перехода из ВПК-35 в ПК-35, необходимость транспортного средства для перемещения между комплексами, необходимость иметь для каждого комплекса шлюз и аналогичные служебные системы (электроснабжения, СТР и т.п.), проигрыш в суммарной массе [63].
Математическая модель готовности и оценки эффективности исследовательской работы марсонавтов
В общем, виде функция готовности определяет вероятность того, что эргатическая система работоспособна в любой случайно выбранный момеш времени t и имеет вид: п r(t)=ZP,(t), (2.1) і = 1 где Г(() - функция готовности, Pj- вероятность нахождения системы в і-ом работоспособном состоянии в момент времени t.
Опираясь на опыт обеспечения орбитальной ВКД, диссертант предлагает впервые применить модель готовности при решении деятельностных задач экипажа. Будем рассматривать систему планетной внекорабелыюй деятельности на поверхности Марса, как состоящую из тандема функциональных блоков [38], соединенных последовательно. При таком соединении отказ любого из них приводит к отказу системы, то есть исследования приостанавливаются до восстановления работоспособности марсонавтов (рис. 2.4).
Марсонавт предполагается одним из двух эквивалентных (взаимозаменяемых) элементов рассматриваемой системы, при том, что каждый имеет одинаковую интенсивность отказов 3. = )-i = )-2 и интенсивность восстановления работоспособности ц — щ — Ці (проведения операций по нештатному обслуживанию систем СК) [25].
Теперь систему можно рассматривать как находящуюся в одном из
четырех возможных состояний в некоторый момент времени t: 0 - состояние системы, в котором оба элемента работоспособны;
1 - состояние системы, когда один элемент работоспособен, а второй восстанавливает работоспособность;
2 - состояние системы, когда второй элемент работоспособен, а первый восстанавливает работоспособность;
3 - состояние системы, в котором оба элемента восстанавливают работоспособность.
Так как для работы системы планетной внекорабельной деятельности необходимы оба марсонавта, то неисправное состояние или состояние простоя определяется попаданием в состояние 1 и 2, поскольку они тождественны. Таким образом, вероятность того, что система находится в состоянии 0 в момент времени t, представляющая функцию готовности системы имеет вид [76]: T(t) = Р0 (t). (2.2)
Возможности самостоятельного восстановления работоспособности оператора в СК ограничены зоной досягаемости (см. 3.2 рис. 3.8). Поэтому при наличии отказов систем СК, за пределами досягаемости активный ремонт (или помощь при падениях и прочих затруднительных для самостоятельного выхода ситуациях), сможет проводить только один марсонавт, и время простоя системы будет складываться из времени непосредственного восстановления работоспособности или ремонта и времени ожидания его начала или помощи. Вероятности перехода системы за период времени At на интервале [t, t +At] рассчитываются следующим образом:
1. Если система находится в состоянии 0 в момент времени t, то она будет оставаться в нем при условии, что в течение отрезка времени [t, t+At] ни один элемент не выйдет из строя. Эта вероятность равна: Р (0) = (1 - Ш)2 = 1 - 2). At + 0(At). (2.3)
2. Если система находится в состоянии 0 в момент времени t, то она может перейти в состояние 1 или 2 при отказе любого из элементов в интервале [t, t+At]. Так как оба элемента имеют одинаковую интенсивность отказов, то эта вероятность складывается из вероятностей того, что первый элемент отказал, а второй - нет или наоборот:
Р (1) = Р (2) = 21 At( 1 - ).At) - 2). At + 0(At). (2.4)
3. Если система находится в состоянии 0 в момент времени t, то она может перейти в состояние 3 за время ft, t +Atf, если оба элемента откажут за это время. Вероятность этого перехода равна: Р (3) = (1 At)2 = 0(At). (2.5)
4. Если система находится в момент времени t в состоянии 1 или 2, то она может возвратиться в состояние 0 за время ft, t +At], если за это время работоспособность восстановится. Вероятность такого перехода равна: P(4) = jiAt. (2.6)
5. Если система находится в состоянии I или 2 в момент времени t, то она может оставаться в нем в течение времени ft, t +At], при условии, что восстановление работоспособности одного марсонавта не заканчивается за это время, а второй марсонавт остается работоспособным. Вероятность такою события равна: Р (5) = (1 - fiAt) (1 - Ш) = 1 - (X + n)At + 0(At). (2.7)
6. Если система находится в состоянии 1 или 2 в момент времени t, то она может перейти в состояние 3 за время, если восстановление работоспособности одного марсонавта не заканчивается за это время, а второй марсонавт остается работоспособным. Вероятность этого события равна: Р (6) = (1 - \iAt) Ш = Ш + 0(At). (2.8)
7. Если система находится в состоянии 3 в момент времени t, то она может возвратиться в состояние 0 за время [t, t +At] при условии, что восстановление работоспособности двух марсоиавтов будет закончено за это время. Вероятность такого перехода равна: Р (7) — ((Д. At) = 0(At). (2.9) 8. Если система находится в состоянии 3 в момент времени t, то она может вернуться в состояние 1 или 2 за время [t, t +At], если восстановление работоспособности одного любого из двух элементов будет закончено за эго время. Однако из-за специфики работы в СК лишь один, из двух марсонавтов сможет эффективно обслуживается при помощи другого в момент t. Поэтому вероятность такого перехода равна Р (8) = \l At. (2.10)
Экспериментальная оценка номенклатуры целевых задач и операций с оптимизацией маршрутов перемещений марсонавта
На основе разработанного иерархического состава операций экипажа на поверхности Марса (1.1) сформирован перечень и характеристики движений марсонавта применительно к целям и задачам исследовательской деятельности на поверхности планеты (таблица 3.2). Поскольку непосредственного опыта организации и обеспечения деятельности экипажа в условиях 0,38 g космонавтика не имеет, то эксперимент по выявлению двигательных задач с последующим моделированием диапазонов подвижности частей СК, позволяющих реализовать эти движения и подтвердить структуру деятельности экипажа на поверхности Марса в виде перечня рабочих операций марсонавта, является важным звеном проводимого исследования. Таблица 3. Целевые операции Двигательные задачи Выход из шлюзового отсека и спуск по трапу на грунт Сгибание коленных суставов на L80См. Рис.3.13, кадры № 4-6Подвижность частей скафандра в хвате (кисти,пальцы рук) Обход и осмотр ВПК Фото-видео регистрация Ходьба по горизонтальной поверхности (ровная, умерено пересеченная) — сгибание тазобедренных суставов на 15 - 30, коленных на 15 - 20, голеностоп 5 -10
Изыскательские операции по сбору образцов в районе посадки Подвижность частей скафандра, особенно в коленных суставах (исследователь должен иметь возможность опускаться хотя бы на одно колено) См. Рис.3.13, кадры К» 7,8
Отбор проб и образцов Наклон верхней части туловища путем сгибания тела в пояснице на 1_80и приседание на корточки См. Рис. 3.13,3.14 кадры №9,10 Укладка образцов в гермокапсулы и гермомешки Сгибание рук — подвижность частей скафандра в локтевых и кистевых суставах См. Рис.3.14, кадр № 13
Прокладка траншеи в мягком или сыпучем грунте Подвижность всех частей скафандра, особенно в коленных суставах
Зачистка камня, заглубление в камень, взятие образца после заглубления до 1 см Подвижность частей скафандра в плечевых, локтевых и кистевых суставах, сгибания тела в пояснице
Установка и эксплуатация комплекта приборов НА Подвижность всех частей скафандра, перенос грузов См. Рис.3.14, кадр № 14
Изыскательские операции по сбору образцов в удаленных районах Перемещения пешком по поверхности различных видов: ровная, умеренно пересеченная, наклонная - ровная, наклонная -пересеченная со склонами до 20-30, сильно пересеченной местности См. Рис.3.14, кадры № 11-12
Эвакуации в ВПК космонавта, а также оказание первой помощи непосредственно в полевых условиях Ходьба различными способами (шаги прямые или приставные) по горизонтальной поверхности, ходьба вдоль и поперек склонов — сгибание в тазобедренных суставах, голеностопе и коленях; перенос грузов, падения и подъем на ноги. См. Рис.3.13, кадр № 1-3
Детальное определение и рассмотрение операций марсонавтов на поверхности планеты, а также состава и облика вспомогательного оборудования, проводилось в непосредственной связи с выявленными задачами деятельности и элементами двигательных операций для ареологических исследований, а также особенностями окружающей среды.
. Подвижность ног, пояса и рук при реализации двигательных
На основе анализа комплекса математических моделей (глава 2), в ходе моделирования предприняты меры (сброс избыточного давления СК и устранение негерметичного короба БРТА) для обеспечения наглядности требуемой подвижности прототипа марсианского СК (рис. 3.15). Для улучшения характеристик прототипа марсианского СК предлагается: - упростить до минимума медицинскую телеметрию из СК (только фиксировать пульс для автоматической выдачи предупреждающего сигнала в СК- ограничение длительности 15 минут физической нагрузки на уровне максимального потребления кислорода), для снижения общей массы систем; - предусмотреть сменный для самостоятельной замены аккумуляторный блок, а также возможность дозаправки СОЖ и подключения к СТР мобильного модуля поддержки. Рис. 3.15. Предлагаемые изменения в концепции марсианского СК. Исследовательская результативность десантной операции во многом будет обусловлена уровнем работоспособности марсонавтов, а конкретно, -уровнем их двигательной активности. Локомоторные характеристики человека определятся его состоянием после длительного пребывания в невесомости в период перелета и теми 119 возможностями, которые предоставит скафандр по кинематике и динамике движений ног и рук. Только достаточно полное представление об уровне работоспособности человека в марсианских условиях позволит планировать его работу и прогнозировать ее результаты. Оценить реакции от действующих на него факторов удается экспериментальным путем, для чего применим метод полунатурного физического моделирования, апробированный при обеспечении внекорабельной деятельности в орбитальных полетах.
Положения концепции группировки средств инструментальной поддержки экипажа в составе экспедиционного комплекса
Техническая декомпозиция межпланетного экспедиционного комплекса во многом определяет схему инструментального обеспечения экипажа планетной экспедиции (см. рис. 4.2). Проектируемый межпланетный экспедиционный комплекс состоит из жилого объема герметично стыкуемых составных частей:
Межпланетного орбитального корабля, в котором живет и работает экипаж в течение всей экспедиции, в котором размещена вся основная аппаратура, обеспечивающая управление полетом, и средства обеспечения жизнедеятельности и радиационное убежище.
Взлетно-посадочного комплекса, на котором часть экипажа садится на планету и возвращается на межпланетный экспедиционный комплекс после окончания работ на поверхности Марса [72]. Независимо от варианта конструктивной схемы, структура взлетно-посадочного комплекса включает следующие основные элементы: посадочный модуль (марсоход); взлетный модуль; жилой модуль (может функционально объединяться со взлетным); полезный груз (научная аппаратура, оборудование поддержки высадки: возвращаемые контейнеры, ареологический модуль, исследовательские приспособления и мобильный модуль поддержки).
Диссертантом предлагается рассматривать объединенную схему инструментального обеспечения экипажа планетной экспедиции включающую весь спектр исследовательских приспособлений и инструментальных средств, предназначенные для технического обслуживания и ремонта (рис.4.2 серым цветом показаны этапы межпланетного перелета).
Этот подход обеспечит функциональную диффузию исследовательских приспособлений с инструментами для ремонтных работ и, как следствие, значительную экономию доставляемой массы.
Система средств внекорабельной деятельности экипажа на поверхности Марса интегрирует:
- объекты обслуживания (выносимые блоки научной аппаратуры, оборудование поддержки выхода, средства фиксации);
- средства предназначенные для исследований, технического обслуживания и парирования расчетных нештатных ситуаций оборудования из любого модуля межпланетного экспедиционного комплекса (исследовательские приспособления, инструментальные ресурсы ремонтного поста). Средства инструментального обеспечения экипажа планетной экспедиции позволяют решать следующие задачи: На этапе орбитального полета: 1 расконсервация блоков научной аппаратуры и средств информационного сопровождения; подготовка к исследовательской деятельности; выполнение работ по поддержанию их исправности и работоспособности; В ходе высадки: подготовительно-заключительные работы по приведению аппаратуры из транспортного положения в рабочее; обслуживание целевой научной аппаратуры; ареологическая разведка (сбор образцов, экспресс-анализ, получение информативных сколов); картографирование, навигация и информационная поддержка; метео- и радиометрический контроль; телевидение и связь с аэрозондами, межпланетным орбитальным кораблем и Землей; При выполнении задач программы научных исследований, в числе других, элементы системы средств внекорабельной деятельности экипажа на поверхности Марса реализуют следующие функции: обеспечение безопасности выполнения рабочих операций и механизированного перемещения марсонавта; взаимопомощь и спасательные мероприятия; парирование расчетных нештатных ситуаций с перечисленным оборудованием; В предлагаемой схеме группировки средств инструментальной поддержки экипажа обеспечить парирование расчетных нештатных ситуаций внутри и вне гермообъема при межпланетном перелете к Марсу и обратно предлагается посредством ремонтного поста из подсистемы межпланетного орбитального корабля (см. рис.4.2). Выполнение ремонтных операций внутри гермообъема в ходе высадки на поверхность Марса возлагается на инструментальный комплект на взлетно-посадочном комплексе и марсоходе. Выполнение ремонтных операций вне гермообъема в ходе высадки на поверхность Марса возлагается на инструменты и исследовательские приспособления, адаптированные к выполнению ремонта и находящиеся в контейнерах ареологического модуля. Диссертантом предлагается рассматривать конструкцию, объединяющую экспресс - лабораторию (для образцов) с сенсорным дисплеем информационной системы, исследовательские приспособления (с адаптацией к функциям технического обслуживания и ремонта на поверхности Марса) как ареологический модуль, по аналогии с подходом, применяемым в техническом обслуживании орбитальных станций [19].
