Персональний транспорт космонавта, Публікації, Навколо Світу
На малюнку зображено прототип автономної установки переміщення астронавта, що випробовувалась на американській орбітальній станції «Скайлеб» (1973-1974). Незважаючи на те, що «ранець» міг одягатися поверх скафандра, астронавти випробували установку тільки всередині герметичних обсягів величезної станції.
1. «Ранець» із системою управління 2. Рукоятки ручного управління рухом та орієнтацією 3. Сферичний балон зі стисненим азотом
Людина завжди хотіла літати як птах. Але, піднявшись на орбіту, він змушений повзати, чіпляючись за поверхню космічних апаратів… якщо тільки він не має спеціального пристрою для автономного пересування в космосі
Перший пристрій для переміщення у космосі, створений американцями. HHMU нагадувала ручну зброю, була простою, але незручною і не отримала подальшого розвитку.
1. Два сопла руху вперед 2. Одне сопло руху назад 3. Пістолетна рукоятка 4. Балони зі стисненим газом 5. Система життєзабезпечення 6. Фотоапарат
Космонавт повільно переміщається поверхнею космічної станції, вже підбирається до місця несправності, але за кілька метрів до мети виявляє, що ланцюжок, що з'єднує його зі шлюзом, занадто короткий. На хвилину забарившись, він відстібає від пояса карабін з ланцюжком, щоб закріпити його на найближчій скобі. У цей момент, мимоволі рвонувшись за інструментом, що вислизнув з рук, космонавт відокремлюється від станції і, безладно обертаючись, летить у космічну прірву. Невже загибель? Але в рухах космолітника немає і тіні паніки. Взявши в руки пару пристроїв, схожих на пістолети, він кудись цілиться в порожнечу і натискає «спускові гачки». З сопел беззвучно виривається стиснене повітря, іреактивна сила у повній відповідності до законів механіки повертає людину до станції. Менш ніж за хвилину, вміло маніпулюючи «пістолетами», космонавт причалює та приступає до ремонту, заради якого й вибрався у порожнечу.
Приблизно так малювалася піонерам космонавтики картина роботи людини у відкритому космосі.
Перший у світі реальний пристрій для вільного переміщення в космосі, створений за американською програмою «Джеміні», був виконаний за схемою «реактивного пістолета». Воно мало назву HHMU (HandHelded Maneuvering Unit, «ручний пристрій маневрування»), працювало на стиснутому кисні і застосовувалося під час виходу у відкритий космос астронавта корабля «Джеміні-4» Едварда Уайта. Такий пістолет, звичайно, давав більшу свободу пересування, ніж страхувальний фал, що пов'язує з кораблем, але при цьому, як мінімум, одна рука астронавта була зайнята.
Років 30-40 тому здавалося, що до епохи індустріального освоєння космосу рукою подати. А для складально-монтажних та ремонтних робіт на навколоземних орбітах, звичайно, знадобилися б пристрої індивідуального пересування у відкритому просторі. На жаль, для таких завдань реактивні пістолети виявилися непридатними, причому головним чином через низьку точність, оскільки керувалися вручну і на око. Пристрій для переміщення космонавта-монтажника повинен забезпечувати надійну орієнтацію у просторі, точне пересування з точки в точку, комфортні умови роботи та більшу автономність дії.
«Реактивна підкова»
Вже на початку 1960-х було відомо, що людині набагато простіше керувати лінійними швидкостями та переміщеннями, ніж обертальними рухами. Тому система орієнтації пристрою повинна бути хоча б частково автоматизованою та обмежувати кутові швидкості таприскорення. Наприклад, було визначено, що двигун орієнтації в жодному разі не повинен дозволяти космонавту обертатися швидше, ніж зі швидкістю 40-50 градусів за секунду. Бажано також, щоб система точно визначала свої координати або хоча б відстань та орієнтацію щодо мети руху та місця, куди треба повернутися. Завжди повинен зберігатися зв'язок з космічним кораблем або Землею, і все це повинно забезпечуватися протягом декількох годин автономної роботи. Якщо спиратися на елементну базу 1960-х років, то вимальовувався агрегат масою сотні, якщо не тисячі кілограмів. Щоб укластися в розумні обмеження по масі, конструкторам доводилося шукати компроміс між ручним та автоматичним керуванням.
Таким компромісом був радянський устрій переміщення та маневрування космонавта (УПМК), який розроблявся спочатку для кораблів «Схід», а згодом, у 1965–1966 роках, за програмою військових станцій «Алмаз». Установка у формі підкови ніби обіймала космонавта у скафандрі. Переміщення забезпечувалося двома блоками — розгінним та гальмівним, кожен із 42 порохових двигунів. Спрацювання одного двигуна розганяло космонавта на 20 сантиметрів за секунду. Уздовж сучасної стометрової Міжнародної космічної станції (МКС) з такою швидкістю можна було б пролетіти приблизно за 10 хвилин. Рухатися повільніше було невигідно, швидше — небезпечно і марнотратно. І розгонні, і гальмівні двигуни розміщувалися так, щоб вектор тяги проходив через центр ваги, не викликаючи розворотів космонавта. Система орієнтації складалася з 14 мініатюрних сопел, які працювали на стислому повітрі, і керувалася «джойстиком» на підлокітнику підкови, причому автоматика обмежувала швидкість розвороту.
Маса УПМК становила 90 кілограмів, а разом із пілотом у скафандрі.250 кілограмів. Акумулятори забезпечували до чотирьох годин автономної роботи у відкритому космосі. А запасу палива, якби повністю витратити його на прискорення в одному напрямку, вистачило б для розгону до швидкості 32 м/с. Цей параметр у космонавтиці називають характеристичною швидкістю пристрою. Застосування твердого ракетного палива та стисненого повітря спрощувало експлуатацію та підвищувало безпеку УПМК. На жаль, випробувати пристрій на орбіті радянським космонавтам не вдалося.
Маневреність апарату визначається запасом палива та швидкістю його закінчення із сопла. Швидкість залежить від температури газу та ступеня розширення сопла. Висока температура згоряння рідкого або твердого палива забезпечує швидкість 2-3 км/с. З балона стиснене повітря через сопло тече втричі - п'ять разів повільніше, і для розгону газу потрібно стільки ж разів більше. І все-таки для маневрів поблизу станції переважно користуються стислим повітрям. Головне тут — надійність та безпека використання, швидкості потрібні невеликі, і при переході на ракетне паливо виграш у масі робочого тіла втрачається через збільшення маси та складність рухової установки та обладнання для її обслуговування. Для автомобіля запас палива визначає шлях, який він зможе проїхати. У космосі ж від палива залежить не шлях, а сумарна зміна швидкості, якої можна досягти, витративши весь запас. Навіть велику відстань можна подолати з мінімальними запасами палива, якщо зменшити швидкість. Але надмірно зволікати за бортом станції не дають інші обмеження: ресурс життєзабезпечення скафандра та висока вартість робіт у відкритому космосі.
Радянський пристрій переміщення та маневрування космонавта 21КС був справжнім космічним кораблем у мініатюрі та призначавсядля «будівельних робіт» у космосі.
1. Ранець із запасом стиснутого газу та системою управління 2. Сопла бічного усунення 3. Підлокотники з рукоятками управління, що відгинаються.
Осідлати космічний ранець
Техніка сорокарічної давності не дозволяла втілити у компактному пристрої весь набір необхідних функцій. Багато космонавту доводилося робити вручну, покладаючись на свій вестибулярний апарат та окомір. У 1980-х роках апаратура стала мініатюрнішою та легшою. Крім того, резерв маси для розміщення додаткових приладів збільшився за рахунок зниження вимог до характеристичної швидкості, адже масштабне космічне будівництво, що очікувалося, так і не почалося. Призначенням КПК (пристрою пересування космонавта) тепер бачилося обстеження супутників, які потребують ремонту, і навіть інспекція стану зовнішніх систем орбітальних станцій. Для цих обмежених завдань повної автоматизації процесу управління не потрібно. Проте було створено досить складні КПК, що дозволили розвантажити космонавта багатьох рутинних операцій. Пілот тепер лише подавав команди «джойстиками», а з якою швидкістю рухатися, скільки і яких двигунів задіяти, вирішували вже автоматичні системи.
Зоряний дайвінг
Ловці супутників
Вітчизняний пристрій був аналогом не менш досконалого американського «космічного мотоцикла» MMU (Manned Maneuvering Unit, «маневруючий блок, що пілотується»). При схожій з 21КС конструкції він мав дещо меншу характеристику і був на 30 кілограмів легше. У двох алюмінієвих балонах, посилених кевларом, містилося шість кілограмів азоту (він і викидався із сопел, наводячи систему в рух). На відміну від радянської системи 21КС MMU застосовувався для вирішення практичних завдань. У1984-1985 роках з його допомогою астронавти зняли з орбіти кілька телекомунікаційних супутників, які через неполадки не вийшли на розрахункові орбіти. Зокрема, Джозеф Аллен та Дейл Гарднер «піймали» відповідно супутники Westar VI та Palapa B2. У вантажному відсіку шатла "Челленджер" їх відправили на Землю. Але, незважаючи на успіх програми MMU, катастрофа "Челленджера" поставила на ній хрест. Застосування шатлів для повернення навіть дуже дорогих супутників було визнано надто ризикованим. Та й вартість пілотованих польотів настільки велика, що найчастіше дешевше запустити новий апарат, ніж посилати до живого ремонтника, що зламався.
Так що на пристрої пересування поки що покладаються обмежені завдання. Наприклад, порятунок космонавта при випадковому віддаленні станції під час виходу у відкритий космос. український пристрій порятунку космонавта (УСК) кріпиться ззаду до скафандру «Орлан-М» та живиться від батарей. Воно забезпечує прохід через люк діаметром 0,8 метра і приводиться в дію перемикачем, розміщеним на пульті керування скафандра. У напівавтоматичному режимі система забезпечує стабілізацію космонавта за трьома осями з точністю 5 градусів, а також дозволяє вручну керувати поворотами навколо однієї обраної осі. Є і режим прямого управління, коли космонавт сам парирує всі кутові збурення. І, звичайно, в обох режимах можна довільно змінювати лінійну швидкість. У американців схоже УСК, зване SAFER (Simplifi ed Aid for EVA Rescue, або спрощене пристрій для порятунку космонавта при позакорабельній діяльності), застосовувалося вже більш ніж у 100 виходах у відкритий космос.