О создании системы имитации пониженной гравитации механическими агрегатами

Наземная экспериментальная отработка, испытания, моделирование условий внекорабельной деятельности (ВКД) — факторы, определяющие успех операций ВКД. Для отработки применяется метод полунатурного физического моделирования, при котором система «человек–скафандр», конструкция отсеков и технические средства ВКД представлены в натуре, а микрогравитация моделируется при полёте самолета по параболе, в условиях гидросреды или на стенде механического моделирования микрогравитации [1].

Всего космонавтами Советского союза и России за 60 лет было выполнено 174 выхода в открытый космос. При этом для 35 выходов испытания проводили в условиях моделированной микрогравитации на динамическом стенде «Селен» в РКК «Энергия» (рис. 1):

• •    для 13 выходов проводились испытания оборудования, несовместимого с гидросредой;

• •    для 22 срочных выходов проводилась отработка парирования нештатных ситуаций, когда был дефицит времени на создание и отработку оборудования.

  

  а)

  
  
  

  б)

  
  

в)

Рис. 1. Испытания на динамическом стенде «Селен»: а — подготовка к ВКД-21а; б — подготовка к ВКД-17а; в — сборка фермы «Софора» при подготовке к внекорабельной деятельности в 1991 г. (фотографии из архива РКК «Энергия»)

Кроме того, на стенде «Селен» проводились следующие работы:

• •    моделирование сборки и развёртывания научной аппаратуры;

• •    поисковые задачи и моделирование напланетной деятельности.

Динамический стенд «Селен», являющийся электромеханической системой обезвешивания скафандров космонавтов, был создан РКК «Энергия» в 1960-е гг. для отработки лунной программы

СССР и модернизирован ООО «Центр тренажёростроения и подготовки персонала» (ЦТПП, г. Новочеркасск) в 2013 г. На настоящий момент он выведен из эксплуатации [2].

В настоящее время для отработки операций ВКД космонавтов в ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина» (далее — ЦПК им. Ю.А. Гагарина) для создания микрогравитации в земных условиях используются гидролаборатория, тренажёр «Выход-2» и летающая лаборатория, где микрогравитация моделируется при полёте самолёта по параболе [3].

В соответствии со стратегией российской пилотируемой космонавтики на период до 2035 г. [4], реализацию национальной лунной программы в ближайшее десятилетие целесообразно проводить последовательными этапами, одним из которых является «Луна – экспедиция». Данный этап позволит расширить и нарастить плацдарм российского присутствия на Луне.

Для обеспечения разработки, создания, испытаний, наземной эксплуатации космических средств для перечисленных задач опережающими темпами должны быть созданы экс- периментальные установки и стенды для наземной отработки [5].

В этой связи РКК «Энергия» совместно с ЦТПП создан комплекс «Координата», где с помощью механи- ческих агрегатов имитируется гравитация от 0 до 1g [6].

Изделие «Координата»

Изделие «Координата» представляет собой крупногабаритную электромеханическую систему, состоящую из опорной конструкции в форме параллелепипеда с размещёнными на уровнях 7 и 8,5 м рельсовыми путями, по которым перемещаются два подвижных моста системы обезвешивания скафандров (рис. 2, 3).

Рис. 2. Эскиз изделия «Координата»: 1 — стойка системы имитации визуальной обстановки; 2 — стойка системы управления электроприводами; 3 — IP-камера видеонаблюдения; 4 — стойка активного карданова подвеса скафандра; 5 — стойка системы электропитания; 6 — подвижные мосты системы обезвешивания скафандров 1 и 2; 7 — подвижный мост системы обезвешивания полезного груза; 8 — пульт контроля и управления; 9 — скафандр; 10 — полезный груз; 11 — система активного карданова подвеса; 12 — макет внеземной поверхности; 13 — макет внешней рабочей поверхности модуля российского сегмента (РС) МКС; 14 — макет типовой локальной зоны РС; 15 — система имитации визуальной обстановки; 16 — опорная конструкция (рисунок создан и предоставлен ЦТПП)

а)

б)

в)

Рис. 3. 3D-модели составных частей изделия «Координата»: а — мост продольного перемещения; б — тележка поперечного перемещения с лебёдкой; в — подвес для отработки вертикального перемещения (рисунки созданы и предоставлены ЦТПП)

Движение каждого моста по рельсам обеспечивают два электропривода, расположенные по краям моста, для отрабатывания Y -составляющей горизонтальных перемещений объекта обез-вешивания. Движение каждой тележки по мосту обеспечивают три электропривода для отрабатывания X -составляющей горизонтальных перемещений объекта обезвешивания. Движение лебёдки вертикального перемещения для отрабатывания Z -составляющей обеспечивает один электропривод.

Изделие «Координата» обеспечивает проведение экспериментальной отработки в автоматическом режиме моделирования микрогравитации одновременно для двух операторов в обезвешенных скафандрах, а также отработку перспективных операций напланетной деятельности в режимах моделирования пониженной гравитации Луны, Марса или астероидов [7].

Задачи, которые обеспечивает изделие «Координата»:

• •    проведение экспериментальных исследований в отношении разрабатываемых и перспективных средств ВКД;

• •    выполнение эргономических исследований в части использования оборудования и скафандров для ВКД;

• •    оценка функционирования инструментов и оборудования для ВКД;

• •    отработка навыков выполнения операций ВКД одновременно двумя операторами на внешних поверхностях орбитальной станции (ОС) (рис. 4);

Рис. 4. Отработка навыков выполнения операций вне-корабельной деятельности одновременно двумя операторами (фотография из архива РКК «Энергия»)

• •    отработка методик перемещения, монтажа и демонтажа типовых укладок по внешней поверхности ОС;

• •    отработка навыков строительномонтажных работ и выполнения операций с использованием специального инструмента в режиме моделирования лунной или марсианской гравитации (рис. 5, 6);

Рис. 5. Отработка навыков строительно-монтажных работ в режиме моделирования лунной гравитации [8]

• •    отработка навыков перемещения оператора в режиме моделирования лунной или марсианской гравитации;

• •    подготовка профильных специалистов по обеспечению ВКД.

Отработка действий космонавтов на поверхности Луны

В режиме моделирования лунной гравитации могут быть определены возможности перемещения, выполнения рабочих движений, работы с геологическими инструментами и другим оборудованием.

Наличие макета внеземной поверхности позволит приступить к отработке перспективных операций напланетной деятельности в части:

• •    строительно-монтажных работ по созданию на Луне жилых и научнопроизводственных модулей будущей лунной базы (рис. 5);

• •    перемещения операторов и совместного выполнения работ с использованием полезных грузов и разнообразных инструментов в условиях моделированной гравитации Луны;

• •    отработки навыков взятия проб грунта, поиска полезных лунных ископаемых и других научно-геологических исследований (рис. 6);

  

  а)                                      б)                                      в)

  Рис. 6. Отработка действий космонавтов на поверхности Луны: а — отработка навыков взятия проб грунта; б — отработка навыков выполнения работ с использованием полезных грузов; в — отработка навыков перемещения оператора (фотографии из архива РКК «Энергия»)

  
  

  В декабре 2016 г. при участии лётчика-космонавта А.Ю. Калери, лётчика-космонавта А.Ф. Полещука, космонавта-испытателя М.В. Серова и специалистов отдела ВКД РКК «Энергия» совместно со специалистами ЦТПП на комплексе «Координата» в Донском филиале Центра тренажёростроения (г. Новочеркасск) были проведены эксперименты по оценке возможности отработки на комплексе «Координата» операций ВКД космонавтов и перспективных операций напланетной деятельности.

Проведённые эксперименты подтвердили на практике соответствие комплекса «Координата» требованиям технического задания на составную часть опытно-конструкторской работы «Координата» в части проведения практических занятий одновременно с двумя космонавтами по подготовке и отработке ВКД при моделировании их перемещений по внешней поверхности МКС и работе с полезными грузами [9], а также в части проведения практических занятий с космонавтами по отработке перспективных перемещений космонавтов по поверхности планет с заданным коэффициентом моделируемой пониженной гравитации [8].

Моделирование пониженной гравитации механическими агрегатами

Моделирование пониженной гравитации с помощью электромеханической системы обезвешивания происходит за счёт поддержания усилия в подвесе, равного разности веса человека в скафандре и требуемого моделируемого усилия на опору в зависимости от варианта имитации гравитации: при лунной, марсианской гравитации или микрогравитации (рис. 7).

Моделирование динамики поведения объектов обезвешивания электромеханическими агрегатами возможно в двух режимах: в режиме автоматического обезвешивания и ручном режиме управления с пульта управления или со стоек управления электроприводами.

В автоматическом режиме задействованы датчики двух типов: первый контролирует вес объекта, а второй — отклонение троса от вертикали (рис. 8).

На Земле как на Луне

На Земле как на орбите, в невесомости

На Луне ^л=1’6м/с2

На Марсе gM = 3,7 м/с2

Поддержание усилия в подвесе

Р--2050Н

На Земле как на Марсе

Поддержание усилия в подвесе

Р =-1525 Н

Усилие в подвесе Р=-2450Н

Масса снаряжённого в скафандр человека т = 250 кг

Масса снаряжённого в скафандр человека т = 250 кг

Масса снаряжённого в скафандр человека т = 250 кг

Масса снаряжённого в скафандр человека т = 250 кг

Масса снаряжённого в скафандр человека т = 250 кг

на Луне = 400Н

на Марсе = 925Н

на Земле = 2450Н

на Земле

= 245011

на Земле

= 2450Н

Рис. 7. Схема моделирования лунной, марсианской гравитации или микрогравитации на орбите (рисунок создан авторами)

/ '—--57г^ейству1ощии Импул“Х^!^ /

Мост горизонтального перемещения с тележкой и лебёдкой

Мотор-редуктор /\ для отработки     / \

У-составляющей      |   | горизонтальных Л  |   |   |\ перемещений /М М М объекта \           у обезвешивания ч | Г и

Мотор-редуктор для отработки

У-составляющей горизонтальных перемещений объекта обезвешивания

Космонавт в скафандре общей массой т - 250 кг способен развить усилие для перемещения своего тела f - 1 000 Н в течение 0,5с. По формуле F = та находим ускорение а = 1000/250 = 4 м/с².

За время действия этого усилия, электромоторы приводов Х-, У-, и Z- составляющих отрабатывают значения этого ускорения, разложенные на орты прямоугольной системы координат.

После окончания действия импульса силы достигнутая скорость составляет V-a t-4 0,5-2 м/с.

Данную скорость электроприводы сохраняют до очередного воздействия или до наезда на концевые выключатели

Комплект троса от вертикали датчиков усилия в подвесе и отклонения

Система управления электроприводами

Х-,У- и /составляющих динамического перемещения объекта обезвешивания в трёхмерном пространстве

Тележка с мотор-редукторами для отработки Х-составляющей горизонтального перемещения • с лебёдкой вертикального перемещения по оси Z объекта обезвешивания

/ Объект обезвешивания -космонавт в вентилируемом скафандре

Рис. 8. Схема моделирования динамики поведения объектов обезвешивания электромеханическими агрегатами: M ′ _X, M ″ _X — крутящие моменты первого и второго мотор-редукторов для отрабатывания перемещений по оси X; M ′ _Y, M ″ _Y — крутящие моменты первого и второго мотор-редукторов для отрабатывания перемещений по оси Y; M_Z — крутящий момент для отрабатывания перемещений по оси Z (рисунок создан авторами)

Изменение значений датчика усилия в подвесе, совместно с датчиком отклонения троса и акселерационным датчиком, позволяет определить величину и направление применённой силы воздействия на обезвешенный скафандр с оператором. Это позволяет программному обеспечению рассчитать необходимый импульс воздействия и выдать соответствующие команды на электроприводы подвижного моста, тележки и лебёдки для учёта движения обезвешенного скафандра в заданном режиме моделирования микрогравитации или пониженной гравитации. Программное обеспечение при выполнении расчётов учитывает суммарную массу конструкций и навесного оборудования подвижного моста, тележки, механизма вертикального перемещения с подвесом, оператора в обезвешенном скафандре, что позволяет компенсировать силу тяжести в вертикальном направлении и силы трения, возникающие в колёсных парах при движении подвижных мостов и тележек в горизонтальном направлении.

Также в системе задействованы концевые выключатели, ограничивающие движение моста по рельсам и тележки по мосту в крайних положениях.

Система обезвешивания скафандров обеспечивает работу подвижных мостов в автоматическом режиме «мягкого» взаимодействия, принцип действия которого заключается в том, что при сближении мостов происходит перераспределение их импульсов, и оба моста начинают двигаться как единый мост в направлении движения подвижного моста с большей разницей импульсов. При этом не происходит остановка моделирования, а выполняется взаимный учёт влияния перемещения мостов. Подвижные тележки и механизм вертикального перемещения продолжают функционировать в режиме автоматического моделирования микрогравитации или пониженной гравитации с учётом импульсов движения, полученных от подвижных мостов. Размещение подвижных мостов на разных уровнях обеспечивает минимальное расстояние между точками подвеса обезвешенных скафандров, что позволяет операторам в обезвешенных скафандрах выполнять совместные работы в режиме моделирования микрогравитации или пониженной гравитации.

Перемещение мостов, тележек и работа лебёдок обеспечивается электроприводами. Сигналы, поступающие от акселерационных датчиков и датчиков отклонения троса, через оборудование комплекса устройств сопряжения с объектом поступают в вычислительную систему комплекса «Координата» и систему управления электроприводами.

На основе полученной информации выполняется моделирование, и электроприводам даётся указание выполнить соответствующее смещение мостов, тележек и функционирование лебёдок с целью обеспечить для скафандров режимы микрогравитации или пониженной гравитации Луны, Марса, астероидов (рис. 9).

Составные части изделия «Координата»

Помимо вышеописанного изделие «Координата» включает в себя следующие подсистемы:

• •    систему активного карданова подвеса скафандра (АКПС), которая обеспечивает активно управляемое электроприводами вращение по тангажу и пассивное — по курсу в автоматическом режиме моделирования микрогравитации и пониженной гравитации (рис. 10);

• •    пульт контроля и управления, который включает в себя автоматизированные рабочие места инструктора, инженера и врача (рис. 11);

• •    систему имитации визуальной обстановки, которая совместно со специализированными макетами локальных зон ОС создаёт эффект дополненной реальности, обеспечивающий для операторов при работе на стенде визуальные картины, имитирующие на экранной плоскости, попадающей в зрительную зону операторов, внешний вид объектов (орбитальных модулей), которые могли бы находиться перед его взором в реальной обстановке (рис. 12) [10];

  

  Рис. 9. Схема контура управления электроприводами (ЭП) системы обезвешивания стенда: {М, ῳ } – параметры управления приводом, функции момента и угловой скорости; F – прикладываемое импульсно усилие внешнего воздействия; Gk – коэффициент усилия в подвесе, моделирующий гравитацию; {kg, kp, kd} – параметры пропорционально-интегрально-дифференцирующего регулятора; Ua, Ub, Uc – напряжение, подающееся на электропривод (рисунок создан авторами)

  
  
  

  Рис. 10. Система активного карданова подвеса скафандра (фотография предоставлена ЦТПП)

  
  
  

  Рис. 13. Система видеонаблюдения (фотография предоставлена ЦТПП)

  
  

• •    систему видеонаблюдения, которая позволяет проводить видеозапись и контролировать процесс испытаний (рис. 13).