Трудовая деятельность в безопорном пространстве

Может ли отсутствие тяжести не повредить здоровью человека? Тут необходимо прибегнуть к возбуждению искусственной тяжести.

К.Э. Циолковский

Прошло полвека с тех пор, как человек впервые ощутил состояние микротяжести непосредственно в космическом полёте. В процессе полёта космонавт защищён полётным техническим комплексом или скафандром от вакуума, экстремальных температур, повышенной радиации, микрометеоритов. Необходима также защита от микротяжести, поскольку её длительное отрицательное воздействие сказывается и на организме человека, и на результатах его трудовой деятельности.

Опосредованное воздействие уменьшенной в миллион раз силы тяжести на технологическую деятельность космонавта в первую очередь проявляется в виде феномена безопорного состояния, при котором законы механики не позволяют выполнять работу. Возможности человеческого организма имеют пределы. Поэтому наряду с совершен-

ствованием медико-биологических средств защиты от вредного влияния микротяжести большое внимание уделяется оснащению рабочих мест средствами закрепления космонавта в функционально продуктивной рабочей позе, предотвращающими его бесконтрольный дрейф в пространстве или отделение от обитаемого объекта, то есть средствами фиксации, которые обеспечивают одновременно и безопасность космонавта, особенно при работах вне гермоотсеков.

Каковы же роль и значение фиксации в жизни и работе современного космонавта?

Во-первых, как подтверждает анализ данных о двигательных расстройствах в условиях микротяжести, фиксация является средством ограничения влияния микротяжести на организм человека. Во-вторых, наличие фиксации есть необходимое условие равенства нулю суммы всех взаимодействующих сил и моментов в системе «космонавт — инструмент — объект труда», то есть условие равновесия этой системы, исключающего проявление феномена безопорного состояния.

Как поддерживается работоспособность космонавта в условиях микровесомости? Отсутствие гравитационной нагрузки на костно-мышечный аппарат и снижение тонуса антигравитационных мышц компенсируются с помощью физических упражнений, нагру-

зочного костюма, биоэлектростимуля-ции и фармакологических препаратов. Против снятия гидростатического давления работают физупражнения, нагрузочный костюм, препараты и баро-устройства. Нарушение согласованности работы анализаторов снимают упражнения, костюм, препараты и средства фиксации. А вот эффект безопор-

ного состояния устраняется с помощью только одного средства — фиксации.

Фиксация. Целесообразно рассматривать состояние микротяжести как технологическую среду, а устройства фиксации в качестве приспособлений и оснастки, тесно и неразрывно связанных с технологическим процессом, инструментом и характером выполняемых действий. Объясняется это тем, что ведущей и основной нагрузкой на устройства фиксации являются реакции на рабочие усилия космонавта и/или реакции на взаимодействие инструмента и предмета труда.

Какой же физический смысл вкладывается в термин «фиксация»? Под фиксацией в условиях микротяжести понимается искусственное ограничение числа степеней свободы одного объекта по отношению к другому (базовому) путём наложения связей различной жёсткости. Фиксация космонавта в производственно-оперативной зоне обеспечивает ему стабильность рабочей позы, снимает необходимость

удерживаться руками и освобождает руки для непосредственного выполнения целевых действий, даёт возможность сосредоточить внимание на работе, а не на сохранении положения тела, обеспечивает передачу рабочих и восприятие реактивных усилий и моментов. Надёжная фиксация является залогом безопасной и безаварийной работы космонавта как вне космического объекта, так и внутри него.

Организационно-технологические варианты применения фиксации в практике показаны на схеме в виде своего рода «дерева фиксации», приведённой на рис. 1.

Перемещение. Первостепенный и непременный элемент фиксации — страховочный фал, который во избежание отделения космонавта от борта соединяет его с космическим кораблём. Таким образом была обеспечена безопасность космонавта при первом выходе в открытый космос из корабля «Восход-2» (1965 год), а также при переходе двух космонавтов из корабля «Союз-5» в «Союз-4» по поверхности состыкованных кораблей (1969 год). В обоих этих случаях фал служил также кабелем электропитания.

В дальнейшем лунный скафандр «Кречет-94» (1967 год), а затем и орбитальный скафандр «Орлан-Д» (1977

год) были оснащены страховочным фалом длиной 0,6 м с карабином, который космонавт мог присоединять к поручням на поверхности орбитальной станции. Кроме того, к скафандру был присоединён электрофал длиной 20 м с встроенным в него тросом, что являлось вторым барьером защиты от опасности несанкционированного отделения космонавта от станции. Прокладка 20-метрового фала-кабеля по трассе перехода осуществлялась с использованием фиксаторов-«улиток», установленных с заданным шагом.

При переводе скафандра «Орлан-ДМ» на автономное электропитание (1983 год) он был оснащён уже двумя страховочными фалами длиной по 1 м каждый. Перемещение космонавта вне космического корабля сопровождается скольжением или строго попеременной перецепкой карабинов по поручням, при этом в любой момент времени один из двух карабинов должен оставаться присоединённым к поручню.

Два параллельных поручня на орбитальной станции также являются базовым элементом фиксации и обеспечивают подходы к жизненно важным зонам на внешней поверхности станции. Поручни пригодны не только для перемещения по ним космонавта, но и для установки дополнительных средств фиксации, для экспонирования научной аппаратуры и многого другого.

Стационарная фиксация. В программе Н1-ЛЗ ввиду необходимости сохранения центровки лунного корабля (ЛК) требовалось обеспечить постоянное положение центра масс связки космо-

навт-скафандр в определённой расчётной точке относительно продольной оси и вектора тяги двигателей ЛК при посадке. Для этого была разработана система амортизации и фиксации (САФ) в составе ЛК, а в конструкцию скафандра введён силовой поясной шпангоут с силовыми элементами для подстыковки скафандра к ответным узлам САФ (рис. 2). Такая конструкция позволяла космонавту в скафандре самостоятельно зафиксироваться на рабочем месте, а также переносить перегрузки прилунения.

Фиксация при внекорабельной деятельности. В дальнейшем первоочередное внимание было сосредоточено на создании устройства для самостоятельной и оперативной фиксации космонавта в скафандре на внешней поверхности орбитальной станции. К такому устройству предъявляются жёсткие требования по безопасности, надёжности, удобству и простоте применения, быстродействию как при фиксации, так и при самостоятельном, без помощи другого члена экипажа, освобождении от фиксации, по минимизации вероятности непроизвольной расфиксации.

В результате поисково-конструкторских и экспериментально-испытательных работ в условиях моделирования

микротяжести с участием испытателя, одетого в скафандр «Орлан», было создано механическое устройство для жёсткой фиксации ступней, получившее наименование «Якорь» (1978 год). Устройство содержит пространственно изогнутую скобу с уклоном к её краям, высота которой над поверхностью в средней части равна высоте ботинка, и Г-образные упоры для пяточной части ботинка (рис. 3, а). При фиксации используется характерный для скафандра наддув ботинка и силовой элемент на каблуке. Конфигурация скобы исключает непроизвольную рас-фиксацию обеих ступней одновременно. Устройство «Якорь» не содержит движущихся частей, не подвергается разрушающим нагрузкам, его надёжность приближается к единице. Успех фиксации/расфиксации зависит только от уровня подготовки космонавта.

Таким образом, применение космического «якоря» обеспечивает космонавту возможность реализовать геогравитационный стереотип локомоций с приложением широкого спектра разнохарактерных усилий: тянущих, толкающих, кручения; длительных, импульсных; одной и двумя руками; на разных уровнях относительно плоскости опоры. Именно это позволяет космонавту использовать руки для продуктивного труда.

В процессе экспериментальных исследований устройства «Якорь» в условиях моделированной микротяжести при полёте самолёта по параболе была выявлена возможность принятия и сохранения испытателем наклонной рабочей позы по отношению к исходной с углами наклона в пределах подвижности голеностопных суставов. При этом «аэробалки» ног скафандра могут быть легко деформированы космонавтом, и это состояние поддерживается без сколько-нибудь значительного напряжения мышц. Данный способ фиксации позволил расширить рабочие зоны на 300% относительно условно вертикального положения космонавта (рис. 4).

Специалисты НАСА разработали свой способ фиксации ног и соответствующее конструктивное решение. Но для МКС требовалось устройство, одинаково пригодное для ботинок и российских, и американских скафандров. По согласованию сторон на базе российской конструкции с некоторыми изменениями был разработан используемый на МКС «гибридный» «Якорь» (рис. 5).

Фиксация оператора внутри космической станции в традиционном для него положении «сидя» посредством привязных ремней достаточно удобна, однако применима лишь для ограниченного круга операций. Оснащать все рабочие зоны сиденьями нецелесообразно, во-первых, из-за массо-габаритных характеристик сидений, во-вторых, в силу того, что в условиях микротяжести отсутствует различие в затратах энергии на поддержание поз «стоя» и «сидя», а моторное поле космонавта в положении «стоя» значительно шире.

Одно из устройств для фиксации космонавта внутри космического объекта было разработано на основе применения специальной обуви, снабжённой элементами закрепления. Ответные части устройства фиксации, к которым прикрепляется обувь, могут быть установлены на рабочих местах в различных точках космического объекта. Устройство позволяет занимать и сохранять рабочую позу с наклонами

от продольно-вертикальной оси тела (в пределах подвижности голеносто-па) на пространственный угол до 70...80° и воспринимает реактивные усилия с любых направлений.

Нельзя не отметить, что приспосаб-ливаемость человека оказалась весьма высокой. Космонавт фиксирует себя находчиво, ловко, порой удивительно для нас на Земле, даже не используя специальных средств, а только ближайший поручень.

Фиксация элементов предметной среды является обязательным условием по обеспечению трудовой деятельности и быта космонавтов. Остро стоит вопрос о предотвращении утери инструментов, выносимых за борт, и монтируемых, а также демонтируемых и возвращаемых в гермоотсек приборов и оборудования. Бесконтрольный дрейф предметов может стать причиной травмирования космонавтов и повреждений интерьера и внешней поверхности космического аппарата.

Средства фиксации по физическому принципу прикрепления или удержания объекта, от элементарных до технически непростых, можно классифицировать следующим образом: механические, магнитные, электромагнитные, электростатические, пневматические, адгезионные, термоадгезионные и другие подобные устройства.

Микротяжесть зачастую ставит задачи, решение которых возможно только на уровне изобретений. Например, для предотвращения разлетания стружки при сверлении отверстий разработаны приспособления с наполнителем из вязкой пластмассы на основе каучука; для исключения отделения капли расплавленного припоя от стержня паяльника и минимизации выделения в атмосферу орбитальной станции вредных аэрозолей разработана уникальная конструкция паяльника «Пеликан»;

простота моментального соединения сборочных единиц обеспечивается новым классом магнитосодержащих устройств («Город науки» №72, 2010 г.) и тому подобное по всему производственному и бытовому циклу.

Таким образом, на данном этапе освоения безопорного пространства космонавт может, перефразируя слова Архимеда, заявить: «Дайте мне точку опоры — и я выполню любую работу».

Предполагается, что воспроизведение геогравитационной обстановки позволит исключить неблагоприятное влияние микротяжести на функционирование организма человека в целом и обеспечить локомоторику космонавта в производственно-трудовых и бытовых процессах.

Уже сегодня не будет преждевременным изучение потребности в искусственной тяжести для осуществления полёта к Марсу. Вызывает озабоченность вопрос о работоспособности членов десантной группы экипажа на поверхности Марса после перелёта Земля — Марс. Опираясь на опыт 437-су-точного непрерывного геоорбитального полёта и мнение врача-космонавта В.В. Полякова, можно предположить, что имеющихся в арсенале космической медицины средств и методов противостояния микротяжести может быть достаточно для сохранения марсонав-тами приемлемого уровня работоспособности. Экспериментальное подтверждение этого предположения позволило бы с большей уверенностью прогнозировать положительный результат экспедиции, а также не усложнять марсианский экспедиционный комплекс.

Олег ЦЫГАНКОВ,

главный научный сотрудник РКК

«Энергия», доктор технических наук,

профессор МАИ, академик РАКЦ