Костюм механического противодавления: история и современные разработки.

Введение

Космический костюм, обеспечивающий механическое давление с использованием эластичных одежд.

Костюм механического противодавления (MCP), костюм частичного давления, костюм прямого сжатия или костюм для внекосмической деятельности (SAS) – это экспериментальный космический костюм, который оказывает стабильное давление на кожу посредством плотно облегающих эластичных одежд. В отличие от традиционного скафандра, SAS не надувается: он использует механическое давление, а не давление воздуха, для сжатия человеческого тела в условиях низкого давления. Разработка началась в НАСА и ВВС в конце 1950-х годов и возобновилась в конце 1960-х, однако ни один из проектов не был реализован. В Массачусетском технологическом институте (MIT) ведутся исследования системы "Биокостюм", основанной на оригинальной концепции SAS.

Предыстория

Человеческое тело может непродолжительное время выдерживать воздействие жесткого вакуума космоса без защиты. Это подтверждено различными происшествиями в условиях очень большой высоты, в открытом космосе и в тренировочных вакуумных камерах.

Охлаждение

Охлаждение астронавта с помощью SAS обычно достигается за счет испарения телесных выделений (пота), которые выделяются из скафандра во всех направлениях. Вода, соли и белки могут откладываться на оптике и других чувствительных поверхностях, вызывая повреждения или ухудшение их характеристик. Это может снизить эффективность SAS. В надувных скафандрах, использовавшихся в космических шаттлах, на Международной космической станции и в программе «Аполлон», охлаждение обеспечивалось в Первичной системе жизнеобеспечения путем сублимации воды в вакууме.

Мауч

В 1959 году Ханс Маух работал над «дышащим» бельем для космического скафандра Mercury, когда ему пришла в голову идея создания конструкции механического противодавления. Команда Мауха заметила, что пеноматериалы с закрытыми порами, удерживающие газ в своей структуре, расширяются при понижении внешнего давления. Удерживая пену в нерастягивающемся внешнем слое, можно было создать возрастающее давление на тело по мере снижения внешнего давления. Это, казалось, позволяло разработать конструкцию, обеспечивающую гораздо большую подвижность, чем почти жесткая конструкция Mercury. В конце 1959 года Mauch Laboratories получила контракт от ВВС США на разработку рабочего образца в рамках секретной программы ВВС X-20 Dynasoar. Программа продолжалась до 1962 года, в течение которого к ней присоединилось НАСА. Скафандр был построен из слоя пены, зажатого между двумя слоями ткани: внутренний слой прилегал к коже (или белью) пользователя для обеспечения механической поддержки, а внешний – для удержания. Отдельный, громоздкий шлем обеспечивал давление и дыхательные газы. Как и белье, которое Мауч разрабатывал для Mercury, терморегуляция обеспечивалась прямым испарением пота через ткань. Получившийся скафандр был примерно таким же громоздким, как и оригинальная конструкция Mercury, не считая большого шлема. Для тестирования различных конструкторских концепций был заключен дополнительный контракт. В период с 1968 по 1971 год было построено десять конструкций, постепенно усложнявшихся, что в конечном итоге привело к серии успешных испытаний в вакуумных камерах. Самое длительное испытание продолжалось два часа сорок пять минут. Испытания были успешными: практическая целесообразность скафандра механического противодавления была убедительно продемонстрирована. Энергия, необходимая для передвижения, была значительно меньше, чем у традиционных конструкций, что стало существенным улучшением для длительных выходов в открытый космос. Испытания на прочность показали, что до квадратного миллиметра кожи может быть непосредственно подвергнут вакууму в течение длительного времени без каких-либо необратимых последствий. Аналогичный прокол в традиционном скафандре привел бы к потере давления и дыхательного воздуха. Он весил вдвое меньше основного скафандра, который носили астронавты НАСА во время проекта «Аполлон», A7L. Также возник ряд проблем, в основном связанных с поддержанием плотного механического контакта скафандра с телом в каждой точке. Вогнутости или небольшие складки в ткани могли приводить к скоплению жидкости в зазорах; область паха оказалось чрезвычайно сложной для успешного изготовления. Для решения этой проблемы в большинство проблемных мест вставлялись небольшие подушечки из полиуретановой пены. Скафандры должны были изготавливаться индивидуально, хотя это относилось ко всем космическим скафандрам той эпохи. Самая большая трудность заключалась в надевании и снятии скафандра. Чтобы обеспечить минимальное давление, необходимое для нормальной физиологии человека, скафандр должен был плотно прилегать, что делало надевание и снятие очень утомительной задачей. В 1971 году Уэбб вместе с Джеймсом Ф. Эннисом опубликовали свои результаты в отчете. Отчет оставался положительным, и исследователи считали, что дальнейшие улучшения возможны. Приводя отрывок из отчета:

In 1959 Hans Mauch was working on "breathable" undergarments for the Mercury space suit when he came up with the idea of a way to build a mechanical counterpressure design. The Mauch team noticed that closed cell foams, which trap gas within their structure, expand when outside pressure is lowered. By containing the foam within a non expanding outer layer, it would place increasing pressure on the body as the pressure lowered. This appeared to allow for a design that would offer far better mobility than the almost rigid Mercury design. Late in 1959 Mauch Laboratories was granted a contract by the US Air Force to develop a working model, as part of the Air Force's secret X 20 Dynasoar efforts. The program ran until 1962, during which time NASA had joined the effort. The suit was built with a layer of foam sandwiched between two layers of fabric, the inner against the wearer's skin (or undergarments) to provide mechanical support, and the outer providing containment. A separate, and bulky, helmet provided pressure and breathing gases. Like the undergarments that Mauch was developing for Mercury, thermal control was provided by direct sweat transpiration through the fabric. The resulting suit was about as bulky as the original Mercury design, excluding the large helmet. Further work was contracted in order to test various design concepts. Between 1968 and 1971 ten designs of increasing sophistication were built, leading eventually to a series of successful tests in vacuum chambers. The longest test was two hours and forty five minutes. The tests were successful: the practicality of a mechanical counter pressure spacesuit was demonstrated conclusively. The energy needed to move about was considerably less than conventional designs, which was a major improvement for long duration spacewalks. Tests of punctures showed that up to a square millimeter of skin could be directly exposed to vacuum for extended periods with no permanent effect. A similar puncture in a conventional suit would result in a loss of pressure and breathing air. It weighed half as much as the primary pressure suit worn by NASA astronauts for Project Apollo, the A7L. A number of problems also turned up, primarily related to the problem of keeping the suit in strong mechanical contact at every point on the body. Concavities or small folds in the fabric could lead to fluid pooling in the gaps; the groin area proved extremely difficult to tailor successfully. To correct this, small pads of polyurethane foam were inserted into concavities and were successful in most problem areas. The suits had to be tailored to each individual, although the same was true of all space suits of the era. The largest difficulty was donning and removing the suit. In order to effectively provide the minimum pressure of necessary for human physiology, the suit had to be extremely tight fitting, making donning and doffing a highly strenuous task. In 1971, Webb, along with James F. Annis, published their findings in a report. The report remained positive, and the researchers felt that further improvements were possible. Quoting the Report:

Первоначальная конструкция SAS была основана на двух новых тканях: тип «powernet» (или «корректирующее белье») для областей с высоким напряжением и эластичное бобинетное плетение для областей с низким напряжением. Оба материала были изготовлены на основе прочной эластичной нити основы и гораздо менее эластичной нити утка для формирования сетки. Термины «основа» и «уток» используются здесь в широком смысле, поскольку материал не был соткан традиционными способами. Powernet использовал спандексную нить в качестве основы и нейлоновую нить в качестве утка, обеспечивая движение в основном по оси основы. Bobinet использовал хлопчатобумажную обмотку резины в качестве основы и нейлоновую или дакроновую нить в качестве утка и был гибким в обоих направлениях. Хлопчатобумажная обмотка ограничивала максимальное растяжение до 200% от первоначальной длины. Избыточное давление, которое мог создать бобинет, составляло около туловища, наибольшего объема, и до более мелких кривых радиуса на запястьях и лодыжках. Powernet мог создавать около даже на туловище. Для нормального дыхания требуется минимум. Для контроля общего механического давления вокруг тела использовались несколько слоев и заплаты из двух материалов. Начиная с кожи, использовался «скользящий слой» из легкого powernet, чтобы позволить внешним слоям скользить по коже, не стесняя движения. Под этим слоем на различные вогнутости тела накладывались несколько подушечек из пены, чтобы поддерживать их контакт со скафандром. Над этим находился баллон противодавления, являющийся частью дыхательной системы. Над ним находилось до шести дополнительных слоев powernet на туловище с бобинетными рукавами и ногами или все бобинетные костюмы, покрывающие только туловище. Костюм надевался как обычный комбинезон с большой молнией спереди и дополнительными шнурками в некоторых местах для лучшего прилегания. Молнии на разных слоях были смещены. Система положительного давления дыхания состояла из трех основных частей: герметичного шлема, дыхательного баллона и системы резервуаров в рюкзаке. Баллон и шлем были соединены для перекачки воздуха из баллона на туловище при вдохе пользователя, уменьшая давление на грудь пользователя. Шлем крепился с помощью неэластичной одежды из ткани Nomex, которая обертывалась вокруг груди и под руками, а также эластичными слоями над и под ним.

The original SAS design was based on two new fabrics: a type of "powernet" (or "girdle fabric") for high tension areas, and an elastic bobbinet weave for lower tension areas. Both were based on a heavy elastic warp thread with a much less elastic weft thread to form a netting. The terms warp and weft are used loosely here, as the material was not woven using traditional means. Powernet used Spandex cord as the warp with nylon cord as the weft, allowing movement primarily along the warp axis. Bobbinet used cotton wrapped rubber warp and nylon or Dacron weft, and was flexible in both directions. The cotton wrapping limited the maximum stretch to 200% of the rest length. The amount of over pressure bobbinet could create was about over the torso, the largest volume, and up to over smaller radius curves on the wrist and ankles. Powernet could produce about even on the torso. A minimum of is needed for normal breathing. Multiple layers and patches of the two materials were used to control the overall mechanical pressure around the body. Starting at the skin, a "slip layer" of light powernet was used to allow the outer layers to slide over the skin without binding. Under this layer a number of foam pads were placed on various concavities on the body to keep them in contact with the suit. On top of this was the counter pressure bladder, part of the breathing system. On top of this were up to six additional layers of powernet over the trunk with bobbinet arms and legs, or all bobbinet garments covering the trunk only. The garments were put on like a normal bodysuit with a large zipper closing the front, with additional drawstrings at some points to help close the garment. Zippers on alternating layers were offset. The positive pressure breathing system consisted of three main portions: the pressurized helmet, the breathing bladder, and the tankage system in a backpack. The bladder and helmet were connected together to pump air out of the bladder and over the torso when the user breathed in, reducing the amount of pressure on the user's chest. The helmet was secured by means of a non elastic garment of Nomex cloth which wrapped around the chest and under the arms, and by the elastic layers above and below it.

Био-костюм МИТ

Биокостюм – экспериментальный скафандр для космической деятельности, разрабатываемый в Массачусетском технологическом институте под руководством профессора Давы Ньюман при поддержке Института передовых концепций НАСА. По концепции схожий с SAS, BioSuit применяет достижения в области инженерии и измерений для создания упрощенной версии конструкции SAS. Ньюман провела обширные исследования в области биомеханики, особенно в сфере компьютерного измерения человеческих движений. Как и в случае с газонаполненными скафандрами, Ньюман использовала принцип "линий нерасширения" – концепцию, предложенную Артуром Ибералом еще в конце 1940-х годов – для размещения элементов натяжения вдоль линий тела, где кожа не растягивается при большинстве нормальных движений. Основная структура BioSuit создается путем размещения эластичных шнуров вдоль линий нерасширения. Таким образом, давление, которое они оказывают, остается постоянным даже при движении пользователя. Это позволяет контролировать механическое противодействие, создаваемое скафандром. Остальная часть скафандра изготавливается из спандекса, расположенного между основными шнурами давления. К 2005 году команда BioSuit создала как минимум три прототипа нижней части ноги из различных материалов, включая нейлоновый спандекс, эластик и уретановый пеноматериал. В одном из экспериментальных вариантов между шнурами использовалась кевларовая ткань для областей с ограниченным расширением. Был изготовлен как минимум один полноразмерный скафандр для Ньюман, который она использовала для фотосессий; неизвестно, соответствует ли он тем же стандартам противодействия, для которых разрабатывались прототипы нижней части ноги. Каждый скафандр изготавливается индивидуально для пользователя, но сложность этой задачи снижается благодаря использованию лазерного сканирования всего тела. В результате получается однослойная версия SAS, которая легче и гибче оригинала, обеспечивая более естественные движения и снижая энергозатраты на них. Различные части BioSuit стабильно достигают , и команда в настоящее время стремится к . Поскольку создание механического противодействия для мелких суставов, таких как суставы рук, оказалось сложной задачей, базовая конструкция BioSuit использует газонаполненные перчатки и ботинки, а также газонаполненный шлем. Более поздний вариант биокостюма использует катушки из сплава с памятью формы (SMA), активируемые нагревом. В этом варианте скафандр изначально свободно надевается на тело. При подключении силового модуля пружинообразные катушки в скафандре сжимаются, плотно облегая тело. Конструкция катушек была подробно описана в статье, опубликованной в журнале IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. По состоянию на 2008 год сообщалось, что BioSuit потенциально может быть готов к использованию в миссиях на Марс в ближайшем будущем. С 2019 года был добавлен еще один усовершенствованный элемент – трубы из бора с нуклеацией, которые могут защитить пользователя скафандра от радиации в космосе и на поверхностях Луны и Марса. По словам Кэти Льюис из Национального музея авиации и космонавтики, "это может быть не следующий скафандр, но он войдет в число последующих", что указывает на то, что разработка продолжается и ориентирована на будущие миссии на Луну и Марс.

The Bio Suit is an experimental space activity suit under construction at the Massachusetts Institute of Technology at the direction of professor Dava Newman, with support from the NASA Institute for Advanced Concepts. Similar to the SAS in concept, the BioSuit applies advances in engineering and measurement to produce a simplified version of the SAS design. Newman has worked extensively in biomechanics, especially in the field of computerized measurement of human movement. As with gas filled suits, Newman has used the principle of "lines of non extension", a concept originated by Arthur Iberall in work dating back to the late 1940s, to place the tension elements along lines of the body where the skin does not stretch during most normal movements. The primary structure of the BioSuit is built by placing elastic cords along the lines of non extension. Thus, whatever pressure they provide will be constant even as the wearer moves. In this way, they can control the mechanical counter pressure the suit applies. The rest of the suit is then built up from spandex lying between the primary pressure cords. As of 2005, the Bio Suit team had constructed at least three lower leg prototypes using different materials, including nylon spandex, elastic, and urethane painted foam. In one experimental design, kevlar fabric was used between cords for areas where the expansion was limited. At least one full body suit has been constructed for Newman, which she has worn for numerous photo ops; it is unknown if the entire suit meets the same counter pressure standards that the lower leg prototypes were designed for. Each suit has to be custom tailored for the wearer, but the complexity of this task is reduced through the use of whole body laser scans. The result is a one layer version of the SAS; it is lighter than the original and more flexible, allowing more natural motion and decreasing the energy cost of motion. Versions of portions of the BioSuit have consistently reached , and the team is currently aiming for As mechanical counter pressure has proven difficult for small joints such as those in the hands, the BioSuit baseline design uses gas filled gloves and boots, in addition to a gas filled helmet. A later variant of the biosuit employs heat activated shape memory alloy (SMA) coils. In this design the suit fits loosely on the body when initially donned. When a power module is attached, the spring like coils in the suit contract to form fit the suit to the body. The design of the coil was further defined in an article in the journal IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics. As of 2008, the Biosuit reportedly had the potential to be ready for use in Mars missions in the near future. As of 2019, an additional improvement has been made with the addition of nucleated boron tubes, which can shield the wearer of the suit from the radiation present in space and on the surfaces of the Moon and Mars. According to Cathy Lewis of the National Air and Space Museum, "It may not be the next suit, but it will be one of the subsequent suits", indicating that development remains active and focused on future Moon and Mars missions.

В художественной литературе

Писатели, включая Дэна Симмонса, Стивена Бакстера, Ларри Нивена, и Спайдера и Жанну Робинсон, использовали костюмы для внекосмической деятельности в своих произведениях. Потенциал для большей мобильности и простоты эксплуатации костюма для внекосмической деятельности делает его привлекательным выбором для художественной литературы, где гибкость применения может способствовать развитию сюжета. Эстетические качества облегающего, гладкого костюма для внекосмической деятельности также контрастируют с традиционным представлением о жестких скафандрах, напоминающих водолазные костюмы, придавая костюмам футуристический вид. Большинство аниме с футуристической тематикой включают в себя облегающие космические костюмы (с заметным исключением Planetes и, в меньшей степени, франшизы Gundam). В трилогии о Марсе Кима Стэнли Робинсона костюм, похожий на этот, называется "вокер" и предназначен исключительно для использования в марсианской среде. В четвертой книге серии "Прыгун" Стивена Гоулда разработка механического костюма с противодавлением является ключевым элементом основного сюжета.