Устройство автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе
Устройство автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе, состоящее из сублимационного теплообменника, насоса для перекачки охлаждающей воды, датчика температуры воды на входе костюма водяного охлаждения, включающее чувствительные датчики измерения концентрации углекислого газа на входе и выходе патрона поглотителя СО2, датчик расхода газа и микроЭВМ, которая по показаниям этих датчиков вычисляет текущее значение энерготрат космонавта, в соответствии с разработанной программой определяет необходимый уровень температуры воды в костюме водяного охлаждения и подает сигналы на установленные в охлаждаемой и байпасной линиях специальные электромагнитные клапаны, периодическое открытие и закрытие которых обеспечивает автоматическое регулирование температуры воды в костюме водяного охлаждения. Использование устройства автоматического регулирования температуры в костюме водяного охлаждения повышает комфорт пребывания космонавта в скафандре, уменьшает количество его действий с органами управления скафандра при входе в космос и повышает безопасность.
Данная полезная модель относится к космическим скафандрам, обеспечивающим жизнедеятельность и работоспособность космонавтов при выходе в открытый космос.
Известен применяемый на международной космической станции (МКС) скафандр для работы в открытом космосе «Орлан-М» (И.П.Абрамов, М.Н.Дудник, В.И.Сверщек, Г.И.Северин, А.И.Скуг, А.Ю.Стоклицкий. Космические скафандры России. Москва, ОАО «НПП «Звезда», 2005г.)
Скафандр имеет в своем составе автономную систему обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), включающую в себя комплекс подсистем, в том числе систему терморегулирования (СТР).
СТР скафандра состоит из двух контуров: вентиляционного контура и контура водяного охлаждения космонавта.
Вентиляционный контур включает в себя патрон-поглотитель выделяемого человеком углекислого газа, вентилятор для приведения в движение вентилирующего газа в скафандре и охлаждающий газ сублимационный теплообменник.
Основное охлаждение космонавта осуществляется с помощью контура водяного охлаждения.
Контур состоит из одеваемого космонавтом костюма водяного охлаждения (КВО), в трубках которого циркулирует охлажденная вода, насоса для приведения воды в движение и охлаждающего воду сублимационного теплообменника.
В сублимационном теплообменнике циркулирующая вода и газ вентиляционного контура охлаждаются за счет сублимации воды, поступающей из дополнительной емкости, в окружающий космический вакуум. Сублимация происходит при температуре около 0°С, что обеспечивает достаточно глубокое (около 5°С) охлаждение воды после теплообменника.
В процессе работы в открытом космосе космонавт меняет уровень физической активности (тяжелая работа, средняя работа, легкая работа, отдых). В соответствии с этим меняются энерготраты космонавта и, следовательно, его тепловыделения.
Для того, чтобы теплосъем с тела космонавта посредством КВО соответствовал его тепловыделениям, необходимо регулировать температуру воды в КВО.
Для обеспечения возможности регулирования температуры воды водяной контур разделен на две линии потока: охлаждаемая линия, в которой поток воды проходит через сублимационный теплообменник, и байпасная линия, в которой поток не проходит через теплообменник и остается теплой.
В скафандре - прототипе «Орлан-М» терморегулирование осуществляется космонавтом вручную.
По собственным теплоощущениям космонавт с помощью трехходового крана «Тепло-Холод» вручную изменяет расходы воды в указанных выше линиях и таким образом устанавливает температуру воды в КВО, чтобы обеспечить тепловой комфорт.
Недостатками этой СТР - прототипа являются:
- наличие сложного и громоздкого ручного крана «Тепло-Холод» в существующих скафандрах;
- возникновение дополнительных физических нагрузок космонавту для управления краном «Тепло-Холод» в скафандре под избыточным давлением;
- необходимость специального обучения космонавта по отработке режимов терморегулирования;
- возможные перегрев или переохлаждение космонавтов при выполнении внекорабельной деятельности, так как регулирование по теплоощущениям часто сопровождается ошибками, например такими, как запаздывание переключений крана «Тепло-Холод»;
- отвлечение внимания космонавта на управление СТР при выполнении внекорабельной деятельности в процессе выхода в космос;
Задачей изобретения является создание устройства автоматического регулирования температуры в скафандре.
Поставленная техническая задача решается устройством автоматического регулирования температуры в скафандре, состоящим из контура водяного охлаждения, включающего теплообменник, насос для перекачки охлаждающей воды, костюм водяного охлаждения с датчиком температуры на входе в костюм, и вентиляционного контура, включающего поглотитель углекислого газа, теплообменник для охлаждения газа, вентилятор для создания расхода газа, датчики измерения концентрации углекислого газа на входе и выходе поглотителя СО 2, датчик расхода газа, в которое предложено встроить:
- специальные электромагнитные клапаны, управляющие подачей охлаждающей воды в костюм водяного охлаждения, в контур водяного охлаждения;
- микроЭВМ, принимающую сигналы, поступающие с датчиков содержания СО2 и датчика расхода газа, с последующей обработкой полученной информации на основе специальной программы и передачей сигналов на электромагнитные клапаны, управляющие подачей охлаждающей воды в костюм водяного охлаждения.
На фиг.1 представлено заявляемое устройство, включающее: вентиляционый контур скафандра 1, костюм водяного охлаждения КВО 2, вентилятор 3, электромагнитные клапаны (ЭМК) 4, 5, патрон-поглотитель СО2 6, датчики содержания СО2 7, 8, теплообменник - сублиматор 9, микроЭВМ 10, охлаждаемую линию теплообменника 11, линию байпаса 12, насос 13, датчик температуры 14, датчик расхода газа 15, контур водяного охлаждения 16.
Устройство работает следующим образом.
Тепло, выделяемое человеком, отводится в основном контуре водяного охлаждения 16, в котором имеется КВО 2. Охлаждение воды осуществляется с помощью теплообменника-сублиматора 9, где за счет фазового превращения (сублимации воды в вакуум окружающего космического пространства) происходит отвод тепла.
Вода в контуре водяного охлаждения после теплообменника-сублиматора 9 имеет температуру около 5°С. КВО 2, одетый на человека, за счет контакта охлаждающих трубок с поверхностью тела может обеспечивать теплосъем до 500 Вт.
Каждому уровню энерготрат ставится в соответствие интервал автоматически регулируемых температур ТвхКВО.
Устройство автоматического регулирования температуры в скафандре обеспечивает регулирование режимов охлаждения с помощью микроЭВМ 10, в которую поступает текущая информация о параметрах с датчиков содержания СО 2 7, 8 и датчика расхода газа 15.
МикроЭВМ 10 в соответствии с программой, выдает сигналы на открытие-закрытие электромагнитных клапанов (ЭМК) 4, 5, установленных в линии теплообменника 11 и линии байпаса 12.
Основное регулирование осуществляется при открытии-закрытии клапана 5 в охлаждаемой линии теплообменника 11. Большую часть времени клапан 4 в линии байпаса 12 находится в открытом состоянии.
При увеличении начальных энерготрат выше исходного уровня, которому соответствовала температура воды ТвхКВО0, клапан 5 охлаждаемой линии теплообменника, который до этого момента был закрыт, открывается, и в гидросистему скафандра начинает поступать вода, охлаждаемая в теплообменнике 9.
Когда температура воды ТвхКВО понижается до уровня, соответствующего текущему уровню энерготрат, клапан 5 закрывается, обеспечивая необходимое равновесие.
В случае дальнейшего повышения уровня энерготрат клапан 5 снова открывается и происходит дальнейшее понижение температуры воды ТвхКВО и т.д.
При понижении уровня энерготрат, когда космонавт переходит к более легкой работе или отдыху, клапан 5 закрывается и остается в закрытом состоянии до тех пор, пока температура воды Т вхКВО не увеличивается до расчетного уровня, требующего понижения температуры, то есть открытия клапана 5.
В случае необходимости понижения температуры ТвхКВО до минимального уровня, обеспечиваемого теплообменником 9, предусматривается, кроме открытия клапана 5, кратковременное закрытие нормально открытого клапана 4 линии байпаса.
В этом случае также достигается максимальная скорость понижения температуры, которая не может быть получена только за счет включения клапана 5 линии теплообменника.
Таким образом, решается задача создания устройства автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе с таким конструктивным выполнением, которое позволяет повысить комфорт пребывания космонавта в скафандре, уменьшить количество его действий с органами управления скафандра при выходе в открытый космос и повысить безопасность.
1. Устройство автоматического регулирования температуры в скафандре для работы в открытом космосе, состоящее из контура водяного охлаждения, включающего теплообменник, насос для перекачки охлаждающей воды, костюм водяного охлаждения с датчиком температуры на входе в костюм, и вентиляционного контура, включающего поглотитель углекислого газа, теплообменник для охлаждения газа, вентилятор для создания расхода газа, отличающееся тем, что в конструкцию устройства введена микроЭВМ, которая обрабатывает сигналы, поступающие с установленных в вентиляционном контуре датчика расхода газа и датчиков СО2 на входе и выходе патрона-поглотителя, рассчитывает величину энерготрат космонавта, определяет необходимый уровень температуры воды в костюме водяного охлаждения и передает управляющие сигналы на исполнительные механизмы, автоматически регулирующие температуру воды на входе в костюм водяного охлаждения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в составе исполнительных механизмов устройства автоматического регулирования температуры в скафандре использованы специальные электромагнитные клапаны, открывающие и закрывающие потоки воды в охлаждаемой и байпасной линиях по сигналам, поступающим с микроЭВМ.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что программой управления и конструкцией исполнительных механизмов устройства автоматического регулирования температуры в скафандре предусмотрено ускоренное понижение температуры воды на входе в костюм водяного охлаждения до предельно низкого значения в случае резкого возрастания энерготрат космонавта.
