XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Чудо техники – скафандр
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение.
Летом я побывал в музее пилотируемой космонавтики с.Архипо-Осиповка Краснодарского края. Я познакомился с историей отечественной космонавтики, начиная с первого полёта и до наших дней. В этом музее насчитывается более тысячи экспонатов, в том числе и из Центра подготовки космонавтов имени Ю.Гагарина. Выбор места неслучаен, здесь проходят послеполётную реабилитацию космонавты.
Но больше всего меня заинтересовали скафандры космонавтов, побывавших в космосе. Я удивился, как изменились отечественные скафандры за эти годы. Как они помогают космонавтам работать и выходить в открытый космос? Какие характеристики имеют современные скафандры?
Поэтому я решил найти ответы на все эти вопросы в своей исследовательской работе «Чудо техники - скафандр».
1.1. Цель, задачи и методы исследования.
Я поставил цель исследования: проанализировать сходства и различия космических скафандров (на примере скафандров Ю.Гагарина, А.Леонова и современного скафандра «Орлан»).
Задачи исследования:
1. Выяснить виды и функции скафандров в Музее космонавтики и в «Московском планетарии».
2. Исследовать техническую характеристику скафандров в Музее космонавтики г.Москва.
3. Обобщить и систематизировать собранный материал, представить его в виде таблицы, отражающей свойства скафандров.
Объект исследования – скафандры космонавтов.
Предмет исследования: характеристика российских скафандров.
Основные формы и методы исследовательской работы:
- экскурсии и наблюдения в Музеях космонавтики г.Москва и с.Архипо-Осиповка Краснодарского края;
- интервью с научными сотрудниками музеев;
- выставка в «Московском планетарии» «Космонавтом быть хочу!»;
- изучение научной литературы в Областной научной библиотеке г.Белгорода.
1.2. Гипотеза исследования.
Гипотеза исследования: предполагаю, что скафандры, как специальное снаряжение космонавта, имеют разные технические свойства и выполняют разные функции для исследования в космосе.
2.1. В Областной научной библиотеке г.Белгорода.
В начале своего исследования в Областной научной библиотеке г.Белгорода с помощью научного работника Петренко Н. Н. я выяснил значение научных терминов:
Скафандр - это индивидуальное герметическое снаряжение (оболочка, шлем, перчатки, ботинки) водолаза, космонавта, лётчика, обеспечивающее жизнедеятельность и работоспособность в условиях, отличающихся от нормальных.
Космический скафандр - это сложный комплекс специализированной одежды и различных устройств, надеваемых на человека для защиты от неблагоприятных для него факторов космического полета и внешней среды.
В библиотеке на выставке, посвящённой Дню космонавтики, я узнал, что ещё в 1775 году французский аббат-математик Жан-Батист де Ла Шапель первым использовал слово «скафандр» для обозначения костюма из пробки, который бы позволял солдатам пересекать реки.
А первый скафандр был испытан лётчиком Вилли Постом в США в 1934 году.
В СССР с 1936 года высотные скафандры стали проектироваться в институте имени Жуковского (ЦАГИ) под руководством молодых инженеров А. И. Бойко (конструкция оболочки скафандра), А. И. Хромушкина (разработка системы жизнеобеспечения для скафандров) и Н. Г. Усачёва (испытания в барокамере и отработка комплекта оборудования для системы жизнеобеспечения и скафандра на борту самолёта).
2.2. В Московском планетарии.
В Московском планетарии я познакомился с видами космических скафандров.
1. Спасательные скафандры служат для защиты космонавтов в случае разгерметизации кабины.
2. Скафандры для работы в открытом космосе на поверхности космического корабля или вблизи его.
3. Скафандры для работы на поверхности небесных тел.
2.3. В Музее Космонавтики г.Москва.
Своё исследование я продолжилв Музее Космонавтики г.Москва. Мне повезло встретиться с научными сотрудниками музея и популяризаторами космонавтики П. Гайдуком и Г. Лисициным. В ходе экскурсии они помогли мне исследовать техническую характеристику трёх скафандров: скафандр СК-1 Юрия Гагарина, скафандр «Беркут» Алексея Леонова и скафандр «Орлан.
Технические характеристики скафандра Юрия Гагарина СК-1.
СК-1 (скафандр космический-1) — первый в мире космический скафандр, который был разработан в 1960 году на основе авиационного скафандра «Воркута», для полётов первых космонавтов на космических кораблях серии «Восток». В скафандрах СК-1 совершили свои полёты советские космонавты: Юрий Гагарин, Герман Титов, Андриян Николаев, Павел Попович, Валерий Быковский в 1961-1963 годах.
Скафандр был призван максимально обезопасить космонавта от возможных проблем на всех этапах полёта в космос и обратно. Среди таких ситуаций могли быть разгерметизация кабины летательного корабля, аварийные ситуации при спуске на Землю.
Масса скафандра — 20 кг.
Давление в скафандре при разгерметизации кабины — 270—300 Гпа.
Время поддержания жизнедеятельности человека: в загерметизированной кабине в течение 12 суток; при разгерметизации кабины — 5 часов и в течение 25 минут при снижении спускаемого аппарата; при пребывании в холодной воде в течение 12 часов (вне лодки) и в течение 3 суток после приземления или при нахождении в лодке при температуре до −15 градусов.
Технические характеристики скафандра «Беркут» Алексея Леонова.
Скафандр «Беркут» был разработан в СССР в 1964—1965 годах и предназначался для обеспечения безопасного выхода человека в открытый космос и спасения при разгерметизации космического корабля. Для полётов в космос скафандр применялся один раз — в ходе полёта космического корабля «Восход». В «Беркуты» были одеты командир корабля Павел Беляев и пилот Алексей Леонов. 18 марта 1965 года Леонов в скафандре «Беркут» впервые в истории вышел в открытый космос. Вне космического корабля он находился 12 минут 9 секунд.
Масса скафандра — 20 кг. Масса ранца — 21,5 кг.
Давление в скафандре — 400 Гпа с возможностью снижения до 270 Гпа.
Время работы: при разгерметизации кабины - 4 часа; при внекорабельной деятельности —45 мин.
Запас кислорода в трех-четырехлитровых баллонах составлял 2700л.
2.4. Отличия скафандра «СК-1» Гагарина от скафандра «Беркут» Леонова.
Я определил отличия двух скафандров Ю.Гагарина и А.Леонова:
- для большей безопасности для выхода в открытый космос в скафандре «Беркут» были применены две гермооболочки. Вторая оболочка была резервной и включалась в работу при повреждении основной наружной гермооболочки;
- верхняя одежда скафандра для выхода в космос является наружным защитным слоем, предохраняющим скафандр от возможных механических повреждений при выходе в открытый космос;
- страховка космонавта в открытом космосе обеспечивалась специальным фалом длиной 7 м, в состав которого входило стальной трос, шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода для передачи на борт корабля результатов медицинских и технических измерений;
- в автономном варианте система жизнеобеспечения, источники питания (электроэнергия) размещаются в наспинном ранце, и космонавт может перемещаться относительно корабля в любом направлении.
По данной характеристике двух скафандров я сделал вывод: почему скафандр «Беркут» Алексея Леонова был более совершенен, чем скафандр Гагарина:
1. Наличие двух гермооболочек. Вторая оболочка была резервной и включалась в работу при повреждении основной наружной гермооболочки. Это достигалось путём установки на резервную оболочку второго регулятора давления.
2. Экранно-вакуумная термоизоляция. Она представляла собой несколько слоёв металлизированной ткани и работала как сосуды Дьюара. Благодаря этому теплообмена между космонавтом и окружающим пространством практически не было.
3. Режим рабочего избыточного давления 400 гПа. Режим 270 гПа являлся резервным, и переход на него допускался в аварийной ситуации и на непродолжительное время, чем, собственно, и воспользовался А.Леонов во время обратного входа в шлюз.
2.5. Технические характеристики скафандра «Орлан».
Но учёные-инженеры СССР создали новый универсальный скафандр «Орлан» и впервые применили его в открытом космосе в 1977 году на орбитальной станции «Салют-6», где проводили научно-исследовательские и технические работы.
За это время космонавты 42 двух экипажей совершили в скафандрах «Орлан» 143 выхода в космос и отработали более 700 часов, доказав всему миру, что наши скафандры – самые удобные и самые надёжные.
Скафандр «Орлан» за 48 лет претерпел несколько модификаций и усовершенствований.
Технические характеристики первого скафандра «Орлан-Д».
Разрабатывался с 1969 по 1977 годы. Использовался на орбитальной станции «Салют-6» и на орбитальной станции «Салют-7» с 1977 по 1984 годы.
Рабочее давление: 40 кПа.
Масса: 73,5 кг.
Время автономности: 5 часов.
Технические характеристики самого современного
скафандра «Орлан-МКС».
Рост космонавта должен быть от 165 до 190 см.
Его основная цель: использование на МКС. Работа в открытом космосе с 2016 года.
Рабочее давление: 40 кПа.
Газовый состав атмосферы: кислород.
Масса: 110 кг.
Время автономности: 7 часов.
Гарантированное количество выходов в открытый космос: до 20.
Срок эксплуатации: 5 лет.
2.6. Отличия скафандра «Орлан» от других скафандров.
По данной характеристике скафандров «Орлан» можно сделать вывод, что они более совершенны, чем другие скафандры из-за ряда особенностей:
1. Полужёсткая конструкция: корпус и шлем выполнены из алюминиевого сплава в виде единого жёсткого корпуса — кирасы, оболочки рук и ног изготовлены из мягких материалов.
2. Две гермооболочки: одна основная, другая — резервная. Если одна из них выходит из строя, автоматически подключается вторая.
3. Автономная система обеспечения жизнедеятельности в ранце скафандра, которая позволяет космонавту работать на протяжении длительного времени в космическом пространстве.
4. Аварийная система жизнеобеспечения в случае разгерметизации, которая способна поддерживать внутри скафандра необходимое давление в течение 30 минут.
5. Универсальность: скафандры подгоняют по росту космонавта прямо на орбите, в то время как «Беркуты» изготавливались по индивидуальным размерам.
6. Замена резиновой оболочки на полиуретановую — это увеличило срок использования скафандров с четырёх до пяти лет, а количество выходов в открытый космос — с 15 до 20.
2.7. Особенности нового скафандра «Орлан-МКС» №6.
На Международную космическую станцию 2 марта 2025 года корабль «Прогресс МС-30» доставил новейший скафандр «Орлан-МКС» №6. Это первая модель, оснащённая современной системой климат-контроля и полностью отечественным ЖК-дисплеем для мониторинга всех параметров жизнеобеспечения.
Орлан-МКС» №6 оснащён инновационной герметичной оболочкой из специального материала, способного выдержать экстремальные космические температуры от -150°C до +120°C. Система автоматической терморегуляции скафандра функционирует как климат-контроль, поддерживая комфортную температуру для космонавта за счёт регулировки температуры воды в системе охлаждения.
Главная особенность новой модели — отечественный ЖК-дисплей, отображающий все важные параметры: температуру, давление, герметичность и заряд систем. Надевать скафандр стало проще — космонавты заходят через специальный люк сзади, как в мини-подлодку.
«Орлан» обладает высокой надёжностью и обеспечивает защиту от экстремальных температур и радиации, а также поддерживает жизнедеятельность человека в условиях вакуума, что делает его незаменимым инструментом для работы в открытом космосе.
2.8. Назначение скафандров.
Таким образом, на основе технических характеристик скафандров, можно сделать вывод об их функциях:
1.Защита от космического вакуума. Скафандр поддерживает стабильное давление внутри (от 270 до 340 мм ртутного столба), создавая безопасную среду для жизнедеятельности космонавта.
2. Защита от экстремальных температур. Скафандр оснащён системой терморегулирования, которая включает костюм водяного охлаждения с системой трубок, циркулирующих возле кожи, и автоматическим климат-контролем.
3. Радиационная защита. Скафандр защищает от ультрафиолетового и электромагнитного излучения, предотвращая серьёзные ожоги незащищённой кожи.
4. Защита от микрометеоритов. Наружный слой скафандра изготавливается из огнестойких материалов и специальных тканей, способных защитить от столкновений с такими высокоскоростными частицами.
5. Системы жизнеобеспечения. Скафандр снабжает космонавта кислородом и удаляет углекислый газ.
3. Результаты практической работы.
В результате своей исследовательской работы «Чудо техники - скафандр» я подтвердил свою гипотезу о том, что наши скафандры имеют разные технические свойства. Но я выяснил, что в основном, у них одно назначение: обеспечить безопасное пребывание и работу космонавтов в открытом космосе.
Я составил сравнительную таблицу эволюции скафандров «Орлан» в СССР и в России (Приложение).
Вывод из данной таблицы: скафандры «Орлан» отличаются по эксплуатации, по весу, по времени работы в открытом космосе.
Но последняя модель «Орлана МКС» №6 отличается от других скафандров по конструкции, системе жизнеобеспечения и эксплуатации, имеет отечественный ЖК-дисплей. На нём отображаются все важные параметры: температура, давление, герметичность и заряд систем. У скафандра МКС №6 есть система автоматической терморегуляции. Она поддерживает комфортную температуру для космонавта за счёт регулировки температуры воды в системе охлаждения. Этот скафандр более усовершенствован. Таким образом, длительная работа в открытом космосе становится более комфортной и безопасной для наших космонавтов.
4. Список научной литературы.
1. Абрамов И.П., Северин Г.И., Стоклицкий А.Ю. Скафандры и системы для работы в открытом космос». – Москва: издательство «Машиностроение», 1984.
2. Абрамов И.П. Космические скафандры России. – Москва, издательство «Знание», 2005.
3. Алексеев С.М. Космические скафандры вчера, сегодня, завтра. – Москва: издательство «Звезда», 1987.
4. Климентов В.Л., Сигорская Ю. А. Вперёд, в космос! Открытия и достижения» — Москва: издательство «Речь», 2021.
5. Монвиж-Монтвид А.И. Первый полёт в космос. – Москва: издательство «Аванта», 2020.
6. Цыганков О.С, Пятидесятилетие внекорабельной деятельности. Журнал «Космическая техника и технологии». – Москва, 2015.
3. Результаты практической работы. Таблица эволюции скафандров «Орлан» в СССР и в России
-
Модель скафандра
Орлан-Д
(Длительность)
Орлан-ДМ (Модернизированный)
Орлан-ДМА
(Автономный)
Орлан-М (модернизированный)
Орлан-МК (модернизированный, компьютер)
«Орлан-МКС» №6
(миниатюрный космический корабль)
Эксплуатация
Салют-6, 1977-1979 годы; Салют-7, 1982-1984 годы
Салют-7, Мир,
1985-1988 годы
Мир, 1988-1997 годы
Мир, 1997-2000; МКС, 2001-2009 годы
МКС, с 2009 года -настоящее время
МКС, с 2025 года
Назначение
обеспечение безопасного пребывания и работы космонавта в открытом космосе
работа в открытом космосе;
обеспечивает защиту от экстремальных температур и радиации, а также поддерживает жизнедеятельность человека в условиях вакуума
Масса
73,5 кг
88 кг
105 кг
112 кг
120 кг
114 кг
Материал, из которого сделан корпус
из алюминиевого сплава
из алюминиевого сплава
из алюминиевого сплава
из алюминиевого сплава толщиной
1,2 мм
из алюминиевого сплава (дюралюминия)
из полиуретановой оболочки
Время автономности
5 часов
6 часов
7 часов
7 часов
7-8 часов
до 10 часов
ЖК дисплей
имеется
Система автоматической терморегуляции
имеется
имеется