На заре космонавтики для проверки стойкости человека к перегрузкам планировали использовать карусели. Потом стало ясно, что профессиональные центрифуги — дело серьезное и аттракционами тут не обойтись. В итоге аппаратами для« самой садистской»(выражение Джона Гленна) части космической подготовки занялась тяжелая промышленность.
Жар и вакуум Центрифуга ЦФ-18 введена в строй в 1981 году. Машина способна развивать перегрузки до 30 единиц при максимальном градиенте 5 g/c. Конструкцией предусмотрено вакуумирование кабины до 20 мм рт. ст., варьирование температуры от +5 до +55°С, а также изменение газового состава атмосферы кабины. При испытаниях используется три типа кресел – штатные (фирмы Asea), космические кресла «Казбек-УН» и кресла, применяемые в истребителях ВВС РФ.
Олег Макаров
Центрифуга ЦФ-18 в Центре подготовки космонавтов им. Гагарина — настоящий гигант. Находиться рядом сней в абсолютно пустом круглом зале жутковато — размеры подавляют. А ведь кабина центрифуги способна вместить максимум двух испытуемых, зачем же нужно вместе с ними крутить 305 т металла?
«Дело прежде всего в длинном плече аппарата, — рассказывает Вениамин Швецов, начальник отделения центрифуги ЦФ-18. — На радиусе вращения более 16 м доля влияния кориолисова ускорения на вестибулярный аппарат становится незначительной, и человек уже не замечает, что его крутят, ему кажется, что он летит по прямой. Отсутствие ощущения вращения дает возможность представить перегрузки в наиболее чистом виде — так, как они ощущались бы при линейном движении корабля».
Центрифуга ЦФ-18 введена в строй в 1981 году. Машина способна развивать перегрузки до 30 единиц при максимальном градиенте 5 g/c. Конструкцией предусмотрено вакуумирование кабины до 20 мм рт. ст., варьирование температуры от +5 до +55°С, а также изменение газового состава атмосферы кабины. При испытаниях используется три типа кресел — штатные (фирмы Asea), космические кресла «Казбек-УН» и кресла, применяемые в истребителях ВВС РФ.
Строительство центрифуги с плечом (в виде трубчатой фермы) длиной 18 м потребовало специальных промышленных технологий. Самым интересным узлом аппарата можно без преувеличения назвать огромный опорно-направляющий подшипник скольжения, на котором плечо ЦФ-18 вращается почти бесшумно. «Этот подшипник — настоящее произведение искусства, — рассказывает Швецов. — Фактически центрифуга поставлена на закрытую емкость, в которую с помощью роторных насосов поддавливается масло. При старте центрифуга поднимается на высоту масляной пленки — всего 40 мкм, но этого микроскопического слоя хватает, чтобы обеспечить плавное вращение на высоких скоростях, да еще в весьма экономичном режиме».
Шведская механика
Когда в 1971 году было составлено техзадание на строительство новой большой центрифуги для Звездного городка, стало ясно, что для отечественной промышленности создать такую машину будет непросто. Во‑первых, для этого пришлось бы на значительное время остановить два-три авиазавода. Во‑вторых, технологии создания крупномасштабной прецизионной механики были доступны лишь странам, имевшим опыт создания гидроагрегатов, а СССР в этой области отнюдь не был лидером. Выбор пал на шведскую компанию ASEA, давно и успешно строившую центрифуги. Правда, эти машины были куда меньшего размера, но и с мега-заказом Звездного городка скандинавские машиностроители справились на «отлично» — до сих пор ЦФ-18 имеет приличный невыработанный ресурс.
ЦФ-18 представляет собой высокофункциональный и во многом уникальный тренажер, однако, конечно, он уже не является последним словом техники. В наши дни в строительстве центрифуг используются новые подходы, новые материалы и новые технологии. Прежде всего облегчается сама конструкция — вместо цельнометаллического трубчатого плеча (как в ЦФ-18) используются ажурные фермы. Другой важный момент — привод вспомогательных движений делается безредукторным. Это позволяет гораздо реалистичнее воспроизвести динамику перегрузок. Ну и наконец, в современных центрифугах применяются более совершенные системы управления на базе микропроцессоров, в то время как в ЦФ-18 основные управляющие системы построены на релейной логике, устройства которой, хоть и занимают десяток шкафов, работают, впрочем, вполне надежно.
В реальном полете перегрузки могут иметь разную направленность, поэтому для их моделирования вращения вокруг одной оси недостаточно. Кабина с испытуемыми должна иметь возможность вращаться во всех направлениях, для чего создана конструкция, состоящая из нескольких ступеней. На конечной части плеча расположен карданный подвес с вилкой. К вилке с помощью карданных же соединений крепится кольцо, а в него вставлена кабина, также способная вращаться относительно кольца. Все это в совокупности дает возможность моделирования перегрузки в точно заданном направлении, которое характерно для разных этапов полета, в частности при разгоне, маневрировании, торможении.
Круги ветра
Для главного движения (то есть вращения плеча) в ЦФ-18 используется прямой электрический привод. Главный двигатель установлен прямо на валу вращения центрифуги, а управление им происходит через систему тиристорных преобразователей. Вспомогательные движения — вращения вилки, кольца и кабины — осуществляются с помощью электродвигателей через систему редукторов, что в известной степени является конструктивным компромиссом.
Интересно, что единственный заметный шум, который создается центрифугой в помещении, — это шелест ветра. Вращаясь, ЦФ-18 работает как центробежный воздушный насос, и даже спустя несколько минут после остановки машины в зале чувствуется, как ветер гуляет кругами.
Центрифуга — один из конечных методов испытаний, который дает однозначную картину готовности организма к космическому полету. Ни один космический турист, будь он хоть трижды миллионером, не сможет отправиться на орбиту, миновав тренировки на центрифуге. Но и к испытаниям на ЦФ-18 допустят не всякого. «К нам приходят порой желающие испытать на себе подобного рода перегрузки, — говорит Вениамин Швецов, — но медики по объективным показаниям могут их к испытаниям не допустить, ведь досрочная остановка центрифуги — для нас ЧП. Во время испытания у испытуемого в руках находится тангента. Если человек теряет сознание, он разжимает руку, отпускает кнопку — и тут же автоматически загорается красная лампочка. Тогда оператор останавливает центрифугу. В этот момент необходимо очень быстро погасить перегрузку, привести плечо в исходное положение, выпустить помост, открыть ворота. Это все делается не мгновенно, а человек тем временем находится в бессознательном состоянии, и мы не знаем, что сним. Это очень опасно».
Пультовая комната, откуда операторы и медики управляют испытаниями на ЦФ-18
Думать, действовать, держаться…
Стандартные испытания для проверки физиологической стойкости к перегрузкам занимают минуту. Испытуемый ложится в кресло и на него давит перегрузка «грудь-спина» с градиентом 0,1 g/с. Центрифуга выходит на уровень перегрузки 4 g, при этом космонавт в течение 30 секунд должен отработать определенные действия. Внутри кабины закреплена офтальмологическая дуга, на которой по команде врача загорается световой индикатор. Задача космонавта- максимально быстро среагировать и погасить индикатор нажатием клавиши на тангенте. Так замеряется скорость реакции и возможности периферийного зрения, которое под перегрузкой ухудшается.
На переднем плане: тележка, на которой к кабине ЦФ-18 подкатывается кресло, на дальнем плане — открытая кабина центрифуги. Хорошо видно, что кабина двухместная.
Испытание по ручному управляемому спуску длится дольше — около десяти минут. Имитируется весь процесс посадки от момента разделения космического корабля на орбите. Далее идет отключение тормозных двигателей и вход в атмосферу. Здесь нарастает перегрузка, космонавт начинает управлять креном корабля (тем самым увеличивая или уменьшая перегрузку) до высоты 10 км. Испытуемый должен сымитировать управление кораблем таким образом, чтобы не выйти за пределы заданных параметров перегрузки, попасть в заданный район и выполнить задачу по посадке.
Многие в детстве мечтали стать космонавтами, даже не задумываясь о том, насколько сложен процесс подготовки к полету. Космонавту нужно много тренироваться, пройти различные тесты, запомнить большой объем информации, научиться справляться с эмоциями в экстренных ситуациях. В День космонавтики корреспондент «РИАМО в Королеве» заглянула в Центр подготовки космонавтов и своими глазами увидела тренировку на центрифуге.
Шанс стать космонавтом
Космонавт-испытатель отряда космонавтов «РОСКОСМОСа» Сергей Корсаков говорит, что космос для многих остается мечтой, ведь чтобы стать космонавтом, надо пройти непростой путь. Обычно нужно стать военным летчиком или инженером, посвятить жизнь профессии - возможно, тогда выпадет шанс стать космонавтом.
В 2012 году такой шанс дали многим - был объявлен первый открытый набор в отряд космонавтов. Попробовать свои силы и пройти испытания могли все желающие, кто соответствовал определенным требованиям. Инженер ракетных двигателей Сергей Корсаков воспользовался этим шансом и попал в отряд космонавтов, в котором сейчас 26 человек.
«Подготовка очень насыщенная. Много времени мы посвящаем обучению, получению теоретических знаний. Также должны уметь выживать в различных географических условиях, проходим летную подготовку, прыгаем с парашютом, проходим тесты и тренировки на центрифуге. Работы очень много. Мы постоянно учимся, расслабляться некогда. Это здорово! Человек вообще должен всю жизнь чему-то учиться, а мы уже настолько к этому привыкли, что по-другому не можем», - говорит Сергей.
Ему только предстоит полететь в космос, но он уже знает, что сделает там в первую очередь.
«Мне очень хочется увидеть всю нашу планету. Уверен, это станет одним из самых ярких впечатлений. И планирую опробовать невесомость. Интересно почувствовать ее на себе, провести эксперименты», – отмечает Корсаков.
Испытание на центрифуге
Одно из самых известных испытаний для космонавтов - это центрифуга. Вращение на ЦФ-7 проходит под наблюдением медиков. Сначала врач-терапевт проводит общий осмотр, измеряет артериальное давление, частоту сердечных сокращений и температуру тела. Потом нужно пройти ЛОР-врача и только после положительного заключения можно отправляться на центрифугу.
Перед началом теста врачи накладывают на испытателя электроды, надевают манжеты, пояс и ушной датчик для измерения физиологических показателей организма. Режимы перегрузок для космонавтов по определению устойчивости к воздействию перегрузок бывают в двух направлениях: «грудь - спина» и «голова - таз».
Во время вращения центрифуги нужно выполнить задания, которые дает врач. Ведь космонавт должен уметь принять правильное решение в любых нештатных и экстренных ситуациях.
В зависимости от испытаний космонавту объясняют, что именно он должен делать во время работы центрифуги.
Сергею предстоит отвечать на световые сигналы по периметру, установленному в кабине центрифуги, чтобы проверить периферическое зрение в условиях стресса. Также проверяют остроту зрения по специальному табло с кольцами Ландольта - космонавт должен увидеть разрывы в этих кольцах. Изображение появляется на небольшом экране.
Очередной тест на центрифуге Сергей прошел успешно.
Тренажер с 45-летней историей
Центрифуга ЦФ-7, на которой Сергей проходил тестирование, работает в Центре подготовки космонавтов уже 45 лет. Несмотря на солидный возраст, она исправно служит и удивляет своими возможностями не только космонавтов, но и астронавтов НАСА и ЕКА. Все они тоже проходят испытания и подготовку на этой центрифуге.
Начальник отдела центрифуг и динамических тренажеров Центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина Владимир Киршанов рассказал об особенностях центрифуги ЦФ-7.
«ЦФ-7 - полностью отечественная разработка. Она исправно работает в ЦПК с 1973 года. За этот период прошла глубокую модернизацию и сегодня соответствует всем стандартам, которые предъявляются к тренажерам такого типа. От той центрифуги, которую приняли на эксплуатацию в ЦПК в 1973 году, остались только ферма, кабина, вращающееся контактное устройство и главный двигатель», - говорит Владимир Николаевич.
Полностью модернизированы электропривод, система управления, система физиологического контроля за состоянием космонавта, установлены современные оборудование и комплектующие. Астронавт из Японии сравнил нашу центрифугу с «Мерседесом», потому что кабина отделана кожей, сиденье максимально комфортно, а датчики, установленные на космонавте, нисколько не мешают работе.
По словам Владимира Киршанова, эта центрифуга – как живой организм. Она участвует во всех этапах подготовки космонавтов, от отбора в отряд до экзамена перед полетом в космос.
Тренажер ручного управляемого спуска, созданный на базе центрифуги ЦФ-7, позволяет моделировать ручной управляемый спуск в режиме реального времени, именно такой экзамен должны сдать космонавты после подготовки.
«На ней всегда проходят медицинский контроль. В зависимости от того, на каком этапе подготовки находится космонавт, назначается частота и продолжительность тестов. А мы делаем все, чтобы центрифуга работала без сбоев. Относимся к ней как к женщине - с лаской и нежностью, и не забываем про инженерный подход», - рассказывает Киршанов.
ЦФ-18 - новее и больше
В Центре подготовки космонавтов есть и центрифуга побольше. Длина плеча ЦФ-18 уже не семь, как у центрифуги ЦФ-7, а 18 метров. Ее вес составляет 305 тонн, а диаметр зала, в котором она установлена, равен диаметру парашюта спускаемого аппарата. Возможности ЦФ-18 шире.
«Эта центрифуга имеет четыре степени свободы. Помимо того, что она просто вращается по залу, внутри головной части центрифуги есть кабина, кольцо и вилка, которые тоже могут вращаться относительно своих осей. Более того, во время вращения можно создавать перегрузку любого направления, а также менять давление, влажность и температуру в кабине. Этот тренажер позволяет проводить испытания и животных, и людей, и оборудования. Технически в центрифугу заложен большой потенциал, который использован еще не до конца», - говорит Владимир Николаевич.
Специалист ЦПК уверен, что центрифуга ЦФ-18 внесет свой вклад в подготовку космонавтов для полетов на Луну и Марс. Она может трансформироваться под любые задачи. В ней одновременно могут находиться два космонавта, можно тренировать ручной управляемый спуск, проводить тесты и эксперименты. Кабины внутри головной части можно заменить на те, которые нужны для тех или иных задач.
«Эта центрифуга находится на острие технических достижений, в ней использованы цифровые технологии. Я думаю, что именно она поможет человеку достичь далеких планет», – заключил Владимир Киршанов.
Хотите узнать, что такое перегрузка? Тренировка на центрифуге покажет, готовы ли вы к полетам в космос. Почувствуйте себя настоящим космонавтом!
Вращение на центрифуге
Во время полета на орбиту, а также при возвращении из космического пространства космонавты сталкиваются с сильнейшими перегрузками. Поэтому тренировка космонавтов в центрифуге входит в обязательную подготовку звездного экипажа. Даже космические туристы не смогут попасть на орбиту без подобного испытания.
Вращение на центрифуге помогает установить физическую выносливость космонавтов, а также тренирует их умение управлять кораблем во время перегрузок. При стандартной подготовке космонавты учатся переносить перегрузки до 8 единиц в направлении грудь-спина и до 5 единиц в направлении голова-таз. Кроме того, они тренируются управлять кораблем при спуске с орбиты в ручном режиме и при этом самостоятельно управлять законом изменения перегрузки.
Тренировка на центрифуге для новичков
В Центре подготовки космонавтов используют специальные центрифуги ЦФ7 и ЦФ18. Последняя весит триста тонн и является самой большой в Европе.
Что такое вращение на центрифуге?
- Динамические тренажеры с радиусом вращения 7 и 18 метров;
- Пусковая мощность до 27 мегаватт;
- Максимальное ускорение 30g;
- Вращение по кругу и в трех плоскостях;
- Скорость до 250 км/ч;
- Более 36, 5 оборотов в минуту;
- Условия внутри тренажера максимально приближены к естественным: в кабине можно изменять давление, температуру, влажность и состав атмосферы.
Задачи на дом (день сдачи - 25.12.2017):
(Если возникнут вопросы по задачам, в субботу 23.12.2017 можно подойти в кабинет 301 за консультацией)
1. Задача на основные кинематические уравнения неравномерного движения:
С вертолёта, поднимающегося вверх с постоянным ускорением 4 м/с 2 , спустя 10 с после начала подъёма выпал предмет. Найдите время падения предмета на землю. Сопротивлением воздуха пренебречь. (Решите задачу при помощи уравнений кинематики, в решении сделайте чертёж). (Максимум за задачу 3 балла)
2. Задача на основы криволинейного движения:
На рисунке линия MN – траектория равномерного движения материальной точки со скоростью 3 м/с. Изобразите векторы скорости и ускорения в точках A и В, лежащих на кривых с радиусами 10 см и 15 см. Определите модули скорости и ускорения в этих точках (знак модуля будет зависеть от направления вектора). (Максимум за задачу 3 балла)
3. Задача на равномерное движение тела по окружности:
Космонавтов тренируют на перегрузки в специальных центрифугах. С какой частотой должна вращаться центрифуга, чтобы космонавт, находящийся на расстоянии 3 м от оси вращения, двигался с ускорением 5 g ? (Максимум за задачу 2 балла)
4. Задача на закон всемирного тяготения:
На каком расстоянии от поверхности Земли ускорение свободного падения равно 1 м/с 2 ? (Максимум за задачу 2 балла)
5. Задача на параметры искусственных спутников Земли:
Ракета вращается вокруг Земли со скоростью 5 км/с. После изменения орбиты ракета стала двигаться со скоростью 4 км/с найдите отношение радиусов орбит и периода обращения ракеты вокруг Земли после такого изменения скорости. (Максимум за задачу 2 балла)
Как мучают кандидатов в космонавты перед полетом на орбиту
Полет в космос связан с фантастическими перегрузками, к которым космонавт должен быть готов. Поэтому перед полетом организм каждого претендента подвергают жестоким испытаниям — рассказываем о самых тяжелых из них.
Центрифуга
Готовность к перегрузкам воспитывается в будущих космонавтах с помощью центрифуги — огромной установки, напоминающей карусель со специальной капсулой на конце. Вращается она с безумной скоростью, достигающей 70 оборотов в минуту. Во время тренировок на центрифуге плохо подготовленный человек может потерять не только содержимое желудка, но и сознание. Американские космонавты перед запуском кораблей «Аполлон» в течение 40 недель проводили в центрифуге до 10 часов.
Барокамера
Космонавт должен быть готов столкнуться с нехваткой кислорода и резкими перепадами давления. Эта готовность проверяется с помощью барокамеры — специального отсека, в котором создаются условия, соответствующие высоте в 5 тысяч метров, причем испытуемых лишают кислородной маски. В таких условиях обычно выявляются все скрытые патологии организма.
Термокамера
Скафандры космонавтов оснащены системой терморегулирования, но если она вдруг откажет в открытом космосе, то организм должен быть готов к повышенным температурам. Поэтому всех кандидатов в космонавты проверяют в термокамере, температура в которой составляет 60 градусов по Цельсию, а влажность — 50%. Продержаться в таких условиях нужно в течение одного часа.
Сурдокамера
Космонавты — люди не только с отличным здоровьем, но и с выдающейся психикой. Чтобы проверить ее, претендентов помещают в сурдокамеру — комнату со слабым искусственным освещением и полной звукоизоляцией. Думаете, это легко? Абсолютная тишина — это гораздо страшнее, чем вы думаете. Мировой рекорд по нахождению в безэховой камере составляет всего 45 минут, а среднестатистический человек начинает рваться наружу уже через 10 минут. Кроме того, история знает немало случаев, когда после пребывания в абсолютной тишине человек сходил с ума.
Прыжки с парашютом
Для многих прыжки с парашютом — это развлечение, а не испытание, но только не для космонавтов. В процессе свободного падения с высоты в несколько тысяч метров они должны выполнять различные задания, например, по выложенным на земле знакам определить или рассчитать время раскрытия парашюта. Стоит сделать это чуть раньше, чем нужно — экзамен завален. Чуть позже, чем нужно — и ты труп. Разумеется, условный труп, поскольку если парашютист не откроет парашют вовремя, это сделает за него автомат.
Пробы на выживаемость
Пробы на выживаемость — заключительный этап подготовки, который связан уже не с космическими перегрузками, а с проблемами земными, которые могут возникнуть в случае приземления космонавта в дикой местности. Кандидатов в космонавты высаживают в тайге, в пустыне или в океане с минимальным запасом провизии и снаряжения. Их цель — выжить в этих условиях в течение нескольких дней и суметь добраться до лагеря, где их ждет подмога.