Проектно-исследовательская работа "Скафандр"

Городское соревнование юных исследователей

«Шаг в будущее. Юниор»

История и устройство скафандра космонавта.

Автор:

Базикян Мария

МБОУ СОШ №7, 4 «В» класс

Научный руководитель:

Титенко Галина Георгиевна,

Учитель начальных классов МБОУ СОШ №7

Оглавление

1.Описание  проблемы

2.Основная часть

         Скафандры для выхода в открытый космос

         Скафандр космонавта

         Скафандр Ю.А. Гагарина

         Скафандр А. А. Леонова «Беркут»

         «Орлан»

         «Орлан МКС»

         Скафандр будущего

3.Практическая часть

Анкетирование

Диаграммы

Моделирование «Орлана МКС»

Сравнительная  таблица скафандров «Орлан»

4.Выводы

5.Литература и интернет ресурсы

6.Приложения

Описание проблемы

Эта работа посвящена одежде, без которой не состоится ни один космический полет, ни один выход разумного человека в космос —  скафандрам.

Скафа́ндр (от греч. σκάφος — лодка, судно + ανδρός — родительный падеж от ανήρ — человек, буквально — «лодкочеловек») — специальное снаряжение, предназначенное для изоляции человека (или животного) от внешней среды. Части снаряжения образуют оболочку, непроницаемую для компонентов внешней среды (жидкостей, газов, излучений).

Вслед за полётами животных и манекенов, прочно овладев техникой запуска автоматических аппаратов,  учёные нашей страны приступили к созданию космического корабля для полётов человека. Много  неразрешённых вопросов стояли перед наукой. Но талантливые учёные и специалисты справились с этой задачей.  12 апреля 1961 года поднялся  в космос корабль "Восток” с первым в истории человечества космонавтом на борту Юрием Алексеевичем Гагариным. Облетев земной шар, он через 1 час 48 минут благополучно приземлился в заданном районе нашей страны.

С этого времени в России началось активное освоение космических пространств.  В последние годы резко увеличились частота и  длительность космических полётов. Благодаря изменениям  в космических скафандрах, изменился характер работы космонавтов,

Эти  изменения меня  заинтересовали и  подвели  к проблемному вопросу: насколько изменился костюм космонавта со времён первого полёта  и до нашего времени и что  можно ожидать в плане усовершенствования космических скафандров в будущем. 

Цель проекта: показать историю развития  российских космических скафандров со времени первого полёта в космос до настоящего времени.

Объект исследования  – скафандры вчера, сегодня и завтра.

Гипотеза: скафандр – постоянно совершенствующееся, удобное в ношении и безопасное снаряжение космонавта, работающего в космосе на орбитальной станции,  является одним из показателей того, что Россия является передовой и могучей державой в области освоения космоса.

Задачи:

           1.      Узнать  историю создания скафандра.

           2.      Проанализировать сходства и различия моделей скафандров разных поколений.

           3.      Познакомиться  с разработками скафандров нового поколения.

           4.      Показать, какими свойствами обладали космические скафандры и как шло развитие скафандростроения.

           5.      Обобщить и систематизировать имеющийся материал, представить его в виде таблиц и диаграмм, отражающих свойства скафандров.

В процессе исследования использовались следующие методы исследования:

- сбор и анализ литературных источников, интернет-ресурсов;

- изучение материалов С. М. Алексеева «Космические скафандры вчера, сегодня, завтра»;

- просмотр видеоматериалов;

- анкетирование;

- моделирование;

- анализ полученных данных.

Скафандры для выхода в открытый космос

Сегодня выходами в космос никого не удивишь. Открытый космос — крайне враждебная среда: отсутствие кислорода, отсутствие давления,  резкий перепад температур, вредоносное излучение. Чтобы защититься от всех этих факторов, космонавты используют защитные костюмы — скафандры.

Скафандр, предназначенный для выхода космонавта из корабля в открытый космос, должен обеспечить необходимые жизненные условия и работоспособность для проведения ремонта, монтажа, различного оборудования на внешней поверхности космического аппарата. Кроме того, в этом скафандре космонавт может проводить сборку орбитальных станций или отдельных секций доставленных с Земли, осуществлять научные наблюдения и эксперименты. Наличие скафандра должно, наконец, обеспечить спасение или оказание помощи космонавтам, попавшим в аварийную обстановку.

Скафандр для выхода в космос может быть полностью автономным (работать независимо от внешних источников питания) или связан с кораблём фалом (страховочный трос), шлангом и проводами, по которым подается кислородное питание и осуществляется связь с командиром корабля.

Скафандр космонавта

Скафандр космонавта - герметичный костюм, обеспечивающий условия для работы и жизнедеятельности космонавта в разрежённой атмосфере или в космическом пространстве. Различают скафандры спасательные и космические. Спасательные применялись на космическом корабле «Восток» и предназначались для сохранения жизни космонавта на случай разгерметизации космического корабля и при спуске космонавта на парашюте после катапультирования на высоте 7–8 км. Сегодня такие скафандры применяются на космическом корабле «Союз» и входят в комплект средств  спасения. Скафандр автоматически герметизируется при опасных ситуациях и обеспечивает внутри нормальное атмосферное давление и дыхание космонавта. Космические скафандры применяются при выходе в космическое пространство. Они автоматически обеспечивают космонавту нормальные условия жизнедеятельности до 8 - 10 ч.

Скафандр Юрия Алексеевича Гагарина.

Первые эксперименты показали, что для полета в космос человека нет непреодолимых преград, и в 1959 году на 918-м заводе началось проектирование скафандра для первых космонавтов. Однако уже в феврале 1960 года работа была приостановлена, поскольку у создателей корабля "Восток" во главе с К. П. Феоктистовым возникли проблемы с избытком массы корабля и необходимостью жестко экономить на оборудовании. Феоктистов вообще считал, что вероятность разгерметизации кабины значительно меньше, чем появление других ситуаций, грозящих катастрофическими последствиями, и поэтому скафандр, по его мнению, был излишеством. Инженеры из ОКБ-1 предлагали обойтись обычным утепленным костюмом, который мог пригодиться лишь при приводнении.

Споры между изготовителями скафандра и разработчиками корабля продолжались до лета 1960 года, и в дело пришлось вмешаться начальнику ОКБ-1 Сергею  Павловичу Королеву. Выслушав все аргументы за и против, он заявил, что готов "отдать" 500 кг, но чтобы скафандр с системой жизнеобеспечения был готов к концу года.

Специалисты "Звезды» (ранее - завод № 918, ныне – Научно-производственное предприятие «Звезда» в подмосковном Томилино), имевшие к этому времени опыт создания скафандров для военных летчиков, с заданием справились. Первого в мире космонавта отправили в его славное путешествие в скафандре СК-1. Но на старте обнаружилось, что на скафандре отсутствуют яркие опознавательные знаки, и чтобы после приземления Ю. А. Гагарина не приняли за шпиона (как американского летчика Пауэрса, сбитого в 1960 году), инженер "Звезды" Виктор Давидьянц вывел красной краской, на уже надетом на Гагарина шлеме, надпись "СССР".

Скафандр сшили из двух слоев: силового лавсанового и герметичного резинового. Космонавта также одели в теплозащитный костюм. Запомнившийся всем оранжевый чехол к скафандру, собственно, не относился, и его роль сводилась лишь к облегчению поисковых работ, поскольку корабли "Восток" не имели системы мягкой посадки и космонавт после катапультирования из кабины приземлялся на парашюте.

Для поддержания комфортной температуры скафандр продували через шланг воздухом из кабины. При разгерметизации шланг отсекался, автоматически закрывался иллюминатор шлема, и включалась подача воздуха, а затем кислорода из баллонов. Многих трудов стоило и решение проблемы, о которой не принято говорить вслух, а именно создание ассенизационных устройств .

В скафандрах СК-1 летали в дальнейшем все космонавты-мужчины на кораблях "Восток". Для В. В. Терешковой в "Звезде" изготовили скафандр СК-2, покрой которого учитывал особенности женской фигуры: более узкие плечи и широкие бедра.

Технические характеристики скафандра СК-1

• Масса скафандра — 20 кг;
• Давление в скафандре — 270—300 ГПа;
• Время работы скафандра:

 — в загерметизированной  кабине в течение 12 суток;

 — при разгерметизации кабины — 5,0 ч и в течение 25 минут при снижении спускаемого аппарата;

 — при пребывании в холодной воде (после приводнения) в течение 12 часов (вне лодки) и в течение 3 суток после приземления или при нахождении в лодке при температуре до −15°С;

 — защита при катапультировании на высотах до 8 км и скоростном напоре до 2800 кг/см²

Скафандр Алексея Архиповича Леонова «Беркут»

Первый выход человека в открытый космос был осуществлен А. А. Леоновым из корабля «Восход-2» 18 марта 1965 г. В связи с ограниченными задачами, стоящими перед первым выходом человека в космическое пространство, обеспечение жизнедеятельности осуществлялось наиболее простым и надежным способом. Кислородное питание подавалось из трех кислородных баллонов, размещенных в наспинном ранце.

Расход кислорода из ранца был рассчитан на обеспечение наддува скафандра и кислородного питания космонавта и удаление углекислоты. Величина расхода регулировалась автоматически в зависимости от давления в скафандре. Весь кислород из баллонов подавался в шлем, после чего попадал под оболочку скафандра и далее выбрасывался через регулятор абсолютного давления в открытый космос.

Запас кислорода в трех-четырехлитровых баллонах под давлением  составлял 2700 л. Расчетная продолжительность системы жизнеобеспечения составляла 45 мин. Как известно, Алексей Леонов находился в открытом космосе 12 мин.

Страховка космонавта в открытом космосе обеспечивалась специальным фалом (страховочным тросом) длиной 7 м, в состав которого входило амортизирующее устройство, стальной трос, шланг аварийной подачи кислорода и электрические провода. Последние использовались для передачи на борт корабля результатов медицинских и технических измерений, а также обеспечения телефонной связи с командиром.

В автономном варианте система жизнеобеспечения, источники питания (электроэнергия) размещаются в наспинном ранце. В этом случае космонавт мог перемещаться относительно корабля в любом направлении.

Технические характеристики                                                              

-         Масса скафандра — 20 кг.

-         Масса ранца — 21,5 кг.

-         Давление в скафандре — 400 гПа (0,4 атм) с возможностью снижения до 270 гПа (0,27 атм).

-         Время работы скафандра:

• При разгерметизации кабины — 4,0 ч.
• При внекорабельной деятельности — 0,75 ч (45 мин).

Принципиальные отличия аварийно-спасательного скафандра «СК-1» Гагарина Ю.А. от скафандра «Беркут», обеспечившего выход Леонова А.А.в открытый космос заключаются в следующем:

-       для большей надежности и безопасности в скафандре для выхода в открытый космос «Беркут» были применены две гермооболочки. Вторая оболочка была резервной и включалась в работу при повреждении основной наружной гермооболочки. Это достигалось путем установки на резервную оболочку второго регулятора давления, который начинал работать после падения давления под основной оболочкой ниже установленного уровня.

-       верхняя одежда скафандра для выхода в космос является наружным защитным слоем, предохраняющим скафандр от возможных механических повреждений при выходе в открытый космос. Она должна обладать необходимыми оптическими характеристиками и в возможно большей степени поддерживать оптимальный тепловой баланс.

 «Орлан»

«Орлан» — тип космического скафандра, созданного в СССР для осуществления безопасного пребывания и работы космонавта в открытом космосе. Был разработан Научно-производственным предприятием «Звезда» имени Гая Ильича Северина, претерпел несколько модификаций и усовершенствований. В настоящее время модифицированный вариант космического скафандра «Орлан» обеспечивает работу космонавтов на Международной космической станции при осуществлении ими внекорабельной деятельности.

 Благодаря полужёсткой конструкции, индивидуальными являлись лишь перчатки скафандра, которые доставлялись экипажем, в то время как сами скафандры постоянно находились на станции. Первый выход в открытый космос в новых скафандрах был осуществлён на станции «Салют-6» космонавтами Г. И. Гречко и Ю. В. Романенко 20 декабря 1977 года.

Модели скафандра «Орлан»:

-         Модель Д - использовалась на Салют-6 и Салют-7 с 1977 по 1984.

-         Модель ДМ - использовалась на станции МИР и Салют-7 с 1985 по 1988.

-         Модель ДМА - использовалась на станции МИР с 1988 по 1997.

-         Модель М - использовалась на станции МИР и МКС с 1997 по 2009.

-         Модель МК - для использования на МКС. Используется с 2009 года.

-         Модель МКС – планируется использовать с  декабря 2016 года.

«Орлан МКС»

Скафандр предназначен для работы во внеземном пространстве и представляет собой по сути нашпигованный современной техникой миниатюрный космический корабль массой 110 кг.

Новый "Орлан-МКС", как и его предшественники, состоит из нескольких оболочек:

-         основа - жесткий корпус из алюминиевого сплава, или кираса, называемая так по аналогии со средневековыми доспехами. К жесткому корпусу крепятся мягкие рукава и штанины;

-         гермошлем составляет единое целое с кирасой.

Скафандр не надевают - в него входят через заднюю дверцу. Снаружи есть ещё и дополнительная, в том числе микрометеоритная защита: несколько слоёв экранно-вакуумной теплоизоляции.

Под кирасой: мягкий сетчатый костюм водяного охлаждения (КВО), который пронизывают вшитые в материю десятки тоненьких трубочек, по которым циркулирует холодная вода. Небольшой ручкой на пульте управления (снаружи скафандра, слева, на уровне груди) космонавт сам регулирует тепловой режим.

"Орлан-МКС" оснащён системой автоматического терморегулирования. В "Орлане-МКС" есть ещё одно важное отличие - на пульте управления установлен новый дисплей высокого качества. Он стал больше (с ладонь) и ярче, его информативные возможности намного шире. Новые дисплеи устанавливают и на имеющихся в звёздном доме скафандрах.

На следующих "Орланах" ожидается и такой сервис: автоматика будет выводить на дисплей подробную схему местоположения космонавта на внешней стороне МКС. Станция сегодня уже велика, космонавту, работающему на ее поверхности в открытом космосе, немудрено в какой-то момент потерять ориентацию. Найти обратную дорогу к входному люку или к другой рабочей площадке поможет новый прибор.

Третья новинка увеличивает срок службы нового скафандра: резиновые оболочки, например штанины, заменены на полиуретановые. В результате эксплуатировать новую экипировку можно будет не четыре года, а пять, причём количество выходов в космос увеличивается с 15 до 20.

Скафандр будущего

Сложно сказать, как будет выглядеть человек в будущем. Но каким будет его гардероб можно представить уже сейчас. Группы ученых из различных научно-исследовательских институтов работают над костюмами, в которых человек будет покорять новые планеты.

Чтобы человек не только смог выжить, но и чувствовал себя комфортно на других планетах к костюмам космонавтов предъявляются очень жёсткие требования. Они должны поддерживать определенную температуру и давление, влажность и уровень кислорода, и вместе с тем не мешать двигаться и работать.

Дальше всех в создании скафандра будущего продвинулась группа учёных Массачусетского технологического института, которой руководят профессор Дэйва Ньюмен и астронавт Джеффри Хофман. Их скафандр BioSuit позволит космонавтам не только комфортно работать в условиях Луны или Марса, но даже сыграть там в футбол.

На сегодняшний день готово уже несколько прототипов скафандра. Вся конструкция изготовлена из материалов, о которых совсем недавно можно было только мечтать. Например, давление внутри скафандра будет поддерживать экзоскелет (устройство, предназначенное для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счет внешнего каркаса и приводящих элементов)из металлических волокон с памятью формы. В отличие от используемых в настоящее время скафандров, где давление поддерживается барометрически, ему не страшны мелкие повреждения: изменение давления на определённых участках скомпенсирует электронная система управления экзоскелетом.

Не страшны космонавтам будущего и перепады температур: внутренняя поверхность скафандра наполнена специальным термо гелем, который отводит от тела избыточное тепло и влагу. Он поможет человеку выжить при больших перепадах температур на других планетах.

Резервуар с кислородом - это не только симпатичный рюкзак на спине, но и дополнительная защита позвоночника. Кстати, благодаря материалу с памятью формы, для того, чтобы одеть такой скафандр уже не будет требоваться помощь нескольких человек. BioSuit можно легко одеть за пару минут за счет разработанной учеными системы электрозатягивания. Когда костюм "висит на вешалке", волокна его экзоскелета находятся в свободном растянутом состоянии, поэтому его легко одеть человеку с любой фигурой. После того, как к скафандру подключат электропитание, он плотно сожмётся по фигуре космонавта.

Таким образом, космические скафандры будущего получат некоторые новые выдающиеся способности. Они смогут самостоятельно себя ремонтировать, добывать электричество и убивать микробов благодаря новым "умным" материалам. Такие скафандры могут появиться уже к 2018 году, когда NASA(Национальное Управление США по Аэронавтике и Космосу) надеется вернуться на Луну.

3. Практическая часть

Анкетирование.Диагрммы.

В практической части я  решила провести анкетирование, с помощью  которого были выявлены некоторые представления одноклассников  о скафандрах.

1.

 Опрос показал, что многие  ребята хотят  полететь в космос  в качестве космонавта и даже стать командиром корабля!

2.

Физику мы ещё не изучали. Многие наслышаны о  солнечной радиации! Наверно, это повлияло на выбор.

3.

Большинство ребят сравнивают вес скафандра со своим весом. При    работе  над проектом мы убедились в другом. Мы знаем, что скафандр весит 110 кг!

4.

Знаний о скафандрах у одноклассников недостаточно

Вывод: надо с одноклассниками знакомиться и изучать историю и устройство космического скафандра космонавта.

Моделирование «Орлана МКС»

Я решила вылепить из глины последнюю модель скафандра «Орлан МКС».

После лепки модель пришлось просушивать и разукрашивать.

Работа понравилась. Скафандр серии «Орлан МКС» самый современный, самый лучший.

                   Скафандр «Орлан МКС»

Сравнительная таблица скафандров «Орлан»

Вывод: скафандры  отличаются по весу, по времени работы в открытом космосе, последняя модель МКС отличается материалом, из которого сделан скафандр и системой терморегуляции и автоматизации. Он более усовершенствован.

4. Выводы.

Скафандр космонавта – это маленький космический корабль.  Системы скафандра обеспечивают подачу кислорода для дыхания, удаление углекислого газа, поддержание необходимой температуры для космонавта, радиосвязь и телеметрию.

Со времени появления первого космического скафандра они постоянно усовершенствовались и  неоднократно менялись. Скафандр, в котором Гагарин совершил первый в мире виток вокруг Земли, должен был спасти ему жизнь в случае аварии и помочь продержаться до появления спасателей. Скафандры последних поколений - это уже нечто среднее между костюмом и домом. Скафандр — это не просто костюм. Это чудо техники, космическая станция в миниатюре, повторяющая форму тела, В такой оболочке космонавт может свыше десяти часов находиться в открытом космосе. Теперь внутри скафандра есть даже запас питьевой воды, чтобы во время работы вне станции у человека была возможность утолить жажду, не возвращаясь на борт.

Я  провела исследовательскую работу на тему «История и устройства  космических скафандров». Эта тема показалась мне очень интересной и увлекательной, так как связана с освоением космического пространства и обеспечением комфортабельной жизнедеятельности и эффективной работы космонавтов на МКС (Межорбитальной комплексной станции).

В процессе работы я  нашла ответы на заинтересовавшие меня вопросы, познакомилась с историей создания и развития систем жизнеобеспечения, узнали о новых разработках учёных в этой области.

По результатам проведённого опроса я сделала выводы о необходимости пропаганды изучения отечественной космонавтики среди одноклассников и друзей, так как наша страна должна оставаться Великой космической державой.

Благодаря этой работе, я  расширила свой кругозор в области космических исследований, совершила интересное путешествие в мир космонавтики, выполнила  все поставленные задачи.

Таким образом, я подтвердила гипотезу о том, что скафандр – постоянно совершенствующаяся, удобная в ношении и безопасная одежда космонавта, работающего в космосе на орбитальной станции,  является одним из показателей прогресса России в космосе.

5. Литература и интернет ресурсы

1.       С. М. Алексеев, Космические скафандры вчера, сегодня, завтра. – М.: Знание, 1987. – 64 с.

2.       "Наука и жизнь", № 10, 2001 г.

3.       "Наука и жизнь", № 4, 2006 г.

4.       https://ru.wikipedia.org/wiki/СК-1 - скафандр

5.       http://www.arms-expo.ru/news/aviation_and_space/na_mks dostavyat_rossiyskie_skafandry_pyatogo_pokoleniya_/

6.       http://astronaut.ru/bookcase/books/stan_mir/text/06.htm

7.       http://trendclub.ru/blogs/futurodrom/4483 - костюм будущего

8.       http://www.furfur.me/furfur/culture/culture/169731-odezhda-buduschego-skafandry

6.Приложения

Приложение 1

 Скафандр космонавта

Скафандр космонавта для выхода в открытый космос:

1 – страховочный фал; 2 – пульт управления системой жизнеобеспечения; 3 – гермошлем; 4 – ранцевая система жизнеобеспечения

Приложение 2

История и устройство скафандров

Приложение 3

Сравнительные характеристики скафандров

1.            СК-1 (спасательный скафандр-1) -  первый скафандр, который был разработан в СССР для полётов первых космонавтов на космических кораблях серии «Восток» и использовался в 1961—1963 годах.

2.            «Беркут» — тип универсального космического скафандра. Скафандр был разработан в СССР в 1964—1965 годах и предназначался для обеспечения безопасного выхода человека в открытый космос и спасения при разгерметизации космического корабля. Относится к скафандрам «мягкого» типа, то есть, не имеющим жёсткого каркаса.

3.            «Орлан» и его модификации — тип космического скафандра, созданного в СССР для осуществления безопасного пребывания и работы космонавта в открытом космосе.

Приложение 4

 Сравнительные характеристики скафандров «Орлан»

Приложение 5

Скафандр  будущего

Скачано с www.znanio.ru