В продолжении предыдущей статьи хочется затронуть животрепещущую тему современной космонавтики о тотальной нехватке ресурсов. Причем наиболее важные из ресурсов – это пространство и габариты! Да, во много всё упирается в денежный вопрос, но космонавтика всегда была отраслью с космическими бюджетами, хоть они и делятся на огромное количестве фирм, сотрудников, компонентов и малозаметных деталей, но львиная доля этих бюджетов тратится на подъём различных грузов на орбиту.
Как известно начало космической эры принято считать 4 октября 1957 года, когда в СССР был произведён успешный запуск первого искусственного спутника Земли. При выборе конфигурации спутника придерживались схемы "чем проще, тем лучше", поэтому и названия у аппарата было Спутник-1 и нёс он внутри себя исключительно радиостанцию для получения сигнала от центра управления полётами и ретрансляции обратно на Землю. С тех пор отечественная, да и общемировая космонавтика придерживалась примерно тех же строгих правил, доводя до совершенства и результативности максимально простые вещи, упаковывая их в один агрегат с наиболее эффективно заточенным под свою функцию набором возможностей. Подобный модульный принцип позволяет создавать на околоземной орбите, а с момента запуска Луна-1 ещё и на межпланетной орбите, выверенные строго баллистически траектории движения искусственных спутников Земли либо приближающихся, либо отдаляющихся от родного дома. Естественно, что даже наполнение простейших элементов космических группировок и наземных комплексов для их производства, испытаний и эксплуатации усложнялись на столько, насколько это требовалось для осуществления поставленных наукой и развитием техники задач.
Самым значительным событием для освоения космоса было и останется 12 апреля 1961 года, когда человечество и непосредственно Юрий Алексеевич Гагарин на космическом корабле "Восток-1" с космодрома Байконур совершило первый пилотируемый полёт, длившийся 1 час и 48 минут. Данное событие не просто День космонавтики, а Международный день пилотируемых космических полётов. По сути это и первый раз, когда человек ощутил на себе условия космической акустики, находясь в небольшой спускаемой капсуле, вращающейся внутри вакуума ближайшего к Земле космического пространства. Размеры модуля, обеспечивающие жизнь человеку в столь неблагоприятных условиях подбирались исходя из успешно проявивших себя конструкций и необходимости разместить в них самые основные приборы для обеспечения жизнедеятельности и здоровья космонавта.
Применяя уже упомянутый модульный принцип космонавтика развилась до того существующего многообразия ракет доставки и космической техники, какой имеется на данный момент у космических держав и частных компаний, которые так или иначе вносят свой вклад в освоение ближнего космоса. Вопрос компактности выводимого груза или пространства для космонавтов везде был крайне острым, но в различных проектах решался по-разному. Однако сейчас у нас есть оптимизированный и многократно модернизированный сверх надёжный СОЮЗ с компактным пространством пилотируемого корабля и просторным бытовым отсеком бытового модуля, в котором в условиях микрогравитации космонавт может потянуться во весь рост.
Именно подобную конфигурацию из двух типов модулей я предложил для модернизации современных космических станций, подобных Международной Космической Станции (МКС), которая стала вершиной проявления уровня пилотируемой космонавтики. Однако даже осуществлённые на данный момент успешные эксперименты компанией Bigelow Aerospace представленные в виде модуля Tranquility, состыкованного с МКС даже в рабочем состоянии полноразмерного надувного модуля пока что не слишком сильно увеличивают пространство внутри своих герметичных отсеков, по сравнению с уже существующими характеристиками помещений внутри эксплуатируемых отсеков станции.
А ведь окружающий нас космос столько огромен, что даже миссии лунной программы – единственной пилотируемой космической миссии по исследованию дальнего космоса, выглядят крошечными и незначительными даже в масштабе нашей Солнечной системы, в которой планеты предстают муравьями по сравнению с нашей пылающей звездой, занимающей 99% массы нашей системы.
Причины выбора зонтичной конструкции
Когда при создании орбитальной студии (Для неё пожалуй потребуется отдельная, а возможно даже цикл статей) потребовалось создать избыточное герметичное пространство внутри космического аппарата мне тоже хотелось по началу отдать предпочтение надувным модулям или современным цельнометаллическим конфигурациям модулей МКС. Вот только чем больше я отклонялся в одну или в другую сторону, тем больше видел необходимость компромисса.
Здесь в первую очередь надо задать вопрос: зачем это необходимо? По большому счёту сейчас и так довольно много пространства внутри МКС, космонавты могут скомпоновать инструменты и объекты исследований ещё компактней, ещё совершенней будут упаковки грузов и сжигаемых в плотных слоях атмосферы отходов. Но резкая необходимость в большем пространстве идёт как раз-таки из акустических соображений!
Во-первых человеку, даже не страдающему клаустрофобией порой очень хочется увидеть большой мир не только через стекло окна или иллюминатора, но и своими собственными глазами. Что уж говорить о космонавтах, пребывающих по пол года в огромной "консервной банке" на орбите? Да, им есть где вытянуться и заниматься, но "во двор" не выйти без скафандра, да и внутри их космического дома нет просторов концертного зала даже самой камерной и компактной филармонии. Во-вторых мои идеи касались в том числе и способа записать целый оркестр (пусть и отдельно, да с помощью роботов музыкантов) на орбите, если это позволит лучше понять акустические свойства в условиях микрогравитации и вакуума за переборкой (если по-человечески, то стенкой) отсека. Потому изначально я размышлял о таких раскладывающихся конструкциях, как веер, гармошка, телескопические конструкции и другие формы. Однако, наглядно и технически совершенным вариантом оказались именно зонтичные конструкции. Во многом благодаря тому, что они изначально уже и так вобрали в себя принцип телескопических стержней, гармошки и веерной формы спиц и штанг, которые помогают материалу держать свою форму. А для космонавтики структура обычно оказывается самым важным! Ведь именно благодаря прочному каркасу возможно добиться работоспособности даже крупногабаритного надувного модуля, но только зонтичная конструкция позволит обратить этот недостаток в плюс за счёт добавления дополнительного нижнего купола и соответствующего силового каркаса для создания избыточного герметичного пространства под любые цели эксплуатации.
Соответсвенно можно и как склад использовать, и космонавтов разместить, и даже для научных экспериментов место останется! А акустические явления можно будет записать и исследовать в непрерывном процессе заполнения модуля вещами и освобождения от них перед новой поставкой на орбиту.
Давайте разберём структуру модуля на эскизном чертеже
В сложенном положении орбитальный зонтичный модуль представляет собой аналог гигантского автоматически раскрывающегося и складывающегося зонта, но вместо ручки зонта в основании стержня (3) находится переходный стыковочный отсек (7) с переходным люком (28). Для осуществления стыковки модуль оснащён бортовыми радиосистемами с антеннами (26), двигательными установками (25) с соплами (24), необходимой аппаратурой телеметрии и бортовыми системами управления в специальном отсеке (27) между внешними (9) и внутренними (8) корпусами переходного отсека (7). В этом же отсеке (27) находятся агрегаты системы жизнеобеспечения, которая после стыковки подключена к основным системам жизнеобеспечения космической станции для обеспечения внутри переходного отсека (7) наличия обитаемой для экипажа станции зоны (19) сразу после стыковки.
В зависимости от размеров куполов (1 и 2) и компонентов стержня (3) в закрытом положении орбитального зонтичного модуля спицы (10) и часть поверхности нижнего купола могут закрывать собой жестко закреплённую муфту (2) частично закрывать внешний корпус (9) переходного отсека (7).
Работа и функционирование модуля заключается в его раскрытии и закрытии при помощи системы управления (50), либо в аварийном ручном режиме. Основная функция служебных систем при этом остаётся поддержание внутри куполов (1 и 2), стержня (3) и переходного отсека обитаемых зон (19) благодаря работе системы жизнеобеспечения и установленных за переносными панелями (18) отсеков оранжерей (17) между краями верхнего (1) и нижнего (2) куполов.
После стыковки активного стыковочного устройства (30) с пассивным стыковочным устройством на борту космической станции осуществляется процедура развёртывания верхнего (1) и нижнего (2) куполов в автоматическом режиме. В этом случае система управления (50) подаёт сигнал на развёртывание зонтичного модуля и пружина (32) переводит затвор (34) в положение, позволяющее находившемся в напряжении пружине (6) и ограничительной пружине (13) перевести телескопический стержень (3) и купола (1 и 2) в открытое положение. При этом внутренний трос (35) начинает раскручивать тормозную фрикционную муфту (41), скорость вращения которой управляется с систему (50) для соблюдения безопасной скорости развёртывания. При этом внутри желоба люка (49) срабатывает микровыключатель за счёт перемещения шарика (48), что запускает процесс заполнения жилого объёма (19) воздушной средой из баллонов под давлением (33) и сигнализирует системе управления (50) об успешном начале развёртывания и готовности для перехода к процессу складывания. Скорость работы система наддува баллонов (33) также дополнительно контролируется системой управления (50).
Процесс развёртывания останавливается, когда внешние тросы (39), соединённые с внутренним тросом (35), переходят в предельное положение в герметичных желобах (21). При этом соединение внутреннего троса (35) и внешних тросов (39) оказывается рядом с роликами (36), а пружина (6) и ограничительная пружина (13) оказываются в своём раскрытом положении. Спицы (10) штанги верхнего купола (11) и штанги нижнего купола (12) встают в своё раскрытое положение и придают форму верхнему (1) и нижнему (2) куполам. Внутренняя трубка (4) и внешняя трубка (5) телескопического стержня (3) также оказываются в раздвинутом положении, при этом переходный люк (28) на поверхности стержня оказывается точно между звеньями ограничительной пружины (13). Это положение позволяет беспрепятственный проход из полого стержня (3) в пространство между верхним (1) и нижним (2) куполами.
В случае блокировки пружины (6) развёртыванием зонтичного модуля осуществляется в ручном режиме. В этом случае допускается при необходимости частично отклонить спицы (10) и поверхность нижнего купола (2), чтобы подключить устройства, формирующие реактивную тягу к нижней муфте (14). Включением реактивной тяги нижняя муфта (14) передвигается таким образом, чтобы спицы (10) и штанги (11 и 12) встали в раскрытое положение и придали куполам (1 и 2) форму развёрнутого положения.
После развёртывания модуля зонтичной конструкции с внешней стороны куполов (1 и 2) могут быть установлены панорамные видеокамеры (22), а внутри проекторы (29) для создания видео иллюминаторов, а также размещены дополнительные осветительные приборы. Внутрь куполов (1 и 2) по стержню (3) прокладываются гибкие трубопроводы и коммутация от систем жизнеобеспечения и электроснабжения в отсеке (27), находившихся до развёртывания модуля в сложенном положении. По краям куполов (1 и 2) устанавливаются передвижные стенки (18) из ткани или другого гибкого материала, ограничивающие таким образом пространство для отсека оранжереи (17). Внутренний трос (35) и внешний тросы (39) могут быть отсоединены друг от друга для исключения возможности несанкционированного складывания орбитального зонтичного модуля.
Свёртывание зонта происходит после демонтажа установленного внутри куполов (1 и 2) оборудования, осуществляется соединение внутреннего троса (35) с внешними тросами (39). К баллонам (33) подключаются вакуумные насосы, а стыковочное устройство (30) и переходный люк (28), установленный рядом с устройством (30), герметично закрываются. Система управление (50) подаёт сигнал на начало свёртывания электродвигателю (46), аккумулятор (47) которого подзаряжался от системы электроснабжения в отсеке (27) и солнечных батарей на внешней поверхности куполов (1 и 2). Электродвигатель передаёт через малое коническое зубчатое колесо (45) вращение на большое коническое зубчатое колесо (43) и внутренний трос (35), проходя по ролику (44) начинает накручиваться на шкив (42). При этом внутренний трос (35) тянет за собой внешние тросы (39), которые передвигают нижнюю муфту (14) ближе к жестко закреплённой муфте (20), что приводит к складыванию спиц (10) и штанг (11 и 12) в убранное положение. Тормозная фрикционная муфта (41) получает управляющие сигналы от системы управления (50) и контролирует скорость свёртывания орбитального зонтичного модуля. В процессе свёртывания воздушная среда внутри модуля постепенно закачивается установленными вакуумными насосами в баллоны (33). Свёртывание орбитального зонтичного модуля останавливается, когда шарик (48) переводит микровыключатель внутри желоба люка (49) в положение, сигнализирующее системе управления (50) о завершении процедуры свёртывания. При этом моментально отключается электродвигатель (46), а вакуумные насосы прекращают работу при достижении в баллонах (33) требуемого давления.
Зачем же производить свёртывание подобного модуля на орбите?
Если вы когда-нибудь интересовались проведением испытаний аэрокосмической техники, то должны понимать, что на Земле желательно проверить все функции космического аппарата. А главной и наиважнейшей функцией (даже если аппарат не покинет стартовой площадки из-за аварии или других чрезвычайных обстоятельств) является именно герметичность, поэтому испытания модуль должен проходить именно в работоспособном состоянии. А подобные габариты вакуумных камер являются довольно большой проблемой, как на территории России, так и на западе. Поэтому лучше всего произвести испытания на герметичность модуля в сложенном состоянии, накачав его избыточным давлением газовой смеси.
Более того в случае угрозы попадания МКС или другой космической станции, на которой будет установлено ЗОМ необходимо максимально быстро сложить космический зонтик, дабы меньшее пространство попало в зону возможного поражения космическим мусором. Таким образом для особо ценного или крупногабаритного оборудования, которое будет размещаться внутри куполов ЗОМ необходимо либо прописывать возможность крайне быстрого демонтажа компонентов, либо создавать такое оборудование, которое переживёт несколько неизбежных процедур складывания и развёртывания модуля на орбите.
А в чем здесь наука? Вроде просто очень большой космический шкаф.
Во-первых как бы ни казалось глупо и парадоксально, но исследователи космоса пока очень мало внимания уделили космической акустике, а известно лишь, что звук в условиях микрогравитации распространяется более прямолинейно и плавно, чем в условиях земного притяжения. При этом такие области акустики, как атмосферная и музыкальная, да даже психологическая и естественно студийная акустика рассмотрены довольно основательно и подробно. И дело тут не столько в аппаратуре для осуществления замеров и анализа колебаний, сколько в специфике мест и пространств, в которых эти замеры берутся, а также в трудности создания на земле подобных условий, отличающихся исключительно микрогравитацией, так как для чистоты эксперимента вокруг земного эквивалента орбитального модуля, в котором происходит акустическое колебание тоже желательно создать вакуум. Но не будем забегать вперёд и продолжим повествование о модулях зонтичной конструкции. Более того в прошлой статье было дано исчерпывающее описание научных и производственных процессов, которые можно проводить в микрогравитации с лучшими результатами, чем на поверхности Земли.
Во-вторых зонтичный орбитальный модуль не просто детище складного зонта и радиоантенны, раскрывающейся подобным образом, а довольно необычная поверхность для размещения солнечных батарей, а может даже датчиков для научных исследований, например сделавших большой бум в науке, болометров! Таким образом увеличение поверхности как внутри, так и снаружи приводит к возможности проведения кучи новых экспериментов!
Проверяйте факты и смотрите документы по ссылке
Для тех, кто хочет понять откуда растут ноги у зонтичного орбитального модуля, советую ознакомиться сразу с моей опубликованной заявкой на изобретение: https://patentscope.wipo.int/search/ru/detail.jsf?docId=WO2019035732
Это по-сути мой первый международный блин, вышедший комом... Вместо одного изобретения отправил сразу три, одно из которых (костюмы для искусственной гравитации) вышли промышленно неприменимыми! Но при этом зонтичный орбитальный модуль и орбитальная студия удовлетворяли всем свойствам, чтобы называться изобретениями, поэтому в конце 2018 года я направил их двумя отдельными заявками под номерами PCT/RU2018/000865 и PCT/RU2018/000866 соответственно.
Если вкратце, то...
ЗОМ представляет собой модуль космической станции в форме увеличенного в размерах раскладного автоматического зонта с дополнительным нижним куполом, полым стержнем и агрегатами систем для создания внутри верхнего и нижнего герметичных куполов пригодного для жизни и деятельности человека пространства, состыкованного с космической станцией в аналоге рукоятки зонта. Техническим результатом заявленного изобретения является больший герметичный объём, пригодных для жизни отсеков, по сравнению с существующими орбитальными модулями, в том числе надувными.
Новый уникальный стиль должен быть простым и понятным всем
Наша страна уникальна многими факторами развития, многими историческими и национальными факторами, но наибольшее развитие нашей технической и технологической идее дали именно идеи космисзма. Можно сколько угодно спорить о политических строях, менявшихся на территория Российской Империи, СССР или современной России и стран СНГ, но на протяжении всего этого времени ученые и народ медленно но верно воплощали в жизнь идеи и мысли Циолковского, Федорова, Соколова, подходы и конструктивные решения Королева, Глушко и многих других выдающихся людей!
При этом не грех будет сказать, что мы часто заимствуем идеи, выражая их в совершенно новом и уникальном ключе! И тут не только забавная картинка самовара важна, здесь важно понимание того, что амбиции русского народа и русской инженерной мысли никогда не могли остановить внешние обстоятельства, что помогало нам всегда добиваться столь значимых и важных результатов, в том числе и в рамках освоения космического пространства.
Позаботьтесь об оформлении
Чтобы максимально привнести творчество в любом проявлении и направлении деятельности русский народ частенько оставляет за собой право лишь направить других в нужном русле. Только подсказать направление движения, чтобы другие державы прошли по этой проторенной дорожке, как им вздумается, чтобы быть при этом впереди планеты всей. Хотя и несомненно, что мы с тем же рвением можем и рваться копировать западные технологии, чтобы быть впереди своих соплеменников. Нет худа без добра в этой гонке вооружения, которую каждый человек устраивает у себя дома, а то и в рамках целой фирмы или организации куда более солидной...
В конечном итоге конкуренция порождает новые технические решения, которые без конкуренции могли бы и не родиться на свет, либо появиться гораздо позднее. В этом плане я могу лишь рекомендовать использовать зонтичные орбитальные модули в качестве устройства, передвижные стенки которого смогут позволить осуществить эксперименты с космической акустикой в помещении почти любой архитектуры. И тут необходимо заметить, что архитектура не с проста именуется застывшей музыкой, так как положение стен определяет отражения звука от этих стен, а следовательно и акустические характеристики помещения.
Но также ЗОМ будет полезен для множества других упомянутых в моей прошлой статье исследований, а также создания большого ботанического сада на орбите, предназначенного для производства кислорода и других полезных веществ для космонавтов. Да и в качестве места для жилья космических туристов подальше от космонавтов и банально склада тоже будет полезен!
И конечно же с праздником! С Днём космонавтики!
Ещё эта публикация не будет законченной, если не поздравить с Днём космонавтики всех людей, кто тоже преданы делу освоения космоса, особенно тех героев, кто отправлялся в удивительное путешествие на апогей орбиты, чтобы затем вернуться на Землю покорителями космоса!
