Скафандр - Pressure suit

Для гидрокостюмов, защищающих от чрезмерно высокого давления, см. Атмосферный гидрокостюм. Информацию о костюме с избыточным давлением, используемом в биозащиты, см. Костюм для персонала с положительным давлением.
А U-2 костюм пилота

А скафандр это защитный костюм носят высотные пилоты, которые могут летать на высотах, где давление воздуха слишком низкий, чтобы незащищенный человек мог выжить, даже дыша чистым кислородом в положительное давление. Такие костюмы могут быть как полнонапорными (т.е. космический костюм ) или парциального давления (как используется воздушный экипаж ). Костюмы с частичным давлением работают, создавая механическое противодавление, помогая дышать на высоте.

Фон

Область от уровня моря до 3000 м (10000 футов) известна как физиологически эффективная зона. Уровень кислорода обычно достаточно высок, чтобы человек мог функционировать без него. дополнительный кислород и декомпрессионная болезнь редко.

В физиологический дефицит зона простирается от 3 600 м (12 000 футов) до примерно 15 000 м (50 000 футов). Существует повышенный риск возникновения таких проблем, как гипоксия, уловленный газ дисбаризм (когда газ, заключенный в теле, расширяется), и дисбаризм выделенных газов (когда растворенные газы, такие как азот, могут образовываться в тканях, т. е. декомпрессионная болезнь ).[1] На высоте примерно 10 000 м (33 000 футов), богатые кислородом дыхательная смесь требуется для приблизительного количества кислорода, доступного в нижних слоях атмосферы, а на высоте более 12 000 м (40 000 футов) кислород должен находиться под положительным давлением. На высоте более 15 000 м (49 000 футов) дыхание невозможно, поскольку давление, при котором легкие выделяют углекислый газ (приблизительно 87 мм рт. Ст.), Превышает давление внешнего воздуха. Выше 19000 м (62000 футов), также известная как Предел Армстронга жидкость в горле и легких закипит. Обычно 100% кислород используется для поддержания эквивалентной высоты 3000 м (10 000 футов).

Методы работы

Как правило, скафандры работают либо за счет косвенного сжатия человеческого тела, либо за счет прямого сжатия.

Непрямое сжатие

Костюм высокого давления непрямого сжатия без внешнего баллистического покрытия, демонстрирующий множество сложных складок ткани, внутренние опорные кольца складок и гибкие штабелированные кабельные петли в сборе гибких соединений постоянного объема.

Непрямое сжатие обычно осуществляется путем помещения тела в газовую оболочку. Для этого типа проектные усилия сосредоточены на сжатии и сдерживании газа при равном давлении вокруг тела по мере движения носителя и отсутствии давления газа или закрывающей оболочки костюма, ограничивающих движения тела носящего.

Поддерживать постоянное давление газа при движении человека сложно, потому что внутренний объем надувного костюма простой конструкции изменяется при сгибании суставов тела. Давление газа постоянно пытается подтолкнуть тело пользователя к положению, в котором костюм накачан до максимального объема воздуха. Движение против этого давления газа может быть очень трудным и очень утомительным для владельца костюма, что ограничивает объем работы, которую можно выполнить с помощью костюма.

Костюмы с непрямым сжатием обычно требуют сложных ребристых механических структур на стыках, которые создают гибкие, но неэластичные складки или карманы на коже костюма, которые действуют для поддержания постоянного объема воздуха в костюме при движении пользователя. Эти карманы существуют с обеих сторон гибкого соединения и предназначены для совместной работы в тандеме, так что, когда соединение сгибается, складки на одной стороне соединения сжимаются и сжимаются в объеме, в то время как складки на противоположной стороне будут расслабиться и расшириться в объеме. Ребристые конструкции обычно скреплены проволочными тросами или тканевыми ремнями, чтобы ограничить их движение и предотвратить необычные режимы изгиба, которые могут натирать тело пользователя. Проволочные петли также ограничивают сложные складки, которые, если их высвободить, могут развернуться и выдвинуться на более чем метр длиннее, чем тело пользователя.

Эти шарнирные конструкции с постоянным объемом значительно снижают утомляемость пользователя, так что ему не нужно постоянно бороться с давлением костюма.

Прямое сжатие

Показаны функциональные компоненты скафандра прямого сжатия, препятствующего перегрузке: A - соединение шланга для накачивания с внешним источником воздуха, B - гибкая эластичная трубка, содержащаяся внутри неэластичного тканевого туннеля по длине конечности, C - чередующиеся тканевые ленты для сжимайте костюм при надувании шпиля, D-образные шнуровки для настройки подгонки тканевого костюма в соответствии с анатомией пользователя.

Прямое сжатие включает приложение давления непосредственно к человеческому телу с использованием материала костюма, обычно без дополнительной газовой оболочки вокруг пользователя, которая вместо этого обеспечивается внешней жесткой конструкцией кабины, окружающей человека.

Один метод, используемый для этого, известен как костюм кабестана, в котором используется сжимаемая надувная трубка, известная как шпиль, окруженная чередующимися тканевыми полосками, которые оборачиваются вокруг воздушной трубки и прикрепляются к неэластичной ткани, которая точно соответствует форме тела пользователя. .

Чтобы обеспечить индивидуальную плотную посадку по форме на теле пользователя, есть группы шнурков по длине каждой конечности. Молнии также могут проходить по всей длине, чтобы оставить место для костюма. Чтобы оказать давление, трубка ведущего вала находится под давлением, которое расширяется в диаметре и оказывает давление на полоски ткани. Затем полоски плотнее затягивают материал костюма в поперечном направлении вокруг тела пользователя.

Проблема с этой конструкцией заключается в том, что ткань костюма не может оказывать непосредственное давление на человеческое тело в областях с поверхностью, которая изгибается внутрь, в сторону от ткани костюма. Места с вогнутыми поверхностями кожи находятся в подмышечной впадине, за коленями, спереди и сзади в области промежности и вдоль позвоночника.

Могут быть использованы конструкции надувных баллонов или формованная жесткая вспененная пена, которые входят в эти полости для обеспечения прямого давления на кожу, когда материал костюма не может обеспечить этот контакт напрямую.

Типы

Костюмы частичного давления создают давление только на определенные части тела. Они могут обеспечить защиту только до определенной высоты.[2] Они не обеспечивают защиту в течение длительного времени при низком давлении окружающей среды.[3] Костюмы полного давления создают давление на все тело. Эти костюмы не имеют ограничения по высоте.[нужна цитата ]

Выход в космос без скафандра

Основная статья: Космическая экспозиция

Человеческое тело может ненадолго пережить тяжелые вакуум незащищенного пространства, несмотря на противоположные изображения в очень популярных научная фантастика. Человеческая плоть в таких условиях увеличивается примерно в два раза, создавая визуальный эффект культуриста.[нужна цитата ] а не переполненный воздушный шар. Сознание сохраняется до 15 секунд в результате воздействия кислородное голодание не происходит мгновенного замораживания, потому что все тепло должно быть потеряно через тепловое излучение или испарение жидкости, и кровь не кипит, потому что она остается под давлением внутри тела, но когда вены взрываются из-за того, что плоть расширяется примерно в два раза, кровь, содержимое желудка, мозг, сердце, глазные яблоки и мышцы начинают кипеть пока тело не взорвется из-за нулевого давления в космосе. Наибольшую опасность представляют попытки задержать дыхание перед воздействием, поскольку последующие взрывная декомпрессия может повредить легкие. Эти эффекты были подтверждены в различных авариях (в том числе в условиях очень большой высоты, в открытом космосе и в учебных вакуумных камерах).[4][5]

Кожа человека не нуждается в защите от вакуума и сама по себе является газонепроницаемой.[6] Вместо этого его нужно только механически сжать, чтобы сохранить нормальную форму. Этого можно достичь с помощью плотно прилегающего эластичного костюма и шлема для дыхательных газов, известного как костюм космической деятельности.

История

СССР

В СССР первый костюм полного давления спроектировал инженер. Цианн Даунс в Ленинград в 1931 году. CH-1 представлял собой простой герметичный костюм со шлемом, не имевшим суставов, поэтому требовалось значительное усилие для движения рук и ног под давлением. Это было исправлено в более поздних исках. Работы по созданию костюмов полного давления проводились в 1936-41 гг. Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), аналогичную работу проводит Громова ЛИИ (LII) после Вторая Мировая Война. LII произвел четыре экспериментальных костюма полного давления для экипажей, а в 1959 году начал работу над костюмами полного давления для космических полетов.[7] Чертовский использовал имя скафандр для костюмов полного давления, от французского Scaphandre ("гидрокостюм для дайвинга"); скафандр с тех пор стал термином, используемым россиянами для обозначения стандартных платья для дайвинга или же космические костюмы.

Холдейн-Дэвис

Итальянский авиатор Марио Пецци в высотном скафандре, около 1937 г.

В 1931 году американец Марк Ридж был одержим идеей побить мировой рекорд высоты на открытом гондоле. Понимая, что для полета потребуется специальная защитная одежда, он посетил Великобританию в 1933 году, где встретился с Шотландский физиолог Джон Скотт Холдейн, который в 1920-х годах опубликовал концепцию тканевого костюма с полным давлением. Эти двое обратились за помощью к Роберт Генри Дэвис из Сибе Горман, изобретатель Набор побега Дэвиса, и с помощью ресурсов Холдейна и Дэвиса был сконструирован прототип костюма. Ридж испытал его в камере низкого давления на смоделированной высоте 50 000 футов. Однако он не получил поддержки для дальнейшей работы и так и не попытался установить мировой рекорд.

28 сентября 1936 г. Командир эскадрильи F.R.D. Свейн из королевские воздушные силы установил официальный мировой рекорд высоты в 49 967 футов в Бристоль Тип 138 в подобном костюме.[8]

Wiley Post

В 1934 году авиатор Wiley Post, работая с Расселом С. Колли из Компания Б.Ф. Гудрич, произвел первый в мире практический скафандр. Тело костюма состояло из трех слоев: длинного нижнего белья, резинового баллона, работающего под давлением воздуха, и внешнего костюма из прорезиненной парашютной ткани, который был прикреплен к раме с помощью суставов рук и ног, что позволяло Посту управлять самолетом, а также ходить к нему и обратно. . К раме были прикреплены перчатки из свиной кожи, резиновые сапоги и алюминиево-пластиковый шлем со съемной лицевой панелью, на которой можно было разместить наушники и горловой микрофон. В первом полете в скафандре 5 сентября 1934 года Пост достиг высоты 40000 футов над уровнем моря. Чикаго, а в более поздних полетах достигал 50 000 футов.

Вторая Мировая Война

В США во время Второй мировой войны было приложено много усилий для разработки скафандров. В то время как Б.Ф. Гудрич возглавлял эту область, другие компании, участвовавшие в таких исследованиях, включали Arrowhead Rubber Co., Хороший год, и Резина США. В Университет Миннесоты работал с Bell Aircraft и Национальное бюро стандартов США. Бюро стандартов и Калифорнийский университет действовали как расчетные палаты для распространения информации среди всех вовлеченных компаний. Во время Второй мировой войны не было произведено эффективных полностью мобильных скафандров, но эти усилия послужили ценной основой для дальнейшего развития.[8]

Джо Уокер в раннем костюме парциального давления ВВС

Компания Дэвида Кларка

После войны Холодная война вызвало постоянное финансирование развития авиации, которое включало исследования на больших высотах и ​​на высоких скоростях, такие как NACA с X-1. Джеймс Генри из Университет Южной Калифорнии разработал костюм парциального давления, используя кислородная маска для подачи сжатого кислорода с давлением газа также надуванием резиновых трубок, называемых кабестами, для затягивания костюма и обеспечения достаточного механического противодавления, чтобы просто уравновесить давление дыхания, необходимое для предотвращения гипоксии на определенной высоте. В Компания Дэвида Кларка предоставили техническую поддержку и ресурсы, а прототип костюма был испытан на смоделированной высоте 90000 футов Райт Филд в 1946 году. Дизайн Генри был впоследствии разработан компанией Дэвида Кларка в летных костюмах S-1 и T-1, используемых пилотами X-1. На смену X-1 пришел Дуглас Скайрокет, цель которого заключалась в том, чтобы превышать 2 Маха, и требовался улучшенный скафандр. Дэвид Кларк выиграл контракт в 1951 году на их первый костюм полного давления, Model 4 Full Pressure Suit; он впервые взлетел в 1953 г. USMC авиатор Мэрион Э. Карл который стал первым американским военным летчиком, надевшим полный скафандр, в то же время установив неофициальный мировой рекорд высоты на Skyrocket.

Космонавт Гордон Купер в шлеме и скафандре

Goodrich Mk III и IV

Требования США к высотным самолетам-разведчикам, таким как U-2, а истребители для перехвата советских высотных самолетов заставили ВМС США в 1950-х годах разработать полный герметичный костюм. Сотрудничая с B.F. Goodrich и Arrowhead Rubber, USN разработала ряд проектов, кульминацией которых стали Goodrich Mk III и IV. Будучи предназначенным для использования в самолетах, Mk IV позже использовался НАСА с модификациями для Проект Меркурий как Военно-морской флот Марк V. В то же время Дэвид Кларк выиграл контракт на производство костюмов для Х-15 проект; его скафандры XMC-2 квалифицированы как первые скафандры США.[9]

РАФ

В Институт авиационной медицины РАФ и Royal Aircraft Establishment разработали шлем с парциальным давлением, который использовался с костюмом кабестана, закупленным в США. Его носил Уолтер Гибб и его штурман, чтобы установить мировой рекорд высоты 29 августа 1955 г. Английский Electric Canberra. Однако оценка костюма показала, что он обременяет владельца и плохо интегрируется с системами эвакуации RAF. Вместо этого IAM RAF предложило костюм с минимальным покрытием, который обеспечил бы защиту от «взлома». RAF никогда не выпускал костюмы с частичным давлением, предпочитая вместо этого использовать брюки с защитой от перегрузки в сочетании с куртками (которые создавали механическое противодавление на грудь владельца).

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Altitude.org советы по здоровью для альпинистов.
  2. ^ Козлоски, Лилиан Д. (1994). Космическое снаряжение США: экипировка астронавта. Пресса Смитсоновского института. ISBN  0-87474-459-8.
  3. ^ Хоффман, Стивен. «Расширенные возможности выхода в открытый космос: исследование для концептуальной программы революционных аэрокосмических систем НАСА» (PDF). Хьюстон, Техас: НАСА. п. 55. Архивировано с оригинал (PDF) 27 июля 2011 г.. Получено 3 апреля 2011.
  4. ^ "Спросите астрофизика, человеческое тело в вакууме". Представьте себе Вселенную НАСА. Получено 2008-12-14.
  5. ^ "Открытие космоса". Чертовски интересно. Получено 2008-12-14.
  6. ^ «Кожа от А до Я - Структура и функции кожи». Австралазийский колледж дерматологов. Получено 2020-01-23. Кожа - это орган, который обеспечивает внешнюю защитную оболочку всех частей тела. Это самый большой орган в организме. Это водонепроницаемый, воздухонепроницаемый и гибкий барьер между окружающей средой и внутренними органами. Он сохраняет внутреннюю среду нашего тела стабильной.
  7. ^ Абрамов, Исаак Павлович (2003). Русские скафандры. Springer. С. 5–13. ISBN  1-85233-732-X.
  8. ^ а б Thomas, Kenneth S .; Гарольд Дж. Макманн (2005). Скафандры США. Birkhäuser. п. 6. ISBN  0-387-27919-9.
  9. ^ Томас, стр. 10

внешняя ссылка