Разработка и текущая ситуация с американским космическим скафандром в кабине

【Абстракт】 В этой статье систематически рассматривается история развития американского скафандра, и описывается последний коммерческий скафандр SpaceX в Соединенных Штатах. SpaceX скафандр частной компании по освоению космоса (SpaceX) дизайн и производство завершено, этот скафандр и традиционный скафандр сосредоточиться на производительности и игнорировать внешний вид различных, в виду большой прорыв. Однако скафандр SpaceX подходит только для использования внутри космического корабля из-за функциональных ограничений конструкции. Анализируя особенности дизайна скафандров SpaceX, такие как внешний вид и ткань, в сочетании с тенденцией The Times, будущее развитие скафандров является ключевым направлением высокотехнологичных многофункциональных и подходящих.
【Кейвордс】космические скафандры SpaceX; скафандры в кабине; дизайн внешнего вида; показ деталей

0 Предисловие
На протяжении тысячелетий люди всегда интересовались космосом и никогда не прекращали его исследовать. Если люди хотят выжить в космической среде, они должны использовать соответствующее оборудование для поддержания основных жизненных потребностей и создания условий для жизни. Помимо космических кораблей, для астронавтов очень важны скафандры. Как одежда, которую носят астронавты во время полетов, скафандры выполняют функции, схожие с функциями мини-космических аппаратов. Космические костюмы можно разделить на три категории в соответствии с их функциями, а именно: скафандрIVA, скафандр для внекорабельной деятельности (скафандр EVA) и скафандрIEVA. . Разработка бортовых и внекорабельных цельных скафандров ограничена ранним развитием технологий, поэтому сейчас внекорабельные и бортовые скафандры разрабатываются отдельно. Скафандр в кабине также называют аварийно-спасательным скафандром. В основном он используется на этапах запуска и возвращения. Скафандр используется для обеспечения кислородом, необходимым космонавтам для дыхания, и поддержания необходимого для выживания давления, чтобы космонавты не потеряли давление в кабине. безопасность жизни.
Если оглянуться на историю развития скафандров для людей за последние 100 лет, то скафандры неизбежно вызывают у людей ощущение неуклюжести и тяжести. В основном это связано с природой аэрокосмической промышленности. При традиционном проектировании скафандров во главу угла ставятся безопасность и функциональные требования, стоимость высока, а "эстетика внешнего вида" стоит на втором месте. Но с развитием эпохи и коммерциализацией космической отрасли дизайнеры, естественно, задумаются о том, как сделать внешний вид скафандров привлекательным. В данной статье подробно рассматривается функциональная реформа скафандра SpaceX как коммерческий дизайн внешнего вида одежды, чтобы дать некоторые идеи для разработки будущих скафандров.

1 Скафандр в кабине
1.1 Американские скафандры в кабине самолета
В начале 1830-х годов американский летчик-высотник Персиан возглавил разработку первого в мире высотного скафандра™, который заложил прототип будущих исследований и разработок космических скафандров. В 1860-х годах, вдохновленный высотным реактивным скафандром ВМС США, родился скафандр Mercury. С точки зрения процесса разработки американского скафандра, на его развитие повлияла миссия.
Начиная с 1981 года, НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства) начало использовать новое поколение внекорабельных скафандров. Из-за высокой стоимости скафандров в американских скафандрах больше не использовались методы индивидуального пошива, а применялись идеи модульного дизайна. То есть количество определяется через конкретные задачи, а комбинируя модули CEI (Contract End I-tems) разных размеров, астронавты в итоге получают практически индивидуальную одежду.
Этот метод не только значительно экономит средства, но и облегчает астронавтам замену компонентов одежды во время длительных исследовательских миссий. В таблице 1 приведена информация о характеристиках основных американских систем автомобильных скафандров в разные периоды.

1.2 Скафандр SpaceX
В целом, несмотря на то, что различные типы скафандров отличаются друг от друга тканями, удобством, общими функциями и внешним видом, большинство из них громоздки и сложны на вид. С развитием времени космические костюмы также претерпевают значительные изменения во внешнем виде.
Скафандр в кабине SpaceX также известен как скафандр "Звездный человек". В 2018 году SpaceX использовала манекен под названием "Звездный человек", одетый в скафандр, который имеет только форму, но не функции, и совершила полет в космос на ракете-носителе. Скафандр SpaceX, ставший первым коммерческим скафандром для выхода в открытый космос, претерпел значительные изменения в конструкции. В 2015 году компания SpaceX заявила о намерении разработать скафандр. В 2017 году Элон Маск впервые опубликовал первую официальную фотографию скафандра SpaceX на своем личном аккаунте. Он отметил, что скафандр прошел стресс-тесты, но очень редко требуется, чтобы скафандр был функциональным и красивым одновременно. Поэтому в этом процессе они применили метод "обратной инженерии": сначала спроектировали внешний вид скафандра, а затем подумали, как удовлетворить функциональные и защитные требования авиаперелетов. Маску и Фернандесу потребовалось четыре года, чтобы завершить работу над "Звездным человеком".
В 2020 году Боб Бэнкен и Даг Херли наденут "летные костюмы SpaceX Dragon" и отправят корабль Crew Dragon в космос. И это первое публичное появление скафандра. Скафандры SpaceX создаются для астронавтов, чтобы быть функциональными, легкими и эстетически привлекательными, а также обеспечивать защиту от возможной разгерметизации.

2 Функциональный дизайн скафандра SpaceX
2.1 Структурное проектирование
Структурная конструкция - основа скафандра в кабине. Скафандр SpaceX состоит из герметичных костюмов, шлемов, перчаток, компонентов вентиляции и подачи кислорода, а также некоторых аксессуаров. Он представляет собой функционально интегрированную одежду. Его структурная форма похожа на традиционные скафандры, в нем используется "мягкая" структура, в которой голова, туловище и конечности соединены вместе, а также открытый метод вентиляции и подачи кислорода.
Скафандры SpaceX изготавливаются на заказ для астронавтов, а шлемы - с помощью технологии 3D-печати. Кастомизация позволяет и одежде, и шлемам идеально соответствовать форме и размеру тела пользователя. Шлем оснащен системой связи и управляющими клапанами, соединенными с различными частями тела. На боковой стороне шлема есть кнопка, которая управляет открытием и закрытием маски. Шлем крепится к маске, но традиционные шлемы долгое время крепились болтами, ограничивая движение головы пользователя, в результате чего он смотрел только прямо перед собой и не смотрел по сторонам. Поэтому в прошлом астронавты называли такую ситуацию эффектом "крокодильей головы".
Для этого Хосе Фернандес перевел верхнюю шейную часть шлема скафандра с болтов на шарниры, что сделало эти скафандры более легкими и, на тот момент, обеспечило астронавтам лучшее поле зрения. Конструкция скафандра SpaceX предлагает новый способ решения этой проблемы.
В отличие от традиционных скафандров, скафандр "Xingxia" имеет плоский вид, потому что дизайнер использует формулу "скрытия", чтобы спрятать внешние шланги, провода и рельефные ручки на поверхности одежды. Интерфейс системы жизнеобеспечения и другие линейные интерфейсы, такие как воздушные и силовые соединения, скрыты прямоугольной крышкой над коленом правой ноги и не будут видны на поверхности одежды. А сиденье оснащено патрубками для подключения одежды, что значительно облегчает работу астронавтов.
Для скафандров улучшение посадки, гибкости и удобства надевания и снятия может эффективно гарантировать их эргономичность. Что касается адаптивности, то SpaceX максимально повышает приспособляемость скафандров с помощью индивидуальных стратегий, чтобы астронавты могли выполнять действия с комфортом и гибкостью, когда это необходимо. Что касается гибкости, то гибкость суставов и перчаток скафандра является основным фактором, который ограничивает способность скафандра работать. Деятельность астронавтов в скафандрах - это в основном деятельность конечностей, а одежда накладывает определенные ограничения на деятельность человека. Поэтому конструкция сустава имеет особое значение. Коленная часть скафандра SpaceX имеет подходящий запас за счет плиссированной конструкции, что не только облегчает сгибание человеческой ноги, но и делает ее более лаконичной и красивой. Кроме того, удобство надевания и снятия скафандра - одно из основных требований к скафандру.

2.2 Внешний вид "Xingxia" относится к скафандру в кабине, который надевается космонавтами в кабине только при выходе из пилотируемого космического корабля. Если во время полета космическому кораблю угрожает опасность утечки газа или резкого изменения давления воздуха, он должен быть способен защитить баланс давления воздуха, находящегося в кабине космонавтов. Кроме того, во время полета космонавтам необходимо надевать скафандр в кабине, чтобы передвигаться в ней, поэтому скафандр в кабине не должен быть слишком громоздким и должен обеспечивать гибкость пользователя. Поэтому, по сравнению с внекорабельными скафандрами, бортовые скафандры обычно легче, а их внешний вид проще сделать компактным.
По сравнению с традиционным американским скафандром, поскольку для обеспечения комфорта астронавтов при сгибании тела они проектируются с достаточными полями, что непосредственно приводит к тому, что астронавты выглядят тяжелыми и раздутыми, когда стоят. В целом, скафандр SpaceX отличается от эргономичного дизайна, а дизайн с соответствующими полями позволяет одежде выглядеть аккуратно, даже когда астронавт находится в вертикальном положении, и на это повлияли поп-культура и научно-фантастические произведения о межзвездных путешествиях. Под влиянием формы одежда в основном черно-белая, а общий дизайн учитывает возможности и моду. Черные и серые детали по бокам могут визуально изменить форму тела.
Он имеет аэродинамическую конструкцию с разделительной линией, проходящей от лопаток до верхней части коленей. Гладкий черно-белый дизайн скафандра SpaceX делает его обтекаемым, стильным и визуально привлекательным. Визуально скафандр SpaceX представляет собой верхний и нижний скафандры с отдельным шлемом и обувью. Но на самом деле это цельная конструкция, шлем соединен с телом, а ноги сделаны из черной ткани, чтобы придать форму ботинкам, которые являются частью самого тела. Цельный костюм не только имеет обтекаемый и легкий вид, но и может удовлетворить потребности пользователя в деятельности в кабине, а также обеспечить безопасность жизни пользователя в кабине. Как показано на рисунке 5, плечи скафандра SpaceX имеют прямые и плавные линии, а облегающий тело дизайн делает плечи более модными.

2.3 Выбор ткани
Космические скафандры сталкиваются с рядом функциональных проблем, и первыми из них являются давление и температура. С увеличением высоты над уровнем моря давление и температура воздуха значительно снижаются. Это выдвигает требования к разработке функциональных тканей для космических скафандров, то есть основным моментом при разработке скафандров являются требования к защите от декомпрессионной среды.

2.3 Выбор ткани
Космические скафандры сталкиваются с рядом функциональных проблем, и первыми из них являются давление и температура. С увеличением высоты над уровнем моря давление и температура воздуха значительно снижаются. Это выдвигает требования к разработке функциональных тканей для космических скафандров, то есть основным моментом при разработке скафандров являются требования к защите от декомпрессионной среды.
EMU (extravehicular mobility unit) - это новый тип космического скафандра, разработанный на основе скафандра "Аполлон" и состоящий из герметичного костюма и системы жизнеобеспечения. Из-за уникальных характеристик окружающей среды скафандр должен состоять из нескольких слоев. Аналогично, чтобы справиться с изменениями окружающей среды в космосе, в скафандре "Синься" используется ткань, похожая на ткань международного активного аппарата внекорабельной разведки EMU, которая также имеет многослойную структуру.
Для внешнего слоя скафандра используются различные полимерные материалы, в том числе "Номекс" и "Тефлон". Изделия серии "Номекс" обладают превосходной термостойкостью, огнестойкостью, нетоксичностью и лучшими механическими свойствами. Материал "Teflon" также выдерживает высокие температуры и допускает закалку, тушение и высокое давление. Оба материала разработаны компанией DuPont и широко используются в аэрокосмической и других отраслях народного хозяйства. Эти специальные материалы делают "Xingxia" огнеупорным, водонепроницаемым, пыле- и маслостойким, а также устойчивым к износу. Белая часть поверхности выполнена из материала DuPont "Teflon", который использовался для внешнего слоя скафандра "Аполлон". Тефлон широко используется не только для мягких материалов, таких как текстильные ткани, но и для различных твердых материалов. В черной части также используется материал "Nomex" от DuPont. Этот материал широко используется в гоночных костюмах, а также схож с материалом DuPont "Kelvar", который когда-то использовался в оранжевых скафандрах NASA.
Основная функция конструкции и материала внутреннего многослойного материала заключается в обеспечении баланса давления воздуха внутри и снаружи тела пользователя. В случае дисбаланса давления в кабине можно гарантировать безопасность жизни пользователя. Еще в 2017 году костюм прошел испытания двойным вакуумным давлением.
Перчатки и лиф скафандра SpaceX также сшиты таким образом, что становятся частью комбинезона. Интеллект и автоматизация - это тенденция развития одежды, а скафандры - это одежда, интегрированная в технологии. В скафандрах SpaceX используется технология сенсорных экранов в перчатках, которая соответствует существующим технологиям сенсорных экранов.
Технология позволяет владельцу перчаток управлять космическим кораблем посредством взаимодействия с сенсорным экраном. Под широко используемыми перчатками для сенсорных экранов подразумеваются специальные перчатки, используемые для работы с емкостными сенсорными экранами в зимнее время, которые выполняют множество функций, таких как защита и технология. С точки зрения дизайна, внутренний слой перчатки для сенсорного экрана изготовлен из антистатического волокна. Благодаря тесту на количество заряда и тесту пряжи, он соответствует количеству заряда сенсорного экрана и степени вдохновения перчатки с сенсорным экраном 10, а уникальное плетение осуществляется с помощью компьютера для завершения скафандра. Окончательная форма перчатки. В результате скафандр становится более автоматизированным, что также обеспечивает более высокую безопасность выхода астронавтов в космос.
2.4 Функциональные инновации
Главная инновация в скафандрах SpaceX - отвод тепла от тела астронавтов с помощью воздушного охлаждения. До этого в нынешних EMU NASA использовался отвод тепла с помощью водяного охлаждения. Трубка с водяным охлаждением адсорбировалась на коже астронавта, впитывая пот, чтобы тело оставалось сухим, и поглощая тепло, чтобы температура тела астронавта была ниже температуры ядра человеческого тела. Воздушное охлаждение теплоотвода отличается повышенной безопасностью: оно не только позволяет избежать повреждения астронавтов водой, но и означает, что охлаждающая среда безвредна в случае утечки. Но в то же время использование скафандров с воздушным охлаждением приведет к увеличению энергопотребления, поскольку воздух менее эффективен в отводе тепла, чем вода, и насос требует больше энергии. 3 Резюме
С течением времени промышленные изменения привели к серьезным переменам в космических костюмах. Космические скафандры постепенно превратились из традиционных "защита и функциональность как основа, дополненная эстетикой" в "и функциональность, и эстетика".
В связи с этим SpaceX продвигает разработку скафандров в кабине. Пусть это всего лишь небольшой шаг вперед, это не историческое изменение, но это маленький шаг, который был реализован и имеет практическое значение, а также может предвещать будущие тенденции. Начало перемен. Благодаря инновациям SpaceX все аспекты могут не только перенять ее дизайнерские идеи, но и способствовать постоянному развитию скафандров и всей отрасли.