Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Влияние невесомости на функционирование различных систем при полете космического аппарата

Покупка
Новинка
Артикул: 836990.01.99
Доступ онлайн
600 ₽
В корзину
Изложены вопросы, касающиеся воздействия условий невесомости на физиологию космонавта. Рассмотрены профилактические мероприятия по поддержанию здоровья космонавтов, а также вопросы имитации невесомости в земных условиях и имитации силы тяжести в условиях космического пространства. Описаны особенности функционирования оборудования космического аппарата в условиях невесомости и способы передвижения космонавтов в космическом пространстве. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по программе проектирования пилотируемых космических летательных аппаратов и изучающих дисциплины «Проектирование космических аппаратов», «Основы устройств космических аппаратов», «Основы устройств летательных аппаратов», «Конструирование специальных машин и устройств».
Никитенко, В. И. Влияние невесомости на функционирование различных систем при полете космического аппарата : учебное пособие / В. И. Никитенко, А. С. Попов. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2013. - 36 с. - ISBN 978-5-7038-3719-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160477 (дата обращения: 23.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.И. Никитенко, А.С. Попов

Влияние невесомости
на функционирование различных
систем при полете космического
аппарата

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2013

УДК 612.06+629.78(075.8)
ББК 28.707.3+39.68
Н62

Н62

Рецензенты: В.И. Крайнюков, А.Н. Темнов

Никитенко В. И.
Влияние невесомости на функционирование различных
систем
при
полете
космического
аппарата :
учеб.
пособие / В. И. Никитенко, А. С. Попов. — М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2013. — 30, [6] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3719-1
Изложены вопросы, касающиеся воздействия условий невесомости на физиологию космонавта. Рассмотрены профилактические мероприятия по поддержанию здоровья космонавтов, а также вопросы
имитации невесомости в земных условиях и имитации силы тяжести в условиях космического пространства. Описаны особенности
функционирования оборудования космического аппарата в условиях
невесомости и способы передвижения космонавтов в космическом
пространстве.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по программе проектирования пилотируемых космических летательных аппаратов и изучающих дисциплины «Проектирование космических
аппаратов», «Основы устройств космических аппаратов», «Основы
устройств летательных аппаратов», «Конструирование специальных
машин и устройств».

УДК 612.06+629.78(075.8)
ББК 28.707.3+39.68

ISBN 978-5-7038-3719-1
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013

ВВЕДЕНИЕ

Одной из особенностей функционирования космического аппарата (КА) в космическом пространстве является очень малое
или нулевое ускорение силы тяжести. Cостояние невесомости заключается в том, что микроускорение g, т. е. ускорение в системе
координат, связанной с КА, весьма мало по сравнению с ускорением свободного падения на земле g0 и достигает обычно на
орбитальных станциях значения (10−6 . . . 10−3) g0.
Длительная невесомость возникает при движении КА или последних ступеней ракеты-носителя (РН) с неработающими ракетными двигателями вне атмосферы планеты.
В земных условиях можно создать только кратковременную невесомость. Она будет наблюдаться в первые 1. . .2 с при свободном
падении тела, когда сопротивление воздуха еще практически не
сказывается на его движении.
Невесомость — одна из важнейших проблем космонавтики. Это
связано с тем, что условия невесомости в космосе существенно отличаются от земных условий, в которых создаются, отлаживаются
приборы и агрегаты РН и КА, а также функционирует организм
человека. Невесомость, в частности, исключает возможность использования силы тяжести в конструкциях РН, КА и их приборов, приводит к усложнению запуска жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), делает невозможным применение маятниковой коррекции гироскопических устройств, требует специальных приемов
для разделения жидкой и газовой фаз в ряде агрегатов систем жизнеобеспечения (СЖО), в топливных элементах и топливных баках,
сопровождается ухудшением теплопередачи (отсутствует конвективный теплообмен).

3

В невесомости существенно изменяется состояние многих
гравитационно-чувствительных процессов и систем, к которым
относятся, например, системы со свободной поверхностью раздела фаз, системы вблизи критической точки, многокомпонентные
системы, многофазные системы, в особенности гетерогенные среды и процессы при фазовых переходах (кристаллизация, кипение,
конденсация) или при протекании химических реакций, в том
числе при горении.
Однако следует отметить, что ряд технологических процессов возможен только в условиях невесомости: выращивание некоторых высококачественных кристаллов, получение вспененных
металлов и однородных структур материалов, увеличение эффективности разделения биологических и лекарственных веществ посредством устранения вторичных течений и неустойчивости, вызываемых гравитационной конвекцией.

1. ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ НА ЧЕЛОВЕКА

Освоение космического пространства поставило вопрос о возможности длительного пребывания человека в условиях, отличных
от тех, к которым его организм приспособился в процессе жизни
на Земле.

Особенности функционирования организма
в условиях невесомости

Человек, попадая в условия невесомости, испытывает на себе
влияние ряда факторов, приводящих к перестройке всего организма в новой для него среде обитания. К таким факторам в первую очередь следует отнести: снятие весовой нагрузки с опорнодвигательного аппарата, существенное уменьшение гидростатического давления крови и тканевых жидкостей.
В условиях невесомости центральная нервная система, вестибулярный аппарат, мышечная система, кровеносные сосуды находятся в необычных условиях функционирования (например, отсутствуют привычные деформации органов и натяжение связок),
поэтому невесомость рассматривают как специфический раздражитель, действующий на организм человека в течение всего космического полета. Ответом на этот раздражитель являются приспособительные реакции в физиологических системах; степень их
проявления зависит от продолжительности пребывания в невесомости, а также в значительной мере от индивидуальных особенностей организма.

5

Вестибулярный аппарат в условиях невесомости

Вестибулярный аппарат посылает в мозг сигналы, которые вместе с информацией, поступающей от других рецепторов, не могут
дать верного представления о положении тела в пространстве. Правильно информирует о положении тела в пространстве только зрение. Поэтому если в условиях невесомости закрыть глаза, то могут появиться иллюзии перевернутого положения тела, плавания в
пространстве, головокружение и т. п., к ним могут присоединиться
вегетативные расстройства, о чем будет свидетельствовать бледность лица, колебания артериального давления, изменение пульса,
тошнота и рвота. Обычно эти явления выражены сильнее в первые часы и в первые дни пребывания в невесомости. Они возникают, как правило, при активных движениях и особенно при
резких движениях головой. Однако впоследствии вестибулярные
расстройства ослабевают или проходят почти полностью.
Существует четкая индивидуальная выраженность степени
проявления сенсорных и вегетативных расстройств. В зависимости от степени проявленя этих растройств всех людей можно
подразделить на три группы: вестибулярно-устойчивые, слабо
подверженные этим изменениям и неустойчивые. Предварительная тренировка в условиях кратковременной невесомости, например при нахождении в самолете, летящем по параболе Кеплера,
снижает возможность возникновения вестибулярных расстройств.

Мышечная система в невесомости

Мышечная система может подвергаться некоторым изменениям, что связано со снижением напряжения мышц, обеспечивающих
заданное положение тела в пространстве, с исчезновением мышечных усилий, направленных на преодоление веса тела, и т. д. Снижение нагрузки на мышечную систему может привести к атрофии
мышц, особенно мышц нижних конечностей.
Например, в опытах на животных удается зарегистрировать
отчетливые атрофические изменения в скелетных мышцах и нарушение белкового обмена. В невесомости усиливается выведение
из организма азота, фосфора и калия, входящих в состав мышц.

6

Эти явления можно ослабить, выполняя соответствующие физические упражнения. В условиях невесомости происходят также
нарушения координации движений, которые по мере пребывания
в космическом пространстве исчезают, и человек может хорошо
приспособиться к выполнению ряда очень сложных рабочих операций не только в кабине космического корабля, но в открытом
космическом пространстве.

Обмен веществ в невесомости

Обмен веществ, в том числе минеральный и белковый обмен
в костях, изменяется вследствие ослабления нагрузки на скелет.
Нарушение белкового и фосфорного обмена и связанного с ними кальциевого обмена приводит к некоторому вымыванию кальция из костной ткани (потери кальция составляют 0,02. . .0,06 %
в сутки в начальный период космического полета). Физические
тренировки во время космического полета с нагружением опорнодвигательного аппарата приводят к ослаблению или полному исчезновению этих нарушений.
Об энергетических затратах человека судят либо по количеству
потребленного кислорода и количеству выделенного углекислого
газа, либо по количеству теплоты, выделяемому организмом. Точно
неизвестно, какова суммарная доля энергетических затрат организма человека на постоянное преодоление силы земного притяжения.
Расчеты показывают, что в невесомости при медленных и плавных движениях человек может получить существенный выигрыш
в энергетических затратах, однако экспериментальные данные этого не подтверждают.
При полетах на самолетах по параболе Кеплера часто отмечалось не уменьшение, а увеличение потребления кислорода (от
214. . .330 до 306. . .549 мл/мин). Однако эти сведения были получены при очень кратковременной невесомости (30. . .40 с) и сразу же
после воздействия перегрузок, предшествующих невесомости, что
могло существенно повысить газообмен. Ряд данных, полученных
в ходе полетов космических кораблей «Меркурий», «Джемини-5»,
«Аполлон-9», свидетельствует о снижении газообмена при более
длительной невесомости.

7

Анализ результатов послеполетной обработки регенерационных веществ и данных динамики концентрации кислорода, углекислого газа и паров воды в воздухе кабин космических кораблей «Восток» показал, что условия кратковременных полетов
не привели к существенным энергетическим затратам человека.
Энергетические затраты членов экипажа корабля «Союз-9» во время 18-суточного полета в различные дни колебались от 8,45 до
12,8 МДж/сут и имели ясно выраженную 4-дневную периодику.
Это объяснялось различной энергетической стоимостью комплекса физических упражнений, выполняемых космонавтами в полете.
Кроме того, наблюдалось определенное повышение среднесуточного уровня потребления кислорода по мере адаптации экипажа
к условиям космического полета (в первые 6 дней — 20 л/ч; во
вторые 6 дней — 22,6, в третьи 6 дней — 23,1 л/ч).

Адаптационно-дизадаптационные перестройки организма

Перестройки организма, связанные с отсутствием в невесомости гидростатического компонента внутрисосудистого давления,
и состоящие на начальной фазе в сбросе жидкости и уменьшении объема циркулирующей крови, проходят в пределах однойдвух недель и избавляют космонавтов от неприятного ощущения
прилива крови к голове. Эта фаза адаптационной реакции облегчает приспособление человека к невесомости, и ее наступление
можно ускорить в ходе предполетных тренировок. Однако последующие биохимические, гормональные и т. д. изменения могут
оказаться критичными в отношении переносимости человеком гравитационных нагрузок, связанных с завершением полета. Медленнее, но с более серьезными последствиями проходят перестройки
организма, обусловленные снятием весовой нагрузки с опорнодвигательного аппарата. Такие изменения, как деминерализация
костной ткани, снижение устойчивости организма по отношению
к гравитационным воздействиям, физическим нагрузкам, инфекциям, эмоциональным стрессам относят к эффектам, которые состоят
в том, что присущая биологическим системам программа установления адекватных взаимоотношений организма со средой приводит к утрате тех его свойств и качеств, необходимость в которых
в невесомости отпадает.

8

В результате возникают трудности послеполетной реадаптации
организма, когда некоторые функциональные расстройства могут
доходить до грани патологии и приводить к снижению функциональных резервов, необходимых для сохранения здоровья и
поддержания работоспособности космонавтов в самом полете.

2. ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
ПО ПОДДЕРЖАНИЮ ЗДОРОВЬЯ КОСМОНАВТОВ
В ПОЛЕТЕ

Эффективность любых профилактических мер оценивают по
их способности уменьшать негативное влияние на организм наиболее неблагоприятных воздействий невесомости.
При выполнении относительно коротких полетов наиболее
важным является предотвращение таких функциональных изменений, как физическая детренированность, снижение мышечного и
сосудистого тонуса. Поэтому для профилактики этих изменений,
как правило, используют восстановительные методы. В случаях когда продолжительность космического полета превышает несколько
месяцев или год, профилактические мероприятия направляют на
минимизацию эффектов невесомости и других неблагоприятных
факторов, а также на снижение риска возникновения в полете
сенсорных и вегетативных расстройств и облегчение реадаптации
к земной гравитации после его завершения.
Российские космонавты в полете выполняют сложную многокомпонентную программу профилактики, основными задачами
которой являются:
• компенсация эффектов дефицита гравитационных нагрузок в
мышечной, костной и других системах организма;
• минимизация симптомов и последствий перераспределения
жидкостных сред организма;
• поддержание работоспособности членов экипажа на уровне,
необходимом и достаточном для успешного выполнения программы полета и быстрой послеполетной реадаптации;
• облегчение процессов реадаптации по возвращении к земному тяготению.

9

При разработке профилактических мероприятий применяют
разные подходы. Наиболее широко используется и легко реализуется на практике подход, основанный на физическом нагружении
тела, т. е. на регулярном выполнении в полете специального комплекса физических упражнений. Для профилактики нарушений
работы опорно-двигательного аппарата, предупреждения детренированности сердечно-сосудистой и мышечной систем, а также
явлений, связанных с деминерализацией костной ткани, и других
нарушений обмена веществ возможно применение фармакологических или диетологических подходов. И, наконец, можно использовать подход, связанный с разработкой восстановительных
(реабилитационных) мероприятий, направленных на предупреждение и диагностику некоторых наиболее значительных адаптивных
изменений.
На основе этих подходов разработана многокомпонентная программа профилактики применительно к длительным космическим
полетам с помощью комплекса профилактических мероприятий.
К таким мероприятим относятся:
• физические тренировки на беговой дорожке с системой «притяга», создающей нагрузку по продольной оси тела; эти тренировки направлены на сохранение структуры и свойств мышечного
аппарата, костей, наиболее важных физиологических систем организма, а также двигательных координаций и на обеспечение высокого уровня работоспособности;
• ношение в течение 8. . .10 ч ежедневно костюма «Пингвин»,
создающего нагрузку по продольной оси тела;
• paциональный режим труда и отдыха, обеспечивающий профилактику нарушений сна и состояния психофизиологического истощения;
• психологическая поддержка, противодействующая психогенным влияниям неблагоприятных факторов (социально-психологических, среды обитания и профессиональных);
• плановая
фармакологическая
профилактика, включающая
курсовой прием специальных препаратов.
Кроме того, на заключительном этапе длительного космического полета используется воздействие отрицательного давления
на нижнюю часть тела, воспроизводящее в условиях невесомости эффект гидростатического давления крови, а также средства,

10

Доступ онлайн
600 ₽
В корзину