Обоснование режимов поддержания безопасного давления в космическом корабле при аварийной разгерметизации

Язык труда и переводы:
УДК:
629.7.048.3:612
Дата публикации:
22 января 2022, 20:04
Категория:
Секция 02. Летательные аппараты. Проектирование и конструкция
Авторы
Матюшев Тимофей Викторович
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Рыбина Анастасия Сергеевна
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Максимова Ирина Дмитриевна
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Малышев Андрей Дмитриевич
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Носков Руслан Геннадьевич
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
Аннотация:
Целью работы является разработка методики анализа режимов декомпрессии при разгерметизации на основе имитации модели. Для достижения поставленной цели была разработана имитационная модель, позволяющая оценить влияние разгерметизации на параметры системы обеспечения газового состава, с учетом влияния декомпрессии на показатели газообмена организма. Проведены вычислительные эксперименты имитирующие декомпрессию при разной величине отверстия возникающего при разгерметизации. На основе полученных расчетов были получены аппроксимационные зависимости, позволяющие оценить уровень переносимости организмом декомпрессии возникающей при разгерметизации кабины.
Ключевые слова:
декомпрессия, имитационная модель, разгерметизация, гермокабина
Основной текст труда

Успех космических полетов в существенной степени зависит от того, в какой мере будет обеспечена безопасность экипажа на всех этапах полета, в том числе и на этапах старта и посадки. Орбитальный полет невозможен без герметичной кабины (ГК), в которой параметры внутренней среды регулируются так, чтобы обеспечить не только сохранение жизни, но и поддержание работоспособности на необходимом уровне. Одной из наиболее серьезных проблем авиакосмической медицины, является декомпрессия в условиях аварии [1]. При разгерметизации кабины можно использовать увеличение массовой подачи из имеющегося в запасе чистого кислорода или воздуха для замедления декомпрессии и поддержания в кабине давления выше критического уровня.

Современные самолеты оборудованы кабинами компрессорно-вентиляционного типа, для которых допустимы значительные величины утечки воздуха из-за перепада давлений внутри и вне ее. Иначе обстоит дело с герметичностью обитаемых отсеков космического корабля, поскольку такие кабины работают по циклу полностью замкнутой регенерации, утечки из них воздуха должны быть исключены, так как запас воздуха в любом физическом состоянии (сжатом и жидком) даже при минимальной негерметичности не может обеспечить безопасности полета в течение продолжительного времени.

Влияния условий внешней среды на экипаж космического аппарата (КА) во многом зависит от величины массовой подачи. Подход к выбору этой величины для кабин самолетов и космических кораблей различен. В первом случае расчет величин массовой подачи ведется на основе заданного диапазона температур воздуха, так как основная задача в этом случае сводится к обеспечению необходимого температурного режима, во втором случае – на основе поддержания в необходимых пределах парциального давления кислорода и диоксида углекислого газа.

Проблема обеспечения безопасности при разгерметизации имеет две жизненно важные стороны – физиологическую и техническую. Следовательно, только комплекс мероприятий, предусматривающих как физиологическую, так и прочностную защиту может обеспечить безопасность полета и сохранение жизни экипажа, а, следовательно, и исследование этой проблемы должно быть комплексным. Поэтому в основу исследования положена концепция комплексного рассмотрения всей проблемы как с физиологической, так и с технической точек зрения.

Для учета влияния опасных для организма с физиологической точки зрения факторов на этапе проектирования необходим методический и алгоритмический аппарат анализа систем обеспечения жизнедеятельности (СОЖ). Для этого необходимо разработать методику оценки переносимости декомпрессии человеком при вынужденной разгерметизации. При этом необходимо учитывать:

  • технические возможности и ограничения существующих средств разработки и регулирования параметров внутренней среды в кабине КА;
  • физиологические эффекты, воздействующие на экипаж в аварийных ситуациях;
  • потенциальные технические возможности, использования средств и способов оптимизации условий деятельности экипажа.

Перспективным способом оптимизации режимов регулирования давления в ГК может стать математическое моделирование, учитывающее возможности и ограничения перераспределения объемов подачи воздуха для компенсации появившейся утечки. Поэтому цель работы — разработка методики оценки переносимости декомпрессии человекомв космическом полете при разгерметизации на основе комплексной имитационной модели газодинамических процессов. Данная методика позволит теоретически оценить величину резервного времени в зависимости от уровня переносимости воздействия.

Анализ существующих подходов моделирования декомпрессии при разгерметизациипоказал, чтопроцесс истечения газа через отверстие из ограниченной емкости не является установившимся во времени и должен рассматриваться как нестационарный процесс, обусловленный в первую очередь непрерывным изменением состояния газа, а также волновой природой рассматриваемого явления. При сравнении результатов расчетов массового расхода во времени по волновой теории и теории квазиустановившихся процессов было установлено, что зависимость массы от времени при звуковом истечении газа через сопла из сосуда конечных размеров может быть хорошо аппроксимирована с применением положений теории квазиустановившихся процессов с использованием поправочных коэффициентов (например, коэффициента расхода). Что позволяет заменить рассматриваемый нестационарный процесс мнимо стационарным.

Для достижения поставленной цели нам необходимо было решить следующие задачи:

1. Сформировать имитационную модель декомпрессии при разгерметизации на основе существующих подходов к моделированию процесса разгерметизации кабины, позволяющую учитывать влияние декомпрессии на организм космонавта:

  • декомпрессии в зависимости от параметров полета и характеристик ГК;
  • изменения режимов функционирования СОЖ.

2. На основе вычислительных экспериментов разработать методику оценки переносимости декомпрессии человеком,учитывающую различные уровни переносимости воздействия.

Таким образом, была разработана имитационная модель разгерметизации кабины КА. Формализованное описание процесса было дополнено: условиями, учитывающими влияние параметров атмосферы при изменении высоты на характер истечения газов, введением переменного коэффициента расхода, позволяющего повысить точность вычислений [2], соотношениями, позволяющими определить время декомпрессии, представленными в статье Тарасова В. В. [3]; введение массовой подачи для определения величины давлений ГК [4].

Данная модель позволяет определить величины утечки и массовой подачи при разной площади дефекта на всем протяжении полета от старта до посадки. На основе полученных расчетов были получены аппроксимационные зависимости, позволяющие оценить уровень переносимости организмом декомпрессии возникающей при разгерметизации ГК.

Литература
  1. Коэнчи Е.Б. Декомпрессионные явления на искусственных спутниках с живыми существами на борту // Человек в условиях высотного космического полет: сб. пер. из иностранной периодической литературы / под ред. В.И. Иванова. М.: Иностранная литература, 1960. C. 349–416.
  2. Матюшев Т.В., Дворников М.В., Петров М.А, Носков Р.Г. Теоретический анализ режимов декомпрессии гермокабины летательного аппарата при разгерметизации // XLV Академические чтения по космонавтике (Королёвские чтения — 2021): в 4 т. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. Т. 1. С. 165–169.
  3. Тарасов В. В. Расчет времени истечения идеального газа из резервуара постоянного объема в среду с постоянным давлением при адиабатическом процессе // Вестник Тюменского государственного университета. Сер. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2016. Т. 2, № 2. С. 84–95. DOI: 10.21684/2411-7978-2016-2-2-84-95
  4. Matyushev T.V., Dvornikov M.V., Ryzhenkov S.P., Petrov M.A. Analysis of the body gas exchange indicators in high-altitude flight on the basis of the static model of the respiratory system // AIP Conference Proceedings. 2021. Vol. 2318 (1). Art. ID 160005. DOI: 10.1063/5.0036005
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.