SHEE: Автоматически развёртываемый обитаемый отсек для использования в экстремальных условиях окружающей среды

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 4(6) 2015/16

Доктор Барнаби Осборн (Dr Barnaby Osborne), старший преподаватель, Австралийский центр космических инженерных исследований, Университет Нового Южного Уэльса

Валтраут Хахенедер (Waltraut Hoheneder), Director, Liquifier Systems Group

Молли Хогл (Molly Hogle), Liquifer Systems Group

Уникальная структура, способная обеспечить проживание двух человек в течение двух недель, которую можно перемещать по суше, морю или воздуху на поверхности земли или извне. Разработка Европейского научно-производственного консорциума предоставляет международным научным сообществам возможность проводить испытания жилого отсека методом моделирования.

Обитаемый отсек самостоятельного развёртывания для работы в экстремальных условиях (SHEE) является испытательным образцом для наземного моделирования космических полётов. Он идеально подходит для проведения научных исследований эффекта замкнутого пространства и для тестирования космических сопутствующих систем и технологий; в 2016 году образец поступит в распоряжение всех, заинтересованных в проведении комплексных полётных тренировок на площадках для моделирования.

SHEE является совместным продуктом трёхлетних усилий, предпринятых в рамках проекта Европейской комиссии и машиностроительной отрасли в период с января 2013 по декабрь 2015 года. Международный космический университет возглавил консорциум, объединивший семь организаций – участников для проектирования и сборки в Европе первого симулятора складной среды обитания SHEE. В составе консорциума есть две компании, специализирующиеся на космической архитектуре: Liquifer Systems Group (Австрия) и Space Innovations (Чехия).

Отличительные особенности SHEE предусматривают: удобство транспортировки – размер стандартного евроконтейнера для перевозки и функцию автоматического развёртывания с увеличением размеров жилого отсека и полезного пространства для размещения двух человек экипажа. Общий объём обитаемого объекта составляет примерно 50m³ в соответствии с текущими исследованиями НАСА / ЕКА, обозначившими значение 20-25m³ на человека. Внутренние помещения и оборудование предназначены для различных режимов использования и видов деятельности и включают в том числе: спальные кабины, рабочую зону, многофункциональные общие площади, санитарный отсек и небольшую мастерскую.

Система регулирования окружающей среды и обеспечения жизнедеятельности (ECLSS) гарантирует проживание двух членов экипажа в течение двух недель. Мы предполагаем, что элементы конструкции SHEE найдут своё практическое применение в любой враждебной среде, требующей присутствия человека, – на поверхности Земли или извне.

Изначально были разработаны несколько концепций дизайна и конфигураций отсека обитания, а впоследствии проведён их сравнительный анализ. Высший балл получили такие преимущества, как лёгкое развёртывание, простота структуры, соотношение исходного (упакованного) / рабочего (развёрнутого) состояний и структурная устойчивость. В ходе проекта полностью отрабатывается концепция, выбранная на основе этих параметров.

Конструкция

В структурном отношении конфигурация SHEE представляет собой несущую однокорпусную конструкцию с шестью выдвижными отсеками, называемыми «лепестками». Способ изготовления, а также материалы, используемые для создания структурных компонентов, аналогичны тем, что используются в судостроительной промышленности для композитных корпусов. Для обеих конфигураций, свёрнутой и развёрнутой, были выверены критерии жёсткости и прочности с использованием коэффициентов защиты и основных проектных норм в соответствии с промышленными стандартами НАСА GSFC-STD-7000A-1 и MIL-STD-810F. Верификация конструкции проводилась с помощью анализа методом конечных элементов (FEA), с использованием программного обеспечения PTC Creo Simulate, данные предварительного проектирование и обоснованности проектных допущений поступали в рабочем порядке. Анализ структуры учитывает разные варианты нагрузки для целого ряда сценариев. Последняя верификация конструкции SHEE продемонстрировала положительный запас прочности во всех анализируемых случаях.

Отсек обитания SHEE можно перевозить на грузовике – или по морю, или по воздуху – в другие страны. Авторское право: SHEE Консорциум, фото: COMEX, 2015

Самонесущая структура основного корпуса выполнена из усиленных сэндвич-панелей (толщиной 60 мм) стеклопластиковых облицовок с сердечником из вспененного материала. Основной корпус состоит из двух половин, которые крепятся друг к другу с помощью экваториального металлического фланца. Лепестки изготовлены по тому же принципу, что и основной корпус, толщиной 30 мм. Огнеупорный наружный отделочный слой присутствует на внешних поверхностях всех компонентов; основной материал представляет из себя термо- пластмассовую сотовую конструкцию, заполненную вспененным термопластом с замкнутыми ячейками. Преимущества основного материала направлены на достижение двух целей: блокирование распространения разрывов, как в сотах; и обеспечение превосходной тепло- и шумоизоляции, как пенопласт.

Процесс развёртывания отсека обитания, так называемое «срабатывание», состоит из вращательных движений, которые поступают от центральной оси. Выбор системы определяется в основном наличием прошедших практическую апробацию и готовых компонентов. Приводы компактные и располагаются в нишах пола и потолка.

Внутри основного корпуса отсека обитания в общей сложности находятся шесть лепестков автоматического развёртывания. Они поровну делятся на две группы и симметрично располагаются на центральной оси упакованного отсека. Лепестки разворачиваются синхронно, так что, будучи одинаковыми по размеру, лепестки по обе стороны оси при срабатывании спарены вместе. Каждый лепесток в наборе имеет индивидуальную коробку передач, но в действие их приводит один двигатель. Приведение в действие осуществляется посредством электродвигателей мощностью 800W, работающих от источника постоянного тока 24 В, а положение лепестков отслеживается с помощью кругового датчика положения вала, расположенного непосредственно на оси вращения.

Системы жизнеобеспечения

Надувные уплотнения заполняют щели между движущимися лепестками и основным корпусом. Уплотнения полностью заполняются воздухом после развёртывания отсека обитания, но затем при движении воздух откачивается с помощью вакуумного насоса. В случае полного отключения питания отсек обитания может быть открыт и закрыт вручную при посредстве внешних батарей или других источников питания.

Полная автономия человека в космосе представляется долгосрочной целью, которая пока ещё полностью недостижима в отрасли в целом, но система экологического управления и жизнеобеспечения (ECLSS) на SHEE имеет вполне успешное применение для рециркуляции воды и регенерации потребляемого воздуха.

Компоненты ECLSS представлены в виде модульных стоек, которые, в случае необходимости, можно заменить другими функциональными элементами. Кухонная стойка на SHEE состоит из оборудования, которое позволяет астронавтам готовить и хранить пищу, а именно: микроволновой печи и холодильника, а также дегидрационной установки для сокращения объёма пищи и восстановления из неё воды. Санитарный блок включает в себя туалет (гравитационный фундамент) и раковину для личной гигиены. Блок «мониторинга и вентиляции» состоит из двух небольших стоек и представляет из себя систему экологического мониторинга кондиционирования воздуха и двух вентиляционных узлов.

В дополнение к компонентам – стойкая внутренняя отделка модульного типа, которая меняется в зависимости от конкретных полётных потребностей. Внутреннюю мебель можно крепить к жёсткой внешней структурной оболочке в твёрдых контактных точках с помощью вставки и резьбы. Кроме того, мы интегрировали «виртуальное окно», чтобы менять цвет освещения в жилище.

Чтобы в полной мере понять конструкцию SHEE и её сложность, перед её использованием необходимо ознакомиться с «Инструкцией по эксплуатации» для приобретения практических навыков научной подготовки и планирования. В рамках подготовки к первому космическому полёту отсека обитания SHEE пройдёт испытания в лабораторных условиях, чтобы установить спецификационные требования. Тесты включают в себя: внешние операции, повторное развёртывание и укладку; внутренние операции; требования к материально-техническому обеспечению и требования к наладке и подготовке к работе. Подобная программа тестирования сосредоточена на установлении наличия функциональных признаков разработанных, построенных и интегрированных систем, и тестирование на основе пользовательского опыта и функционирования.

Расположение системы жизнеобеспечения и измерительной аппаратуры SHEE. Авторское право: Консорциум SHEE

Во время эксплуатации концепция SHEE продемонстрирует достаточную гибкость, чтобы выполнять многочисленные функции в различных условиях окружающей среды. Действительно, архитектура позволяет объединить несколько отсеков обитания. Таким образом, «деревня SHEE» может объединить модули, которые послужат жилыми отсеками, лабораториями с теплицами или медицинскими станциями.

Достижения в области технологии и конфигурации отсека обитания SHEE создают хорошие предпосылки для дальнейшего развития и эволюции внеземных жилых сооружений. Более того, разборная конструкция отсека обитания позволит проводить междисциплинарные исследования и испытания различных технологий для других аналогов в Европе и во всём мире.

Проект SHEE финансируется Европейской комиссией в соответствии с Рамочной программой 7 (Framework Programme 7). Авторы этой рукописи выражают свою благодарность Европейской комиссии.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
A Self-Deployable Habitat for Extreme Environments (SHEE)
 журнал ROOM № 4(6) 2015/16