Акустическая защита на борту пилотируемых космических станций

История вопроса и введение в проблему. Проблема повышенных уровней шума на борту пилотируемых космических аппаратов, появилась с возникновением космической техники. Этой проблеме уделялось внимание как в СССР [10, 12, 13], так и в США [11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], по американской пилотируемой программе нами обнаружен больший объём информации. Акустическое и вибрационное воздействие па человека носит сложный характер. Характеристика виброакустической энергии в космическом полете изменяется в зависимости от режима полета. Наибольшие уровни были зафиксированы во время взлета, набора высоты и вхождения корабля в атмосферу при посадке. Члены экипажа корабля «Меркурий» (первый полёт 5.5.1961 А. Шепард [21]) отмечали сильные вибрации приблизительно на 110−120-й секунде полета. Это явление было названо «Пого» по названию детской игрушки, которая воспроизводит вертикальную вибрацию. Источник вибрации создавал колебания с частотой 11 Гц и определялся работой бустерного топливпого насоса первой ступени носителя, который вибрировал в продольном направлении. При этом было зафиксировано вибрационное ускорение от +0,5 до +6,0g нри линейном ускорении от 3,1 до 4,4g. В течение этой фазы взлета воздействие было таким, что члены экипажа отмечали пелену перед глазами. Из-за высокого уровня шума во время запуска корабля «Аполлон» (первый полёт 11.10−21.10 1968 Шира, Эйзел, Каннингем [21]) члены экипажа испытывали некоторые трудности в использовании речевой связи. Ускоритель ракеты «Сатурн-V» создавал самый высокий уровень шума в кабине по сравнению с другими двигателями. Исследователи экснериментально установили, что максимальное затухание шума происходило в гермошлеме и телефонных заглушках. Исследования, выполненные в реверберационной камере, показали, что решение задачи улучшения речевой связи можно нолучить путем применения большего усиления сигнала в телефонах во время взлета. Во время полета к Луне экипаж «Аполлопа» также ощущал высокий уровень шума. Шум умепьщали путем дополнительного закрепления шумящего оборудования на короткие периоды времени. При наземных испытаниях было определено, что главными источниками шума являются электрический преобразователь, компрессор космических скафандров, кабинные вентиляторы и гликолевый насос. Эти системы как отдельно, так и в составе агрегатов создавали шум, превьш1ающий 80 дБ [22]. В программе «Скайлэб» (первый полёт 25.5 22.6 1973 Копрад, Вейц, Кервин [21]) проблема шума была, прежде всего, связана с ухудшением разборчивости речи и конкретными ощущениями членов экипажа. «Скайлэб» был одним из наиболее тихих космических кораблей, главным образом из-за большого внутреннего объема, что приводило к значительным удалениям друг от друга шумян1его оборудования. Однако при оценке обитаемости члены экипажей жаловались на некоторые расстройства сна и проблемы, связанные с речевым общением. Последние были следствием низкого атмосферного давления и большого времени реверберации в объеме станции. Часто приходилось кричать, чтобы речь была понята на большом расстоянии. Увеличенная продолжительность экспедиции породила также наибольшее число жалоб па шум. Пред. и послеполетные аудиограммы, полученные у членов экипажа «Скайлэба», показали временное снижение порога слуха, несмотря на относительно низкие уровни шума, измеренные на орбите [23]. Шумовая обстановка на «Шаттле» (первый полёт 12.4 14.4 1981 Дж. Янг, Р. Криппен [21]) создавалась главным образом вентиляторами системы жизнеобеспечения и ве1ггиляторами охлаждения электронного оборудования. Уровни, измеренные при работе этих систем, находились в пределах критерия шума-55 (NC-55). Для связи между различными отсеками часто требовалось повышать голос. Не было отмечено прямых жалоб на неприятные ощущения, связанные с шумом. Однако специальпо проведеппый опрос членов экинажей показывает, что около 75% опрошенных рекомендовали понизить уровни шума на орбите. Общий уровень звукового давления, измерений при наземной имитации полета «Аполлона» был на уровне 80 дБ. Сравнительная характеристика спектрального уровня шума «Скайлэба», «Спейс-Шаттла» и «Снейслэба» (первый полёт 28.11 1983 [21]) представлена на рис 1.11. Уровень шума на «Спейс Шаттле» измерялся па средней палубе корабля. Уровепь шума в «Спейслэбе» усредпялся по всему внутреппему объему, не вкгаоча.1 измерения, проведенные на концах переходного туннеля. Уровни акустической нагрузки па «Скайлэбе», «Спейс Шаттле» и «Спейслэбе» составлял 64, 76 и 68 дБ соответственно. Проблемы, связанные с повышенным шумом, наблюдались и на советских кораблях (серий «Восток», «Восход», «Союз»), а так же на станциях (серий «Салют» и «Мир»). К сожалению, сведений об акустической обстановке на отечественных кораблях и станциях, крайне мало. В открытой литературе достаточно достоверные сведения приведены для станции «Мир». Так по сведениям Института медико-биологических проблем [24], занимающегося вопросами воздействия шума, у космонавтов, пробывших достаточно нродолжительное время на станции «Мир» наблюдалось стойкое снижение слуха. Кроме того, наблюдалось нарушение сна, так как при включении вентилятора в каюте уровень звука ноднималось до 65 дБА. При включении ассенизационного устройства, находящегося в непосредственной близости к каюте, УЗ возрастали до 70 дБА, в то время как санитарные нормы рекомендуют для сна уровни звука от 30 до 45 дБА. Космонавтам было разрешено спать при выключенном вентиляторе, однако из-за того, что углекислый газ скапливается в области органов дыхания, их самочувствие ухудшалось. Уровень звука у рабочего стола доходил до 69 дБА при рекомендуемых для работы уровнях звука 60 дБА. 11еяс1юсть некоторых психофизических реакций на первых этапах развития пилотируемых полетов явилась толчком для изучения и анализа параметров шума и вибрации на борту корабля. Акселерометры и микрофоны для измереьгая уровней структурной вибрации и воздушного шума были установлены внутри. Затем даш1ые по телеметрии передавались в цеьггр управления полетом для записи и последующего анализа. Сразу же были подтверждены высокие уровни шума и вибрации, измеренные в течение взлета, набора высоты и спуска с орбиты. В то же время инженер1юпсихологический анализ показал, что парушение деятельности при действии этих факторов полета было незначительным, поэтому все внимание на виброакустическое окружение было перенесено на орбитальную фазу полета. Измерение же параметров шума и вибрации на орбите заинтересовало исследователей только тогда, когда космические экспедиции сделались длительными, особенно на «Скайлэбе». Программа «Скайлэб» была первой, в которой проведена достаточно полная борьба с шумом уже в процессе проектирования, и результаты ее были учтены при проектировании внутрикабшпюй системы вентиляции [16]. Программа на орбите включала измерение уровня шума с помошью портативного шумомера, которое проводилось в различных точках внутрешюго объема [17]. Орбитальные измерения шума и вибрации проводились также на кораблях «Снейс Шаттл» и «Спейслэб» портативным измерителем уровня звука. Для измерения вибрации, создаваемой бортовыми системами или деятельностью космонавтов, использовались либо постоянно закрепленные акселерометры, либо электромеханические преобразователи, времепно размешенные в различных местах кабины. Обработка сигналов и анализ данных обьпшо проводились в центре управления полетом па Земле, при этом данные либо передавались по телеметрии, либо записывались на борту. Для космической станции «Фридом» (космическая станция «Фридом» не была создана) была разработана постоянно действующая виброакустическая система слежения (VAMS) [22], позволяюшая получить сжатую информацию. Система преобразования сигнала, соединенная с процессором, должна была непрерывно измерять виброакустические характеристики среды во миогих точках космической станции. Проблема снижения шума возникла вновь с началом проектирования в 1993 г и с началом развертывания 20 ноября 1998 года Международной космической станции МКС (ISS). Основная задача при проектировании космического корабля состоит в обеспечении безопасности и комфорта экипажа. Окружающая среда должна отвечать исключительно высоким требованиям к работоспособности космонавтов. С точки зрения акустики космический корабль должен быть спроектирован таким образом, чтобы предупредить потери слуха, свести к минимуму нарушение разборчивости речи и уменьшить неприятные ощущения, связанные с раздражающим действием шума. Акустические нормы должны учитывать три фактора: сохранение слуха, речевой связи и комфорта. Как и показал прогноз специалистов, которые разрабатывали средства снижения шума на станции «Мир», шум в обитаемых отсеках международной космической станции (МКС), значительно превышает нормативные значения, Припятью согласно ГОСТ 50 804–95 и SSP 50 094 от 1996 года. Это произошло в связи с тем, что процессы шумообразования па подобных объектах были недостаточно изучены, и им не уделялось должпого внимания на этапе проектирования. Это привело к бесконечным доработкам в целях снижения шума, которые производились на уже летающих модулях! Акустический дискомфорт, который испытывают космонавты и астронавты, нребываюшие на МКС, ставят под угрозу их здоровьз и работоспособность, так как экипажи должны проводить там достаточно большой период времени, который может достигать 60-ти суток. Надо отметить, что кратковременное нарушение слуха может возникнуть у человека, в момент пребывапия его в зоне повышенного шума, за гораздо меньший нериод (7−10 суток), а необратимые процессы нарушения слуха могут начаться, с учетом индивидуальных особенностей организма человека, уже через 15−20 суток. Кроме того, шум, а также вибрация, которая может его сопровождать, оказывают значительное действие на само оборудование для проведения экспериментов и опытов. Для создания нормальной акустической обстановки в обитаемом служебном модуле МКС не подходят некоторые классические приемы, применяемые на практике. Например, ограничение времени пребывания в зашумленной зоне невозможно, исходя из назначения станции, а использование средств индивидуальной защиты (беруши и наушники) не всегда возможно, т.к. при этом демаскируется также и полезпый сигнал, нарушается речевая связь и т. п. Единственный путь нормализации шума на станции это снижение интенсивности источников шума и повышение акустических зашитных свойств конструкций и помещений за счет дополнительных вибродемпфирующих и звукопоглощающих облицовок и применения звукоизоляции. Имеющиеся проблемы с повышенным шумом на МКС связаны с тем, что проблемы шума не были изучены в нолной мере с использованием новейших достижений в этой области. Отметим, что проблема снижения шума необычайно важная для сохранения здоровья экипажей МКС, становится едва ли не решающим фактором космических полетов, занимающих целые годы (например, полет космического корабля на Марс). Цель настоящей работы: Разработать научные основы снижения шума на борту пилотируемых космических станций. Научная новизна: В диссертации разработаны и обоснованы научные методы определения ожидаемой шумности н.

Выводы по главе.

1. Разработана классификация шумозащиты на МКС, включающая методы и средства снижения шумаметоды — звукоизоляция, звукопоглощение и глушителисредства — акустические экраны, звукоизолирующие капоты, звукоизолирующие панели облицовки, звукопоглощающие облицовки и глушители различного назначения.

2. Выполнены поэтапные расчеты по снижению шума для Международной космической станции и показана эффективность каждой из рекомендаций по отдельности и в их совокупности. Результаты расчетов показывают, что уровни шума на МКС возможно снизить до нормы.

3. Выполнены поэтапные расчеты по снижению шума для межпланетного экспедиционного комплекса показана эффективность каждой из рекомендаций по отдельности и в их совокупности. Результаты расчетов показывают, что уровни шума на МЭК возможно снизить до нормы.

Заключение

.

1. Разработка мер шумозащиты базируется на разработанной расчетной модели образования акустического поля в пилотируемых космических станциях.

2. В основу разрабатываемого автором экспериментально-аналитического метода разделения вклада источников положена статическая теория акустики, базирующаяся на представлении квазидиффузного звукового поля в замкнутых объемах и некоторых других допущениях. Показано, что значение граничной частоты расчетов для большинства случаев находится в октавной полосе со среднегеометрическом значением 63 Гц.

3. Разработаны расчетные схемы и математические модели, описывающие образование звуковых полей от источников, расположенных в запанельном пространстве, непосредственно в рабочем объеме, и под технологическими капотами.

4. С использованием разработанных расчетных схем и описывающих их математических моделей получены конкретные описания образования звуковых полей в служебном модуле Международной космической станции.

5. Разработаны методики измерения акустических свойств модулей космической станции.

6. Получены акустические характеристики исследуемого модуля для производства расчетов, и сравнения данных расчета с раннее полученными характеристиками акустического поля. Получены характеристики звукопоглощения в замкнутых объемах и характеристики звукоизоляции облицовки служебного модуля. Установлено, что коэффициент звукопоглощения объемов в исследуемом диапазоне частот в среднем составил 0,10,3, т. е. в конструкциях имеется резерв снижения шума за счет повышения звукопоглощения. Приведенная звукоизоляция перегородок составила 8−10 дБ А, что говорит о их недостаточных звукоизолирующих качествах.

7. На основании приведенных расчетных схем и описывающих их расчетных формул, а также учетом данных об акустических характеристиках основных источников шума и конструкций, выполнен расчет звукового поля внутри служебного модуля. Сравнение с экспериментом показало хорошую сходимость модели.

8. Разработана классификация шумозащиты, включающая методы и средства снижения шумаметоды — звукоизоляция, звукопоглощение и глушителисредства — акустические экраны, звукоизолирующие капоты, отдельные звукоизолирующие конструкции, звукопоглощающие облицовки и глушители различного назначения.

9. С целью разработки рекомендаций по снижению шума с использованием разработанного метода выполнены расчеты по определению снижения шума в звуковом поле СМ. Расчеты показали, что применением комбинации средств снижения шума позволяет снизить шум до нормы.

10. На основании приведенных расчетных схем и описывающих их расчетных формул, а также учетом данных об акустических характеристиках основных источников шума и конструкций, выполнен расчет звукового поля внутри МОК.

11. С целью разработки рекомендаций по снижению шума с использованием разработанного метода выполнены расчеты по определению снижения шума в звуковом поле МОК. Расчеты показали, что применением комбинации средств снижения шума позволяет снизить шум до нормы.

12. Приведенные примеры показывают, что разработанный метод расчета вклада источников обеспечивает не только пути и направления снижения шума, но и позволяет надежно определить их эффективность.