Восемь месяцев на Луне. Пока виртуально

В ходе эксперимента моделируется перелет до Луны, вывод на орбиту ее искусственного спутника, выбор места посадки, высадка и работа на поверхности, прием транспортных кораблей на орбите, дистанционное управление робототехническими средствами для строительства лунной базы, возвращение на Землю.

На «борт» экипаж взял с собой систему проектирования «Компас-3D» компании АСКОН, официального партнера проекта SIRIUS, и 3D-принтер Picaso 3D.

Проектирование и печать — российские

Picaso 3D — первый российский производитель 3D-принтеров настольного профессионального сегмента. За десятилетнюю историю компании было выпущено пять поколений устройств — более десяти тысяч принтеров используются в России, странах СНГ и Евросоюза. Сферы применения — от промышленности и медицины до образования и креативной индустрии.

На данный момент линейка компании Picaso 3D состоит из пяти 3D-принтеров. Серия X включает в себя два настольных решения и два крупногабаритных (для одноматериальной и двухматериальной печати) — эти устройства ориентированы как на печать базовыми пластиками, так и на работу с композитными материалами для задач производства. Платформа Х, которая используется в принтерах, — это совокупность механики и программных решений, принтеры обладают множеством датчиков и систем контроля, упрощающих работу пользователя и сокращающих процент брака. Еще один принтер в линейке — Designer Classic, самый базовый, для быстрого знакомства с 3D печатью.

Руководитель проектов Picaso 3D Полина Кучерова

Архив Полины Кучеровой

«В начале 2021 года к нам обратились коллеги из АСКОН — мы уже давно с ними сотрудничаем — с предложением поучаствовать в проекте SIRIUS 21, — рассказала “Стимулу” руководитель проектов Picaso 3D Полина Кучерова. — А еще и Олег Блинов, командир экипажа, проявил инициативу и попросил привлечь именно Picaso 3D в качестве партнера по 3D-печати. Все сложилось удачно. Олег имел опыт работы с предыдущим поколением наших устройств, поэтому мы подобрали похожий принтер из текущей линейки — Designer Classic. Технические специалисты АСКОН помогли участникам эксперимента настроить рабочее место — компьютер с программным обеспечением для моделирования и подготовки к печати». 

С помощью принтера Picaso и программного обеспечения АСКОН отрабатывается методика оперативного изготовления изделий в условиях ограниченных ресурсов и длительного отсутствия допоставок, чтобы участники будущих межпланетных экспедиций могли на месте развернуть производство.

Первые испытания 3D-принтера в наземном экспериментальном комплексе завершились успешно: смоделирована и напечатана новая деталь на замену сломавшейся во время транспортировки.

«Готовясь к очередной методике, я столкнулся с тем, что во время транспортировки сломалась одна из запчастей, — рассказал командир экипажа Олег Блинов. — Я сделал по размерам трехмерную модель и при помощи приложения-слайсера преобразовал ее в специальный формат, который позволяет подготовить изделие для печати».

Модель, которая была использована для первой 3D-печати в эксперименте SIRIUS-21 (ее показывает в видеоролике командир экипажа), является классическим зубчатым колесом. Его основная задача — передача вращательного движения при помощи сцепления с зубьями другого колеса.

«Немногие знают, — рассказал “Стимулу” методист системы проектирования “Компас-3D” компании АСКОН Станислав Ермохин, — что некоторые зубчатые колеса выполняют еще и роль предохранителя. Нередко возникает ситуация, когда на валу располагается особо ответственный агрегат (двигатель или генератор), выход из строя которого допустить нельзя. В таком случае для предшествующего колеса могут заложить предел прочности, чтобы в случае увеличения нагрузки сломалось именно колесо, а не ответственный агрегат. А колесо с необходимыми свойствами можно будет распечатать еще не один раз».

Методист системы проектирования «Компас-3D» компании АСКОН Станислав Ермохин

Пресс-служба компании АСКОН

В процессе выполнения восстановительного построения колеса или шестерни для начала требуется посчитать число зубьев на ведущем и ведомом колесах. Затем с помощью штангенциркуля снять значение толщины зубчатого венца. Одним из самых важных параметров колеса является модуль, но измерить его значение довольно сложно. Поэтому с помощью того же «штангеля» надо снять показатели диаметров вершин зубьев и дна зубьев.

Исходя из этих данных можно производить расчет по справочнику либо воспользоваться приложением «Валы и механические передачи» «Компас-3D», которое позволяет сделать это в пошаговом режиме с необходимыми подсказками. Подспорьем в процессе измерения параметров может стать 3D-сканирование детали.

«С точки зрения системы автоматизированного проектирования модель детали можно построить двумя способами, — поясняет Станислав Ермохин. — Первый — используя базовый функционал 3D-моделирования с построением эскизов и операций. Второй способ — воспользоваться специализированным приложением для той же CAD-системы. В случае “Компас-3D” таким приложением для построения зубчатых колес выступает “Валы и механические передачи”. Оно позволяет не только спроектировать и построить модель, но и выполнить анализ построения».

По словам специалиста, таким методом можно изготовить практически любые детали, ограничения накладывает только сам 3D-принтер (может ли он создавать детали со сложным внутренним объемом) и материал, которым печатает принтер (металл или пластик). Можно напечатать корпус электрического или электронного прибора, соединитель для гибких шлангов, соединитель при сборке конструкции из труб, крышку для емкости, деталь какого-либо инструмента. Главное, грамотно создать модель для 3D-печати.

Космонавт-испытатель из ОАЭ Салех Омар аль-Амери, представитель командования космических систем США Эшли Ковальски и командир экипажа, инструктор Центра подготовки космонавтов Олег Блинов обсуждают проектирование и печать детали в ходе эксперимента SIRIUS-21

Архив ИМБП РАН

Восемь месяцев «лунной миссии»

На борту «космического корабля» сейчас находится интернациональный экипаж из пяти человек: двое россиян, два американца и участник из ОАЭ. Командир — инструктор Центра подготовки космонавтов Олег Блинов, бортинженер — представитель командования космических систем США Эшли Ковальски, врач экипажа — хирург ИМБП Виктория Кириченко, а также два исследователя — бакалавр русского языка и литературы из США Уильям Браун и космонавт-испытатель из ОАЭ Салех Омар аль-Амери.

В команду входила также младший научный сотрудник ИМБП Екатерина Карякина. Но на тридцать третьи сутки эксперимента произошла нештатная ситуация: Екатерина получила нетяжелую травму руки во время проведения тренировок на действующем макете многофункционального силового тренажера. Руководство проекта приняло решение вывести ее из экспериментального комплекса.

Длительность «экспедиции» — 240 суток. Задача — смоделировать полет, высадку на Луну и деятельность на ее поверхности. Цель эксперимента SIRIUS-21 — изучить механизмы адаптации организма человека к условиям 240-суточной изоляции в гермообъекте с искусственной средой обитания, имитирующей пилотируемый космический полет, разработать и апробировать различные средства профилактики негативного действия комплекса изоляционных факторов.

Каждый член команды может прекратить участие в эксперименте в любое время без объяснения причин, но за почти 60-летнюю историю проведения подобных проектов таких случаев не было. Со стороны же руководства прерывание эксперимента для конкретного участника возможно только в экстренных случаях, таких как острая необходимость медицинского вмешательства или авария.

«Спустя 48 суток после начала эксперимента экипаж чувствует себя хорошо, все работы выполняются в полном объеме, — рассказал “Стимулу” старший научный сотрудник ИМБП РАН, ответственный исполнитель операционно-технической программы в SIRIUS-21 Дмитрий Глухих. — Серьезных проблем при проведении изоляционного эксперимента отмечено не было, за исключением вывода из объема гермообъекта одной из участниц по причине медицинской травмы. Все возникающие вопросы решаются оперативно путем взаимодействия экипажа с постановщиками исследований через дежурные бригады на наблюдательном пункте. Про 3D-принтер могу сказать, что у нас уже прошел один штатный сеанс работы с ним, все задачи были полностью выполнены, в ближайшее время планируется второй сеанс с увеличением объема и сложности работ, сейчас сотрудники Центра подготовки космонавтов занимаются разработкой нового задания».

Старший научный сотрудник Института медико-биологических проблем РАН, ответственный исполнитель операционно-технической программы в SIRIUS-21 Дмитрий Глухих

Архив ИМБП РАН

Отработать все до мелочей

В первые сутки эксперимента «корабль» выводится на околоземную орбиту. Со вторых по четвертые проводится стыковка с межпланетным комплексом, проверка работоспособности всех систем. На пятые сутки началась имитация самого полета к Луне. На восьмые экипаж вышел на окололунную орбиту, после чего до шестидесятых суток будет готовиться к высадке на поверхности Луны, а также управлять с окололунной орбиты луноходами.

Запланированы три высадки на Луну экипажами по четыре человека. Каждое пребывание на лунной поверхности — до четырех суток. Во время выходов предполагается перемещение по имитатору лунной поверхности в скафандре с использованием технологии виртуальной реальности. В ходе экспедиции исследователи выполнят операции по забору проб грунта и поуправляют моделью лунного ровера. «Возвращение» на Землю будет проходить с 237-х по 240-е сутки.

В разработанную учеными из разных стран научную программу входит около 70 исследований. Работы проводятся в областях космической психологии, физиологии, метаболизма, иммунологии, генетики, микробиологии, санитарии и гигиены. В планах — собрать научные данные по целому ряду проблем, с которыми придется столкнуться экипажу космической экспедиции:

— классические неблагоприятные факторы космического полета и гермокамерного эксперимента: сенсорная депривация, монотония, ограничение социальных контактов, ограниченный жилой объем и управляемая среда обитания;

— факторы автономного межпланетного полета, в том числе лимитирование ресурсов экспедиции и внекорабельная деятельность на поверхности планеты;

— профессиональная деятельность экипажа (стыковка транспортных кораблей, посадка лунного модуля, управление робототехническими средствами);

— задержка связи до пяти минут в одну сторону;

— формирование смешанного по гендерному признаку и национальной принадлежности состава экипажа;

— выполнение совместных международных экспериментов в тесном взаимодействии с разработчиками и постановщиками исследований;

— отработка нештатных ситуаций.

Экипажу устанавливается стандартный двадцатичетырехчасовой режим труда и отдыха (соответствует регламенту долговременных космических полетов). Он включает в себя сон — восемь часов, приготовление и прием пищи — два часа, личная гигиена — один час, физическая тренировка — два часа (с использованием велоэргометра, бегущей дорожки, эспандеров), личное время — три часа.

Рабочий день — восьмичасовой, он посвящен выполнению традиционных полетных операций: аудио- и видеосвязи с Центром управления, санитарно-гигиеническим процедурам, инспекции, сбору проб в отсеках и (при необходимости) ремонту систем жизнеобеспечения, операционной и научной аппаратуры, а также выполнению научных и операционно-технологических экспериментов, большинство из которых включено в программу космических агентств, реализуемую на МКС. Кроме того, предполагаются работы на тренажерах, моделирующих внекорабельную деятельность (средняя длительность ВКД — до 90 минут для двух членов экипажа).

Это уже третий изоляционный эксперимент из серии международного проекта SIRIUS (Scientific International Research In Unique Terrestrial Station, Научное международное исследование в уникальном наземном комплексе). Организаторы — Институт медико-биологических проблем РАН и NASA (в рамках Программы исследований человека) при участии космических агентств России, Германии и Канады, а также специалистов из России, США, Германии, Франции, Италии и других стран. Уже проведены эксперименты продолжительностью 17 суток — в ноябре 2017 года, четыре месяца — в 2018‒2019 годах. До 2028-го планируется провести три годовых эксперимента, первый из них может состояться уже в 2022‒2023 годах.