Разработка стапеля для ручной сборки фермы в открытом космосе

Одним из магистральных путей освоения космического пространства является создание и использование крупногабаритных космических конструкций (ККК) из ферменных балок, в свою очередь составленных из аналогичных по конструкции ферменных кубических элементов со стороной квадрата 5 метров.
Одним из первых прообразов таких ККК стала International Space Station (ISS) - Международная орбитальная станция , которая функционирует и наращивается в настоящее время.
Рис. The International Space Station (ISS)

Созданию ISS – Международной орбитальной станции - предшествовало ряд опытно-конструкторских и монтажно-сборочных экспериментов в нашей стране и за рубежом.

Эксперимента ACCESS – Assembly Concept for Construction of Erectable Space Structure – был подготовлен научно исследовательским центром (НИЦ) имени Лэнгли - LRC (Langley Research Center).
В задачу эксперимента ACCESS входило: оценить качественно эффективность процесса сборки ферменной конструкции и получить количественные показатели этой эффективности для сопоставления с имеющимися данными по выполнению аналогичных операций в бассейнах гидроневесомости, набрать опыт выполнения сборочных работ, получить общую оценку целесообразности использования космонавтов как космических монтажников и на этой основе оценить в целом перспективность данного подхода к созданию, обслуживанию и ремонту ККК по программе ОКС Space Station.
Рис. Langley Research Center – вид одного из городков

Оборудование, необходимое для проведения сборок в рамках эксперимента ACCESS состояло из следующих частей:
элементы собираемой фермы,
элементы стапеля и
рабочие места.

Рис. Ферма эксперимента ACCESS:
1 – узловое соединительное устройство (УСУ); 2 – стержень-лонжерон (СЛ); 3 – стержень-диагональ (СД); 4 – стержень-перекладина (СП)
Элементы фермы включали:
продольные стержни (лонжероны),
поперечные стержни (перекладины),
диагональные стержни и
узловые соединительные устройства.
Все стержни представляли собой трубки из алюминиевого сплава диаметром 2,5 см, покрытые пластиком (материал Каптон) и выкрашенные в золотистый цвет.

Рис. Ферма эксперимента ACCESS - фото
Длина лонжеронов и перекладин 1,37 м, диагональных стержней – 1,92 см.
Всего было предусмотрено 93 стержня, из них 60 коротких и 33 длинных.
Соединительные устройства (все одинаковые) представляли собой втулки с 6-ю пружинными замками и позволяли выполнять операции соединения стержней в узлах фермы одной рукой, а также обеспечивали автоматическую фиксацию (защелкивание) в определенных местах стапеля.

Рис. Приспособление для сборки ферменной конструкции ACCESS из стержневых элементов - Mission Peculiar Equipment Support Structure (MPESS):
1 – жестяная коробка со стержнями; 2 – центральная вертикальная трубчатая мачта; 3 – три раздвижные направляющие; 4 – рейки в количестве девяти штук; 5 – нижнее рабочее место; 6 – корпус укладки;7 – верхнее рабочее место
Элементы стапеля включали центральную трубчатую мачту 2, три раздвижных направляющих 3, девять реек 4, обеспечивающих крепление направляющих к мачте, а также свертывание и развертывание стапеля.

Рис. Приспособление для сборки ферменной конструкции ACCESS из стержневых элементов - Mission Peculiar Equipment Support Structure (MPESS):
1 – жестяная коробка со стержнями; 2 – центральная вертикальная трубчатая мачта; 3 – три раздвижные направляющие; 4 – рейки в количестве девяти штук; 5 – нижнее рабочее место; 6 – корпус укладки;7 – верхнее рабочее место

Рис. Приспособление для сборки ферменной конструкции ACCESS из стержневых элементов - Mission Peculiar Equipment Support Structure (MPESS):
1 – жестяная коробка со стержнями; 2 – центральная вертикальная трубчатая мачта; 3 – три раздвижные направляющие; 4 – рейки в количестве девяти штук; 5 – нижнее рабочее место; 6 – корпус укладки;7 – верхнее рабочее место

Сборка фермы на 1-ом этапе эксперимента осуществлялась двумя космонавтами с рабочих мест №1 («верхнее», лицом к мачте) и №2 («нижнее», мачта справа) на корпусе укладки MPESS. Оба этих рабочих места обеспечивали непосредственный доступ к пеналам с трубчатыми стержнями 1 и соединительными устройствами.

Рис. Выполнение операций сборки ферменной конструкции ACCESS при тренировке в бассейне гидроневесомости
Ферма собиралась посекционно.
Каждая секция их 3-х квадратных рам с диагональным стержнем и образовывала прямую трехгранную призму.

Рис. Выполнение операций сборки ферменной конструкции ACCESS при тренировке в бассейне гидроневесомости
Космонавт на «нижнем» рабочем месте выполнял все соединения внизу собираемой секции; космонавт на «верхнем» рабочем месте – все верхние соединения. Объем работ на «нижнем» рабочем месте оценивался в 70% от всего объема работ, на «верхнем» – в 30%.
В ходе выполнения как верхних, так и нижних соединений стапель мог поворачиваться вокруг оси мачты.

Рис. Выполнение операций сборки ферменной конструкции ACCESS в открытом космосе
Закончив сборку 1-й секции, космонавты сдвигали секцию по стапелю вверх до автоматического защелкивания замков (высота стапеля равна высоте 2-х) секций). Затем проводилась сборка 2-й секции, верхние перекладины которой являлись одновременно нижним перекладинами 1-й секции.
Таким образом, для 2-й секции и каждой последующей секции оставалось домонтировать лонжероны, диагонали и нижние перекладины – по одной из квадратных рам. После сборки 2-й секции вся собранная часть фермы сдвигалась на шаг вверх и т. д. – до завершения сборки всех 10 секций, составляющих ферму.

Рис. Сборка в космосе ферменной конструкции американскими специалистами в ноябре 1985 года – эксперимент Assemly Concept for Construction of Erectable Space Structure (ACCESS) и схема действия узлового соединительного устройства

Рис. Сборка в космосе ферменной конструкции американскими специалистами в ноябре 1985 года – эксперимент Assemly Concept for Construction of Erectable Space Structure (ACCESS) и схема действия узлового соединительного устройства
Второй (дополнительный) этап эксперимента ACCESS выполнялся только во время 2-го выхода в открытый космос. При этом использовалось рабочее место №4 на бортовом манипуляторе.

Второй (дополнительный) этап эксперимента включал следующие основные операции:
сборка верхней секции фермы, прокладка троса, имитирующего кабель, вдоль фермы,
замена одного стержня и одного соединительного устройства во внутренней секции для имитации ремонта,
отделение фермы от стапеля, манипулирование ею и установка обратно на стапель.

Gerry Ross
Sherwood Spring
Mary Cleave
Эксперимент выполняли космонавты Gerry Ross и Sherwood Spring при участии женщины-космонавта Mary Cleave , которая управляла бортовым манипулятором.

Рис. Манипулятор – Manipulator –
RMS (Remote Manipulator System)

Рис. Манипулятор –
SSRMS (Space Station Remote Manipulator System)

Рис. Ферма эксперимента СОФОРА:
1 – поперечная диафрагма; 2 – У-образный элемент; 3 – наконечник 1-го типа; 4 – наконечник 2-го типа; 8 – муфта титано-никелевая
Ферма эксперимента СОФОРА состоит из унифицированных элементов четырех типов:
У-образных продольных элементов 2 в количестве 80 штук, которые можно транспортировать, уложенными в контейнеры; поперечные диафрагмы в количестве 21 штуки и два типа наконечников 3 и 4 (по 4 штуки).

Рис. Ферма эксперимента СОФОРА:
1 – поперечная диафрагма; 2 – У-образный элемент; 3 – наконечник 1-го типа; 4 – наконечник 2-го типа; 5 - узловой фиттинг У-образного элемента; 6 - наконечник У-образного элемента с проходным отверстием; 7 - наконечник У-образного элемента в виде штыря; 8 – муфта титано-никелевая; 9 - наконечник У-образного элемента с глухим отверстием
Диафрагма 1 – плоская сварная конструкция квадратной конфигурации, состоящая из 4-х стержней, соединенных фиттингами. В фиттингах имеется отверстие под цилиндрический хвостовик 7.

Рис. Элементы отечественной космической фермы эксперимента «СОФОРА»
У-образный продольный элемент 2 – плоская сварная конструкция, состоящая из двух фитингов 5,6 и двух стержней, снабженная цилиндрическим хвостовиком с кольцевыми проточками, закрепленными в фитинге 5, и наконечником 9, с закрепленной на нем муфтой 8 из титано-никелового сплава, обладающего эффектом памяти формы.

Технологический процесс сборки фермы эксперимента СОФОРА включает следующие операции:
установка поочередно четырех У-образных элементов 2 в отверстие диафрагмы 1. При этом каждый из выступающих из диафрагмы хвостовиков 7 надевается на наконечник 9;
навеска на образовавшиеся стыки фиксирующего устройства и стяжка очередного установленного элемента конструкции;
установка следующей, второй по счету, диафрагмы и установка-продевание поочередно четырех У-образных элементов, образующих следующую секцию, своими хвостовиками 7 в отверстия этой диафрагмы и отверстия хвостовика 9 ориентированных У-образных элементов предыдущей секции;
монтаж на образовавшиеся стыки фиксирующего устройства и стяжка собранного пакета.
Далее операции по формированию секций фермы повторяются. При сборке последней секции фермы вместо последующих У-образных элементов вставляются наконечники 4.

Рис. Элементы отечественной космической фермы эксперимента «СОФОРА» в одном из вариантов стапельного устройства в ходе подготовки эксперимента

Рис. Элементы космической фермы в одном из вариантов стапельного устройства в ходе подготовки эксперимента

Рис. Фото во время тренировки в бассейне гидроневесомости по отработке операций сборки фермы к предстоящему эксперименту «Софора»

Рис. Схема выполнения сборки космической фермы в ходе эксперимента «Софора»

Рис. Орбитальная космическая станция (ОКС) "Мир"

Сергей Крикалев
Анатолий Арцибарский
Эксперимент выполняли космонавты Сергей Крикалев и Анатолий Арцибарский

Рис. Фото на память участников эксперимента «Софора».
04 декабря 1992 года

Рис. Фото с конструкторами фермы эксперимента «Софора» на научно-технической конференции по результатом его успешного проведения. 03 декабря 1992 года (с Чернявским Александром Григорьевичем и Трусовым Сергеем Николаевичем)