Expert UNION   
lighting design        
17.10.2017 г.
 

Об освещении орбитальных космических станций | Печать |

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННЕГО ОСВЕЩЕНИЯ ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

Леонов А.В. , Беляев Р.И. ООО «ВНИСИ», Москва

При долговременном пребывании человека на борту орбитальной космической станции (КС) искусственное освещение является одним из важнейших компонентов среды обитания. В космосе доля информации от зрительного анализатора в общем объеме поступающей к человеку информации заметно возрастает. Если в наземных условиях через зрительный канал человек получает 80—85 % информации о внешнем мире, то в условиях космического полета - уже примерно 95 %. Это объясняется тем, что в невесомости часть механорецепторов отключается, снижается количество информации от звукового анализатора.[1] Соответственно, роль визуального канала поступления информации существенно возрастает. Очевидно, что для успешного осуществления космического полета зрительный сенсорный канал должен работать максимально надежно, передавая такую же адекватную информацию, как и в нормальных условиях.

Т.о., искусственная световая среда КС должна в первую очередь обеспечивать полноценное функционирование зрительного сенсорного канала человека, создавать условия для эффективного выполнения им разнообразных зрительных задач, имеющих ярко выраженный операторский характер и состоящих в контроле бортовых систем, проведении различного рода исследований, обслуживании приборов и агрегатов станции, чтении и заполнения документации и т.п.

Конструктивные и компоновочные особенности малогабаритных помещений космических кораблей и орбитальных станций обуславливают специфические условия решения зрительных задач, выражающиеся в отсутствии фиксированной линии зрения оператора, а также в наличии в поле его зрения различно ориентированных рабочих плоскостей со светящимися и несветящимися средствами индикации и сигнализации (стрелочными приборами, приборами со световым отсчетом, газоразрядными и жидкокристаллическими индикаторами, электролюминесцентными панелями, оптическими приборами и т.д.). При этом для разных типов приборов и индикаторов оптимальными являются и различные значения освещенности (яркости), что обуславливает необходимость регулирования освещения для создания комфортных условий на каждой конкретной фазе выполнения полетной программы [1-3].

В настоящее время параметры внутреннего освещения космических станций регламентируются положениями соответствующего раздела ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования» [4] . Согласно ГОСТ Р 50804-95в отсеках КС предусматриваются 3 основных режима стационарного освещения: рабочее, дежурное и аварийное. Основные требования этого стандарта к рабочему режиму освещения представлены в таблице 1.

Таблица 1 Основные требования ГОСТ Р 50804-95 к освещению отсеков пилотируемых космических объектов

Место освещения

Освещенность, лк, не менее

Примечания

1. Рабочий стол

150

2. Приборная доска (щиток)

200

Равномерность освещения, не менее:

1:3- для приборных досок и рабочих мест

1:5- для отдельных надписей и обозначений на пультах

1:10-для пультов в центральной и периферической части поля зрения

3. Места отдыха космонавта

100

 

4. Места установки радио и специальной аппаратуры

40

 

5. Вспомогательные отсеки

50

В зоне АСУ, умывальной кабины, душа допускается уменьшение до 30 лк.

6. Места сна

космонавтов

10

Постоянное дежурное освещение с использованием синего фильтра.

7. Средства индикации с необходимостью различения деталей размером:

до 1 мм

до 10 мм

 

200

75-100

Для средств индикации особо важных параметров - увеличение яркости относительно основных элементов на 40 % (в том числе для пультов управления, тренажеров для физических тренировок).

Значения освещенностей в дежурном режиме, как правило, должны составлять от 30 до 50% от минимальных нормируемых значений рабочего режима, а в аварийном режиме - 20% (но не менее 20 лк).

Требования ГОСТ Р 50804-95 были сформулированы еще в 80-е годы ХХ века и отражают уровень технической оснащенности и энерговооруженности орбитальных станций на тот период. По прошествии более чем 20 лет произошли разительные изменения в компоновке и конструкции КС и идеологии их эксплуатации – значительно увеличились размеры орбитальных станций, возросли их энергетические ресурсы и насыщенность разнообразной аппаратурой; сроки пребывания сменных экипажей и время существования КС также изменились в сторону увеличения. Одновременно расширился и спектр работ, выполняемых экипажем на борту, усложнился их характер. В частности, значительное время космонавты уделяют ремонту и обслуживанию техники и проведению научных экспериментов.

В связи с этим нормативы ГОСТ Р 50804-95 в части освещения сегодня во многом уже не соответствуют практическим потребностям прежде всего из-за недостаточных уровней освещенности на рабочих поверхностях (не более 200 лк) и высокой ее неравномерности, достигающей 1:10.

Необходимость ужесточения требований к параметрам освещения интерьеров КС особенно отчетливо выявилась в последние годы в период функционирования международной космической станции (МКС), поскольку условия зрительной работы в американских модулях, освещенных в соответствии со «Спецификацией систем для МКС, Контракт № NASA 15-1000, CDRL № MG 02» [5] (таблица 2), субъективно воспринимаются как более комфортные.

Таблица 2 Требования к уровням освещенности интерьеров американских сегментов Международной космической станции

Зона МКС или вид деятельности

Освещенность, лк, не менее

Общее

10 0

Проходы

5 0

Люки

10 0

Поручни

10 0

Лестницы

10 0

Рабочее место

32 0

Техобслуживание

2 70

Органы управления

2 00

Сборка

32 0

Ведение записей

5 40

Заполнение таблиц

5 40

Ремонт

32 0

Панели

5 0

Чтение

5 40

Ночное освещение

2 0

Вопросы выбора и обоснования оптимальных нормируемых значений параметров освещения не могут быть эффективно решены без учета особенностей работы зрительной сенсорной системы человека в условиях космического полета. Результаты выполненных в разные годы исследований основных функций зрения человека ( разрешающая способность, контрастная чувствительность, функция цветового зрения) показывают, что при длительных полетах в космос изменения этих функций сравнительно невелики. Для различных функций зрения величина изменений колеблется от 5 до 30-40 %. Такое изменение, как правило, не обнаруживается самими испытуемыми и не оказывает существенного влияния на эффективность выполнения ими зрительных работ. [1-3,6]

Учитывая величину и характер изменений функций зрения в условиях космического полета, можно полагать, что основные подходы к формированию световой среды наземных объектов ограниченного объема, а также требования к ее параметрам применимы и для аналогичных космических объектов (пилотируемых кораблей, орбитальных станций и пр.).

На основе обобщения отечественных и зарубежных нормативных документов и литературных данных, экспертных оценок космонавтов, совершивших длительный орбитальный полет, нами совместно со специалистами Института медико-биологических проблем РАН были сформулированы рекомендации по оптимизации параметров световой среды КС (таблицы 3 и 4). Как видно из таблиц, в качестве основной нормируемой величины для обитаемых отсеков КС принята освещенность рабочих поверхностей при различных режимах освещения (рабочем, дежурном и аварийном) и ее неравномерность . При этом значения освещенности в помещениях для работы в основном (рабочем) режиме освещения на горизонтально ориентированных поверхностях (столы, панели управления и т.д.) предлагается увеличить до уровня 500 лк при неравномерности не хуже 1:3. Уровни освещенности вертикально расположенных рабочих поверхностей (приборные доски, пульты и пр.) должны составлять не менее 400 лк и т.д. До 200-300 лк увеличены и уровни освещенности и в помещениях для отдыха космонавтов.

Таблица 3 Рекомендуемые значения нормируемых параметров освещения в рабочих помещениях орбитальных космических станций

Объект освещения

Параметр освещения

Режим освещения

Рабочий

Дежурный

Аварийный

Рабочий стол (место для чтения и ведения записей), места проведения ремонтных и сборочных работ

Е, лк,

не менее

500

150

30

Неравномерность Е, не более

1 :3

Приборная доска (щиток), средства индикации

Е, лк,

не менее

400

200

40

Неравномерность Е, не более

1 :3

Места установки радио и специальной аппаратуры, вспомогательные отсеки, проходы (на высоте 0,7 м от пола), люки

Е, лк,

не менее

100

50

20

Неравномерность Е, не более

1 : 5

Таблица 4 Рекомендуемые значения нормируемых параметров освещения в помещениях для отдыха орбитальных космических станций

Объект освещения

Параметр освещения

Режим освещения

Рабочий

Дежурный

Аварийный

Место отдыха космонавта

Е, лк,

не менее

300

100

20

Неравномерность Е, не более

1 :3

Обитаемые отсеки на уровне 0,7м от пола

Е, лк,

не менее

300

100

20

Неравномерность Е, не более

1 : 5

Места проведения физических упражнений

Е, лк,

не менее

200

100

20

Неравномерность Е, не более

1 : 5

При выборе минимально допустимых уровней параметровосвещения интерьеров КС в качестве ориентиров нами былииспользованы требования основного нормативного документа, регламентирующего параметры искусственного освещения, – СНиП 23-05-95 («Строительные нормы и правила. Естественное и искусственное освещение »).[7]

В частности, для оценки требуемых уровней освещенности в отсеках, предназначенных преимущественно для работы экипажа, нами была использована Таблица 1 СНиП 23-05-95, содержащая требования к освещению помещений промышленных предприятий. Предложенное нами значение освещенности от системы общего освещения в рабочем режиме (500 лк) соответствует разряду III а зрительной работы - работы высокой точности с размерами объектов различения от 0,3 мм при малом контрасте объекта с темным фоном, что по нашему мнению полностью отвечает характеру наиболее сложных зрительных работ, выполняемых экипажем.

При нормировании освещения в помещениях, предназначенных преимущественно для отдыха космонавтов, использованы данные Таблицы 2 СНиП 23-05-95, содержащей требования к освещению помещений жилых, общественных и административных зданий. Выбранное нами значение освещенности от системы общего освещения в рабочем режиме (300 лк) соответствует разряду Б1 зрительной работы - работы высокой точности с размерами объектов различения от 0,3 мм, что по нашему мнению обеспечивает потребности экипажа в зонах, предназначенных преимущественно для отдыха.

Сопоставление требований СНиП 23-05-95 и предлагаемых нами к использованию в качестве нормативов значений основных параметры освещения в «рабочих» и «жилых» отсеках КС, показывает, что последние соответствуют самым высоким требованиям, обычно предъявляемым к освещению помещений в гораздо более комфортных и энергетически обеспеченных земных условиях. Сравнение нормируемых параметров освещения российских КС с требованиями к уровням освещенности интерьеров американских сегментов МКС (таблица 2), также демонстрирует паритет по большинству нормативов.

Результаты проведенного нами компьютерного моделирование световой среды для реальных отсеков МКС подтвердили принципиальную возможность достижения рекомендуемых уровней освещенности в помещениях различного функционального назначения. При моделировании в качестве рабочего было выбрано помещение с размерами 3х2,2х2,4 м со стенами, полом и потолком светло-серого цвета, имеющими коэффициент отражения 0,7. Интерьер для отдыха был представлен помещением с размерами 3х1,5х2 м со стенами, полом и потолком светло-серого цвета, имеющими коэффициент отражения 0,7.

В качестве осветительных приборов были выбраны условные светильники на основе компактных люминесцентных ламп мощностью 18 Вт с к.п.д. 60 %.

Оказалось, что п редложенные значения нормируемых параметров освещения в рабочем режиме могут обеспечиваться начиная со следующих уровней удельной мощности: в помещении для работы - с 22 Вт\м2 , в помещении для отдыха - с 16 Вт\м2 (значения удельной мощности приведены без учета потерь в ЭПРА). Принимая во внимание относительно небольшие размеры реальных помещений орбитальных станций , можно предположить, что суммарные значения потребляемой мощности на цели общего освещения в рабочих помещениях, скорее всего, не превысят 250 Вт, а в помещениях для отдыха - 150 Вт, что полностью отвечает энергетическим возможностям современных КС.

В условиях космического полета искусственное освещение помимо задачи обеспечения эффективной зрительной работы человека-оператора должно способствовать и сохранению его соматического и психического здоровья, поддержанию на необходимом уровне психоэмоционального состояния космонавта во время и по окончании полета.

Очевидно, что эти задачи должны решаться в тесной взаимосвязи, поскольку они, во-первых, технически обеспечиваются одним и тем же «набором» осветительных средств, а во-вторых, только комплексное их решение позволит создать на борту КС сколько-нибудь приемлемые условия для работы космонавта. При этом необходимо иметь в виду, что условия, достаточные для достижения первой из названных выше целей, могут оказаться недостаточны для достижения второй.

При формировании параметров световой среды КС основное внимание традиционно уделялось именно обеспечению комфортных условий для зрительной работы космонавта, эффективного решения текущих зрительных задач, возникающих в процессе его деятельности.

Существенно менее проработаны вопросы создания световой среды, максимально отвечающей целям сохранения здоровья членов экипажа и поддержания психологического климата на борту ПКА. Длительное пребывание в условиях замкнутого объема и связанное с этим ограничение потока сенсорной информации всех модальностей может вызвать увеличение психоэмоциональной напряженности, повлечь за собой негативные изменения на физиологическом и биологическом уровне. Многочисленными экспериментами было подтверждено, что светотехнические характеристики среды обитания оказывают серьезное влияние на состояние психоэмоциональной сферы, определяют скорость нарастания утомления и влияют на уровень работоспособности человека. В этих же экспериментах была установлена возможность подавления стрессовых состояний, улучшения настроения, повышения бодрости и работоспособности, снижения уровня травматизма и т.п. при увеличении освещенности против уровней, необходимых для отправления основных зрительных функций. [8-13]

Так можно ли считать уровни освещенности, предложенные нами в качестве нормативов, достаточными для эффективного решения обеих из названных выше задач? Более или менее полный ответ на этот вопрос может быть получен лишь в результате специально организованных исследований. В настоящее время нам представилась возможность осуществить экспериментальную апробацию предложенных рекомендаций по оптимизации световой среды КС в рамках проводимого Институтом медико-биологических проблем долговременного эксперимента, имитирующего пилотируемый полет на Марс. В ходе эксперимента экипаж из 6 человек должен провести более 550 суток в замкнутом изолированном объекте с полностью искусственной световой средой.

Объект представляет собой наземный экспериментальный комплекс, состоящий из четырех модулей - жилого объемом 150 м3, лабораторного объемом 100 м3 , складского объемом 250 м3 и «спускаемого аппарата» объемом 50 м3. Общее количество помещений в 4-х модулях – 23. Это лабораторные помещения, индивидуальные каюты членов экипажа, кают–компания, кухни, санузлы, сауна, хранилища, холодильник, оранжерея, коридор и т.д. О сновные помещения комплекса будут освещаться по нормам таблиц 3 и 4, а вспомогательные - по нормативам ГОСТ Р 50804-95.

Исследования воздействия искусственной световой среды на человека, находящегося в условиях длительной изоляции, будут производиться по двум основным направлениям:

  • Исследование динамики функционального состояния зрительного анализатора и зрительной работоспособности членов экипажа.
  • Исследование изменений психоэмоционального состояния членов экипажа.

По результатам мониторинговых исследований для каждого члена экипажа будет выявлена динамика исследуемых психофизиологических функций при долговременном пребывании в условиях искусственной световой среды, проведено сравнение с соответствующими характеристиками в период, предшествующий эксперименту по изоляции, и послеэкспериментальный период.

Проведение исследований по указанным направлениям позволит в едином временном масштабе получить комплексную картину долговременного влияния искусственной световой среды на состояние и функционирование зрительного сенсорного канала и психоэмоциональную сферу человека. По итогам эксперимента будут сформулированы окончательные рекомендации по оптимизации параметров световой среды объектов космической техники с введением в действующие нормативные документы.

Список используемой литературы:

1. Хрунов Е.В., Хачатурьянц Л.С., Попов В.А., Иванов Е.А. «Человек-оператор в космическом полете», М., «Машиностроение», 1974 г. – 400 с.

2. Климук П.И., Забелина И.А., Гоголев В.А. «Визуальные наблюдения и загрязнение оптики в космосе», Л., «Машиностроение» 1983 г. – 224 с.

3. Лазарев А.И., Николаев А.Г., Хрунов Е.В. «Оптические исследования в космосе», Л., «Гидрометеоиздат»,1979 г. – 256 с.

4. ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования», Госстандарт России, М., 1995 г.

5. Спецификация систем для международной космической станции. Тип1. Контракт № NAS 15-1000 CDRL № М G 02.

6. Прокофьев А.Б., Нестерюк Л.И., Батурин Ю.М. Исследование функционального состояния зрительной системы космонавта методом «Цветовая кампиметрия». Военно-медицинский журнал, 1999, Т., .2, С. 56-63

7. Строительные нормы и правила Российской Федерации. СНиП 23-05-95. «Естественное и искусственное освещение», Минстрой России, М.,1996 г. – 35 с.

8. Шерток Л. «Непознанное в психике человека», пер. с фр., М., «Прогресс», 1982 г. –311 с.

9. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. «Мозг, разум, поведение», пер. с англ., М., «Мир», 1988 г. – 248 с.

10. Брейнард Д.К., Бернекер К.А. Влияние света на физиологию и поведение человека. «Светотехника», 1996, № 1-2.

11. Ванденбельд Г. Свет и здоровье. «Светотехника», 2003, № 1.

12. Скобарева З.А., Текшева Л.М. Биологические аспекты гигиенической оценки естественного и искусственного освещения. «Светотехника», 2003, № 4.

13. Bernecker C.A., Brainard G.C…. Biological Effects on Architectural Lighting andTheirAssociated Energy Utilization. Journal of the Illuminating Engineering Society., 1994.

 

Леонов А.В. , Беляев Р.И. ООО «ВНИСИ», Москва
Отпечатано "Светотехника #4" 2007
Спасибо говорим Беляеву Р.И.
 
Популярное