Как одет космонавт

Современный космический скафандр представляет собой маленький автономный космический аппарат, в котором космонавт может проводить до 10 часов в сутки в открытом космосе.

Мало кто знает, что для советской экспедиции на Луну была полностью готова и испытана только одна компонента – космический лунный скафандр «Кречет». Еще меньше людей знают, как он устроен. По традиции, все советские, а затем и российские скафандры называются в честь птиц. На «Союзе» это был «Сокол», на «Буране» - «Стриж», на ранних «Восходах» и «Союзах» - «Ястреб» и «Беркут», а в так, к сожалению, и не реализованной лунной программе – «Кречет». Сегодня на МКС используются «Орланы», новейшая версия которого вот-вот будет доставлена на орбиту.

С развитием реактивной авиации всерьез встали проблемы защиты и спасения экипажа при высотных полетах. С падением давления человеческому организму становится все труднее усваивать кислород, обычный человек без особых проблем может находиться на высоте не более 4-5 км. На больших высотах необходимо добавление кислорода во вдыхаемый воздух, а с 7-8 км человек вообще должен дышать чистым кислородом. Выше 12 км легкие и вовсе теряют возможность усваивать кислород – для поднятия на большую высоту требуется компенсация давления. 

На сегодняшний день существует всего два типа компенсации давления: механическая и создание вокруг человека газовой среды с избыточным давлением. Типичным примером решения первого типа служат высотные компенсационные летные костюмы – например, ВКК-6, применяемые пилотами «МиГ-31». В случае разгерметизации кабины такой костюм создает давление, сдавливая тело механическим путем. В основе такого костюма лежит довольно остроумная идея. Тело пилота опутывают ленточки, напоминающие восьмерку. 

В меньшее отверстие пропущена резиновая камера. В случае разгерметизации в камеру подается сжатый воздух, она увеличивается в диаметре, сокращая, соответственно, диаметр кольца, опутывающего пилота. Однако такой метод компенсации давления является экстремальным: тренированный летчик в компенсирующем костюме может провести в разгерметизированной кабине на высоте не более 20 минут. Да и создать равномерное давление на все тело таким костюмом невозможно: некоторые участки тела оказываются перетянутыми, некоторые – вообще несдавленными.

 

Образцы первых высотных скафандров (слева направо): скафандр Ч-З (СССР, середина 30-х годов); скафандр Вилли Поста (США, середина 30-х годов); скафандр СК-ЦАГИ-8 (СССР, 1940 г.); скафандр ВСС-04 (СССР, 1950 г.).

Другое дело – скафандр, по сути, представляющий собой герметичный мешок, в котором создано избыточное давление. Время пребывания человека в скафандре практически не ограничено. Но и он имеет свои недостатки – ограничение подвижности летчика или космонавта. Что такое рукав скафандра? Практически это аэробалка, в которой создано избыточное давление (в скафандрах обычно поддерживается давление в 0,4 атмосферы, что соответствует высоте 7 км). Попробуйте согнуть накачанную автомобильную камеру. Трудновато? Поэтому один из самых охраняемых секретов производства скафандров – технология производства специальных «мягких» шарниров. Но обо всем по порядку.

Первые скафандры, до войны изготавливаемые в ЛИИ им. Громова, создавались в исследовательских целях и использовались в основном для экспериментальных полетов на стратосферных воздушных шарах. После войны интерес к скафандрам возобновился, и в 1952 году в подмосковном Томилине было открыто специальное предприятие по изготовлению и разработке таких систем – Завод № 918, ныне НПП «Звезда». В течение 50х годов предприятие разработало целую линейку экспериментальных скафандров, но только один из них, «Воркута», созданный под перехватчик «Су-9», был выпущен малой серией. Практически одновременно с выпуском «Воркуты» предприятию было выдано задание на разработку скафандра и системы спасения для первого космонавта. 

Первоначально КБ Королева выдало «Звезде» техзадание на разработку скафандра, целиком замкнутого на систему жизнеобеспечения корабля. Однако за год до полета Гагарина было получено новое задание – на обычный защитный костюм, рассчитанный на спасение космонавта только при его катапультировании и приводнении. Противники скафандров вероятность разгерметизации корабля считали чрезвычайно малой. Еще через полгода Королев опять поменял решение – на этот раз в пользу скафандров. За основу были взяты уже готовые авиационные скафандры. Времени на состыковку с бортовой системой корабля уже не осталось, поэтому был принят автономный вариант системы жизнеобеспечения скафандра, размещаемый в катапультном кресле космонавта. 

Оболочка для первого космического скафандра СК-1 была во многом позаимствована от «Воркуты», но шлем был сделан полностью заново. Задача ставилась предельно жестко: скафандр должен был спасти космонавта обязательно! Никто не знал, как поведет себя человек во время первого полета, поэтому система жизнеобеспечения строилась так, чтобы спасти космонавта, даже если он потеряет сознание, – многие функции были автоматизированы. Например, в шлеме был установлен специальный механизм, управляемый датчиком давления. И если в корабле оно резко падало, специальный механизм мгновенно захлопывал прозрачное забрало, полностью герметизируя скафандр.

Скафандры состоят из двух основных оболочек: внутренней герметичной и внешней силовой. В первых советских скафандрах внутренняя оболочка изготавливалась из листовой резины методом элементарного склеивания. Резина, правда, была специальной, для ее производства применялся высококачественный натуральный каучук. Начиная со спасательных скафандров «Сокол» герметичная оболочка стала резинотканевой, однако в скафандрах, предназначенных для выхода в открытый космос, альтернативы листовой резине пока не предвидится. Внешняя оболочка – тканевая. Американцы для нее используют нейлон, мы – отечественный аналог, капрон. Она защищает резиновую оболочку от повреждений и держит форму. 

Лучшей аналогии, чем футбольный мяч, придумать сложно: кожаный внешний чехол защищает внутреннюю резиновую камеру от бутс футболистов и обеспечивает неизменные геометрические размеры мяча. Провести продолжительное время в резиновом мешке никакой человек не сможет (кто имеет армейский опыт марш-бросков в прорезиненном общевойсковом защитном комплекте, поймет это особенно хорошо). 

Поэтому в каждом скафандре в обязательном порядке присутствует система вентиляции: по одним каналам подводится ко всему телу кондиционированный воздух, по другим – отсасывается. По методу работы системы жизнеобеспечения скафандры делятся на два вида – вентиляционные и регенерационные. В первых, более простых по конструкции, использованный воздух выбрасывается наружу, аналогично современным аквалангам. По такому принципу были устроены первые скафандры СК-1, скафандр Леонова для выхода в открытый космос «Беркут» и легкие спасательные скафандры «Сокол».

Для длительного пребывания в космосе и на поверхности Луны потребовались регенерационные скафандры длительного пребывания – «Орлан» и «Кречет». В них выдыхаемый газ регенерируется, из него отбирается влага, воздух донасыщается кислородом и охлаждается. По сути, такой скафандр в миниатюре копирует систему жизнеобеспечения целого космического корабля. Под скафандр космонавт одевает специальный сетчатый костюм водяного охлаждения, весь пронизанный пластиковыми трубками с охлаждающей жидкостью. 

Проблемы обогрева в выходных скафандрах (предназначенных для выхода в открытый космос) не возникала никогда, даже если космонавт работал в тени, где температура стремительно падает до –1000С. Дело в том, что наружный комбинезон идеально выполняет функции теплозащитной одежды. Для этого впервые была применена экранно-вакуумная изоляция, работающая по принципу термоса. Под внешней защитной оболочкой комбинезона расположены пять-шесть слоев специальной пленки из особого полиэтилена, терифталата, с двух сторон которой напылен алюминий. 

В вакууме между слоями пленки теплообмен возможен только за счет излучения, которое переотражается обратно зеркальной алюминиевой поверхностью. Внешний теплообмен в вакууме в таком скафандре настолько мал, что считается равным нулю, и при расчете учитывается только внутренний теплообмен. Впервые экранно-вакуумная теплозащита была применена на «Беркуте», в котором Леонов вышел в открытый космос. Однако под первые спасательные скафандры, которые работали не в вакууме, одевался ТВК (теплозащитный вентилируемый костюм), сделанный из теплого простеганного материала, в котором и были проложены вентиляционные магистрали. 

В современных спасательных скафандрах «Сокол» этого нет. Помимо всего этого на космонавтов надевается хлопчатобумажное белье со специальной антибактериальной пропиткой, под которым расположен последний элемент – специальный нагрудник с закрепленными на нем телеметрическими датчиками, передающими информацию о состоянии организма космонавта.

Известно, что с удалением от поверхности Земли барометрическое давление снижается. Если нормальное давление на уровне моря равно 760 мм ртутного столба, то уже на высоте 12 км оно снижается в 5 раз, а на высоте 50 км — в 1000 раз. На высоте полета орбитальных космических кораблей давление равно примерно 10-6—10-8 мм рт. ст., то есть оно в миллиарды раз меньше, чем на Земле. Кислород, жизненно необходимый человеку, поглощается им из вдыхаемого воздуха и одновременно в процессе дыхания из организма удаляется углекислота. 

Для этого даже в состоянии покоя человек прокачивает через свои легкие до 450 литров воздуха в час. Содержание кислорода в атмосфере составляет 21% по объему и остается практически постоянным на разных высотах. Поэтому на долю кислорода всегда приходится примерно пятая часть атмосферного давления, у поверхности Земли это составляет 160 мм рт. ст. И все наши сложные физиологические системы миллионами лет эволюции приспособились к поглощению кислорода именно при таком давлении. С подъемом на высоту падает общее барометрическое давление, а вместе с ним уменьшается парциальное давление кислорода (часть общего давления смеси газов, обусловленная данным газом или паром). Наступает «кислородное голодание»: чтобы получить необходимое количество кислорода, человек начинает дышать более часто и глубоко, а если и в этом случае кислорода оказывается слишком мало, теряет сознание. 

В нашем организме практически нет запасов кислорода, поэтому если без пищи человек может прожить месяцы, без воды — до 14 суток, то без кислорода — максимум несколько минут.

Кроме кислородного голодания, есть и другие факторы, затрудняющие или делающие невозможным пребывание человека в условиях пониженного давления. Так, в частности, с понижением атмосферного, то есть внешнего, давления до уровня, соответствующего высоте 7—8 км, растворенный в тканях организма азот переходит в газообразное состояние. Появившиеся пузырьки газа могут нарушить кровоснабжение жизненно важных органов или вызвать боли, оказывая механическое давление на нервные окончания (декомпрессионные расстройства). 

На еще больших высотах может произойти закипание жидких сред организма. Вода, содержащаяся в тканях, уже при давлении около 47 мм рт. ст. (это соответствует атмосферному давлению на высоте 19,2 км) закипает при 37°С, то есть при нормальной температуре тела. Чтобы предотвратить кислородное голодание к вдыхаемому воздуху добавляют кислород, увеличивают его процентное содержание с таким расчетом, чтобы парциальное давление кислорода составляло привычную для человека величину — 160мм рт. ст. Для этого, в частности в авиации, используют кислородно-дыхательную аппаратуру в комплекте с маской или гермошлемом. 

Однако уже на высоте 12 км, где общее давление составляет всего 145 мм рт. ст., даже чистый кислород не может создать необходимого парциального давления. А на высоте 16 км при дыхании чистым кислородом человек теряет сознание уже через 15 секунд. Из всего оказанного нужно сделать такой вывод: для полетов на больших высотах необходимо увеличить общее давление газа, в котором находится и которым дышит человек, то есть нужно создать вокруг человека среду с избыточным давлением, превышающим атмосферное давление на данной высоте. Это одна из главных задач, которая решается с помощью скафандра. 

Герметичная оболочка скафандра изолирует человека от внешней среды, а внутри скафандра создается искусственная атмосфера с избыточным давлением и необходимым газовым составом. Избыточное давление в атмосфере скафандра должно быть достаточным для получения нужного парциального давление кислорода и предотвращения декомпрессионных расстройств. В то же время это давление стремятся сделать минимальным, чтобы улучшить подвижность скафандра. Практически в современных космических скафандрах рабочее давление лежит в пределах от 180 до 300 мм рт. ст. Искусственная среда скафандра не обязательно должна обладать всеми свойствами привычной земной атмосферы: если человек находится в скафандре сравнительно недолго, то можно рассчитывать на известные резервы человеческого организма, позволяющие ему без ущерба переносить условия, несколько отличающиеся от нормы.

Скафандры были на кораблях не всегда. После успешных шести полетов «Востоков» они были признаны бесполезным грузом, и все дальнейшие корабли («Восходы» и «Союзы») проектировались на полет без штатных скафандров. Целесообразным было принято использование только внешних скафандров для выхода в открытый космос. Однако гибель в 1971 году Добровольского, Волкова и Пацаева в результате разгерметизации кабины «Союза-11» заставила снова вернуться к проверенному решению. Однако старые скафандры в новый корабль не влезали. 

В срочном порядке под космические нужды стали адаптировать легкий скафандр «Сокол», изначально разрабатываемый для сверхзвукового стратегического бомбардировщика Т-4. Задача оказалась не из легких. Если при приземлении «Востоков» космонавт катапультировался, то «Восходы» и «Союзы» осуществляли мягкую посадку с экипажем внутри. Мягкая она была только относительно – удар при приземлении был ощутимый. Амортизировало удар энергопоглощающее кресло «Казбек» разработки все той же «Звезды». Формовался «Казбек» индивидуально под каждого космонавта, который лежал в нем без единого зазора. Поэтому кольцо, к которому крепится шлем скафандра, при ударе обязательно бы сломало шейный позвонок космонавта. 

В «Соколе» было найдено оригинальное решение – секторный шлем, не закрывающий затылочную часть скафандра, которая делается мягкой. Из «Сокола» также убрали ряд аварийных систем и теплозащитный слой, так как в случае приводнения при покидании «Союза» космонавты должны были переодеться в специальные костюмы. Была сильно упрощена и система жизнеобеспечения скафандра, рассчитанная всего на два часа работы. В итоге «Сокол» стал бестселлером: начиная с 1973 года их было изготовлено более 280 штук. В начале 90-х два «Сокола» были проданы в Китай, и первый китайский космонавт полетел покорять космос в точной копии русского скафандра. Правда, нелицензионной. А вот скафандры для открытого космоса китайцам никто не продал, поэтому выхода в открытый космос они пока даже не планируют.

В целях облегчения конструкции и увеличения подвижности внешних скафандров существовало целое направление (прежде всего в США), изучавшее возможность создания цельнометаллических жестких скафандров, напоминающих глубоководные водолазные. Однако частичное воплощение идея нашла только в СССР. Советские скафандры «Кречет» и «Орлан» получили комбинированную оболочку – жесткий корпус и мягкие ноги и руки. Сам корпус, который конструкторы называют кирасой, сваривается из отдельных элементов из алюминиевого сплава типа АМГ. 

Такая комбинированная схема оказалась на редкость удачной и сейчас копируется американцами. А возникла она по необходимости. Американский лунный скафандр был сделан по классической схеме. Вся система жизнеобеспечения располагалась в негерметичном ранце на спине астронавта. Советские конструкторы, возможно, также пошли бы по этой схеме, если бы не одно «но». Мощность советской лунной ракеты Н-1 позволяла доставить на Луну только одного космонавта, в отличие от двух американских, а облачиться в одиночку в классический скафандр не представлялось возможным. Поэтому и была выдвинута идея жесткой кирасы с дверцей на спине для входа внутрь. Специальная система тросиков и боковой рычаг позволяли надежно закрыть за собой крышку. 

Вся система жизнеобеспечения располагалась в откидной дверце и работала не в вакууме, как у американцев, а в нормальной атмосфере, что упрощало конструкцию. Правда, шлем пришлось делать не поворотным, как в ранних моделях, а монолитным с корпусом. Обзор же компенсировался гораздо большей площадью остекления. Сами шлемы в скафандрах настолько интересны, что заслуживают отдельной главы.

Шлем – важнейшая часть скафандра. Еще в «авиационном» периоде скафандры делились на два типа – масочные и безмасочные. В первом – летчик использовал кислородную маску, по которой подавалась воздушная смесь для дыхания. Во втором – шлем отделялся от остального объема скафандра своеобразным воротничком, шейной герметичной шторкой. Такой шлем играл роль большой кислородной маски с непрерывной подачей дыхательной смеси. В итоге победила безмасочная концепция, которая обеспечивала лучшую эргономику, хотя и требовала большего расхода кислорода для дыхания. Такие шлемы и перекочевали в космос. 

Космические шлемы также делились на два типа – съемные и несъемные. Первый СК-1 комплектовался несъемным шлемом, а вот леоновский «Беркут» и «Ястреб» (в котором Елисеев и Хрунов в 1969 году переходили из корабля в корабль) имели съемные шлемы. Причем присоединялись они специальным герморазъемом с гермоподшипником, что давало возможность космонавту вертеть головой. Механизм поворота был довольно интересен. На кадрах кинохроники хорошо видны шлемофоны космонавтов, которые изготавливаются из ткани и тонкой кожи. На них смонтированы системы связи – наушники и микрофоны. Так вот, выпуклые наушники шлемофона входили в специальные пазы жесткого шлема, и при повороте головы шлем начинал вращение вместе с головой, как башня танка. 

Конструкция была довольно громоздкой, и от нее в дальнейшем отказались. На современных скафандрах шлемы несъемные. Обязательный элемент шлема для выхода в космос – светофильтр. У Леонова был маленький внутренний светофильтр самолетного типа, покрытый тонким слоем серебра. 

При выходе в космос Леонов ощутил очень интенсивное нагревание нижней части лица, а при взгляде в сторону Солнца защитные свойства серебряного светофильтра оказались недостаточными – свет был ослепительно ярким. Исходя из этого опыта, все последующие скафандры стали оборудоваться полными наружными светофильтрами с напыленным довольно толстым слоем чистого золота, обеспечивающего пропускание всего 34% света. 

Самая большая площадь остекления – у «Орлана». Причем на последних моделях есть даже специальное окошко сверху – для улучшения обзора. Разбить «стекло» шлема практически невозможно: делается оно из сверхпрочного поликарбоната лексана, который также используется, например, при остеклении бронекабин боевых вертолетов. Однако и стоит «Орлан» как два боевых вертолета. Точную цену на «Звезде» не называют, но предлагают ориентироваться на стоимость американского аналога – $12 млн.