какое давление в скафандре космонавта
Космические скафандры
Завтра исполняется ровно 49 лет с момента первого космического полета, совершенного Юрием Гагариным в 1961-м году. В этот день вся планета отмечает всемирный день авиации и космонавтики.
По этому поводу я решил написать пост про космические скафандры – рассказать про историю их возникновения, конструкцию и по возможности сравнить наши скафандры с американскими аналогами.
Немного докосмической истории
Необходимость создания скафандра появилась еще в начале 30-х годов. Дело в том, что летчики-испытатели даже в кислородных шлемах не могли подняться на высоты больше 12 км из-за пониженного атмосферного давления. На этой высоте азот, растворенный в тканях человека, начинает переходить в газообразное состояние, что приводит к возникновению болевых ощущений.
Поэтому в 1931-м году инженер Е. Чертовский спроектировал первый скафандр «Ч-1». Он представлял собой простой герметичный комбинезон со шлемом, снабженным небольшим стеклом для обзора. Вообще, в «Ч-1» можно было делать все что угодно, но только не работать. Но тем не менее он стал прорывом. Позднее до войны Чертовский успел спроектировать еще шесть моделей скафандров.
После войны стали появляться первые реактивные истребители, которые резко задрали планку максимальных высот. В 1947-1950 годах группа конструкторов под руководством А. Бойко создала первые послевоенные авиаскафандры, получившие название ВСС-01 и ВСС-04 (высотный спасательный скафандр). Они представляли собой герметические комбинезоны из прорезиненной ткани, к которым крепились несъемные откидные шлемы и кислородные маски. Излишки давления на высоте стравливались специальным клапаном.
Начало разработки
Вообще, разработка скафандров поначалу складывалась у нас не очень хорошо. Дело в том, что существующие наработки скафандров были бесполезны в случае разгерметизации корабля в космосе. И конструкторы тут не причем – просто им дали задание разработать защитный костюм, рассчитанный на спасение космонавта только после приземления или приводнения спускаемого модуля. Среди противников скафандров были даже некоторые из конструкторов корабля – они считали возможность разгерметизации ничтожной. Их слова подтверждал удачный полет Лайки в ГЖК (герметической кабины для животных)
Споры удалось прекратить только после личного вмешательства Королева. При этом до полета Гагарина оставалось всего 8 месяцев. За это время был создан скафандр СК-1
Всего существует 3 класса скафандров:
• спасательные скафандры — служат для защиты космонавтов в случае разгерметизации кабины или при значительных отклонениях параметров ее газовой среды от нормы;
• скафандры для работы в открытом космосе на поверхности космического корабля или вблизи его
• скафандры для работы на поверхности небесных тел
СК-1 был скафандром первой категории. Он использовался во время всех полетов кораблей первой серии «Восток»
СК-1 «работал» в паре со специальным теплозащитным комбинезоном, который надевался космонавтом под основной защитный костюм. Комбинезон был не просто одеждой, он представлял собой целое инженерное сооружение с вмонтированными в него трубопроводами системы вентиляции, поддерживавшей необходимый тепловой режим тела и удалявшей влагу с продуктами дыхания. В непредвиденных условиях, система жизнеобеспечения скафандра (СЖО) вместе с СЖО кабины «продлевали» существование космонавта на 10 суток. В случае разгерметизации кабины автоматически закрывалось прозрачное «забрало» — иллюминатор шлема — и включалась подача воздуха из баллонов корабля.
Но у него был существенный недостаток. Его мягкая оболочка под действием внутреннего избыточного давления всегда стремится, принять форму тела вращения и распрямиться. Согнуть какую-либо ее часть, скажем, рукав или штанину, не так-то просто, и чем больше внутреннее давление, тем труднее это сделать. При работе в первых космических скафандрах из-за их относительно низкой подвижности космонавтам приходилось затрачивать немалые дополнительные усилия, что в итоге вело к повышению интенсивности обменных процессов в организме. Из-за этого, в свою очередь, приходилось увеличивать массу и габариты запасов кислорода, а также блоков системы охлаждения.
Также был создан скафандр СК-2. По сути это тот же СК-1, только для женщин. Он имел немного другую форму, учитывающие их физиологические особенности.
Аналог
Американским аналогом нашему СК-1 был скафандр для кораблей «Меркурий». Он также являлся исключительно спасательным скафандром и был изготовлен в 1961-м году
В дополнение ко всему у него был металлизированный наружный слой для отражения тепловых лучей.
Беркут
В середине 1964-го руководители советской космической программы приняли решение о новом эксперименте на орбите — первом выходе человека с борта космического корабля в открытый космос. Это обстоятельство ставило перед разработчиками скафандров целый ряд новых технических задач. Они, конечно, диктовались серьезными различиями между внутренней средой космического корабли и условиями внешнего пространства — царства почти полного вакуума, вредных излучений и экстремальных температур.
Перед разработчиками ставились две основные задачи:
Во-первых, скафандр для выхода в космос должен был защищать от перегрева, если космонавт находится на солнечной стороне, и, наоборот, от охлаждения — если в тени (разница температур между ними составляет более 100°С). Также он должен был защищать от солнечной радиацией и от метеорного вещества.
Во-вторых, обеспечить максимальную безопасность человеку, быть предельно надежным и иметь минимальный объем и массу. Но самое главное, что при всем этом космонавт в нем должен быть работоспособен, т.е. передвигаться около корабля, выполнить определенную работу и т.д.
Все эти требования удалось реализовать в скафандре «Беркут»
Кстати, начиная с «Беркута» все наши скафандры стали называться птичьими именами.
Скафандр был сделан из нескольких слоев пленки с блестящей алюминиевой поверхностью. Место между слоями специально имело зазор для того, чтобы снизить передачу тепла в любую сторону. Принцип термоса — тепло не берется и не отдается. Кроме того, слои пленки-ткани разделилясь специальным сетчатым материалом. В результате удалось добиться очень высокого уровня теплового сопротивления. Глаза космонавта защищал особый светофильтр из тонированного органического стекла толщиной почти полсантиметра. Он играл двоякую роль — ослаблял интенсивность солнечного света и не пропускал к лицу биологически опасную часть лучей солнечного спектра.
Первый выход в открытый космос имел ограниченные задачи. Потому и система жизнеобеспечения казалась относительно простой и была рассчитана на 45 минут работы. Она размещалась в ранце с кислородным прибором и баллонами емкостью по 2 литра. На корпусе ранца крепился штуцер для их заправки и окошко манометра для контроля за давлением. Из корабля брался воздух, который дополнительно обогащался кислородом и поступал в скафандр. Этот же воздух уносил выделенные космонавтом тепло, влагу, углекислоту, вредные примеси. Такая система называется системой открытого типа
Вся система умещалась в ранце размером 520х320х120 мм, который пристегивался к спине при помощи быстродействующего разъема. На непредвиденный случай в шлюзовой камере установили резервную кислородную систему, которая была соединена со скафандром с помощью шланга.
Аналог
Аналогом для беркута был скафандр для кораблей «Джеминай»
Его корабельныя версия (не знаю как по другому ее назвать) была обычным спасательным скафандром. Модифицированная же версия была разработана для работы за пределами космического корабля
Для этого к основному скафандру добавлялись оболочки тепловой и микрометиоритной защиты.
Ястреб
С 1967-го начались полеты новых кораблей типа «Союз», принципиальное отличие которых от предшественников состояло в том, что они были уже пилотируемыми летательными аппаратами. И, следовательно, потенциальное время работы человека и космосе вне корабля должно было увеличиться. Соответственно невозможно было находиться все время в скафандре. Он надевался только в самых ответственных моментах – взлет, посадка. К тому же встал вопрос о выводе на орбиту нескольких кораблей, их стыковке, что предполагало проведение операций, связанных с переходами людей через открытый космос.
Для этих целей был разработан новый скафандр с новой системой жизнеобеспечения. Его назвали «Ястреб»
Этот скафандр был в основном схож с «Беркутом», различия же состояли в иной системе дыхательной установки, которая относилась к так называемому регенерационному типу. Дыхательная смесь циркулировала внутри скафандра по замкнутому контуру, где очищалась от углекислоты, вредных примесей, подпитывалась кислородом и охлаждалась. Частью системы остались и кислородные баллоны, однако содержащийся в них кислород использовался только на компенсацию утечек и для потребления космонавта. Для этой системы пришлось создать сразу несколько уникальных агрегатов: испарительный теплообменник, работающий в специфических условиях невесомости; поглотитель углекислого газа; электродвигатель, безопасно функционирующий в чистой кислородной атмосфере и создающий необходимую циркуляцию воздушной среды внутри скафандра, и другие.
Для охлаждения организма космонавта использовалось воздушное охлаждение. Для этого необходимо прогонять через скафандр весьма большой объем газа. Это, в свою очередь, требует вентилятора мощностью в несколько сот ватт, а также больших затрат электроэнергии. Да и сильный обдув не очень-то приятен для космонавта.
Заметным плюсом стало то, что масса скафандра не превышает 8—10 кг, а толщина пакета оболочек минимальна. Это дает возможность использовать его с индивидуальной фактурой амортизационных кресел, ослабляющими действие перегрузок при выводе на орбиту и спуске.
На практике «Ястреб» использовался всего один раз – для перехода из «Союза-5» в «Союз-4».
Аналог
Конкретного американского аналога «Ястребу» я не нашел. Отчасти под него вроде подходит скафандр для ранних «Аполлонов»
Кречет
Учитывая эти требования, под руководством А. Стоклицкого, был создан скафандр «Кречет»
Он имел так называемую «полужесткую» оболочку, а вместо ранцевой — встроенную систему жизнеобеспечения. Именно с него пошло словосочетание «войти в скафандр». Потому что в «Кречет» космонавт именно входил, используя «дверцу» на спине. В «дверце» же размещались все системы жизнеобеспечения
Системы «Кречета» обеспечивали рекордное автономное пребывание человека на Лyнe — до 10 часов, в течение которых исследователь мог выполнять работы с большими физическими нагрузками. Для теплового охлаждения впервые применили костюм водяного охлаждения, т.к. водяное охлаждение является единственно возможным методом поддержания приемлемых тепловых условий в скафандре при интенсивной работе космонавта. Чтобы отвести 300—500 ккал/ч тепла, расход воды через костюм водяного охлаждения составляло 1,5—2 л/мин, потребная длина охлаждающих трубок была около 100 метров. Для прокачки воды использовался насос с мощностью двигателя в несколько ватт.
Одновременно с водяным охлаждением имелся контур циркуляции и регенерации воздушной среды внутри скафандра и удаления влаги. Также был запас кислорода для компенсации утечек.
Аналог
Это, пожалуй, единственный случай, когда американский аналог известнее нашего. Именно в нем Нил Армстронг ступил в 1969-м на поверхность Луны
Скафандр был изготовлен из высокопрочных синтетических тканей, металла и пластмасс. Под скафандр космонавт надевал легкий цельнокроеный костюм с датчиками для биотелеметрии. Кроме того, под скафандр надевался также специальный костюм водяного охлаждения, который был рассчитан на непрерывную эксплуатацию в течение 115 час. В этом костюме из нейлонового спандекса имелась система полихлорвиниловых трубок общей длиной около 90 м, по которым непрерывно циркулировала холодная вода, поглощавшая выделяемое телом тепло и отводящая его к внешнему холодильнику. Благодаря такому костюму температура кожи на различных участках тела не выходила за пределы 40°С.
На ладони были специальные проволочные стяжки, которые не давали перчатке раздуваться при избыточном давлении в скафандре. Для обеспечения ловкости работы руками на пальцах перчаток имелись удлинения-захваты, с помощью которых космонавт мог поднимать мелкие предметы.
Шлем космонавта сделан из прозрачного поликарбоната и обладал большой ударной прочностью. Его сферическая форма давала космонавту возможность поворачивать голову в любую сторону. Кислород поступал в шлем со скоростью 162 л/мин, а герморазъем на левой стороне шлема позволял космонавту в скафандре пить или принимать пищу. Ранцевая система жизнеобеспечения прикреплялась к спинке скафандра и на Земле весла 56,625 кг (для особо дотошных – 554,925 н).
Орлан
После высадки на Луне все работы по «Кречету» прекратились. Однако в комплект лунной программы входил также скафандр «Орлан» — для орбитальных работ
К его разработке вернулись в 1969-м, когда начались работы по первой орбитальной станции. Именно модификации «Орланов» мы использовали на «Мире» и сейчас используем на МКС.
Всем известно, что экипажи на орбитальных станциях меняются.
Однако существовавшие до этого скафандры были индивидуальными и не обладали возможностью подгонки. Следовательно для каждого нового члена экипажа станции их необходимо было изготавливать и запускать в космос, что было неэффективно при ограниченных грузовых возможностях кораблей «Союз» и «Прогресс». Однако благодаря полужёсткой конструкции в «Орлане» индивидуальными являлись лишь перчатки скафандра, которые доставлялись экипажем, в то время как сами скафандры постоянно находились на станции.
Чтобы обеспечить подвижность тела, в скафандре применили шарниры, расположенные в области основных суставов — плечевых, локтевых, коленных, в области лодыжек, пальцев рук и т. д. Кроме того, в последующих модификациях для повышения подвижности в ряде сочленений использовались герметические подшипники (например, в плечевом или кистевом сочленениях).
С момента первого использования «Орлана» на «Салюте-6» в 1977 до затопления «Мира» в 2001-м на околоземной орбите использовалось 25 комплектов «Орланов» всех разновидностей. Часть из них сгорела вместе с последней станцией «Мир». За это время в «Орланах» совершено 200 выходов 42 экипажами. Общее время работы превысило 800 часов.
У «Орлана» существует множество модификаций. Самая интересная на мой взгляд — «Орлан-ДМА»с установкой для перемещения и маневрирования в открытом космосе.
НПП «Звезда» не озвучивает стоимость «Орлана». Однако в одном и репортажей я когда-то слышал цифру в миллион долларов. Могу ошибаться.
Аналог
Американские астронавты честно и открыто признаются, что их нынешние скафандры гораздо хуже и неудобнее наших. Стоят они при этом 12-15 миллионов. Так что полноценного аналога нынешним «Орланам» не существует.
Стриж
Во время создания «Бурана» создавался новейший спасательный скафандр «Стриж»
Я не до конца уверен, что это именно он на фотографии, но вроде как он. В комплекте к «Стрижу» разрабатывалось катапультное кресло К-36РБ. Специалисты называли «Стриж» лучшим скафандром из существующих когда-либо. Однако с прекращение работ по «Бурану»… в общем как обычно у нас в стране.
P.S. Прошу прощения за качество фоток, особенно американских скафандров.
Если статья понравится, попробую за пару дней написать пост про Шатлы и Бураны. Только, хаброредакция, не запрещай, пожалуйста, космические посты. А то продолжение про «Камбалу» я так и не написал.
Какое давление в скафандре космонавта
КОСМИЧЕСКИЕ СКАФАНДРЫ
Профессор Г. ИЛЬИН, кандидаты технических наук В. ИВАНОВ, И. ПАВЛОВ.
Каждый из нас видел по телевидению, в кино или на фотографиях, как на стартовой позиции космонавты идут к ракете в своем космическом одеянии — в скафандрах. Но не каждый, наверное, сможет точно ответить на простой вопрос: зачем космонавту скафандр? Для чего конкретно нужно это снаряжение, стесняющее движение человека? И, в частности, для чего оно в космическом корабле, где созданы все необходимые для жизни и работы условия.
Человеческий организм приспособлен к жизни в условиях земной атмосферы и не может существовать за ее пределами без специальных средств защиты, без созданной для него искусственной среды обитания. В полете основное средство защиты космонавта от воздействия неблагоприятных факторов космического пространства — это сам космический корабль, его герметическая кабина. Однако по требованиям безопасности полета иногда необходимо еще и индивидуальное защитное снаряжение. Например, в такие периоды полета, когда нужно считаться с возможностью разгерметизации кабины или с отказом бортовой системы жизнеобеспечения. Ну, а при выходе из корабля в открытый космос скафандр становится единственной защитой человека.
А теперь от этих общих соображений перейдем к конкретным факторам, определяющим необходимость такого защитного снаряжения, как скафандр.
ЧЕЛОВЕК В БЕЗВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
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.
 Скафандр для выхода в открытый космос из орбитальной станции «Салют-6». |
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.
Работы по созданию скафандров для высотных полетов начались более 40 лет назад, и наша страна включилась в них одной из первых. С тех пор высотные скафандры прошли большой путь — от малоподвижного армированного надувного комбинезона до сложного технического устройства с совершенными системами жизнеобеспечения. Устройства, в котором используются достижения самой современной технологии, материаловедения, химии, электроники и других областей техники.
Разработка современных космических скафандров, особенно предназначенных для работы в открытом космосе, требует решения ряда сложных научно-технических проблем. Нужно, в частности, создать в скафандре необходимый для человека микроклимат (давление, газовый состав, влажность, температура), причем с учетом возможных аварийных ситуаций. Нужно защитить космонавта и оборудование скафандра от воздействия глубокого вакуума и излучений Солнца. Необходимо обеспечить отвод тепла, выделяемого человеком, а это не так-то просто сделать в условиях космоса. Нужно, наконец, обеспечить подвижность космонавтов, их работоспособность, что, конечно, затруднено из-за избыточного давления в скафандрах. Скафандр должен быть герметичным, прочным, легким, иметь небольшой объем, обеспечивать безопасность работы космонавта. К этому следует добавить еще массу, так сказать, вспомогательных «нужно», таких, например, как разработка методов моделирования внешних воздействий космического пространства и условий выхода из корабля при наземных испытаниях или создание материалов, пригодных для условий открытого космоса.
Важные характеристики скафандра — быстрота его надевания и простота эксплуатации. А при длительных полетах на орбитальных станциях, когда программой могут предусматриваться смены экипажей и несколько выходов для работы в открытый космос, к скафандрам начинают предъявлять дополнительные требования. Хочется, например, чтобы скафандр можно было «отрегулировать» для космонавтов разного роста. Чтобы в случае необходимости скафандр можно было отремонтировать или заменить отдельные его элементы.
КАК УКРЫТЬСЯ ОТ СОЛНЦА
Работу человека в скафандре вне корабля при расчетах обычно оценивают как работу средней тяжести, на которую человек затрачивает мощность в среднем 300 Вт. Этим энергозатратам соответствуют такие показатели жизнедеятельности организма: потребление кислорода — примерно 60 л/час; выделение углекислоты — 48 л/час; выделение влаги — 50—300 г/час (в зависимости от температуры окружающей среды и способа охлаждения тела).
Необходимые климатические и гигиенические условия в скафандре поддерживает автономная система обеспечения жизнедеятельности — сокращенно АСОЖ, — неотъемлемая часть космического скафандра. Именно АСОЖ должна обеспечить заданное давление в скафандре, газовый состав, удаление продуктов жизнедеятельности, поддержание необходимой влажности и температуры.
Чтобы защищать человека и оборудование от столь резких изменений тепловых потоков, поверх основной оболочки скафандра надевается одежда с несколькими слоями так называемой экранно-вакуумной теплоизоляции, которая работает как своего рода многослойный термос. Кроме того, определенным образом подбираются оптические характеристики («степень черноты» — коэффициент, характеризующий излучательную способность тела; коэффициент поглощения солнечных лучей) материалов для открытых поверхностей скафандра, а также создаются для них специальные краски. Материалы и покрытия подбираются таким образом, чтобы внешние излучения почти полностью отражались и при этом собственное, внутреннее тепловое излучение задерживалось. Важность этой проблемы связана еще и с тем, что для мягких частей скафандра нужны эластичные материалы, а они не всегда выдерживают большие перепады температуры.
В открытом космосе, за пределами атмосферы, состав солнечного излучения существенно отличается от того, к которому мы привыкли на поверхности Земли. Поэтому особые требования предъявляются к прозрачной части шлема: остекление и светофильтры должны защитить глаза и кожу лица от чрезвычайно активных ультрафиолетовых лучей, от инфракрасных (тепловых) лучей, должны ослабить солнечное излучение в видимой части спектра, обеспечив при этом хорошую видимость при различной освещенности.
МИКРОКЛИМАТ В СКАФАНДРЕ
Наиболее простой способ поддерживать в скафандрах необходимые параметры газовой среды — это непрерывная вентиляция, непрерывная подача в него газовой смеси заданного состава с последующим выбрасыванием ее в окружающую среду. В этой системе сама газовая смесь будет уносить выделенные космонавтом тепло, влагу, углекислоту, вредные примеси. Такая система, как ее называют «открытого типа» обычно применяется на высотных самолетах: здесь можно для вентиляции использовать воздух, взятый из окружающей атмосферы, и только добавлять в него кислород, необходимый для дыхания. Сама система при этом получается очень простой и надежной. Однако для космического скафандра открытые системы слишком расточительны. В космосе, конечно, никакого воздуха нет, и поэтому запасы газов для вентиляции нужно брать с собой в баллонах. А это дополнительные объемы и вес, причем, мягко говоря, немалые.
Тем не менее открытые системы обеспечения жизнедеятельности применялись при первом выходе в космос А. Леонова и при работах вне корабля по программе «Джемини» в США — в этих случаях время работы в скафандре за бортом корабля было невелико и суммарный расход газов получался вполне приемлемым.
В современных космических скафандрах главным образом используют системы регенерационного типа, где циркуляция газа происходит по замкнутому контуру и обновляется не вся газовая среда внутри скафандра, а только те ее компоненты, которые изменяются или расходуются в процессе жизнедеятельности человека. После восстановления в АСОЖ газовая смесь пополняется кислородом и снова используется для дыхания и вентиляции.
Как уже говорилось, при создании микроклимата в скафандре особые заботы разработчикам доставляет тепловой режим. Достаточно сказать, что даже при сравнительно небольшой «теплообменной недостаточности», всего на каких-то 150 ккал/час, у человека с массой 70 кг, находящегося в скафандре, температура тела за 1 час повысится более чем на 2°С. А это сопряжено с потерей работоспособности.
Перенос тепла от тела человека к охлаждающему агрегату АСОЖ может осуществляться с использованием как газа (воздуха), так и жидкости. При воздушном охлаждении тепло отбирается у тела главным образом за счет интенсивного потоотделения, а это, конечно, серьезный недостаток. Кроме того, для отвода тепла при интенсивной работе космонавта необходимо прогонять через скафандр весьма большой объем газа, примерно 700—1000 л/мин. Это, в свою очередь, требует вентилятора мощностью в несколько сот ватт, требует больших затрат электроэнергии, а сильный обдув не очень-то приятен для космонавта.
Водяное охлаждение, пожалуй, является единственно возможным методом поддержания приемлемых тепловых условий в скафандре при интенсивной работе космонавта. Чтобы отвести 300—500 ккал/ч тепла, расход воды через костюм водяного охлаждения обычно составляет 1,5—2 л/мин, потребная длина охлаждающих трубок— до 100 метров. Для прокачки воды вполне хватает насоса с мощностью двигателя в несколько ватт. Одновременно с водяным охлаждением нужна и вентиляция — она уносит выделяемую влагу и углекислоту, но, конечно, мощность вентилятора уже во много раз меньше, чем при чисто воздушном охлаждении.
ЛЕГКО ЛИ ДВИГАТЬСЯ В СКАФАНДРЕ
Разная одежда по-разному сковывает движения человека. Сравните, как легко поднимается рука, если вы в одной легкой рубашке, и насколько трудно поднять ее в зимнем пальто. По-особому сопротивляется движению тела скафандр. Его мягкая оболочка под действием внутреннего избыточного давления всегда стремится, принять форму тела вращения и распрямиться. Согнуть какую-либо ее часть, скажем, рукав или штанину, не так-то просто, и чем больше внутреннее давление, тем труднее это сделать. Чтобы обеспечить подвижность тела, в скафандре применяют шарниры, их размещают в области основных суставов — плечевых, локтевых, коленных, в области лодыжек, пальцев рук и т. д. Конструкция шарниров может быть различной: она зависит от характера движений, в которых участвует шарнир. Кроме того, для повышения подвижности в ряде сочленений используются герметические подшипники (например, в плечевом или кистевом сочленениях), совершенствуется раскрой оболочки скафандра, разрабатываются более легкие и гибкие материалы.
При работе в первых космических скафандрах из-за их относительно низкой подвижности космонавтам приходилось затрачивать немалые дополнительные усилия, что в итоге вело к интенсификации обменных процессов в организме. Из-за этого, в свою очередь, приходилось увеличивать массу и габариты запасов кислорода, а для замкнутых систем еще и поглотителей углекислоты и блоков системы охлаждения.
 Космические скафандры (слева направо): спасательный скафандр, применявшийся во время полета Ю. А. Гагарина на корабле «Восток» (1961 г.); скафандр (показан без теплозащитной оболочки), применявшийся А. А. Леоновым для работы в открытом космосе во время полета на корабле «Восход-2» (1965 г.); скафандр, применявшийся А. С. Елисеевым и Е. В. Хруновым при переходе через открытый космос из корабля «Союз-5» в корабль «Союз-4» (1969 г.); скафандр, применявшийся для выхода на Луну в программе «Аполлон» (1969 г.). |
Несмотря на достигнутые с того времени успехи, проблема подвижности человека в скафандре до сих пор остается одной из основных.
Все космические скафандры принято делить на три класса:
спасательные скафандры — служат для защиты космонавтов в случае разгерметизации кабины или при значительных отклонениях параметров ее газовой среды от нормы;
скафандры для работы в открытом космосе на поверхности космического корабля или вблизи его;
скафандры для работы на поверхности небесных тел.
Существуют и универсальные скафандры, они могут использоваться и как спасательные и при выходе в открытый космос.
Первые космические скафандры, использовавшиеся при полетах на кораблях «Восток», представляли собой чисто спасательное снаряжение, причем многоцелевое. Они могли обеспечить защиту космонавтов в случае разгерметизации кабины, при катапультировании на заключительном этапе спуска и при возможном последующем приводнении. Кстати, такой универсальностью, стремлением (космический костюм приспособить ко всем возможным условиям полета объясняется значительная сложность и громоздкость первых космических скафандров. Вспоминается, что, отправляя в полет Ю. А. Гагарина, его сначала облачали в толстую теплозащитную одежду с системой вентиляции и затем только надевали сам скафандр. Поверх скафандра надевались различные приспособления на случай попадания космонавтов в воду, в карман вкладывалась аварийная радиостанция.
При полетах, продолжительность которых не превышала нескольких суток, космонавты находились в скафандрах все время полета. Это накладывало немало серьезных дополнительных требований: нужно было предусмотреть работу в скафандре со всей аппаратурой корабля, принятие пищи и воды, пользование системой удаления отходов жизнедеятельности. В дальнейшем, в частности при полетах на кораблях «Союз», космонавты начали надевать спасательные скафандры только в особо ответственных случаях: при выведении на орбиту, стыковке кораблей, спуске с орбиты на Землю, а также, конечно, при выходе в космос.
Первый в истории выход в открытое космическое пространство совершил, как известно, в 1965 году А. А. Леонов во время полета на корабле «Восход-2». Этим было практически доказано, что человек может работать в открытом космосе. В последующие годы было осуществлено еще несколько более продолжительных выходов в открытый космос советскими космонавтами из корабля «Союз-5» и американскими астронавтами из кораблей «Джемини», «Аполлон» и орбитальной станции «Скайлэб».
Следует отметить, что основные режимы работы спасательного скафандра значительно отличаются от режимов работы скафандра, предназначенного для работы в открытом космическом пространстве. Спасательный скафандр должен быть максимально удобен для работы внутри герметичной кабины, то есть в ненадутом состоянии — лишь в аварийной ситуации автоматически происходит надув спасательного скафандра. А скафандр для выхода в космос должен быть рассчитан на непрерывную работу космонавта при внутреннем избыточном давлении. Спасательный скафандр, как правило, работает в сочетании с бортовой системой жизнеобеспечения, в то время как скафандр «для выхода» должен иметь автономную систему жизнеобеспечения, иметь АСОЖ, органически объединенную с ним.
СКАФАНДРЫ ДЛЯ КОМПЛЕКСА «СОЮЗ» — «САЛЮТ»
Для космического комплекса, образуемого кораблями типа «Союз» и орбитальной станцией «Салют-6», было признано целесообразным иметь два различных типа скафандров. В качестве спасательного применяется максимально облегченный «мягкий» скафандр, изготовленный индивидуально для каждого космонавта. Это, по сути дела, многослойный герметический комбинезон, объединенный с мягким шлемом. Верхняя часть шлема со смотровым стеклом — откидывающаяся.
Масса скафандра не превышает 8—10 кг, толщина пакета оболочек минимальна, что дает возможность использовать его с индивидуальными ложементами амортизационных кресел, ослабляющими действие перегрузок при выводе на орбиту и спуске. Основной конструкционный элемент скафандра — внешняя силовая оболочка, рассчитанная на нагрузки, которые создает внутреннее избыточное давление. Силовая оболочка изготовлена из высокопрочного синтетического материала и снабжена рядом шарниров. Надевают этот скафандр через передний мягкий распах.
Вентиляция в спасательном скафандре осуществляется воздухом кабины, регенерируемым в бортовой системе жизнеобеспечения. При разгерметизации кабины наполнение скафандра до необходимого давления, подача кислорода, удаление углекислого газа, влаги, тепла производятся с помощью автономной бортовой системы. Для выхода в космос из станции «Салют-6» используются скафандры принципиально новой конструкции — так называемого полужесткого типа. Их основная отличительная черта — жесткий металлический корпус — кираса. Она составляет единое целое со шлемом и ранцевой системой жизнеобеспечения; рукава и оболочки штанин скафандра мягкие. Этот скафандр не надевают, в него входят сзади, через люк в кирасе. В наспинной части скафандра размещена АСОЖ, которая одновременно служит герметической крышкой входного люка.
 Во время полета на борту орбитальной станции «Салют-6» Ю. В. Романенко готовит свой скафандр к выходу в открытый космос. (Снимок сделан Г. М. Гречко). |
Полужесткий скафандр в мировой практике космических полетов применен впервые. В его активе такие бесспорные достоинства:
— легкость и быстрота надевания (или, точнее, «входа» в скафандр): надеть и снять подготовленный к работе скафандр можно буквально за 2—3 минуты, причем без посторонней помощи;
— удобство эксплуатации и высокая надежность: в скафандре нет внешних пневмогидрокоммуникаций, связывающих его с ранцем, где располагается АСОЖ; органы управления удобно размещены на жестком корпусе скафандра (ранее применявшиеся скафандры мягкого типа, например, скафандр кораблей «Аполлон», имели отдельный ранец с размещенной в нем АСОЖ; этот ранец надевался поверх скафандра и, естественно, был связан с ним рядом гибких трубопроводов и кабелей, которые при выходе из корабля тоже попадают в тяжелые условия открытого космоса;
— высокая герметичность: герметизация места входа в скафандр осуществляется с помощью надежного механического соединения;
— полужестким скафандром одного размера в принципе могут пользоваться космонавты разной комплекции: благодаря жесткому корпусу увеличенные зазоры между телом и оболочкой не играют большой роли, а длина эластичных оболочек (рукава, штанины) регулируется каждым космонавтом в соответствии с его ростом; полужесткие скафандры для работы в космосе постоянно находятся на борту «Салюта-6», ими может пользоваться каждый, кто прибывает на станцию.
Следует также отметить, что габариты полужесткого скафандра в рабочем режиме меньше габаритов соответствующего мягкого скафандра в надутом состоянии с надетым ранцем.
Чтобы обеспечить хорошую подвижность при избыточном давлении, скафандр снабжен герметическими подшипниками и мягкими шарнирами. Перчатки съемные, подбираются индивидуально для каждого космонавта.
 Спасательный скафандр для полетов на космических кораблях «Союз». |
Автономная система обеспечения жизнедеятельности скафандра — замкнутого регенерационного типа. Она состоит из ряда функционально связанных друг с другом систем. В их числе:
система кислородного питания с устройствами для хранения запаса кислорода и аппаратурой для регулирования и поддержания давления в скафандре;
система вентиляции и регулирования газового состава, с блоками очистки газовой среды скафандра от углекислоты и вредных примесей;
система электрооборудования, управления и контроля работы агрегатов;
В системе терморегулирования используется костюм водяного охлаждения — сетчатый комбинезон и шапочка с вплетенными тонкими пластмассовыми трубочками, по которым циркулирует вода, охлаждаемая в теплообменнике. Такой метод теплоотвода в отличие от применявшегося в скафандрах кораблей «Восход-2» и «Союз-5» снятия тепла с помощью вентилирующего газа обеспечивает нормальные тепловые условия внутри скафандра практически при любом уровне физической активности космонавта и в течение полной «рабочей смены». Интенсивность теплосъема регулируется самим космонавтом.
Скафандр может многократно использоваться для выхода в открытое космическое пространство. После каждого выхода можно дозаправить водой бачок контура системы охлаждения АСОЖ, заменить израсходованный блок поглощения углекислоты, дозаправить или заменить блоки с запасами кислорода. Основные системы жизнеобеспечения скафандра дублируются резервными блоками.
Работоспособность агрегатов и оборудования скафандра в условиях глубокого вакуума космического пространства обеспечивается подбором соответствующих материалов и пар трения в подвижных соединениях, применением специальных смазок, а также установкой многих агрегатов внутри корпуса скафандра.
Электропитание агрегатов скафандра, радиосвязь и передача телеметрической информации от космонавта на Землю осуществляются с помощью так называемого электрофала — специального многопроводного кабеля, связывающего системы скафандра с бортом станции «Салют-6». В атмосфере внутри скафандра при работе в космосе давление меньше, чем на Земле, а содержание в скафандре кислорода выше. Поэтому создание скафандра и АСОЖ, в частности выбор материалов, разработка конструкции элементов, приборов и агрегатов, включая электрорадиоаппаратуру, проводились с учетом повышенных требований пожаробезопасности.
Создание скафандра для выхода космонавтов в открытый космос из орбитальной станции «Салют-6» потребовало проведения большого объема исследований и экспериментальной отработки агрегатов и комплекса в целом.
В отличие от других видов космической техники, которая на заключительном этапе проверяется при беспилотных космических полетах, отработка скафандра проводится с обязательным участием испытателей в наземных условиях, максимально приближенных к натурным. В связи с этим большое внимание уделялось моделированию условий работы скафандров, АСОЖ, материалов, созданию методов отработки этого комплекса на летающих лабораториях, в специальных бассейнах (для имитации условий невесомости), в термобарокамерах, на тренажерах.
Разработка нового типа скафандра и его успешное применение на орбитальной станции «Салют-6» — это крупный шаг вперед в скафандростроении.
 Испытатель входит в полужесткий скафандр, предназначенный для работы в открытом космосе; шторка, закрывающая агрегаты автономной системы обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), откинута. |
| Внешний вид полужесткого скафандра (без теплоизолирующей оболочки): 1 — мягкие части скафандра; 2 — разъем пневмо— и гидрокоммуникаций; 3 — ручка для закрывания входного люка скафандра; 4 — карабин страховочного фала; 5 — клапан включения резервного запаса кислорода; 6 — светофильтр; 7 — жесткий корпус; 8 — гермоподшипник; 9 — пульт управления и контроля; 10 — регулятор режимов давления в скафандре; 11 — индикатор давления в скафандре; 12 — перчатка; 13 — силовой шпангоут; 14 — штепсельный разъем. Внешний вид костюма водяного охлаждения (А) и схема распределения воды в нем (Б). 1, 2 — подводящий и отводящий шланги; 3 — сетчатый комбинезон; 4 — охлаждающие трубки. |  |
 |
