Фрэнсис Эшкрофт - На грани возможного: Наука выживания
Предшественниками космических скафандров стали высотные пневмокостюмы, которые помогали авиаторам, например, Уайли Посту, устанавливать летные рекорды на больших высотах. На заре авиации кабину самолета не герметизировали, и летчикам, покорявшим высоту, приходилось облачаться в пневмокостюм. Впоследствии военные переработали эти прототипы в полноценные высотные костюмы с полной компенсацией давления для использования в истребителях, летающих выше 12 000 м. Первые астронавты проводили в скафандре весь полет – на случай если вдруг упадет давление внутри капсулы. Сегодняшние астронавты на орбите носят обычную одежду, а на старте и при посадке – высотные костюмы с частичной компенсацией давления, надевая полноценные скафандры только для выхода в открытый космос.
Скафандр – это, по сути, индивидуальный космический корабль в миниатюре, обеспечивающий физическую защиту, давление, атмосферу, терморегуляцию, а также – если предполагается длительное использование – пищу, воду и удаление отходов жизнедеятельности. Кроме того, скафандр должен быть одновременно гибким, прочным и устойчивым к воздействию солнечной радиации и микрометеороидов. А еще, чтобы разработчику мало не показалось, он должен весить как можно меньше, поскольку для вывода корабля на орбиту требуется огромное количество энергии, так что ограничения по весу здесь очень жесткие. В первые скафандры, такие как использовались астронавтами «Джемини», кислород подавался по «пуповине», связывающей их с кораблем. Однако для лунной программы потребовался автономный скафандр с самостоятельной системой жизнеобеспечения. Скафандры, которые сегодня надевают астронавты НАСА для выходов в открытый космос, представляют собой сложные системы под названием скафандры для ВКД (внекорабельной деятельности). Они состоят из 14 слоев, защищающих астронавта от сурового воздействия внешней среды, и оборудованы большим ранцем, где находятся емкости с водой для охлаждения, система кондиционирования воздуха и баллоны с кислородом, рассчитанным на 9–10 часов работы в космосе. На Земле такой скафандр весит целых 113 кг, в космосе он, разумеется, не весит ничего.
Давление в кабине шаттлов и космических станций поддерживается на уровне земного, и экипаж дышит земным воздухом, содержащим 21 % кислорода и 78 % азота. В скафандры для ВКД, однако, закачивается чистый кислород под давлением в одну треть атмосферы. На чистом кислороде (в отличие от кислородно-азотной смеси) астронавт может дольше пробыть снаружи, однако давление приходится уменьшать, чтобы избежать кислородного опьянения (см. гл. 2). Выдыхаемый углекислый газ фильтруется через гидроксид лития, остальные примеси удаляются активированным углем, а вода – влагопоглотителем. Затем по мере необходимости добавляется еще кислород, и дыхательная смесь возвращается в систему циркуляции скафандра.
Поскольку в скафандре для ВКД поддерживается давление в треть атмосферы, астронавт не может просто надеть его и сразу выйти в открытый космос – иначе ему грозит кессонная болезнь. Симптомы ее подробно описаны в главе 2, где шла речь о водолазах. Причиной кессонной болезни служат выделяющиеся в кровь и ткани пузырьки азота, поэтому для предупреждения «корчей» необходимо удалить из организма азот и заменить кислородом, поскольку растворенный кислород усваивается тканями гораздо быстрее, не успевая выделиться в виде пузырьков. Поэтому, прежде чем выйти за борт корабля, астронавты шаттла надевают респираторы и дышат чистым кислородом. Однако надеть скафандр, продолжая дышать исключительно кислородом, довольно затруднительно. Поскольку азот проникает в ткани моментально, нескольких вдохов достаточно, чтобы свести на нет все усилия по насыщению тканей и крови кислородом. В связи с этим астронавту приходится задерживать дыхание, переходя с респиратора на систему жизнеобеспечения скафандра. Это непросто. Поэтому в таких случаях обычно понижают давление в кабине и повышают содержание в ней кислорода, тем самым значительно уменьшая риск пополнения запасов азота в тканях. Кроме того, такой прием позволяет сократить время на «предварительное дыхание» – при 24-часовой декомпрессии кабины перед выходом в открытый космос достаточно получаса дыхания чистым кислородом, тогда как без декомпрессии предварительное дыхание занимает не меньше четырех часов.
Скафандр, как и космический корабль, должен выдерживать экстремальные перепады температур, поскольку на освещенной Солнцем стороне температура может достигать 120° С, а на темной стороне падать ниже –100° С (представьте, что вы сидите перед полыхающим камином в ледяной комнате, и возведите предполагаемые ощущения в квадрат). Кроме того, тепло и пот, выделяемые кожей, оболочка скафандра не пропускает, поэтому внутри он может нагреваться достаточно сильно, особенно когда астронавт активно двигается. Перегрев действительно доставлял немало хлопот выходившим в открытый космос астронавтам «Джемини». Более поздние модификации скафандров оснащались нательным слоем с водяным охлаждением – белье пронизывалось тончайшей сетью трубочек, по которым непрерывно циркулировала вода из баллонов в ранце. Такая же система применяется и в скафандрах для ВКД, которые используются на современных шаттлах.
И наконец, скафандр должен обеспечивать астронавту свободу движений для работы в космосе. Это непростая задача для инженера. С одной стороны, астронавт должен иметь возможность согнуть руку, с другой – скафандр необходимо армировать, чтобы он не лопнул в безвоздушном пространстве{35}, а герметизированный скафандр с наддувом не отличается гибкостью. Поэтому приходится оборудовать скафандр гибкими сочленениями, действующими примерно как наружный скелет у насекомых. Например, нижняя часть скафандра сочленяется на талии, на бедрах, в колене и на лодыжках – как сочленяется в нужных местах жесткий панцирь жука. Но несмотря на это, работать в скафандре все равно достаточно сложно и утомительно, поэтому требуется суровая подготовка. Кроме того, при микрогравитации человек несколько прибавляет в росте, расширяются грудная клетка и голова, а бедра усыхают, поскольку жидкости организма приливают от ног к груди. Об этом ни в коем случае нельзя забывать конструкторам космических скафандров. Некоторым из первых астронавтов пришлось испытать не самые приятные ощущения, когда выяснялось, что скафандр становится тесноват.
Возвращение
Вход в земную атмосферу и посадка – пожалуй, самая опасная часть космического полета. Недаром в своей знаменитой речи президент Кеннеди оговаривал не только высадку человека на Луну, но и его безопасное возвращение на Землю. Возвращающегося астронавта подстерегают как физические, так и физиологические испытания. Самая главная сложность – это невероятный жар, возникающий от трения при входе корабля в земную атмосферу. На той скорости, которую развивает корабль при входе, от атомов воздуха отрываются электроны, обволакивая корпус корабля ионизированной оранжево-красной плазмой. Температура в ней достигает 1650° С, поэтому корабль и экипаж необходимо защитить специальной огнеупорной обшивкой. Дополнительная сложность заключается в том, что верхние слои атмосферы не равномерные, а складчатые, как волны, поэтому при возвращении корабль очень сильно трясет, бросая с гребня на гребень.
Особенно опасен процесс возвращения для астронавта, пробывшего в космосе долгое время, поскольку вход в атмосферу происходит с замедлением, создающим перегрузки. В ранних полетах они были очень высокими – до +6g, астронавтам же нынешних шаттлов достаются перегрузки, лишь в 1,2 раза превышающие земное притяжение. Однако даже они весьма ощутимы. Шаттл на входе в атмосферу располагается так, что вектор перегрузок действует в самом неприятном для астронавта направлении, поскольку сердцу становится труднее перекачивать кровь от ног, а выдерживать их приходится около 20 минут. Особенно сложно это для тех, кто провел в космосе значительное время и чей организм уже перестроился под микрогравитацию. У таких астронавтов резко падает давление, грозя головокружением и потерей сознания в самый ответственный момент, при посадке. Британский астронавт Майкл Фоул, пробывший на станции «Мир» почти пять месяцев, на входе в атмосферу лежал в шаттле пристегнутый ремнями, чтобы вектор перегрузок был направлен от груди к спине. Иногда, для того чтобы обеспечить внешнее давление, способствующее приливу крови к сердцу, астронавты надевают противоперегрузочные штаны, как у пилотов истребителей.
С небес на землю
Немало неприятностей астронавтам, возвращающимся на Землю после долгого пребывания в космосе, доставляет невозможность стоять на ногах, не теряя сознания. Это состояние – оно называется «ортостатическая неустойчивость» – возникает из-за изменений в сердечно-сосудистой системе, вызываемых невесомостью. Освободившись от земного притяжения, жидкости организма устремляются вверх, включая компенсаторные механизмы, сокращающие объем жидкостей и стимулирующие их перераспределение. Эти изменения после прилета обратно на Землю пропадают не сразу. Когда астронавт лежит, они почти не дают о себе знать, однако стоит ему подняться на ноги, подача крови к голове и мозгу уменьшается, и человек теряет сознание. Экипаж «Союза-21», например, с трудом мог стоять, не падая в обморок, в течение нескольких часов после приземления. Ортостатическая неустойчивость появляется даже после коротких пятичасовых полетов. На восстановление устойчивости до предполетного уровня после короткого полета уходит от трех до четырнадцати дней, на восстановление после длительных экспедиций – гораздо больше.
