Скафандры

Скафандр… Космическая одежда… С документальных фотографий (и фантастических фильмов) смотрят на нас сквозь поднятые забрала шлемов одетые в скафандры летчики-космонавты. Страницы научно-фантастических романов показывают нам космонавтов будущего с их непременным реквизитом — скафандром. Какую же роль играет скафандр в космическом полете? Сохранится ли она в будущем? Как изменится?

Современный космический «костюм» имеет одно главное и единственное назначение — он должен оградить человека в полете от опасностей. «Мода» космической одежды, ее «покрой» целиком подчинены этой цели; ее создатели стараются предугадать все возможные в космосе опасности. Скафандр оградит человека от ворвавшейся в ракету космической «пустоты», если случайная авария разгерметизирует корабль. Он снабдит пилота воздухом, если вдруг нельзя станет дышать воздухом кабины. Он может выполнять роль холодильника и обогревательного устройства. Если космонавт покидает возвращающийся на Землю корабль, только скафандр защищает его. Защищает от удара о воздух в момент катапультирования из корабля, от разреженной атмосферы при спуске на парашюте, предохраняет от ушибов, когда приземление совершается в лесу или в горах. А если космонавт опустится на воду, скафандр удержит его на плаву и не даст замерзнуть в ледяной воде.

В грядущих космических полетах работы космонавтам прибавится. Соответственно усложнится и роль скафандра.

Визит на другие планеты потребует особого, планетарного скафандра, позволяющего выходить из космического корабля, совершать более или менее длительные «прогулки» как по раскаленной почве на освещенной стороне Луны, так и по ледяным покровам полярных «шапок» Марса, а, быть может, и по кипящим океанам Венеры.

Развитие космонавтики, по-видимому, потребует, чтобы человек вышел из корабля в открытое межпланетное пространство, например, для сборки орбитальных станций, для осмотра и ремонта космических кораблей. Скафандр, предназначенный для открытого космоса, будет отличаться и от современного и от будущего планетарного. Взять хотя бы способ передвижения. В космическом пространстве можно двигаться только с помощью ракетного двигателя. Значит, скафандр должен будет иметь ракетную двигательную установку. Она может работать, например, на сжатом воздухе.

ЧЕМ ДЫШИТ КОСМОНАВТ

Нормальное дыхание в любой ситуации — одна из самых главных задач, решаемых во время создания скафандра. В зависимости от того, как снабжаются скафандры кислородом, их можно разделить на два типа, вентиляционные и регенерационные. Если полет протекает нормально, то воздух и для вентиляции тела и для дыхания забирается из кабины корабля. Вентилятором он нагнетается в вентиляционную систему скафандра, обдувает тело человека и возвращается в кабину. Дышит космонавт воздухом кабины, который свободно поступает в шлем, когда поднято переднее стекло. Но если почему-либо воздух кабины станет непригодным для дыхания, переднее стекло шлема (оно опускается вручную или автоматически) изолирует космонавта от атмосферы кабины, и в скафандр начнет поступать кислородно-воздушная смесь. Одновременно переключается на аварийные баллоны со сжатым воздухом и вентиляция.
Регенерационный скафандр полностью изолирован от окружающей среды. В этом случае газовая смесь, которой дышит человек и которая вентилирует скафандр, прогоняется через химический поглотитель и фильтр. Здесь она освобождается от выделяемых человеком углекислоты, влаги и других примесей. Пополнение кислородом может осуществляться несколькими способами: то ли за счет запасов из баллонов, то ли за счет химической реакции, а в будущем, возможно, и фотохимическим путем.

Примером такой регенерационной системы питания кислородом может служить скафандр американских космонавтов. Запас кислорода, рассчитанный на 28 часов полета, хранится в двух сферических баллонах под давлением, превышающим вначале 560 атмосфер. Через редуктор, который снижает давление до 0,36 атмосферы, кислород подается в вентиляционную систему скафандра и смешивается с газом, выходящим из герметического шлема. Образовавшаяся газовая смесь пропускается через поглотитель углекислоты и влаги, фильтр и теплообменник. Из этого блока очистки выходит уже чистый кислород, охлажденный до 18—24 градусов. Он подается в скафандр через клапан, находящийся на уровне талии космонавта, и по распределительным трубочкам (спиралькам, обшитым нейлоном, в которых проделаны отверстия) идет по скафандру, омывает тело и проникает в герметический шлем. А затем газовая смесь отсасывается из скафандра вентилятором и, снова пополненная кислородом из баллонов, начинает новый цикл кругооборота.

Авиационные скафандры — регенерационный и вентиляционный могут быть выполнены в двух вариантах: масочном и безмасочном. В первом случае, как это понятно из названия, на лицо человека надевается маска, в которую и поступает дыхательная смесь. Во втором случае кислород подается прямо в шлем, лицо человека остается открытым. В чем преимущества и недостатки каждого из этих вариантов?

Маска позволяет создать совершенно независимую систему дыхания, изолированную от вентиляционной системы скафандра. Кроме того, клапанное устройство подает смесь газов только в момент вдоха — значит, кислород расходуется более экономно. Влажный выдыхаемый воздух отводится по трубопроводу сразу на очистку, не попадая в шлем и не ухудшая гигиенических условий вентиляции скафандра. Однако здесь есть и свое «но». Носить маску в продолжение всего полета, особенно длительного, пожалуй, не совсем приятно. Она мешает работать, в ней очень неудобно есть и пить.

Поэтому и первые советские космонавты и американские были одеты во время полетов в скафандры безмасочного типа. Лучше всего, если человек в космическом полете будет дышать нормальным, «земным» воздухом.

ДЕКОМПРЕССИЯ

Космонавты во время полетов дышали воздухом кабины, переднее стекло шлема было поднято и лицо открыто. Никаких неожиданностей не произошло. А что если бы, например, от удара метеорита нарушилась герметичность кабины корабля?

Резкое падение давления воздуха — взрывная декомпрессия — явление, известное в высотной авиации. Взрывная декомпрессия тем страшнее, чем больше неожиданный перепад давлений воздуха. Промежуток времени от момента аварии до потери человеком сознания называется резервом времени. Так, например, опыты, проведенные врачами в годы освоения полетов самолетов на больших высотах, показали, что резкое снижение концентрации кислорода от нормальной атмосферы до соответствующей высоте 10 километров приводит к потере сознания через 40 секунд. Если же разрежение соответствует высоте 15 километров, то резерв снижается до 15 секунд.

При разгерметизации космического корабля падение давления не может произойти мгновенно, оно займет хотя бы несколько секунд. В это время космонавт успеет опустить и загерметизировать переднее стекло шлема, Если же он растеряется, это сделает за него автоматическое устройство.

Но здесь появляется новое осложнение: возникнет перепад давлений внутри и снаружи скафандра. Воздух, заключенный в скафандр, стремясь вырваться из плена, станет раздувать, или, как говорят специалисты, нагружать его силовую оболочку. Два нежелательных следствия сопровождают этот факт. Расскажем о них подробнее.

Всякий материал под действием нагрузки в большей или меньшей степени растягивается. Этим свойством обладает и материал силовой оболочки скафандра. Легко представить, к чему приведет растяжение скафандра. Шлем точно подгоняется по голове, ноги обуты в туго зашнурованные ботинки. Под действием перепада давлений шлем будет стремиться оторваться от скафандра, расстояние между ним и ботинками увеличится, скафандр начнет растягивать космонавта. С какой силой?

Легко подсчитать, что при перепаде давлений в кабине и внутри скафандра, равном, скажем, 0,36 атмосферы, что соответствует американским космическим скафандрам, эта сила достигает 200—300 килограммов. Естественно, что скафандр должен иметь какие-то «силовые» элементы, воспринимающие на себя нагрузку, препятствующие растяжению. У скафандров американских космонавтов есть шнуры, притягивающие шлем к силовой оболочке. Сама оболочка, изготовленная из очень прочной ткани, имеет швы, в которые вшиты упрочняющие ее шнуры.

Второе следствие перепада давлений — ограниченная подвижность человека в скафандре. Здесь имеются в виду не те неудобства, которые вызваны вообще громоздкостью скафандра как одежды. Если бы скафандр не имел специальных приспособлений, то при наличии перепада давлений даже просто согнуть руку очень трудно, а при значительном избыточном давлении в скафандре сделать это и вовсе невозможно. Объясняется это тем, что мягкие его оболочки под действием внутреннего давления стремятся распрямиться. Попробуйте надуть обыкновенную грелку, а потом согнуть ее — она тут же распрямится.

Для того чтобы космонавт мог сравнительно свободно двигаться в своем одеянии, скафандр должен быть снабжен специальными устройствами, например, такими, как шарниры американского космического скафандра, получившие название «апельсиновых корочек». Они представляют собой гофрированные участки рукавов и штанин.

Основную трудность создания шарниров скафандра американские ученые видят в том, что нужно обеспечить продольную жесткость — не дать растянуться «гармошке» сустава. Достигается это хитроумными комбинациями шнуров, скользящих по роликам или заключенных в направляющие оболочки.

ЗЕМНАЯ РОЛЬ КОСМИЧЕСКОГО СКАФАНДРА

Еще совсем недавно существовало мнение, что в космосе царит ужасающий холод, что температура там близка к абсолютному нулю. Однако, по последним данным науки, скорости газовых частиц в межпланетном пространстве настолько велики, что соответствуют температурам в тысячи градусов. Значит ли это, что все живое в космосе неминуемо испепелится?

Нет, плотность межпланетного газа настолько ничтожна, что теплообмен с ним любого тела, попавшего в космос, практически равен нулю. Температура поверхности тела в космическом пространстве определяется, по существу, теплообменом этого тела и Солнца. И если бы не этот теплообмен, то многие тысячи лет пришлось бы ждать, пока температура запущенного с Земли спутника сравняется с температурой частиц в космическом пространстве.

Какую же тогда роль играет теплоизолирующий костюм, входящий в комплект космического скафандра? Назначение его главным образом земное. Сядет космический корабль в холодных районах земного шара — скафандр защитит космонавта от любого мороза. Даже в ледяной воде человек, одетый в космический скафандр, может плавать в течение многих часов, не опасаясь за свое здоровье.

Во время космического полета скафандр с его теплоизолирующим костюмом и вентиляционной системой может обеспечить космонавту комфортабельные температурные условия, независимо от температуры и влажности воздуха в кабине корабля и даже в случае ее разгерметизации.

Автор: Ю. Савицкий.