Скафандри

Скафандр… Космічний одяг… З документальних фотографій, (та фантастичних фільмів) дивляться на нас крізь підняті забрала шоломів одягнені в скафандри льотчики-космонавти. Сторінки науково-фантастичних романів показують нам космонавтів майбутнього з їх неодмінним реквізитом – скафандром. Яку ж роль відіграє скафандр у космічному польоті? Чи збережеться він в майбутньому? Як зміниться?

Сучасний космічний «костюм» має одне головне і єдине призначення – він повинен захистити людину в польоті від небезпек. «Мода» космічного одягу, її «покрій» цілком підпорядковані цій меті; її творці намагаються вгадати всі можливі в космосі небезпеки. Скафандр убезпечить людину від космічної «порожнечі», якщо випадкова аварія розгерметизує корабель. Він забезпечить пілота повітрям, якщо раптом не можна стане дихати повітрям кабіни. Він може виконувати роль холодильника і обігрівального пристрою. Якщо космонавт покидає корабель, тільки скафандр захищає його. Захищає від удару об повітря в момент катапультування з корабля, від розрідженої атмосфери при спуску на парашуті, оберігає від ударів, коли приземлення відбувається в лісі або в горах. А якщо космонавт опуститься на воду, скафандр утримає його на плаву і не дасть замерзнути в крижаній воді.

У прийдешніх космічних польотах роботи космонавтам додасться. Відповідно ускладниться і роль скафандра.

Візит на інші планети потребує особливого, планетарного скафандра, що дозволяє виходити з космічного корабля, здійснювати більш-менш тривалі «прогулянки» як по розпеченому ґрунті на освітленій стороні Місяця, так і по крижаних покривах полярних «шапок» Марса, а, можливо, і по киплячим океанам Венери.

Розвиток космонавтики, мабуть, зажадає, щоб людина вийшла з корабля у відкритий міжпланетний простір, наприклад, для складання орбітальних станцій, для огляду і ремонту космічних кораблів. Скафандр, призначений для відкритого космосу, буде відрізнятися і від сучасного і від майбутнього планетарного. Взяти хоча б спосіб пересування. У космічному просторі можна рухатися тільки за допомогою ракетного двигуна. Значить, скафандр повинен буде мати ракетну рухову установку. Вона може працювати, наприклад, на стисненому повітрі.

ЧИМ ДИХАЄ КОСМОНАВТ

Нормальне дихання в будь-якій ситуації – одне з найголовніших завдань, що вирішуються під час створення скафандра. Залежно від того, як забезпечуються скафандри киснем, їх можна розділити на два типи, вентиляційні та регенераційні. Якщо політ протікає нормально, то повітря і для вентиляції тіла і для дихання забирається з кабіни корабля. Вентилятором воно нагнітається у вентиляційну систему скафандра, обдуває тіло людини і повертається в кабіну. Дихає космонавт повітрям кабіни, яке вільно надходить у шолом, коли піднято переднє скло. Але якщо чомусь повітря кабіни стане непридатним для дихання, переднє скло шолома (воно опускається вручну або автоматично) ізолює космонавта від атмосфери кабіни, і в скафандр почне надходити киснево-повітряна суміш. Одночасно перемикається на аварійні балони зі стисненим повітрям і вентиляція.

Регенераційний скафандр повністю ізольований від навколишнього середовища. У цьому випадку газова суміш, якою дихає людина і яка вентилює скафандр, проганяється через хімічний поглинач і фільтр. Тут вона звільняється від виділеної людиною вуглекислоти, вологи та інших домішок. Поповнення киснем може здійснюватися кількома способами: чи то за рахунок запасів з балонів, чи то за рахунок хімічної реакції, а в майбутньому, можливо, і фотохімічним шляхом.

Прикладом такої регенераційної системи живлення киснем може служити скафандр американських космонавтів. Запас кисню, розрахований на 28 годин польоту, зберігається в двох сферичних балонах під тиском, що перевищує спочатку 560 атмосфер. Через редуктор, який знижує тиск до 0,36 атмосфери, кисень подається у вентиляційну систему скафандра і змішується з газом, що виходить з герметичного шолома. Новоутворена газова суміш пропускається через поглинач вуглекислоти і вологи, фільтр і теплообмінник. З цього блоку очищення виходить вже чистий кисень, охолоджений до 18-24 градусів. Він подається у скафандр через клапан, що перебуває на рівні талії космонавта, і по розподільних трубочкам (спіральки, обшиті нейлоном, в яких пророблені отвори) йде по скафандру, омиває тіло і проникає в герметичний шолом. А потім газова суміш відсмоктується з скафандра вентилятором і, знову поповнена киснем з балонів, починає новий цикл кругообігу.

Авіаційні скафандри – регенераційний і вентиляційний можуть бути виконані в двох варіантах: масочному та безмасочному. У першому випадку, як це зрозуміло з назви, на обличчя людини надягається маска, в яку і надходить дихальна суміш. У другому випадку кисень подається прямо в шолом, обличчя людини залишається відкритим. У чому переваги і недоліки кожного з цих варіантів?

Маска дозволяє створити цілком незалежну систему дихання, ізольовану від вентиляційної системи скафандра. Крім того, клапанний пристрій подає суміш газів тільки в момент вдиху – значить, кисень витрачається економніше. Вологе повітря, що видихається відводиться по трубопроводу відразу на очистку, не потрапляючи в шолом і не погіршуючи гігієнічних умов вентиляції скафандра. Однак тут є і своє «але». Носити маску в продовження всього польоту, особливо тривалого, мабуть, не зовсім приємно. Вона заважає працювати, в ній дуже незручно їсти і пити.

Тому і перші радянські космонавти і американські були одягнені під час польотів в скафандри безмасочного типу. Краще всього, якщо людина в космічному польоті буде дихати нормальним, «земним» повітрям.

ДЕКОМПРЕСІЯ

Космонавти під час польотів дихали повітрям кабіни, переднє скло шолома було піднято і обличчя відкрито. Ніяких несподіванок не сталося. А що якби, наприклад, від удару метеорита порушилася герметичність кабіни корабля?

Різке падіння тиску повітря – вибухова декомпресія – явище, відоме у висотній авіації. Вибухова декомпресія тим страшніше, чим більше несподіваний перепад тисків повітря. Проміжок часу від моменту аварії до втрати людиною свідомості називається резервом часу. Так, наприклад, досліди, проведені лікарями в роки освоєння польотів літаків на великих висотах, показали, що різке зниження концентрації кисню від нормальної атмосфери до відповідної висоті 10 кілометрів призводить до втрати свідомості через 40 секунд. Якщо ж розрідження відповідає висоті 15 кілометрів, то резерв знижується до 15 секунд.

При розгерметизації космічного корабля падіння тиску не може відбутися миттєво, воно займе хоча б кілька секунд. У цей час космонавт встигне опустити і загерметизувати переднє скло шолома, Якщо ж він розгубиться, це зробить за нього автоматичний пристрій.

Але тут з’являється нове ускладнення: виникне перепад тисків всередині і зовні скафандра. Повітря, укладене в скафандр, прагнучи вирватися з полону, стане роздувати, або, як кажуть фахівці, навантажувати його силову оболонку. Два небажаних слідства супроводжують цей факт. Розповімо про них докладніше.

Всякий матеріал під дією навантаження в більшій чи меншій мірі розтягується. Цією властивістю володіє і матеріал силової оболонки скафандра. Легко уявити, до чого призведе розтягнення скафандра. Шолом точно підганяється по голові, ноги взуті в туго зашнуровані черевики. Під дією перепаду тисків шолом буде прагнути відірватися від скафандра, відстань між ним і черевиками збільшиться, скафандр почне розтягувати космонавта. З якою силою?

Легко підрахувати, що при перепаді тисків у кабіні і всередині скафандра, рівному, скажімо, 0,36 атмосфери, що відповідає американським космічним скафандрам, ця сила досягає 200-300 кілограмів. Природно, що скафандр повинен мати якісь «силові» елементи, що сприймають на себе навантаження, що перешкоджають розтягуванню. У скафандрів американських космонавтів є шнури, що притягають шолом до силової оболонки. Сама оболонка, виготовлена з дуже міцної тканини, має шви, в які вшиті зміцнюючі її шнури.

Другий наслідок перепаду тисків – обмежена рухливість людини в скафандрі. Тут маються на увазі не ті незручності, які викликані взагалі громіздкістю скафандра як одягу. Якби скафандр не мав спеціальних пристосувань, то при наявності перепаду тисків навіть просто зігнути руку дуже важко, а при значному надлишковому тиску в скафандрі зробити це і зовсім неможливо. Пояснюється це тим, що м’які його оболонки під дією внутрішнього тиску прагнуть розпрямитися. Спробуйте надути звичайну грілку, а потім зігнути її – вона тут же розпрямиться.

Для того щоб космонавт міг порівняно вільно рухатися у своєму вбранні, скафандр повинен бути забезпечений спеціальними пристроями, наприклад, такими, як шарніри американського космічного скафандра, що отримали назву «апельсинових кірочок». Вони являють собою гофровані ділянки рукавів і штанин.

Основні труднощі створення шарнірів скафандра американські вчені вбачають у тому, що потрібно забезпечити поздовжню жорсткість – не дати розтягнутися «гармошці» суглоба. Досягається це хитромудрими комбінаціями шнурів, що ковзають по роликам або ув’язнених у напрямні оболонки.

ЗЕМНА РОЛЬ КОСМІЧНОГО СКАФАНДРУ

Ще зовсім недавно існувала думка, що в космосі панує страхітливий холод, що температура там близька до абсолютного нуля. Однак, за останніми даними науки, швидкості газових частинок в міжпланетному просторі настільки великі, що відповідають температурам в тисячі градусів. Чи означає це, що все живе в космосі неминуче спопелиться?

Ні, щільність міжпланетного газу настільки нікчемна, що теплообмін з ним будь-якого тіла, що потрапив у космос, практично дорівнює нулю. Температура поверхні тіла в космічному просторі визначається, по суті, теплообміном цього тіла і Сонця. І якби не цей теплообмін, то багато тисяч років довелося б чекати, поки температура запущеного з Землі супутника зрівняється з температурою частинок в космічному просторі.

Яку ж тоді роль відіграє теплоізолюючий костюм, що входить в комплект космічного скафандра? Призначення його головним чином земне. Сяде космічний корабель в холодних районах земної кулі – скафандр захистить космонавта від будь-якого морозу. Навіть у крижаній воді людина, одягнена в космічний скафандр, може плавати протягом багатьох годин, не побоюючись за своє здоров’я.

Під час космічного польоту скафандр з його теплоізолюючим костюмом і вентиляційною системою може забезпечити космонавту комфортабельні температурні умови, незалежно від температури і вологості повітря в кабіні корабля і навіть у разі її розгерметизації.

Автор: Ю. Савицький.