Одежда для вакуума: Как устроены космические скафандры. Первые скафандры

Один писатель назвал космонавтов «рыцарями невесомости»… правомерность такого определения усугубляется ещё и тем, что космонавт подобно средневековому рыцарю облачается в своего рода «доспехи» – скафандр. Для чего это нужно?

За миллионы лет эволюции наш биологический вид приспособился к жизни в условиях Земли: мы вдыхаем газовую смесь, содержащую кислород, давление внутри нашего тела уравновешивает давление воздуха вокруг нас, озоновый слой атмосферы защищает нас от ультрафиолетового излучения, а магнитное поле Земли – от потока заряженных частиц солнечного ветра, наконец – наш опорно-двигательный аппарат приспособлен к работе в условиях земной силы тяжести.

Представьте себе теперь, что человек в одночасье лишился всех этих привычных условий – как это бывает в открытом космосе. Прежде всего – становится нечем дышать, а без кислорода жизнедеятельность невозможна: не будет химических реакций в клетках, не будет выделяться энергия – организму становится «не на чем работать», так что без воздуха человек погибает в считанные минуты.

Далее – температура. Как правило, космическое пространство представляют себе очень холодным – в действительности гораздо большую опасность там представляет перегрев (Солнце-то никуда не девается, а в межзвёздное пространство земные космонавты пока ещё не летали). Впрочем, сталкиваться с низкими температурами тоже приходится (на теневой стороне) – в целом мы имеем температурные перепады от минус 150 до плюс 150 градусов. И то, и другое для человека смертельно!

И наконец – вредные для нас составляющие солнечного излучения: ультрафиолет и радиация. Даже на Земле мы иной раз умудряемся «сгореть» на пляже – что же говорить о космосе, где нет атмосферы, задерживающей большую часть ультрафиолетового излучения!

Вот от всех этих опасных обстоятельств и призван защитить скафандр. На нём укреплены баллоны с воздухом для дыхания, внутри его поддерживается «земное» давление воздуха и комфортная температура, он защищает от ультрафиолета и радицации…

«Хорошо, – скажете вы. – Понятно, зачем нужен скафандр в открытом космосе. Но зачем он внутри космического корабля, где и так поддерживаются «земные» условия?»

Действительно, внутри корабля или космической станции всё это есть, но… никто не гарантирует, что не произойдёт каких-нибудь неожиданностей! Система жизнеобеспечения может отказать. Стенка корабля может быть повреждена – и тогда весь этот внутренний «микроклимат», который «сделан под Землю», начнёт разрушаться – это называется разгерметизацией (для этого достаточно отверстия толщиной с волос) – в этих случаях скафандр позволяет продержаться некоторое время, чтобы успеть что-то предпринять.

Как видим, скафандр в космическом полёте – вещь необходимая, и самые первые космонавты находились в скафандрах в течение всего полёта. Но тогда это было возможно – ведь в космосе они находились всего несколько часов, а вот позднее, когда счёт пошёл на дни, выяснилось, что находиться в скафандре сутками и тем более – работать в таком положении весьма тяжело, и скафандры решили снять. Некоторое время обходились без них, но…

Последовала трагедия 30 июня 1971 года: при возвращении с орбитальной станции «Салют-1» произошла разгерметизация спускаемого аппарата, и космонавты Г.Добровольский, В.Волков и В.Пацаев погибли. С тех пор нахождение в скафандрах обязательно в самые опасные моменты полёта: старт, выведение на орбиту, стыковка, спуск. При этом должны быть надеты перчатки, плотно закрыт шлем, в остальное время – если с давлением воздуха всё в порядке – перчатки можно снять, шлем открыть, так работать удобнее. Весит такой скафандр 10 кг, но в невесомости это не особенно критично, а на Земле в нём приходится только дойти от автобуса до ракеты.

Такой спасательный скафандр, которым пользовались советские, а теперь пользуются российские космонавты, называется «Сокол». Он состоит из двух слоёв: внутренняя оболочка из прорезиненного материала обеспечивает герметичность, а внешняя отличается высокой прочностью. Скафандр этот мягкий, его легко надеть самостоятельно.

Защитный скафандр для выхода в открытый космос – «Орлан» – совсем другой. В него включён жёсткий алюминиевый корпус, именуемый кирасой (что снова заставляет вспомнить о средневековых латах). Из такого же материала изготовлен шлем, представляющий единое целое с кирасой. Иллюминатор шлема сделан из двух стёкол, расстояние между которыми 8 мм, и оснащён светофильтром, защищающим глаза от солнечного излучения. Есть ещё дополнительный иллюминатор сверху. К шлему крепятся два фонаря.

Сзади в кирасе имеется вырез прямоугольной формы – чтобы входить (да, такой скафандр не надевают – в него именно входят). К кирасе крепятся многослойные рукава и штанины: внешний слой – из лавсана, внутренний – двойной – из резины и прорезиненной ткани. Такие же многослойные и перчатки, а ботинки имею твёрдую кожаную подошву.

Сверху надевается оболочка, имеющая многослойную теплоизоляцию. В эту оболочку встроена особая ткань, играющая роль антенны – для связи. Снаружи к скафандру прикрепляются часы, нарукавные зеркала (чтобы видеть, что происходит с передней частью скафандра) и страховочный фал из двух прочных капроновых лент с карабином, которым космонавт пристёгивается к наружным поручням. Ещё одно необходимое устройство – сейфер (в переводе с английского – спасатель), оснащённые собственными двигателями, посредством сейфера можно переместиться ближе к станции, если слишком удалился от неё.

Кроме того, скафандр оснащён баллонами с кислородом, сделанными из прочнейшей стали, вентилятором, создающим внутри него циркуляцию воздуха, поглотительным патроном, вбирающим выдыхаемый воздух, и влагосборником, поглощающим пот.

Если спасательные скафандры делаются индивидуально для каждого космонавта, то защитные рассчитаны на то, чтобы ими пользовались разные люди (они хранятся на космической станции, их не возвращают на Землю), поэтому они стандартные – рассчитаны на рост не меньше 1,64 м и не больше 1,90. Так что космонавтом стать не так-то просто – и прежде всего надо иметь подходящие физические данные!

Скафандры космонавтов - это не просто костюмы для полетов на орбите. Первые из них появились еще в начале двадцатого столетия. Это было время, когда до космических полетов оставалось практически полвека. Однако ученые понимали, что освоение внеземных пространств, условия которых отличаются от привычных нам, неизбежно. Именно поэтому для будущих полетов придумали снаряжение космонавта, которое способно защитить человека от убийственной для него внешней среды.

Понятие скафандра

Что же представляет собой снаряжение для полетов в космос? Скафандр - это своеобразное чудо техники. Он представляет собой миниатюрную космическую станцию, повторяющую форму тела человека.

Современный скафандр оснащен целой космонавта. Но, несмотря на сложность устройства, в нем все расположено компактно и удобно.

История создания

Слово «скафандр» имеет французские корни. Ввести это понятие предложил в 1775 г. аббат-математик Жан Батист де Па Шапель. Конечно, в конце 18-го века о полетах в космос никто даже и не мечтал. Слово «скафандр», которое в переводе с греческого означает «лодко-человек», решено было применить к водолазному снаряжению.

С приходом космической эры это понятие стало использоваться и в русском языке. Только здесь оно приобрело несколько иной смысл. Человек стал взбираться все выше и выше. В связи с этим возникла необходимость в специальном снаряжении. Так, на высоте до семи километров это теплая одежда и кислородная маска. Расстояния же в пределах десяти тысяч метров из-за падения давления требуют наличия герметичной кабины и компенсирующего костюма. В противном случае при разгерметизации легкие летчика перестанут усваивать кислород. Ну а если подняться еще выше? В таком случае понадобится космический скафандр. Он должен быть весьма герметичным. При этом внутреннее давление в скафандре (как правило, в пределах 40 процентов от атмосферного) сохранит жизнь пилоту.

В 1920-х годах появился ряд статей английского физиолога Джона Холдена. Именно в них автором было предложено использовать костюмы водолазов для защиты здоровья и жизни воздухоплавателей. Автор даже попытался внедрить свои идеи в жизнь. Он построил подобный скафандр и испытал его в барокамере, где было установлено давление, соответствующее высоте 25,6 км. Однако строительство аэростатов, способных подняться в стратосферу, - удовольствие не из дешевых. И американский воздухоплаватель Марк Ридж, для которого и был предназначен уникальный костюм, средств, к сожалению, не собрал. Именно поэтому скафандр Холдена на практике испытан не был.

В нашей стране космическими скафандрами занимался инженер Евгений Чертовский, который являлся сотрудником Института авиационной медицины. В течение девяти лет, с 1931 по 1940 г., он разработал 7 моделей герметичного снаряжения. Первым в мире советский инженер решил проблему подвижности. Дело в том, что при подъеме на определенную высоту скафандр раздувался. После этого пилот вынужден был прилагать большие усилия даже для того, чтобы просто согнуть ногу или руку. Именно поэтому модель Ч-2 была сконструирована инженером с шарнирами.

В 1936 г. появился новый вариант космического снаряжения. Это модель Ч-3, содержащая практически все детали, присутствующие в современных скафандрах, которые используют российские космонавты. Испытание данного варианта специального снаряжения состоялось 19.05.1937 г. В качестве летательного аппарата был использован тяжелый бомбардировщик ТБ-3.

С 1936 г. скафандры космонавтов стали разрабатываться и молодыми инженерами Центрального аэрогидродинамического института. К этому их вдохновила премьера фантастического фильма «Космический рейс», созданного совместно с Константином Циолковским.

Первый скафандр с индексом СК-ШАГИ-1 молодые инженеры сконструировали, изготовили и испытали в течение всего лишь 1937 г. Даже внешнее впечатление от этого снаряжения указывало на его внеземное предназначение. В первой модели для соединения нижней и верхней частей был предусмотрен поясной разъем. Значительную подвижность обеспечивали плечевые шарниры. Оболочка этого костюма была изготовлена из двухслойной

Следующий вариант скафандра отличался наличием автономной регенерационной системы, рассчитанной на 6 часов непрерывной работы. В 1940 г. был создан последний советский довоенный скафандр - СК-ШАГИ-8. Испытание данного снаряжения осуществили на истребителе И-153.

Создание специального производства

В послевоенные годы инициативу по конструированию скафандров для космонавтов перехватил Летно-исследовательский институт. Его специалисты получили задание на разработку костюмов, предназначенных для пилотов авиации, покоряющей все новые скорости и высоты. Однако для серийного производства одного института было явно недостаточно. Именно поэтому в октябре 1952 г. инженером Александром Бойко был создан особый цех. Он находился в подмосковном Томилино, на заводе № 918. Сегодня это предприятие называется НПП «Звезда». Именно на нем в свое время был создан скафандр Гагарина.

Полеты в космос

В конце 1950-х годов началась новая эра освоения внеземного пространства. Именно в этот период советскими инженерами-конструкторами было начато проектирование корабля «Восток» - первого космического транспортного средства. Однако изначально планировалось, что скафандры космонавтов для этой ракеты не понадобятся. Пилот должен был находиться в специальном герметичном контейнере, который перед приземлением отделялся бы из спускаемого аппарата. Однако данная схема оказалась весьма громоздкой и, кроме того, требовала проведения длительных испытаний. Именно поэтому в августе 1960 г. внутренняя компоновка «Востока» была переработана.

Специалисты бюро Сергея Королева поменяли контейнер на катапультируемое кресло. В связи с этим будущим космонавтам понадобилась защита на случай разгерметизации. Ею и стал скафандр. Однако времени на его стыковку с бортовыми системами катастрофически не хватало. В связи с этим все то, что было необходимо для жизнеобеспечения пилота, разместили непосредственно в кресле.

Первые скафандры космонавтов получили название СК-1. За их основу был взят высотный костюм «Воркута», разработанный для летчиков истребителя-перехватчика СУ-9. Полной реконструкции подвергли только шлем. В нем установили механизм, который управлялся специальным датчиком. При падении давления в скафандре мгновенно захлопывалось прозрачное забрало.

Снаряжение для космонавтов изготавливалось по индивидуальной мерке. К первому полету оно было создано для тех, кто показал самый лучший уровень подготовки. Это тройка лидеров, в которую вошли Юрий Гагарин, Герман Титов и Григорий Нелюбов.

Интересно, что космонавты в космосе побывали позже скафандра. Один из специальных костюмов марки СК-1 был отправлен на орбиту во время двух испытательных беспилотных запусков корабля «Восток», состоявшихся в марте 1961 г. Кроме подопытных дворняг на борту находился манекен «Иван Иванович», облаченный в скафандр. В груди этого искусственного человека установили клетку с морскими свинками и мышами. А для того чтобы случайные свидетели приземления не приняли «Ивана Ивановича» за инопланетянина, под забралом его скафандра была размещена табличка с надписью «Макет».

Скафандры СК-1 использовались на протяжении пяти пилотируемых полетов корабля «Восток». Однако женщины-космонавты в них летать не могли. Для них была создана модель СК-2. Впервые она нашла свое применение во время полета корабля «Восток-6». Изготовили данный скафандр, учитывающий особенности строения женского тела, для Валентины Терешковой.

Разработки американских специалистов

При осуществлении программы «Меркурий» конструкторы США пошли по пути советских инженеров, внеся при этом свои предложения. Так, первый американский скафандр учитывал то, что космонавты в космосе в будущем будут дольше находиться на орбите.

Конструктор Рассел Колли изготовил специальный костюм Navy Mark, изначально предназначенный для полетов летчиков военно-морской авиации. В отличие от других моделей, данный скафандр был гибким и имел сравнительно небольшой вес. Для использования этого варианта в космических программах в конструкцию было внесено несколько изменений, которые прежде всего коснулись устройства шлема.

Скафандры американцев доказали свою надежность. Один лишь раз, когда капсула «Меркурия-4» приводнилась и начала тонуть, костюм чуть не погубил астронавта Вирджила Гриссона. Пилот с трудом сумел выбраться наружу, так как долго не мог отсоединиться от бортовой системы жизнеобеспечения.

Создание автономных скафандров

В связи с бурными темпами освоения космоса понадобилось сконструировать новые специальные костюмы. Ведь первые модели были только лишь аварийно-спасательными. Из-за того, что их присоединяли к системе жизнеобеспечения пилотируемого корабля, космонавты в космосе в таком снаряжении побывать не могли. Для выхода в открытое внеземное пространство необходимо было сконструировать автономный скафандр. Этим занялись конструкторы СССР и США.

Американцы под свою космическую программу «Джемини» создали новые модификации скафандров G3C, G4C, а также G5C. Вторая из них была предназначена для выхода в открытый космос. Несмотря на то что все американские скафандры подключались к бортовой системе жизнеобеспечения, в них было встроено автономное устройство. В случае необходимости его ресурсов вполне хватило бы на поддержку жизни астронавта в течение получаса.

В скафандре G4C 03.06.1965 г. вышел в открытый космос американец Эдвард Уайт. Однако он не был первопроходцем. За два с половиной месяца до него рядом с кораблем в космосе побывал Алексей Леонов. Для этого исторического полета советские инженеры разработали скафандр «Беркут». Он отличался от СК-1 наличием второй герметичной оболочки. Кроме того, в скафандре имелся заплечный ранец, оснащенный кислородными баллонами, а в его шлем встроили светофильтр.

Во время нахождения в открытом космосе человека соединял с кораблем семиметровый фал, в составе которого имелось амортизирующее устройство, электрические провода, стальной трос и шланг для аварийного снабжения кислородом. Исторический выход во внеземное пространство состоялся 18.03.1965 г. находился за пределами 23 мин. 41 сек.

Скафандры для освоения Луны

После освоения земной орбиты человек устремился дальше. И первой его целью стало осуществление полетов на Луну. Но для этого нужны были особые автономные скафандры, которые позволили бы находиться вне корабля в течение нескольких часов. И они были созданы американцами в ходе разработки программы «Аполлон». Эти костюмы обеспечивали защиту астронавта от солнечного перегрева и от микрометеоритов. Первый разработанный вариант лунных скафандров назвали A5L. Однако в дальнейшем он был усовершенствован. В новой модификации A6L предусмотрели теплоизоляционную оболочку. Версия A7L являлась огнестойким вариантом.

Лунные скафандры представляли собой цельные многослойные костюмы, имевшие гибкие сочленения из резины. На манжетах и вороте находились металлические кольца, предназначенные для присоединения герметичных перчаток и шлема. Застегивались скафандры при помощи вертикальной молнии, вшитой от паха до шеи.

Американцы ступили на поверхность Луны 21.07.1969 г. Во время этого полета нашли свое использование скафандры A7L.

Собирались на Луну и советские космонавты. Для этого полета создали скафандры «Кречет». Это был полужесткий вариант костюма, на спинке которого имелась специальная дверца. Космонавт должен был влезть в нее, облачившись, таким образом, в снаряжение. Закрывалась дверца изнутри. Для этого был предусмотрен боковой рычаг и сложная схема из тросиков. Внутри скафандра находилась и система жизнеобеспечения. К сожалению, побывать на Луне советским космонавтам так и не удалось. Но созданный для таких полетов скафандр в дальнейшем использовался при разработке других моделей.

Снаряжение для новейших кораблей

Начиная с 1967 г. Советский Союз начал запуск «Союзов». Это были транспортные средства, предназначенные для создания Время нахождения на них космонавтов неизменно увеличивалось.

Для полетов на кораблях «Союз» был изготовлен скафандр «Ястреб». Его отличия от «Беркута» состояли в конструкции системы жизнеобеспечения. С ее помощью производилась циркуляция дыхательной смеси внутри скафандра. Здесь она очищалась от вредных примесей и углекислоты, а затем и охлаждалась.

Новый спасательный скафандр «Сокол-К» был использован во время полета «Союза-12» в сентябре 1973 г. Более усовершенствованные модели этих защитных костюмов приобрели даже торговые представители из Китая. Интересно, что при запуске пилотируемого корабля «Шаньчжоу» находящиеся в нем астронавты были облачены в снаряжение, очень напоминающее российский образец.

Для выхода в открытый космос советские конструкторы создали скафандр «Орлан». Это автономное полужесткое снаряжение, схожее с лунным «Кречетом». Облачаться в него также приходилось через дверцу в спине. Но, в отличие от «Кречета», «Орлан» был универсальным. Его рукава и штанины легко подгонялись под нужный рост.

В скафандрах «Орлан» совершали полеты не только российские космонавты. По образцу этого снаряжения китайцы сделали свои «Фэйтянь». В них они вышли в открытый космос.

Скафандры будущего

На сегодняшний день NASA разрабатывает новые космические программы. В них входят полеты на астероиды, на Луну, а также Именно поэтому продолжается разработка новых модификаций скафандров, которые в дальнейшем должны будут соединить в себе все положительные качества рабочего костюма и спасательного снаряжения. На каком варианте остановятся разработчики, пока неизвестно.

Может, это будет тяжелый жесткий скафандр, защищающий человека от всех негативных внешних воздействий, а может, современные технологии позволят создать универсальную оболочку, элегантность которой по достоинству оценят будущие женщины-космонавты.

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.).

Первые космические скафандры. Какими они были. О, какая романтическая тема, особенно для тех кто был рожден в те времена когда человек серьезно нацелился в космос, покорять дивные дальние планеты… но это было давно, увы, сейчас человечество взяло другой курс, курс в никуда. (Но это другая тема.

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.

Скафандр для выхода в открытый космос из орбитальной станции «Салют-6».

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.

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.).

А теперь от этих общих соображений перейдем к конкретным факторам, определяющим необходимость такого защитного снаряжения, как скафандр.

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).

Человек в безвоздушном пространстве

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.

Спасательный скафандр для полетов на космических кораблях «Союз».

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.

Проблемы, проблемы…

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.

Особо сложной оказывается задача сохранения теплового баланса. В связи с малым коэффициентом полезного действия человека - он обычно не превышает 20%-вся развиваемая мощность, все эти средние 300 Вт практически превращаются в тепло. Сколько-нибудь значительного теплового обмена между космонавтом, одетым в скафандр, .и космическим пространством не происходит: в космосе ведь нет воздуха, нет теплопроводной среды, которая в земных условиях отводит тепло от нашего тела. Конвекции внутри скафандра в условиях невесомости также нет. Остается лишь один путь теплопередачи - тепловое излучение. При этом необходимо учитывать, что космонавт вне корабля может работать либо в зоне солнечного освещения (на 1м2 поверхности скафандра в открытом космосе падает до 1200 ккал/час солнечного тепла), либо в тени, в условиях сильнейшего космического холода. Поэтому тепловые потоки к скафандру или от него могут резко колебаться и достигать больших величии.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.

Несмотря на достигнутые с того времени успехи, проблема подвижности человека в скафандре до сих пор остается одной из основных.

Немного истории

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.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.

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 терморегулирования;

система электрооборудования, управления и контроля работы агрегатов;

система радиосвязи.

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 асти 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.

Схемы работы типовых АСОЖ (водяное охлаждение не показано) открытого типа с выбросом в вакуум (А), с частичной регенерацией (Б) и полной регенерацией (В). 1 - блок подачи кислорода; 2 - блоки регенерации.

Типовая блок-схема АСОЖ для скафандра регенерационного типа (АСОЖ размещена в герметичном корпусе, выполненном заодно со скафандром): 1 - пульт управления и контроля; 2 - внутренняя полость скафандра и АСОЖ; 3 - влагоотделитель; 4 - теплообменник; 5 - блок поглощения углекислоты и других продуктов жизнедеятельности; 6 - вентилятор; 7 - костюм водяного охлаждения; 8 - насос; 9 - кран для регулирования температуры воды; 10 - вода замкнутого контура охлаждения; 11 - регулятор подачи воды; 12 - вода открытого контура охлаждения (отбирает тепло у воды замкнутого контура); 13 - блоки автоматики и контроля; 14 - клапан включения аварийной подачи кислорода;15 - баллон с резервным запасом кислорода; 16 - регулятор подачи кислорода; 17 - регулятор режимов давления в скафандре; 18 - основной запас кислорода; 19 - предохранительный клапан; 20 - разъем пневмо- и гидрокоммуникации; 21 - медицинские датчики; 22 - переговорное устройство.

Типовая блок-схема АСОЖ для скафандра

Некоторые элементы конструкции скафандров - варианты структуры мягкой оболочки (А), шарниров мягких частей скафандра (В, В) и гермоподшипника (Г). 1 - наружная защитная ткань; 2 - пакет слоев энранно-вакуумной изоляции; 3 - силовая оболочка скафандра; 4 - основная герметичная оболочка; 5 - дублирующая герметичная оболочка; 6 - подкладка; 7 - трубки системы вентиляции; 8 - вентиляционный зазор; 9 - костюм водяного охлаждения; 10 - нательное белье; 11 - силовая стяжка (лента, шнур, трос); 12 - поперечная складка; 13 - поперечный шнур; 14 - внешняя обойма подшипника; 15- внутренняя обойма; 16 - герметизирующий клапан; 17 - шарики.

«Наука и жизнь» №6-1978. Профессор Г. Ильин, кандидаты технических наук В. Иванов, И. Павлов.

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.

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.

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.

«Воркута»
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.

Послойно
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.

«Лунный» скафандр астронавтов - участников миссий Apollo.

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».

Термос
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 -100С.

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.

Соколята
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.

Кирасиры
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 всему голова
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 не называют, но предлагают ориентироваться на стоимость американского аналога — $12 млн.

Жми на кнопку, чтобы подписаться на "Как это сделано"!

Если у вас есть производство или сервис, о котором вы хотите рассказать нашим читателям, пишите Аслану ([email protected] ) и мы сделаем самый лучший репортаж, который увидят не только читатели сообщества, но и сайта Как это сделано

Подписывайтесь также на наши группы в фейсбуке, вконтакте, одноклассниках, в ютюбе и инстаграме , где будут выкладываться самое интересное из сообщества, плюс видео о том, как это сделано, устроено и работает.

Жми на иконку и подписывайся!