тическую разработку. Однако, мы живем в такой век, когда «расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой» (М. Горький). И нет сомнения в том, что в области космонавтики действительность в самый короткий срок превзойдет наиболее дерзкие мечтания. Кто знает, может быть некоторые из наших читателей, которые сейчас впервые знакомятся с проблемами космонавтики, сами внесут ценный вклад в ее дальнейшее развитие.
Как показывают первые полеты советских людей в межпланетное пространство, наша наука и техника уже сейчас позволили успешно справиться со сложной задачей подготовки завоевателей космоса. Все наши прославленные космонавты, прежде чем занять место в кабинах космических кораблей и отправиться в далекие неизведанные рейсы, прошли всестороннюю тренировку на специальных тренажерах и установках, много раз в земных условиях репетировали свой космический полет. Эта кропотливая и тяжелая работа дала свои плоды.
ЗАЧЕМ ЧЕЛОВЕК ИЗУЧАЕТ КОСМОС?
Люди посылают ракеты в космос и сами летят туда не из про стого любопытства. Эти полеты нельзя также рассматривать как своеобразную подготовку к «переезду» человека с нашей достаточно обжитой планеты в другие миры в поисках новых впечатлений и лучшей жизни. Нам, советским людям, строящим счастливую коммунистическую жизнь на Земле, незачем менять ее на другую пла-чету!
Но для того, чтобы лучше изучить природу нашей Земли, понять историю ее развития, ее будущее, надо обязательно познакомиться с другими планетами и изучить их. Однако это еще не все. Наука сейчас подошла к такому этапу своего развития, когда многие важные вопросы уже нельзя решить, оставаясь на дне воздушного океана. Атмосфера, защищая нас как экран от вредных космических излучений, весьма затрудняет исследование с Земли других планет с помощью астрофизических и спектрографических методов.
Серьезно мешает атмосфера и астрономическим наблюдениям. Она преломляет идущие к нам от светил лучи, частично поглощает их. Это уменьшает видимую яркость звезд, вызывает их мерцание, а в результате дрожание и расплывчатость изображений светил в телескопах.
Здесь поможет только космическая обсерватория. Она позволит наблюдать мир небесных тел в неискаженном виде. На такой станции небесные тела можно будет фотографировать со значительным увеличением и с большой продолжительностью экспозиции. Ведь конструкции телескопов ввиду отсутствия силы тяжести на спутнике сильно упростятся и облегчатся, а размеры намного возрастут. Расчеты показывают, что зеркало диаметром 2,5 м при фокусном расстоянии 27,5 м даст изображение Луны диаметром 25 см, а Марса — 3,7 мм.
С космической обсерватории наблюдателю будет казаться, что небо абсолютно черное. На его фоне видимая яркость небесных тел значительно возрастет. Это позволит сфотографировать звезды и звездные скопления, недоступные земным телескопам. А с помощью радиотелескопов можно будет исследовать радиоизлучения небесных тел во всем известном нам диапазоне электромагнитных волн.
Но этим далеко не исчерпывается значение спутников Земли. Жизнь человека тесно связана с погодой. Ее капризы — опустошительные ливни и наводнения, знойные засухи и жгучие холода, жестокие штормы и ураганы — приносят людям огромные убытки и неисчислимые бедствия. Очень важно уметь предвидеть погоду, чтобы предпринять необходимые меры защиты. Но в настоящее время мировая метеорологическая служба располагает для этого весьма ограниченными возможностями: метеорологические станции есть только на одной трети нашей планеты. Это понятно — остальные две трети заняты морями и океанами. А ведь там, собственно говоря, формируется погода.
Помочь точно предсказать погоду, раскрыть природу метеорологических явлений могут только искусственные спутники Земли (фиг. 3 и 4). Оборудованные необходимой аппаратурой для наблюдения за процессами, происходящими в кузнице погоды — атмосфере, они в течение полутора-двух часов выяснят расположение и характер облачного покрова, районы плохой и хорошей погоды, движение теплых и холодных воздушных масс, движение льдов, зарождение и развитие ураганов и передадут эти данные на Землю.
Так как Земля вращается, то при каждом следующем своем обороте спутник может наблюдать погоду уже в новых районах, примыкающих к предыдущим. Это позволит определить, куда и с какой скоростью переместился шторм, какие циклоны и антициклоны затухают, а какие усиливаются, куда сместились теплые и холодные воздушные массы. Наблюдая с метеорологических спутников процессы, протекающие в атмосфере Земли, мы не просто получим картину погоды в какой-то определенный момент и в ограниченном районе, а обнаружим основные тенденции ее развития в масштабе всей планеты.
Для метеорологических спутников наилучшей орбитой, по-видимому, может оказаться полярная орбита. При движении по ней спутник будет «прослеживать» практически все районы земного шара.
Так с появлением спутников Земли и электронно-вычислительной техники начинается новый этап в совершенствовании методов долгосрочного прогнозирования погоды и возникает новая наука — космическая метеорология. Можно с уверенностью сказать, что метеорологические исследования с помощью ракет и спутников откроют перед человечеством и возможности управлять погодой.
Спутники помогут человечеству решить еще одну сложную задачу. Как известно, мощные потоки энергии, излучаемой Солнцем, доходят до земной поверхности лишь в незначительной степени. Их задерживает атмосфера, они рассеиваются в космическом пространстве. Для многих приборов межпланетных станций и искусственных спутников источниками питания энергией служат солнечные батареи. Пока они дают сравнительно небольшую мощность, но
Фиг. 3. Американский метеороло- Фиг. 4. Схема системы мете-
гический спутник «Тирос VI» на орологических спутников.
третьей ступени ракеты-носителя (видны солнечные элементы и две телевизионные камеры спутника).
со временем, когда гелиотехника получит достаточное развитие и будет решена проблема беспроволочной передачи мощных потоков энергии, спутники, видимо, позволят наладить энергоснабжение Земли из космоса.
Уже сейчас с помощью космических ракет и искусственных спутников изучается распространение радиоволн. Это очень важно для усовершенствования сверхдальней космической связи, для организации с помощью систем спутников глобальной системы связи между любыми точками на Земле, в том числе для осуществления сверхдальних телевизионных передач с одного континента на другой (фиг. 5).
А вот еще одно применение искусственных спутников. До сих пор мы не знаем точной формы нашей планеты. А это имеет чрез-вычайно важное значение для составления географических карт в настоящее время точная картография материков выполнена только для части земной суши.
Фиг. 5. Система спутников для глобальной связи и телевидения.
Известно, что скорость движения спутника даже по круговой орбите непостоянна. Над полюсами она больше, а в экваториальном поясе Земли меньше. Советский ученый Ф. Красовский подсчитал, ____ что расстояние от центра Земли до экватора должно быть на 21 382 м больше, чем до полюса. Поскольку сила земного притяжения обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра Земли, то для уравновешивания этой силы спутник должен двигаться над полюсами с большей скоростью, чем над экватором. Наблюдая за изменением скорости полета спутника, можно будет уточнить форму нашей планеты и более точно измерить расстояние между континентами. Ведь оно определено пока с точностью только до 100 ж! А для проведения астрономических наблюдений и выполнения ряда геодезических и топографических работ необходимая точность в знании координат точек на земной поверхности должна составлять порядка 10—15 мм.
Основная сила, определяющая движение спутника Земли после того, как он выведен на орбиту, — это сила земного притяжения. Двигаясь в поле тяготения, спутник очень чутко реагирует на все изменения этого поля, вызванные изменениями состава коры и характера земных недр (фиг. 6 и 7). Ю
Фиг. б. Спутники-разведчики земных недр.
Спутник как бы чувствует, что находится под ним: залежи тяжелых железных руд, массивные горные кряжи или сравнительно легкие океанские воды. Чем больше масса в данном районе, тем сильнее он здесь притягивается. А поскольку масса Земли распределена неравномерно, то спутник, испытывая определенные возму-одения, движется по волнообразной траектории.
Фиг 7. Предполагаемый вид американского спутника S-50 (POGO-1), предназначенного для геофизических исследовании.
Наблюдая с помощью оптических и радиотехнических средств за движением спутников, можно изучить строение нашей планеты и распределение крупных неоднородностей в земной коре. Это позволит не только уточнить форму земного шара, но и открыть новые районы, в которых залегают те или иные полезные ископаемые. Особенно много залежей полезных ископаемых можно будет найти в районе обширных водных пространств, которые сейчас в этом отношении почти совсем не изучены.
Недалеко время, когда автоматически действующие станции будут изучать сначала без непосредственного присутствия человека физические условия на поверхности Луны, затем атмосферу и поверхность планет солнечной системы, в первую очередь, по-видимому, Венеры и Марса.Как ни парадоксально это звучит, но тайны происхождения жизни на нашей родной планете, да и происхождение самой Земли, мы будем разгадывать не только на Земле, но и в космосе — при исследовании других планет и миров.
Таким образом, освоение космоса позволит открыть нам новые законы природы, новые тайны Земли и неба, поможет людям лучше устроить жизнь у себя на Земле.
Мы теперь уже говорим о нашем космическом будущем, как обязательном этапе в дальнейшем прогрессе и эволюции человеческого общества. И тысячу раз был прав К. Э. Циолковский, когда говорил: «Наша планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
Однако всестороннее исследование физических условий в околопланетных пространствах и на поверхности планет солнечной системы с помощью автоматически действующих станций — пока только глубокая разведка, самый первый этап дороги к познанию. Результаты этих исследований, как предполагают некоторые ученые, будут исчерпывающе полными и достоверными лишь тогда, когда человек сам лично проверит донесения приборов, сам выйдет во Вселенную. Ведь как бы ни было совершенно устройство автоматических станций, как бы ни была продуманна программа их работы, только непосредственное участие человека в исследованиях космоса, так сказать, «а месте, позволит до конца познать неизвестные пока явления в других мирах. Вот почему уже первые шаги человека в космос, становящиеся все более и более значительными, представляют огромную важность для развития науки.
Освоенным космос можно будет считать лишь тогда, когда там прочно утвердятся и будут жить люди. Только люди, воочию увидев то, что мы называем космическими далями, смогут решить сложнейшие научные задачи.
Земля и соседние с ней планеты имеют, по-видимому, одинаковое происхождение и сходную историю. Но очень многое на них совсем не так, как у нас. Поэтому необычайно интересно сравнить их с нашей родной планетой. На Земле, например, вода и воздух давно стерли все следы прошлого, изменили поверхность до неузнаваемости. А на Луне все сохраняется миллионы лет почти без изменения. Там и сейчас можно увидеть следы событий, которые происходили в древнейшие времена.
Особый -интерес представляют для нас Марс и Венера. Не исключено, что на этих планетах есть какая-то жизнь. Изучая ее, сравнивая ее формы с земными формами жизни, ученые, возможно, раскроют тайны развития растений и животных, которые сейчас выяснить трудно.
Некоторые ученые считают, что развитие Венеры по сравнению с Землей задержалось и эта планета сейчас должна напоминать Землю, какой она была миллионы лет назад. Некоторые данные о Венере дал американский космический аппарат «Маринер» (фиг. 8).
Про Марс думают наоборот, что его развитие ушло вперед. Если это действительно так, то на Венере мы сможем изучить прошлое нашей планеты, а на Марсе — ее будущее. Можно представить себе, как интересно было бы увидеть своими глазами то, что происходило на Земле в древнейшие времена, когда жизнь здесь только зарождалась, или то, что может быть с Землей через миллионы лет.
Вот почему так важно изучить природу наших «соседей» не в телескоп, а «на месте». Существует уже много проектов межпланетных кораблей для полета на эти планеты (фиг. 9).
Трудно сейчас даже представить себе все значение проникновения людей во Вселенную, всю пользу этого шага для прогресса на Земле. Когда Герц открыл электромагнитные колебания, то он сам думал, что его открытие едва ли имеет какое-либо практическое значение. Однако дальнейшие изучения физических явлений, связанных с этим открытием, привели к невиданному расцвету новой области техники — радио. Так и здесь: просто невозможно предугадать все конкретные практические последствия выхода человека в космос. Однако вспомним, как рисовал себе это наш великий соотечественник К. Э. Циолковский, вспомним и то, какими пророческими оказались его соображения и мысли по поводу развития ракетной техники, а ведь в то время они казались фантастическими даже большим ученым. И несомненно, его мечты о том, что человечество с огромной для себя пользой в конце концов выйдет из своей «земной колыбели», тоже вполне осуществимы, реальны.
Но мы не должны забывать и о том, что империалисты стремятся использовать научные достижения для иных целей. Нельзя здесь не вспомнить о том, как достижения ядерной физики в первую очередь были применены на войне: весь мир помнит ужасы Хиросимы.
13
Фиг. 8. Схема космического аппарата «Мари-нер», запущенного американцами для исследования трассы Земля — Венера:
/ — солнечные датчики; 2 — двигатель для коррекции траектории; 3 — антенна радиометра; 4 — реактивные управляющие сопла для ориентации аппарата; 5 — консоль магнитометра; 6 — ионизационная камера; 7 — панель солнечных элементов; 8 — антенна, направленная на Землю; 9 — основное электронное оборудование; 10 — аппаратура для исследования плазмы; // — вспомогательное электронное оборудование; 12 — всенаправленная антенна.
Да и сама ракетная техника зародилась ради военных целей. Наше мирное небо бороздят спутники-шпионы, запускаемые в США.
Сравнительно недавно в печати стали появляться сведения о том, что в США начата специальная подготовка «военных космонавтов». Цели такой подготовки очень далеки от научных задач, далеки от проблем мирного освоения космоса. Один из таких проектов (фирмы Дуглас Эйркрафт) предполагает постройку двухступенчатого возвращаемого пилотируемого ракетоплана «Астро» (фиг. 10).
Фиг. 10. Предполагаемый вид ракетоплана «Астро» — А-2.
Вторая ступень его, выводимая на орбиту спутника Земли, могла бы использоваться в качестве орбитального бомбардировщика, разведывательного спутника, антиспутника-опознавателя, антиспутника-перехватчика и т. п.
У нас, в Советском Союзе, при всех стартах космических объектов открыто говорится о целях очередного эксперимента во Вселенной и каждый раз эти цели носят сугубо мирный характер. Иное дело в США. Военное ведомство осуществило вывод серии спутников на различные орбиты, причем цель этих экспериментов была засекречена. Когда Генеральная Ассамблея ООН приняла решение о регистрации всех пусков космических объектов в секретариате ООН, США поспешили зарегистрировать свои спутники, но... воздержались от регистрации «объектов, которые подлежат возвращению с орбиты на Землю». Это относилось как раз к спутникам, запущенным Пентагоном.
«Космос должен быть мирным», — снова говорят сегодня советские люди, Коммунистическая партия, Советское правительство. Вполне понятно, что лишь всеобщее и полное разоружение сможет исключить использование космоса для войны, создаст прочную основу для широкого международного сотрудничества в освоении космического пространства на благо всего человечества и тогда завоевание людьми космического пространства будет идти еще более быстрыми шагами.
15Совместные полеты советских космических кораблей, которые доказали возможность не только дальнейшего проникновения в космос, но и возможность жить и работать там длительное время, представляют собой новый величайший триумф нашей отечественной науки и техники.
Используя преимущества нашего социалистического строя, используя социализм как стартовую площадку, наш народ еще не один раз порадует весь мир замечательными успехами в освоении космического пространства. Впереди новые задачи, новые космические рубежи.
ЧЕЛОВЕК И АВТОМАТЫ В КОСМОСЕ
Первые полеты советских и американских космонавтов показали, что в космосе наиболее эффективные исследования будут вестись главным образом при участии человека.
Правда, некоторые зарубежные ученые считают, что присутствие человека на борту сложных космических кораблей не обязательно. Все, что он сможет сделать, гораздо лучше, по их мнению, выполнит автоматически действующее оборудование. Другая группа ученых, наоборот, считает автоматические устройства недостаточно надежными. Они утверждают, что из-за этого часто будут возникать повреждения и отказы в работе.
Однако это неправильно, не следует противопоставлять человека полностью автоматически действующему оборудованию. Наоборот, непосредственное участие людей в космических полетах, управление кораблем, его разнообразными и исключительно сложными системами выдвигает требование сочетать психофизиологические возможности человека (ограниченные самой природой) с техническими устройствами все возрастающей сложности. С ними космонавт при полете тесно взаимодействует.
Необходимость такого сочетания при полетах в космическом пространстве становится очевидной, если мы посмотрим, какие функции выполняет человек как звено или элемент системы управления и в чем он превосходит машину или уступает ей.
Как и во многих трудовых процессах на Земле, человек в космическом полете — самое важное организующее и пока еще самое надежное звено. Дело в том, что во многих случаях он может действовать более разносторонне и с большим успехом, чем автоматические устройства, какими бы они ни были совершенными. Так, 2—1876 17 космонавт, выполняя при полете роль оператора и наблюдателя, может восстанавливать работоспособность разнообразных технических систем космического корабля, если те или иные их элементы выйдут из строя, способен безотказно, периодически восстанавливая свои силы, работать.
С помощью разнообразных автоматических средств человек в состоянии легче и точнее, чем только одни автоматы, вывести космический корабль на заданную или желаемую орбиту. Дополнительная регулировка той или иной автоматической системы космонавтом в полете, по всей вероятности, позволит упростить конструкции этих систем, сделать их более надежными. Человек с большим успехом, чем полностью автоматизированные системы, сможет проводить с помощью различных приборов некоторые научные наблюдения при космическом полете. Говоря техническим языком, он обладает большей разрешающей способностью в особо трудных условиях полета и может принимать на месте не подготовленные заранее решения, изменять программу работы автоматических устройств, контролировать, отменять и утверждать наиболее важные решения автоматических систем и выполнять операции, не поддающиеся полной автоматизации на современном уровне развития техники.
Таким образом, особенности человека крайне важны в первую очередь в наиболее трудных условиях продолжительных космических полетов, требующих от космонавта полного напряжения всех его сил. Человек в настоящее время превосходит автоматические устройства:
— по диапазону восприятия световых и звуковых сигналов;
— по гибкости контрольных действий и по возможности их улучшения;
— по способности хранить большое количество информации в течение длительного времени и использовать ее в нужный момент;
— по способности обучаться;
— по способности к выработке методов решения;
— по способности воспринимать, объяснять и объединять в единое целое информацию, поступающую к нему через различные органы чувств.
Однако без технических, в первую очередь автоматических, средств человек в космосе становится совершенно беспомощным. Ведь многочисленные устройства космического корабля исключительно сложны. Более того, без автоматической аппаратуры, обеспечивающей восстановление газовой среды, продуктов питания и воды, «заботящейся» о поддержании самой жизни человека, вообще невозможны продолжительные полеты людей в космическое пространство.
Предоставленный самому себе космонавт не в состоянии сразу охватить всю информацию, необходимую для контроля и управления кораблем и его системами. Он может оказаться не способным 18 своевременно сделать расчеты, которые обеспечивали бы быстрое решение встающих перед ним задач по управлению полетом и выполнению научной программы. Ему трудно будет реагировать с требуемой скоростью и точностью на поступающую от приборов и устройств корабля информацию. И здесь человеку помогает автоматика, без нее космические полеты были бы невозможны. Почему?
В отличие от машин на характере деятельности космонавта в полете отрицательно сказываются разнообразные, чисто субъективные состояния: страх, неуверенность, скука, раздраженность, усталость. Может случиться, что эти состояния значительно затруднят деятельность человека, даже выведут его из строя в самый решительный и ответственный момент. В силу своих особенностей человек в полете может промедлить с решением, колебаться, допускать ошибки. А это приведет к нежелательным последствиям: к значительному снижению качества работы по управлению кораблем и его системами, нарушению заданного ритма и, в конечном счете, к аварийной ситуации.
Наконец, еще один существенный недостаток людей, по сравне нию с машиной.
Реакция нашего организма слишком «медленна» для космических скоростей, а органы чувств весьма «неповоротливы». В самом деле, ответная реакция человека на изменение создавшейся обстановки и устранение причины, которая вызвала это изменение, занимают несколько секунд. А космический корабль за это время проле тит десятки километров.
Каковы же самые общие свойства машин?
Здесь уместно напомнить, что в кибернетике1 машиной называют систему, способную совершать действия, ведущие к определенной цели. Значит, и живые существа, в частности человек, в этом кибернетическом смысле — тоже машины. Да, человек — самая совершенная из пока известных нам кибернетических машин, в которой программа заложена генетически2. Однако между человеком и машиной есть глубочайшее различие. Неправильное понимание, некритическое, ничем не оправданное, наивное копирование психофизиологических процессов человека не раз приводило к грубому антропоморфизму3 при построении машин и автоматических устройств.
Обратная, не менее уродливая, сторона антропоморфизма — это механицизм. При решении данной проблемы он выражается в том.что человек в системе «человек — машина» рассматривается как неодушевленный механизм, ничем принципиально не отличающийся от других машинных звеньев системы. Но, как известно, машина не знает человеческих слабостей: не «пугается» и не «теряется» при возникновении опасных ситуаций, не «устает» в человеческом смысле этого слова. Она обладает огромной пропускной способностью—? совершает десятки и сотни тысяч операций в секунду—может «запомнить» и обработать несравненно большее количество информации, чем самый натренированный человек.
Машина развивает такую силу и скорость, о которых человек не может даже мечтать; она выполняет не только механические повторяющиеся действия, но и сложную «умственную» работу: может совершать логические операции, решать оперативные задачи, считать, причем делает она это великолепно, очень часто, гораздо лучше и быстрее, чем человек. Такие свойства машины очень ценны в условиях космических полетов, особенно для навигационных расчетов (для быстрого выбора оптимальных и безопасных трасс), для ведения научных наблюдений, для радиосвязи, для стабилизации и ориентации космического корабля на орбите, для исследований на планетах и т. п.
Короче говоря, машина превосходит человека:
— быстротой ответа на сигнал;
— способностью прилагать плавно и точно большую силу;
— способностью очень точно выполнять повторные, стереотипные действия и задачи;
— хранением информации в «свернутом» виде и полным освобождением от ненужной информации;
— скоростью расчетов;
— способностью выполнять одновременно несколько различных функций.
Но при всех этих .достоинствах машин, автоматов следует помнить: они делают то, и только то, что им указал человек, и по тем правилам (алгоритму), которые он для них разработал.
Вот почему на современном уровне развития техники наилучшие результаты дает сочетание человеческих возможностей и автоматического оборудования. При таком сочетании надежность систем управления космическим кораблем значительно возрастает.
Подсчитано, например, что надежность автоматической системы управления корабля, предназначенного для облета Луны и возвращения на Землю, составляет 22%. При участии человека она возрастает до 70%. Ну а если у человека будет возможность устранять повреждения в системе, то этот процент доходит до 93%. Когда на борту корабля есть человек, то в ряде случаев вес автоматического оборудования можно резко уменьшить.
Широкие возможности для обеспечения наилучшего (оптимального) сочетания человека и машины на космических кораблях открываются при использовании разнообразных кибернетических устройств.
Кибернетика позволяет получить исходные данные для проектирования корабля и всевозможных его автоматических систем и устройств. Она необходима для конструирования линий связи, бортовых вычислительных электронных машин и управляющих устройств, которые в огромном количестве имеются на космических кораблях, а также для расчета орбитальных трасс и их корректировки в процессе полета.
Необходимость широкого использования средств кибернетики в системах космического корабля выдвигает требования тщательно изучать взаимодействия человека, автомата и машины при их совместной работе. Главная задача кибернетики как науки об оптимальном управлении состоит в том, чтобы заменить человека автоматами в тех условиях, когда работа становится для него непосильной. Во всех остальных случаях кибернетика помогает решать наи лучшим образом сложнейшие задачи по управлению.
В настоящее время автоматические системы, применяемые для управления космическим кораблем, в ряде случаев еще уступают по своему качеству системам, в которых управление осуществляет человек. Для примера сошлемся на авиационную практику. Опытный летчик, хорошо освоивший технику пилотирования определенного типа самолета (т. е. приспособивший нервно-психическую деятельность своего организма к динамическим свойствам самолета), весьма точно управляет рулями и сектором газа, предотвращает значительные отклонения фактического положения самолета от заданно го. Обычные системы автоматического пилотирования пока не имеют в своей замкнутой цепи звеньев, обладающих подобными евойст вами.
Программы, по которым действуют космические автоматические приборы, до последнего времени разрабатывались на Земле нь основе земного опыта и земной психологии человека. Вот почему очень многое из особенностей космической обстановки остается неизвестным и неучтенным.
Только непосредственная активная творческая деятельность человека в космосе, его гибкая приспособляемость к новой обстановке обеспечат наилучшее управление автоматикой, позволят выяснить наиболее характерные и важные факторы и явления. Это также заметно уточнит и ускорит составление заданий и программ для последующих полетов автоматических космических аппаратов и человека.
Кибернетический автомат будет управлять космическим кораблем не всегда. Нередко управление будет переходить в руки человека. Скажем, нужно изменить курс, произвести какие-то исследования, может быть лучше рассмотреть метеорит или «погнаться» за большим космическим телом; тогда космонавт выключит автомат и начнет управлять кораблем сам. Но о всех возможных случайностях, которые встретятся на пути в такой погоне, об опасностях, которые могут появиться во время полета, когда человек что-то просмотрел, автоматы или предупредят, или, в случае большой опасносги, сами подключатся к управлению. Естественно, что человек в таком случае не должен им мешать.
Впрочем вполне может случиться, что на поверхность других планет первой ступит не нога человека, а «нога», если ее так можно назвать, кибернетического автомата. Ведь наука пока располагает далеко не достаточными данными о состоянии атмосферы и возможности жизни на планетах нашей солнечной системы, чтобы человек мог свободно разгуливать по ним. Спокойно и безопасно ступить на «землю» этих планет, человек сможет лишь после целого ряда предварительных исследований. А эту задачу смогут решить специальные автоматы.
Снабженные различной измерительной аппаратурой, фото- и киноаппаратами, приемо-передающей радиостанцией и телевизионной камерой, такие автоматы будут первыми разведчиками неведомых миров.
Естественно, что у кибернетической машины для исследования планет будет запоминающее устройство очень большой емкости — ведь сведения, которые будут собраны, представят большую ценность для человека. Кроме того, она, как говорят специалисты, должна иметь исключительно развитую логику, т. е. обладать способностью анализировать собранную информацию и самостоятель но ориентироваться в непредвиденной обстановке.
Уже сейчас можно предположить, что кибернетический разведчик должен будет пройти определенное количество километров в заданном направлении, произвести замеры и анализы атмосферы, почвы, воды, уровня радиации, провести топографическую и фотографическую съемку местности и т. п. Это, так сказать, общая, основная программа действий разведчика. Однако предусмотреть все а программе невозможно. Поэтому, когда кибернетический разведчик окажется в непредвиденной обстановке, он должен будет действовать в ней самостоятельно. Ну, скажем, на пути встретилась трещина, ее нужно обойти так, чтобы затратить на это как можно меньше времени. А если разведчик подойдет к водоему, то ему необходимо взять воду для анализа, определить ее температуру, плотность, соленость, оценить, можно ли в ней двигаться, не повредит ли вода его аппаратуре. Кроме того, ему всегда необходимо оценивать свои запасы энергии, приводящей в движение его механизмы и обеспечивающей питанием аппаратуру, причем оценивать с таким расчетом, чтобы ее хватило на обратный путь к космическому кораблю.
Чтобы создать подобные «разумные» разведчики и снабдить ими будущих космонавтов, ученым предстоит решить еще целый комплекс сложнейших проблем. Наиболее трудная из них —проблема надежности всех этих средств, потому что ненадежному автомату нельзя доверять ни управление космическим кораблем, ни решение других, даже казалось бы простых задач.
Какие же проекты автоматических устройств сейчас разрабатываются?
Одна американская фирма (Бендикс) создала проект самоходной установки для исследования Луны и даже изготовила ее модель {фиг. 11). По мнению специалистов фирмы самоходные установки такого типа смогут изучать поверхность Луны, выбрать место посадки космического корабля, расставить сигнальные знаки с целью обеспечения безопасности его посадки, перевозить людей и грузы, а также помогать при создании лунной базы.
Грузоподъемность этой самоходной установки 125 кг, вес 796 кг, длина 6,7 м, высота 2,43 м, надежность 90% при дальности действия 800 км и 50% при дальности действия 3200 км.
По проекту самоходная установка (в сложенном виде на платформе) и оборудование для мягкой посадки запускаются с Земли при помощи ракеты. После посадки на Луну установка спускается с платформы и развертывается. При этом она получает энергию от силовой установки, смонтированной на платформе, а затем включается автономный источник энергии.
Самоходная установка представляет собой сваренную из труб раму на трех колесах. Одно колесо — спереди, два сзади. Расстояние между колесами 3,7 м, диаметр каждого колеса 152 см. ширина 30 см, вес 11,8 кг. Применение пневматических шин на Луне невозможно, поэтому для амортизации установки колеса имеют особую конструкцию. У них есть работающие на продольный изгиб спицы, изготовленные из отпущенного алюминия. Торцы их связаны «перепонками» из нержавеющей стали. У каждого колеса свой электродвигатель, радиатор и коробка скоростей (весом 5,5 кг), которая обеспечивает передний и задний ход со скоростями 8; 4 и 0,4 км/ч.
В задней части рамы установлен экранированный ядерный источник энергии мощностью 3 кет. В передней части, на наибольшем удалении от ядерного реактора, в специальном контейнере размещено электронное оборудование. Установка снабжена перископом и антенной.
Фирма изучает также возможности создания целой серии четырехколесных самоходных установок (вес 1100—2700 кг), допускающих модификацию без замены основных узлов. На таких установках можно будет смонтировать кабины на одного, двух или трех космонавтов (вес кабин, соответственно, 900, 1150 и 1300 кг). В этом случае ядерный источник энергии придется, вероятно, заменить топливными элементами.
Другая американская фирма (Спейс Дженерал) тоже разрабатывает самоходную установку для исследования поверхности Луны (фиг. 12). Габариты ее в сложенном положении 1,2x1,2x0,4 м. А в отношении веса публикуются различные данные: 45, 50 и 61 кг. Для движения по поверхности Луны у i:ee будет три пары «ног» (третья пара ног на фигуре не видна). По расчетам установка сможет перемещаться со скоростью 3—5 км/час, «перешагивать» через препятствия высотой более 10 см и преодолевать уклон до 15°. Об-Фиг. 11. Модель (1 : 10) самоходной установки для исследования Луны:
а — в сложенном виде на платформе, б — в развернутом виде; / — радиатор ядерного источника энергии, 2 — радиатор колеса, 3 — колеса. 4 — опоры платформы, 5 — платформа, 6 — перископ, 7 — антенна, 8 — экран ядерного источника энергии, 9 — контейнер с электронным оборудованием.
щий вес ее приборного оборудования 11,8 кг; оно рассчитано на два месяца работы. Для питания мотора, двигающего «ноги», и приборного оборудования (общая потребляемая мощность 100 вт) служат аккумуляторные батареи, заряжаемые солнечными элементами.
Предполагают, что установкой будет управлять оператор с наземной станции. На экране своего пульта он увидит лунную поверхность. Ее изображение будет получаться при помощи смонтированной на самоходной установке стереоскопической телевизион-
Фиг. 12. Еще один проект установки для исследования Луны:
а — в сложенном положении, б — в рабочем положении; / — антенна. 2 — панель с солнечными элементами. 3 — манипулятор, 4 — телевизионная
камера.
ной камеры. Если во время движения связь нарушится, то установка» автоматически остановится, отступит назад примерно на 3 ж и останется неподвижной до возобновления связи. Аппаратура «разведчика» должна работать 8 час в сутки, пока он будет находиться в пределах прямой видимости со станции. Остальное время лунного дня используется для зарядки батарей с помощью солнечных элементов. Их панели автоматически поворачиваются к Солнцу. Высота установки с откидными панелями и антенной—1,5 м.
Еще один интересный проект космической аппаратуры — Прос-пектор — разрабатывает американская фирма Сперри Гироскоп.
Аппарат представляет собой два полусферических контейнера, смонтированных на колесном шасси. Ведущие колеса изготовлены из металлической проволоки. Над контейнерами на кронштейне установлен коллектор солнечных лучей, а перед контейнером — антенна. На сферической поверхности контейнеров монтируются измерительные приборы и телевизионная камера. Между контейнерами расположена пусковая труба для ракеты, которая должна до-
Фиг. 13. Предполагаемый вид космического аппарата «Сервейер А>:
1нТ/н°мЛяНеТ1Й датчик' 2 -панель с солнечными элементами, 3 - всенаправленная антенна 4 - телевизионная камера. 5 - зонд для изучения подпочвенного гТпя S~SSnnn5 ДЛЯ изУцения магнитных свойствлуннымро*
!" б"ЛмЛ1С0,лСЖаТЫМ/еЛИеМ ДЛЯ «аДДУва топливные баков / Р J ?e"eIwS
ьые камеры 10 — приборы для анализа образцов лунных пород // - устпойстно ппя /ТУпепТ обРазцов' ^- приборы для измерения темг.ературТ'у пове^хнТти Луны /-прибор для определения прочности лунного грунта, 14- реактивные сопла* обеспечивающие управление по тангажу и рысканию, 15 - опора 16«якоХ ^Рдал\Р7ви~ей /?Н<ЗРУК8ИЯ" 16 ~ веРньерные двигатели (Г/Р - бак окГи! тическая установка %/' я Jf г°Рючего для двигателей /5, 21 - ядерная энерге-аппапатя ?? f?l!' антенна радиолокатора, служащего для измерения скорости прни? 1 ~ сснаРяд> с вмонтированным акселерометром, 24 - прибор для измерения скорости звука в лунных породах, 25 - баллон со сжатым азотом для оеак-тивных управляющих сопел 14, 26 - прибор для определения 9нер?етическ5?о спект
?елеск°опаа ^к0с^чрпкоп ?ластиц' ? ~ ЗСРКЗЛ0 телевизионной Гм'еры И-адкало lining' ~ телескоп, 30 - приборы для измерения атмосферного давления и определения газового состава атмосферы, 31 - сейсмометры, 32 - антеннадля связи
с Землей, ставить на Землю образцы лунных пород. Предусмотрена также возможность анализа образцов на месте с передачей данных по телеметрическим каналам.
На фиг. 13 представлена схема аппарата «Сервейер А», предназначенного для изучения Луны.
При решении различных исследовательских задач автоматическими системами-разведчиками большая роль будет принадлежать человеку-оператору. Лишь с его помощью можно будет успешно выполнить программу исследований, используя автоматические уст-
Человек- операпюрлГУ
Фиг. 14. Космонавт в системе управления кораблем.
ройства. Ведь сейчас трудно даже представить себе, чтобы автомат без участия человека смог выбрать подходящее место для посадки на какой-либо планете или осуществить наиболее удачный способ возвращения космического аппарата на Землю с учетом всех непредвиденных обстоятельств.
Какова бы ни была степень автоматизации технического процесса, руководящая и организующая роль всегда остается за человеком. И на космических кораблях приходится иметь дело с комплексными кибернетическими системами «человек — машина» (фиг. 14), и здесь нужно находить наиболее рациональное сочетание характеристик человека и машины. Причем, на космическом корабле эта необходимость детального изучения всех физиологических и психологических возможностей человека, максимально используемых при полете, сказывается особенно ярко.
Наконец, человек пока единственный, кто может распознать формы жизни в космосе.
В системе «человек — машина» человек — управляющий элемент (или оператор), а машина — объект управления. Всякое управление осуществляется так, что на управляющие воздействия затрачивается меньшее количество энергии, чем количество энергии, расходуемое объектом управления. В любой системе управления всегда есть органы управления, т. е. своего рода «клапаны», откры вающие или закрывающие путь большому количеству энергии, но приводимые в действие за счет сравнительно небольших уси лий.
Задача космонавта — оператора состоит в том, чтобы обеспе чить с необходимой точностью заданный режим работы корабля Космонавт сопоставляет получаемую информацию о состоянии ко рабля с хранящимися в его памяти сведениями и принимает необ кодимые решения. Наблюдение за движением корабля и действую щими на него внешними силами нужно для компенсации вредных явлений, для проверки «отработки» кораблем действий оператора, для выявления и определения опасных или недопустимых режимов работы корабля.
За режимами полета корабля и за окружающей обстановкой космонавт в простейшем случае наблюдает непосредственно глаза ми и слухом, но по большей части посредством специальных при боров. Они разделяются на два класса: на контрольно-индикатор ные, сигнализирующие об отклонениях параметров от заданных зна чений, и на контрольно-измерительные, непрерывно показывающие количественные изменения параметров.
Деятельность космонавта как управляющего звена в системе «человек — машина» можно разделить на следующие три этапа:
— получение информации от различных приборов и других ус j ройств корабля (сенсорные или чувственные функции космонавта);
— обработка полученной информации и выработка управляю щего воздействия на корабль или его системы — оценка принятых сигналов, обобщение, объяснение и сравнение их с планом полета (вычислительно-логические функции космонавта);
— приложение управляющего воздействия к органам управле ния кораблем и его системам (моторные функции космонавта).
При взаимодействии человека с машиной на космическом ко рабле необходимо учитывать специфические условия работы кос монавта в полете. К числу их относятся:
— большая длительность полета, который может продолжаться не только сутки, но и месяцы, даже годы. А это приводит к частичной или даже полной потере выработанных ранее навыков по управ лению кораблем при наиболее трудных этапах полета (например, при посадке на Землю по возвращении из длительного космическо го путешествия). Вдобавок при длительных полетах космонавт, кроме управления системами, должен выполнять и другие работы исследовательские, ремонтные и т. п.;
— когда космический корабль попадает на орбиту, он необычно медленно реагирует на управляющие воздействия. А это дает кос монавту своеобразный «избыток» времени, что отрицательно сказывается на сосредоточении его внимания, вызывает дополнитель ную усталость, ухудшает точность выполнения задачи по стабили зации полета;
— необычность в ряде случаев выполняемых работ, например, сборка движущихся по орбитам частей космического корабля;
— изменение в широких пределах гравитационного поля (перегрузка, невесомость, частичная невесомость) и изменение в связи с этим функционирования отдельных частей тела и анализаторов;
— стесненность космонавта в кабине корабля, неподвижность, работа в системе замкнутого и необычного микроклимата, эмоциональная напряженность, оторванность от привычной социальной среды на Земле;
— нехватка времени в аварийных и непредвиденных заранее условиях в полете.
Условия работы космонавта в полете требуют напряжения всех физических сил, всех моральных качеств. В различных ситуациях он должен приспосабливать свою психику к сложным, быстро- или медленнотекущим процессам по управлению кораблем.
Здесь речь идет о пластичности высшей нервной деятельности человека, о ее тренируемости, т. е. о способности психических функций человека к развитию, утончению и совершенствованию. Прак-?ика при тренировках показывает, что у человека имеются большие резервы для утончения своих чувственных (сенсорных) возможностей.
Для примера сошлемся на представителей «земных» профессий. Обычная чувствительность человека при определении просвета между поверхностями двух каких-либо деталей не превышает 0,01 мм, а опытные шлифовальщики различают просвет до 0,0005 мм. Текстильщики, которые занимаются окраской тканей, отличают до ста оттенков черного цвета. Нетренированный испытатель этого не видит. Опытный летчик по звуку работы авиадвигателя свободно определяет скорость вращения вала с точностью до 1—2%, а нетренированный — с точностью не более 8—10%.
Тренированный человек может достигнуть также того, что быстрота реакции при движении его пальцев составляет 0,15 сек, для кисти руки — 0,17 сек, для движения предплечья в локтевом суета ве — 0,20 сек, движение плеча — 0,20 сек. У нетренированного человека быстрота этих реакций значительно ниже.
Участие человека-оператора в управлении кораблем можно представить в виде автоматического звена с присущими ему харак геристиками — запаздыванием, точностью действия и др.
Всякое звено системы управления по принятой технической тер минологии, должно обладать входом и выходом. Входом такого зве на, как человек-оператор, являются органы его чувств (рецепторы), а выходом — исполнительные органы (эффекторы). Как же схематично выглядит деятельность оператора в процессе управления? Возникающие в рецепторах импульсы по нервным путям передаются в центральную нервную систему, там перерабатываются, а затем и воздействуют на исполнительные органы (мускулы рук. ног и т. д.). Деятельность этих последних, в свою очередь, оказывает обратное воздействие на рецепторы. Нервные импульсы имеют электрическую природу и распространяются со скоростью до 100 м/сек вдоль оболочек нервных волокон.
В рецепторах при их раздражении ритмически возникают импульсы, частота которых тем выше, чем сильнее раздражение. Из пяти органов чувств человека (зрение, слух, обоняние, осязание и вкус), по которым поступают сигналы (информация), главную роль, как правило, играет зрение, затем идет слух. С их помощью и образуются те свойства входа у человека-оператора как звена системы управления, которые обеспечивают высокие качества этой системы. А выходные сигналы оператора образуют те усилия, которые соз-
Фиг. 15. Человек-оператор (космонавт)—неотъемлемая часть замкнутого контура управления:
/ — показания приборов. 2 — зрительный образ на «входе» оператора. 3 — неизменные свойства человека-оператора. 4 — адаптивные и оптимизирующие свойства оператора, 5 — сила на «выходе» оператора, 6 — корабль, 7 — динамика корабля.
даются его мускулами. Человека-оператора можно рассматривать как звено с обратной связью. Со стороны входа он является одно-канальной системой, так как способен сосредоточить свое внимание или на сигналах, поступающих на вход, или на сигналах, поступающих по обратной связи.
Человек-оператор реагирует на поступивший сигнал лишь после того, как получил сигнал реакции по обратной связи на предыдущий сигнал. Причем, он постоянно запаздывает в реакции на воспринимаемые им сигналы — в пределах 0,18—0,24 сек. Кроме того, человек-оператор опаздывает и с проверкой своего действия — реакции (около 0,20 сек). В результате получается, что прерывистость (дискретность) приема сигнала составляет у него 0,38—0,44 сек.
Таким образом человек-оператор может действовать в качестве усилителя, интегратора и дифференциатора, но лишь когда входные сигналы лежат в диапазоне частот от 0 до 0,5 гц. При более высоких частотах он уже не способен производить усиление, интегрирование и дифференцирование.
В схеме, показанной на фиг. 15, космонавт является как бы неотъемлемой частью замкнутого контура управления, ведь получив 30 через органы зрения информацию с индикатора о положении корабля он целесообразно управляет газовыми рулями. Выход управления по цепи обратной связи вновь поступает на индикатор. Таким образом, индикатор выдает информацию оператору (космонавту) как о входе, так и о выходе системы.
В одном из экспериментов перед оператором ставилась простая задача: удержать передвигающуюся отметку в центре экрана индикатора, воздействуя на систему управления. Сигнал отклонения отметки на индикаторе был нестационарным, т. е. оператор заранее его предсказать не мог. Если отклонение отметки имеет определенную периодичность, то человек постепенно приспосабливается к этому и вносит упреждение на его изменение.
Характер участия человека-оператора в управлении определяется при помощи опытов на специальной установке. Обычно, в таких установках генератор входных сигналов выдает сигналы, имеющие частоту до 1 гц, т. е. полосу частот, которой обладает человек, если характеризовать его свойствами электрического фильтра. В процессе управления, когда система может имитировать движение космического корабля, динамические характеристики человека-оператора изменяются так, что приближаются к оптимальным (наибольшим).
Все параметры замкнутой системы управления, на которой проводится опыт, известны за исключением характеристик человека-оператора. Поэтому на основе методов теории автоматического регулирования можно определить его динамические характеристики для данного вида управления, т. е. в зависимости от выполняемой им функции. Эксперименты показывают, что если опытный оператор утомляется, то его характеристики приближаются к характеристикам малоопытного оператора.
Когда частота сигнала больше 0,5 гц, то оператор уже не в состоянии следить за ним. Это объясняется тем, что на более высоких частотах реакция человека сопровождается меньшим расходом энергии, чем на низких. Следует отметить также, что реакция оператора на высоких частотах входного сигнала носит более «случайный характер».
Если оператор не тренируется, то он весьма медленно приспосабливается к изменениям процесса управления, в результате ухудшается качество регулирования.
В космонавтике для подготовки человека к полету применяют специальные тренажеры, моделирующие в лабораторных условиях полет космического корабля. Об этих устройствах мы подробно расскажем в следующих главах.
Тренажеры позволяют «подогнать» характеристики человека-оператора к заданным характеристикам для определенных условий космического полета. Кроме того, они дают возможность определить, насколько космонавт способен пользоваться оборудованием, органами управления, приборами, сигнализаторами.Анализ работы человека на космическом корабле показывает, что он там не пассивный наблюдатель, не пассажир, созерцающий окружающую обстановку. У космонавта есть вполне определенные функции, которые автоматические устройства нередко выполняют фзначительно хуже.
Только наиболее полное сочетание человека с автоматическими устройствами в системе «человек — машина» позволит наилучшим образом использовать пилотируемые космические корабли. Ведь их в безграничные просторы вселенной направляет воля, сила и разум человека — для исследования и освоения космического пространства.
И здесь важнейшее значение приобретает новая еще наука -инженерная психология. Она возникла на стыке автоматики, психологии, физиологии, математики, электроники. Инженерная психология изучает взаимодействие и наилучшее сочетание человека-оператора с машиной в системе «человек — машина». Основные ее направления: изучение психофизиологических возможностей оператора и его характеристик как «живого звена» системы управления; обоснование требований к системам управления с участием человека-оператора (разработка систем кодирования информации, используемой оператором для отображения состояния машин и процессов, происходящих в них, наиболее удачное оформление органов управления и рабочих мест операторов); разработка требований к средствам тренировки операторов.
Как видим, без инженерной психологии просто невозможно было бы разрабатывать системы космического корабля и готовить космонавтов к их нелегкой, опасной деятельности в космическом полете. Ведь функции человека и машины — двух подсистем в одной системе «человек — машина» — на космическом корабле тесно переплетаются, значит нельзя правильно построить эту систему без учета психофизиологических данных космонавта и возможностей автоматических устройств.
Следует помнить, что система «человек — машина» имеет дело с некоторым обменом информации. Вот почему вопросы взаимодействия, сочетания человека и машины решаются в разных системах по разному. Там, где главное — ручное управление, машина нужна человеку как помощник, а сам он — основной элемент системы, выбирающий и регулирующий режимы ее работы. В полуавтоматической системе человек несет большую умственную нагрузку и выполняет значительное число логических операций, а машина имеет чисто механические функции. Ну а в автоматических системах человек повышает надежность, осуществляя их техническое обслуживание (обнаружение неисправностей, определение их характера и устранение этих неисправностей). Человек также внимательно следит за сигналами приборов, чтобы быстро принять меры, если система перейдет на режим, не предусмотренный заложенной в нее программой, или же попадет в такие условия, которые не были учтены конструктором.
На космических кораблях, безусловно, есть и в дальнейшем будут применяться как ручное управление, так и системы полуавтоматического и полностью автоматического управления.
Мы уже отмечали, что в автоматических системах человек повышает надежность. А проблема надежности — это проблема номер один в современной технике.
Практически надежность любой управляемой или контролируемой человеком технической системы зависит также от надежности его работы. Имеющиеся в литературе данные говорят о том, что около 70% аварий самолетов в США происходят не из-за отказа оборудования, а за счет «человеческого фактора», т. е. вследствие непредвиденных отклонений в обычном течении процессов управления у летчиков.
Таким образом с проблемой надежности технического оборудования неизбежно тесно связана проблема надежности работы человека-оператора. Это, конечно, разные, но отнюдь не раздельно ре-шаемые проблемы. Разные потому, что механизмы надежности работы человека глубоко специфичны. Вместе с тем, степень надежности работы оператора во многом зависит от правильного «стыкования» его с технической системой (например, воспринимаемость сигналов, показаний приборов и т. п.). Так, процент ошибок при чтении шкал изменяется в зависимости от их вида в пределах от 35 до 0,5. С другой стороны, и надежность работы самой технической системы в известной мере зависит от возможностей использования оператора как дублирующего, резервирующего звена.
Проблемы сочетания человека и машины применительно к космонавтике возникают задолго до отправления в полет — еще при расчете и проектировании корабля и его систем.
При выборе наилучшей конструкции, при расчетах прочности и надежности элементов корабля большую роль играют вычислительные машины. Без них практически невозможно в короткие сроки и с нужной точностью произвести необходимые расчеты.
Важное значение при создании систем управления и навигации корабля имеют специальные моделирующие устройства (стенды). На них испытывают многие варианты, отрабатывают наиболее удачные из них. Например, в конструировании систем регенерации газовой среды в кабине космического корабля большую помощь могут оказать так называемые физиологические «роботы». По заранее разработанной программе они «усваивают» определенное количество кислорода и выделяют требуемое количество углекислого газа, влаги и тепла (фиг. 16).
Не менее важное значение математические вычислительные машины имеют при расчете траекторий космических кораблей. Сложная зависимость данных траекторий от условий в атмосфере, от изменяющихся в процессе полета характеристик ракеты-носителя, влияние небесных тел на движение корабля — все это просто невозможно учесть и рассчитать без помощи машин. 3-1876 33Да и при подготовке корабля к полету, на старте нельзя обойтись без наземных автоматов (фиг. 17). Они проверяют исправность и готовность ракеты-носителя и корабля, даже ремонтируют некоторые элементы систем. Причем проверка и ремонт проводятся прямо-таки молниеносно, во много раз быстрее, чем это может сделать человек.
Что касается подготовки космонавта к профессиональной деятельности по управлению кораблем и его системами, то и здесь
Фиг. 16. Блок-схема кибернетического устройства — «физиологического робота», используемого для испытания систем регенерации газовой среды в космических кораблях.
большое значение имеют автоматы, вычислительные и моделирующие устройства. С их помощью создаются и действуют специальные наземные тренажеры, воссоздающие условия полета в космическом корабле.
На активном участке полета (подъем с Земли и посадка), когда космонавт испытывает большие перегрузки, основную роль играют автоматические системы управления. Это они направляют корабль на нужную траекторию, регулируют в соответствии с заданной программой скорость полета, подают команды на отделение отработавших ступеней ракеты-носителя. 34
На пассивном участке полета (полет по орбите), наряду с устройствами автоматической стабилизации и ориентации, используются и ручные системы управления кораблем. Здесь уже возрастает роль космонавта. При этом особое значение приобретают специальные приборы: по их показаниям космонавт управляет кораблем.
В процессе полета по орбите космонавт может при помощи различных автоматических устройств управлять системами регенерации (восстановления) газовой среды в кабине, воды и пищи.
Система ракета-носитель- к ,> - корабль К1Г
\J
Рабочие блоки (генератора/ стимулирующих с и гнал об)
Переходные 5 пони
Управление стимулирующими сигналами
Пульт управления
г
Программирующее устройство (перфолрнто)
Компаратор и логическая схема]
Селектор измерений
Индикаторы „годен*-,,не годен" визуальное и леча-тающее считывающие успщйстда
Испытуемая система
Ддтоматическое наземное испытательное, контрольное и управляющее устройство- -
Фиг. 17. Наземные автоматы проверяют исправность и готовность ракеты-носителя и корабля к старту. (Одна из опубликованных схем).
Человек и машина в космическом корабле сочетаются и на других этапах полета. К ним можно отнести: радиосвязь, научные наблюдения, выход из корабля, работа по стыковке, причаливанию и сборке частей ракет на орбите, высадка на другие небесные тела и возвращение на Землю.
Круг вопросов, относящихся к проблеме сочетания человека и машины в космонавтике, весьма широк. Их решение поможет лучше выполнить такие важнейшие задачи, как исследование и освоение космического пространства.
КОСМОНАВТА КОНТРОЛИРУЕТ ВРАЧ
Осуществив первые космические полеты вокруг Земли, человек совершил великий шаг. Но это лишь начало освоения Вселенной. Чтобы завоевать околосолнечное пространство, потребуются значительные усилия, ведь нужно будет решить огромное число*весьма сложных научных и технических проблем. Речь идет не только о совершенствовании конструкций летательных аппаратов, об изыскании наилучших видов топлива, о разработке оптимальных методов управления, навигации и связи, ио и о решении большого числа медико-биологических проблем, связанных с обеспечением космонавтам необходимых условий в полете. Среди них важное значение имеют вопросы отбора, подготовки и тренировки будущих космонавтов.
Предварительная подготовка на Земле к сложнейшим условиям космического полета поможет космонавту успешно перенести все трудные испытания. Задача тренировок — выработать у будущих членов экипажей космических кораблей необходимые профессиональные навыки, повысить устойчивость их организма к неблагоприятным условиям космического полета и тем самым облегчить полет, сделать его безопасным.
Однако нельзя точно предвидеть, что ожидает космонавта в полете, невозможно предугадать, какие у него могут возникнуть новые, неизвестные в земных условиях, реакции. Поэтому при космическом полете необходим непрерывный контроль (и он осуществляется!) за основными физиологическими функциями космонавта (дыханием, сердечной деятельностью, температурой тела и т. п.).
Для оценки самочувствия космонавта большое значение имеют его личные сообщения. Но следует помнить, что подобная оценка во всех случаях весьма субъективна. Вот почему такое значение приоб-36
ретает сейчас новая отрасль науки — биотелеметрия. Это наука о передаче физиологических функций на расстояние с использованием методов радиотелеметрии. Она дает возможность дистанционно, на большом расстоянии, определить реакцию живого организма на внешние раздражители.
Известно, что в каждой сложной экспедиции участвует врач. Ученые считают, что и в космических полетах, кроме пилота-инженера, владеющего комплексом технических знаний, будет врач, который сможет оценить влияние полета не только на своего спутника, но и прочувствовать его на самом себе.
Фиг. 18. Чтобы лететь в космос, нужно здоровье, здоровье и еще раз здоровье-
Врач в космических экспедициях необходим и для оказания неотложной медицинской помощи космонавтам и для проведения профилактических работ. Специально подготовленный врач успешно справится со сложными задачами по управлению, контролю и обслуживанию систем регенерации и кондиционирования воздуха, систем питания и водообеспечения.
Пока в космических полетах врачи не принимают участия. Но они незримо «присутствуют» в кабине корабля и контролируют космонавта при помощи биотелеметрии.
В отдельных случаях физиологические функции космонавта регистрируются с помощью автоматических бортовых технических средств с последующей передачей данных на Землю по радио или доставкой их при возвращении космонавта из полета.Физиологические функции космонавта регистрируются также в период его подготовки и тренировки на различных наземных стендах и установках. Это позволяет заранее оценить, как космический полет повлияет на организм человека, и дает возможность принять объективное решение о его пригодности к сложной, трудной профессии космонавта.
Медико-биологические телеизмерения заключаются в врачебном контроле за состоянием основных жизненных функций человека (частота пульса, дыхания, температура тела) и в физиологических исследованиях.
Врачебный контроль дает возможность быстро, оперативно определить отклонения в состоянии здоровья, которые требуют немедленных решений. Цель физиологических исследований — более подробное изучение влияния космического полета на состояние различных органов, сравнение состояния космонавта с предыдущим периодом, составление прогноза на некоторое время вперед.
При этих исследованиях обычно производятся:
— регистрация биотоков сердечной мышцы. Ведь сердце — своего рода электрогенератор, вырабатывающий биотоки. Если на тело человека наложить специальные электроды, отводящие электрические потенциалы, то эти токи можно измерить;
— запись тонов сердца с помощью миниатюрных датчиков-микрофонов, располагаемых на грудной клетке;
— измерение кровяного давления. Делают это, регистрируя пульсовые колебания при различных давлениях, которые создаются пневматической манжетой, размещенной над кровеносным сосудом;
— регистрация биотоков мозга (с помощью накладных электродов);
— регистрация частоты и глубины дыхания по изменению объема грудной клетки или по количеству вдыхаемого и выдыхаемого воздуха;
— запись мышечных биотоков с помощью накладных электродов. Она характеризует степень напряжения мышц. Ведь при их работе, при их сокращении, непременно возникают биотоки, величина которых превышает биотоки, возникающие при работе сердца;
— определение степени двигательной активности человека. Следует отметить, что методы радиотелеметрии незаменимы и
широко используются еще до полета в космос, при исследованиях и тренировках космонавтов на различных стендах и специально оборудованных самолетах. В аппаратуре регистрации и измерения физиологических функций человека используются новейшие достижения современной радиоэлектроники.
Уже сейчас, благодаря применению совершенной и разнообразной техники, удалось получить достаточно точные сведения о состоянии живых организмов на всех участках полета космических кораблей: определить показатели функции сердечно-сосудистой системы и головного мозга, мышечную активность, характер дыхания, температуру тела, артериальное давление крови и т. п.
Биопотенциалы сердца (электрокардиограммы), мозга (электроэнцефалограммы) и мышц (электромиограммы) обычно регистрируются в нескольких отведениях (фиг. 19, а и б). Каждое отведение означает, что биопотенциалы снимаются с двух точек организма. Характер дыхания определяется по степени изменения пери-
Фиг. 19. а) Расположение электродов на теле космонавта для регистрации электрокардиограммы, позволяющей исследовать биотоки сердца по двум взаимно перпендикулярным осям во фронтальной плоскости, а также электрокардиограмма и кинетоградиограмма Г. С. Титова: вверху — сделанные за две минуты до
старта, внизу — во время орбитального полета, б) Г. С. Титов. На снимке видны датчики для регистрации физиологических функций космонавта, в том числе электроэнцефалограммы. Справа — запись биологической активности мозга здорового человека. Хорошо виден основной мозговой ритм—12 колебаний в секунду. Равномерность и правильная форма этого ритма в виде синусоиды позволяют назвать его «мозговым метрономом».
метра грудной клетки или по количеству вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. Измерение артериального давления крови проводится путем регистрации максимального (систолического) и минимального (диастолического) ее давления в сосудах.
Ряд физиологических функций, которые регистрируются при космических полетах, не являются электрическими величинами (например, глубина и частота дыхания, температура тела, кровяное давление и др.). Для их измерения необходимы специальные датчики, преобразующие эти величины в электрические. Здесь создано несколько систем.Камерная или проводная система (фиг. 20). Физиологические функции регистрируются в наземных, лабораторных условиях (на пример, в экранированной камере), где испытуемый находится в неподвижном состоянии. С регистрирующей аппаратурой его связывают провода.
Техника регистрации заключается в том, что электрическое напряжение, снимаемое с датчика, усиливается, а затем приводит в
действие регистратор. Для одновременной регистрации нескольких функций обычно применяют многоканальные телеметрические системы.
Лабораторная радиотелеметрическая система (фиг. 21). Здесь регистрация физиологических функций организма осу-
к а мера]
J
Фиг. 20. Блок-схема одноканальной проводной системы: /-датчик, ^-усилитель низкой частоты, 3 — регистрирующее устройство.
Фиг. 21. Блок-схема лабораторной одноканальной телеметрической системы:
/ — датчик, 2 — усилитель низкой частоты, в — модулятор, 4 — высокочастотный генератор, 5 — высокочастотный приемник, 6 — дешифратор, 7 — усилитель низкой частоты, 8 — регистрирующее устройство.
ществляется в условиях, когда космонавт свободно перемещается. Передающую часть системы обычно помещают непосредственно на
испытуемом. Благодаря новейшим достижениям радиоэлектроники, вес и размеры передающей части очень невелики и поэтому не создают каких-либо неудобств.
Радиотелеметрическая система. Состояние космонавта контролируется на расстояния, когда он находится на подвижном объекте в неподвижном состоянии (например, лри исследованиях на самолете в условиях невесомости или ла космическом корабле) и связан с подвижным объектом проводами. Физиологические показатели регистрируются на Земле.
Комбинированная радиотелеметрическая система (фиг. 22). Ко
Фиг. 22. Блок-схема одноканальной комбинированной радиотелеметрической системы: nv7a^4HK; 2 ~~ Усилитель низкой частоты, 3 - мо-тп^^~ВЪ1СОКОЧаСТОШЫЙ генератор. 5 - ре-7 - дешиАРпятпп 6 ~* высокоч^тотный приемник, дешифратор, 8 - усилитель низкой частоты я — регистрирующее устройство.
смонавт, находящийся в полете, не имеет проводной связи с объектом; он несет передающую часть телеметрической системы на себе. Ее электрические сигналы передаются на Землю специальным при-емо-передатчиком. В будущем такая система регистрации физиологических функций, вероятно, найдет широкое применение на больших космических кораблях, где человек сможет перемещаться свободно.
При биотелеметрических измерениях не исключено, что физиологическая информация может накапливаться непосредственно на борту корабля, а затем передаваться по специальной программе на Землю.
Как видно из приведенных нами блок-схем, неотъемлемая и весьма существенная их часть — датчики. Они бывают самые разные по своему назначению, принципу действия и конструктивному выполнению. Так, мы уже упоминали, что при изучении деятельности сердечно-сосудистой системы, коры головного мозга и мышц биопотенциалы легче всего обнаруживаются электродами, наложенными на определенные места испытуемого. Электроды представляют собой металлические пластины, чаще всего из благородных металлов, имеющие разнообразные формы и покрытия.
Частоту пульса можно регистрировать с помощью пьезоэлектрических, тензометрических, электромагнитных и других датчиков. Их обычно располагают на грудной клетке. Принцип работы таких датчиков состоит в том, что участки тела, пульсирующие при изменении кровонаполнения сосудов, воздействуют на чувствительные элементы. Это вызывает появление определенного сигнала на выходе датчика. Применяются здесь и фотоэлектрические датчики.
Для регистрации дыхания используются индуктивные, емкостные, термоэлектрические и другие датчики. Иногда дыхательные движения (пневмограмма) отмечаются сравнительно просто — при помощи специального угольного датчика (микрофонный порошок), вмонтированного в грудной пояс космонавта. Этот датчик фактически «следит» за изменением периметра грудной клетки.
Температуру тела измеряют с помощью датчиков, чувствительными элементами которых чаще всего бывают термисторы. При регистрации артериального давления крови широкое распространение получил так называемый «косвенный» метод, когда датчик (например, пьезоэлектрический) воспринимает колебания (осцилляции) кровеносных сосудов при сдавливании их манжеткой, наполняемой воздухом.
Чтобы определить степень насыщения крови кислородом, применяют фотодатчики. Разнородные по своим характеристикам фотосопротивления по-разному реагируют на изменение степени насыщения крови кислородом, нарушая баланс определенной схемы и вызывая появление электрического напряжения.
Современный уровень развития космической биотелеметрии пока позволяет передавать лишь отдельные данные о состоянии живого организма. А чтобы получить достаточно полную информацию о нем, приходится направлять на Землю одновременно довольно
большое число параметров (фиг. 23). Ведь если мы получим сигналы только о частоте пульса и дыхания, то сможем судить лишь о наличии жизни. Этого явно недостаточно хотя бы потому, что у людей эмоциональные реакции, особенно в условиях космического полета, могут привести к таким изменениям частоты пульса и дыхания, которые похожи на симптомы сердечной недостаточности или
тяжелейшей болезни — коронаросклероза.
Сейчас уже делаются первые шаги, чтобы передавать не отдельные параметры, а данные, характеризующие общее состояние организма.
Как известно, у Г. С. Титова наблюдались некоторые отрицательные реакции организма в условиях невесомости. В связи с этим ученые решили регистрировать у космонавтов при подготовке и проведении группового полета А. Николаева и П. Поповича еще ряд физиологических функций. Так была обеспечена регистрация электроокулотраммы (фиг. 24), характеризующей работу мышц глазного яблока. Считается, что его быстрые ритмичные движения в какую-либо сторону связаны с началом возникновения «морской» болезни, бапись биотоков мышц глазного яблока позволяет определить количество и скорость движения глаз, а также развиваемые мышечные усилия. Для регистрации этих биотоков используются миниатюрные серебряные электроды, расположенные справа и слева у наружных углов глаз.
В условиях космического полета и при тренировках на Земле
ученым потребовалось контролировать эмоциональное состояние космонавта. Для этого применяется датчик, позволяющий получать сведения об изменении сопротивления кожи. Уровень сопротивле-
ние 23. Система крепления электродов и датчиков, применявшихся в космических по^
1 ' 1 1 1 ! | I г I г I ,
Фиг. 24чОбразец окулограммы, записанной по телеметрии (внизу шкала времени в сек).
42 ния кожи можно регистрировать, например, на подошвах ног с помощью сухих электродов. Установлено, что величина сопротивления кожи постоянному току увеличивается при дремоте, во время сна, при пониженной двигательной активности. При глубоком утомлении в результате длительного бодрствования это сопротивление постепенно увеличивается, а при возбужденном состоянии — понижается. Страх, гнев, интерес к окружающему ведет к снижению величины сопротивления кожи.
У людей ослабленных или находящихся в условиях длительной изоляции, когда на них не действует большое число внешних раздражителей, наблюдаются такие же изменения сопротивления кожи, как и у людей в состоянии сонливости или начального периода сна.
Широкое применение радиотелеметрии при космических полетах заставляет уделять серьезное внимание вопросу, как согласовать объем передаваемой информации с емкостью каналов для передачи сигналов. Дело в том, что для передачи одних параметров (например, мышечных биотоков) требуется весьма широкая полоса частот, для других (например, данных о давлении в кабине) — узкая. А общая емкость радиоканала пропорциональна ширине полосы и частот и мощности передатчика.
При увеличении дальности космических полетов емкость радиотелеметрических каналов, конечно, уменьшится. Ведь чтобы сохранить необходимую мощность радиопередатчика, потребуется сузить полосу передаваемых частот. А дальнейшее углубление исследований безусловно приведет к значительному увеличению количества регистрируемых параметров.
Вот почему сейчас перед учеными остро стоит проблема разработки действенных методов кодирования информации. Решение проблемы позволит повысить содержание информации в сигнале и использовать каналы малой емкости. В частности, предполагается, что можно создать такие системы врачебного контроля за состоянием космонавта, которые дадут информацию лишь в двоичном коде — «хорошо» и «плохо». Это должны будут делать специальные быстродействующие математические вычислительные машины. Они проведут первичный анализ, на основании которого можно определить состояние здоровья или выявить болезнь.
Такие машины должны тщательно отрабатываться и проверяться сначала при наземных тренировках космонавта и только затем направляться в полет в качестве стандартного бортового оборудования космического корабля.
Вся тренировка космонавтов на различных установках и тренажерах, имитирующих или моделирующих условия космического полета, сопровождается регистрацией различных физиологических функций. И только их тщательный анализ позволяет ученым делать вывод, что тот или иной человек пригоден для полета в космос.
Для первого наступления на космос наиболее подходящие люди были найдены в военной авиации. Почему выбор пал на них? Ведьхорошо закаленные люди имеются повсюду. Выносливостью, фи зической закалкой и моральной устойчивостью отличаются и моря ки-подводники, и водолазы, и танкисты, и пограничники, и шахте ры, и металлурги.
И все же, чтобы стать космонавтом, еще недостаточно тех ка честв, которые вырабатывают в человеке эти профессии. Нужны не только выносливость и стойкость. Космонавт должен уметь управлять кораблем и пользоваться сложнейшей техникой, понимать полет и вести в нем наблюдения, очень быстро находить и немедленно осуществлять правильные решения. Особенно важно все это для первых полетов, когда в космическом корабле отправляется в трудный путь лишь один человек.
Кто более всего подходит для этого? Конечно же, летчик. Он приучен к точной работе в условиях острой нехватки (дефицита) времени, у него быстрая реакция на все происходящее. Скорости современных самолетов вырабатывают у него постоянную готовность к действию. А эти качества особенно необходимы космонавту. Однако, как следует из сказанного, не всякий летчик обладает всем тем, что потребуется от человека в первых космических полетах. Более всего «сродни» такие качества летчику-истребителю. Он привык действовать в самолете один, самостоятельно, наблюдать и оценивать в стремительном полете быстро меняющуюся обстановку, действовать без промедления.
На своем корабле он — разносторонний специалист: пилот, штурман, связист, механик. И все это очень понадобится космонавту— там, в космическом полете, ему тоже придется одному вести наблюдения и записи, следить за приборами, производить замеры, поддерживать связь с Землей, проводить киносъемку, делать навигационные расчеты, управлять кораблем и его многочисленными системами. Дисциплина, внутренняя собранность, воля к победе, смелость, свойственные летчику-истребителю, — все это в полете превратится в его «вторые крылья».
Конечно, в дальнейшем в число космонавтов, кроме летчиков, будут включены и научные работники — инженеры, астрономы, геофизики, врачи, геологи и др.
Но что же встретит человек в космосе, как он должен подготовиться на Земле к тому, чтобы успешно перенести все сложные условия полета? Здесь и перегрузки, шум, вибрация — на активном участке полета ракеты, и длительная невесомость в орбитальном полете, и необычная «космическая» тишина, неподвижность и одиночество при пребывании в кабине малого объема, и специфичность решаемых задач в полете при выходе из корабля и высадке на планеты, и т. п.
Только упорный труд, терпение, выдержка, регулярные, целенаправленные и тщательные тренировки на различных тренажерах, стендах, установках, специальные полеты на самолетах, прыжки с парашютом и многое, многое другое дают возможность значи-44
?
тельно повысить общую выносливость, закалить организм космонавта и подготовить его к профессиональной деятельности.
Не очень давно в американской печати появилось сообщение о том, что организм человека можно «приспособить» для путешествий в космос при помощи химических и электронных средств. Для космических полетов, говорится в сообщении, необходимо изменить организм человека, превратив его в своеобразного робота — Сай-борга. Человек приспособлен к комфортабельной жизни на Земле. А Сайборга можно при помощи научных средств подготовить к существованию в космосе. У него не будет возникать проблемы восстановления кислорода в кабине, поскольку ему не нужно будет дышать. Его «легкие», питаемые солнечными батареями и присоединенные к артериям, будут удалять углекислоту из крови и заменять ее кислородом.
К организму человека, вероятно, пишется далее в сообщении, надо присоединить специальный осмотический насос, чтобы вызвать состояние, близкое к зимней спячке (состояние анабиоза) и дать ему возможность пережить таким образом длинное и утомительное космическое путешествие.
Но зачем нужно направлять такого «сонного» человека в космос? Какую пользу он принесет науке?
В нашей стране подготовка космонавтов опирается не на плоды фантазий, а на серьезные научные основы. Мы придерживаемся принципа: постараться заранее, на Земле, приучить человека к различным факторам космического полета, сделать его более устойчивым к этим факторам. Правда, и в США далеко не все ученые занимаются бесплодными фантазиями. Об этом говорят полеты американских космонавтов, показавших хорошую подготовку.
Всем известно, что перед тем как совершить первый самостоятельный полет на самолете, летчик проходит специальный курс обучения и тренировок. Заканчивается этот курс обычно зачетным полетом с инструктором на учебно-тренировочном самолете, представляющем собой двухместный вариант того самолета, на котором планируется самостоятельный полет летчика.
Ну а как же надо было поступать нашим летчикам-космонавтам? Ведь до них полеты в космос никогда не проводились. Каким же образом ученым удалось, не имея учебно-тренировочного корабля-спутника, «принять» зачет от первых космонавтов и выпустить их в космический полет?
На помощь здесь приходят различные тренажеры, которые позволяют, не отрываясь от Земли, провести «полет» в космос. Космонавт летает... на Земле!
Появление таких тренажеров стало возможным благодаря успехам нашей науки и техники, в частности, кибернетики, автоматики и вычислительной техники.
Естественно, прежде всего будущий космонавт должен быть абсолютно здоров. Это главное, но не единственное условие. Систематические тренировки, закаливание, занятия физической культу-
45рой и спортом делают людей еще более здоровыми, сильными, вы носливыми. Физической тренировке врачи придают большое зна чение.
Однако, как показала практика, не все виды спорта одинаковс полезны для будущих космонавтов. По-видимому, наилучшие ре зультаты могут дать спортивные игры — футбол, хоккей, баскетбол Например, ученые заметили, что именно у лиц, занимающихся спортивными играми, прекрасно тренируются дыхание, сердечнососудистая система, совершенствуются функции аппарата равновесия. А это очень важно для подготовки человека к состоянию невесомости и различным изменениям траектории полета корабля в космосе.
Как ни странно, но занятия боксом скорее вредны для будущего пилота. Наблюдения показали, что у курсантов авиационных училищ, начавших заниматься боксом, появляются на первых порах обучения серьезные недостатки в управлении самолетом из-за излишней резкости движений. Дело в том, что во время занятий боксом спортсмен, хотя и должен реагировать быстро, само движение всегда совершает в полную силу. И, конечно, если пилот будет дергать рычаги управления тоже на «всю мощь», то из этого ничего хорошего не получится. В спортивных же играх, особенно в коллективных, воспитывается точное взаимодействие с партнером, развивается чувство соразмерности движений.
Итак, наиболее полезно заниматься спортивными играми, причем вовсе не требуется овладевать высотами мастерства. Главное — тренировка выносливости, быстроты, точности реакций, укрепление костно-мышечного аппарата, сердечно-сосудистой и дыхательной системы. И еще одно существенное качество вырабатывается в спортивных играх: когда спортсмен чувствует, что падает, что ему трудно устоять, он падает правильно и избегает травмы. Футболисты, хоккеисты, волейболисты умеют правильно падать из самых неожиданных положений и легко переносят резкие толчки и удары. Это качество имеет огромное значение для космонавта: оно очень поможет ему при прыжках с парашютом, при колебаниях корпуса ракеты, при тяжелых перегрузках.
Космонавты должны хорошо владеть своим телом, уметь координировать движения в условиях, когда нет твердой почвы под ногами. Это достигается занятием такими видами спорта, как прыжки в воду, прыжки на лыжах с трамплина, акробатика и, конечно, парашютный спорт. В период подготовки наши замечательные космонавты успешно занимались этими видами спорта.
КОСМОНАВТ ПРИОБРЕТАЕТ ВЕС
Проведены последние приготовления к старту. Ракета вместе с космическим кораблем установлена на космодроме, все их системы проверены и действуют нормально. Космонавт подходит к стартовой площадке, прощается с товарищами, с создателями замечательной техники, входит в лифт и плавно поднимается к отсеку ракетной системы, в котором расположена кабина корабля. Вот он уже в кабине, люк герметически закрывается, последний раз проверяются системы связи, аппаратура управления и контроля... Космонавт докладывает по радио, что все в порядке; он и его корабль готовы к полету.
И наконец —сигнал к полету. Старт!..
Включились двигатели, ракета вздрогнула и, покачиваясь, стала плавно набирать скорость. В это время космонавт должен успешно перенести сильный шум двигателей, вибрации и ускорения.
Вибрация сопутствует космическому полету до тех пор, пока включены двигатели. Каждый, наверное, знает, что это такое. Но с неприятным действием вибрации на организм мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни сравнительно редко. С ней, например, знакомы строители, которым приходится работать с вибрационными инструментами. Ее иногда приходится испытывать в автобусах, в трамваях, когда вдруг что-то начинает дребезжать, и это дребезжание неприятно отдается в теле, от пяток к голове. В космическом полете частота и амплитуда колебаний могут достигать значительных величин.
А ускорение? Его ракета получает в первое же мгновение
взлета.Мы чувствуем на себе влияние ускорений. При увеличении скорости автомобиля нас «вдавливает» в сиденье, при уменьшении — мы «отрываемся» от него. При резких поворотах нас бросает из стороны в сторону. Всякое изменение скорости по величине или направлению приводит к возникновению ускорений, и человек неизбежно подвергается действию механических сил — перегрузке.
Различают четыре вида ускорений:
— линейные ускорения — при изменении скорости прямолинейного движения;
— центростремительные ускорения — при изменении направления движения;
— угловые ускорения — при изменении угловой скорости движения;
— ускорения Кориолиса — при одновременной комбинации вращения и прямолинейного движения.
Линейные ускорения воздействуют на космонавта при разгоне космического корабля на активном участке полета, при входе корабля в плотные слои атмосферы планеты. При катапультировании космонавта из корабля в случае аварии или при подходе к Земле и приземлении космонавта самостоятельно, вне кабины корабля, возникают так называемые ударные ускорения — частный случай уже знакомых нам линейных ускорений.
В будущем линейные ускорения могут сопровождать космонавта и более длительное время. Дело в том, что при полетах к небесным телам, удаленным от Земли на очень большие расстояния, очевидно, будут применяться новые эффективные источники энергии, которые помогут значительно сократить время полета. С этой целью двигатель космического корабля будет, вероятно, работать довольно продолжительное время. Значит корабль полетит с некоторым ускорением. Ведь в соответствии с законами физики даже небольшие ускорения приведут к значительному выигрышу во времени. А человек во время таких межпланетных полетов будет подвергаться длительному воздействию перегрузки.
Линейные ускорения бывают положительными или отрицательными — если скорость нарастает или уменьшается. Величина их зависит от начальной и конечной скорости и пути, пройденного за время изменения скорости.
Особенно сильно на будущих маневренных космических полетах скажутся центростремительные ускорения. Они хорошо известны нашим авиаторам, так как возникают при выполнении фигур высшего пилотажа из-за изменения направления скорости. Величина центростремительного ускорения зависит от скорости полета и радиуса кривой траектории полета корабля.
Угловые ускорения могут возникнуть при некоторых режимах полета, при вхождении корабля в плотные слои атмосферы. Ускорения Кориолиса воздействуют на космонавта при поворотах его тела, когда корабль вращается, двигаясь по орбите.
Выражаются ускорения в метрах на секунду в квадрате. Чаще всего это числа, кратные величине ускорения свободно-падающего тела, т. е. 9,81 м/сек2. Как известно, такое ускорение получают на Земле все тела — от действия силы притяжения к ней.
Все тела обладают массой. Вот почему при возникновении ускорений на них действует сила, направленная в сторону, противоположную движению. Эту силу принято называть перегрузкой. При действии перегрузки вес космонавта возрастает во столько раз, во сколько возникшее ускорение больше ускорения силы тяжести.
Физиологическое влияние перегрузки на организм зависит от ее величины, от времени действия, повторяемости (частоты) действия, направления по отношению к продольной оси тела (следовательно, и от позы космонавта) и от состояния организма. Только взаимодействие всех этих факторов определяет реакцию организма на перегрузку.
Величина переносимой человеком перегрузки и время ее действия обычно находятся (в известных пределах) в обратной зависимости: чем короче время ее действия, тем большую перегрузку может перенести космонавт. Вот почему нельзя указать какую-либо общую, максимально переносимую перегрузку. Ее величина всегда будет зависеть от времени и направления действия. Считается, что без особых расстройств организм человека выдерживает продольные перегрузки до 8 крат продолжительностью в среднем до 3 сек, и до 5 крат продолжительностью 12—15 сек. Мгновенное действие (меньше 0,1 сек) ударных перегрузок, как, например, при катапультировании, человек переносит отлично и выдерживает даже двадцатикратные перегрузки.
Напомним здесь, что величина ускорения, с которой движется космическая ракета, определяет время, через которое она достигнет в полете заданной скорости. Так, если ускорение в три раза превысит земное (земное ускорение обозначается буквой g), то, например, вторая космическая скорость (11,2 км/сек) будет достигнута за 9 мин 31 сек, если в пять раз — за 4 мин 45 сек, в семь раз — за 3 мин 10 сек, в десять раз — за 2 мин 6 сек.
Чтобы ракетный двигатель использовался самым наилучшим образом, время его работы должно быть как можно более коротким. Иначе говоря, для разгона ракеты до требуемой скорости приходится допускать большие ускорения. Поэтому при недостаточной мощности ракеты-носителя космонавт подвергается большим перегрузкам. Например, при баллистических полетах американских космонавтов перегрузки достигали 10—11-кратной величины. В противоположность этому мощные советские ракеты позволяют осуществить сравнительно плавный выход в космос на достаточно длинном отрезке пути, так что наши космонавты не испытывали чрезмерных перегрузок. При входе в атмосферу торможение советского космического корабля происходит также достаточно плавно.
Как же действуют перегрузки на человека?
Первые сведения об их неблагоприятном влиянии были получе-4-1876 49ны из авиации. Вот как красочно, хотя и несколько преувеличенно, описал действие больших перегрузок американский летчик-испытатель Джимми Коллинз.
«Центробежная сила — огромное невидимое чудовище — вдавливала мою голову в плечи и так прижимала меня к сиденью, что мой позвоночник сгибался и я стонал под этой тяжестью. Кровь отлила от головы, в глазах темнело. Сквозь сгущающуюся дымку я смотрел на акселерометр и неясно различал, что прибор показывает пять с половиной. Я освободил ручку, и последнее, что я увидел, была стрелка акселерометра, движущаяся обратно к единице. Я был слеп, как летучая мышь. У меня страшно кружилась голова, я посмотрел по сторонам, на крылья самолета. Я их не видел. Я ничего не видел. Я посмотрел туда, где должна быть земля. Спустя немного она начала показываться, словно из утреннего тумана. Зрение возвращалось ко мне, так как я освободил ручку и уменьшил перегрузки. Вскоре я снова стал хорошо видеть, выровнялся и уже, по-видимому, летел некоторое время горизонтально. Но голова моя горела, а сердце стучало, как пневматический молот... Я снова взобрался на пятнадцать тысяч футов (4500 м) и пошел вниз, нагоняя скорость до трехсот двадцати миль (520 км1час). На этот раз я более резко взял ручку на себя и, прежде чем успел освободить ее, заметил, что перескочил через шесть с половиной и дошел до семи g (семикратная перегрузка — авт.). Я чувствовал, как у меня сдавливаются внутренности, я вновь терял зрение и сознание. Однако мне помогло то, что я резче взял ручку на себя и скорее ее освободил. Потом я снова поднялся и сделал еще два пике. Они буквально расплющили меня...
Я чувствовал себя так, как будто меня избили; мне казалось, что кто-то вынул мои глаза, поиграл ими и снова поставил на место. Я чуть не падал от усталости и чувствовал острую стреляющую боль в груди. Спина у меня болела, и вечером из носа шла кровь... Назавтра... к моему удивлению, я чувствовал себя превосходно и подумал: «Должно быть, пикирующие полеты действуют укрепляюще».
Постепенно увеличивая величину ускорения, Джимми Коллинз смог в течение нескольких дней так натренироваться, что перенес продольную перегрузку в 9,5 g.
Итак, при взлете или торможении космического корабля возникают значительные ускорения, а вследствие этого — сильные инерционные перегрузки. Они могут оказать вредное физиологическое действие на человеческий организм. Увеличение веса выше допустимых пределов приводит, в частности, к нарушению деятельности сердца и мозга. Кровь становится во много раз тяжелее и скапливается в каких-либо областях организма (в зависимости от направления действия ускорения). К мозгу и сердцу она в необходимых количествах уже не поступает. А это сказывается на самочувствии космонавта и при длительном воздействии больших перегрузок приводит к тяжелым последствиям. 50
Действие перегрузок распространяется и на все другие системы, органы, ткани и клетки организма. В частносгл, у космонавта сильно затрудняется дыхание.
При действии перегрузок от головы к ногам перед глазами появляется серая, а затем черная пелена. А когда действие такой перегрузки продолжается, люди теряют сознание.
Разные люди различно реагируют на перегрузки, т. е. каждый человек обладает своей индивидуальной устойчивостью к перегрузкам. Как показали наблюдения ученых, люди обладают низкой устойчивостью к действию перегрузок, направленных от ног к голове, по сравнению с перегрузками, направленными поперек тела человека. Достаточно вспомнить о неблагоприятном состоянии, которое возникает у человека при перемещении его вниз головой. При трех-четырехкратном увеличении веса во время действия перегрузки от ног к голове у человека перед глазами появляется красная пелена, у некоторых может даже случиться кровоизлияние в глаза, а иногда появляется кровотечение из носа.
Еще задолго до космических полетов ученые установили очень важный для космонавтики факт: человек достаточно устойчив к действию поперечных ускорений, т. е. при действии перегрузок в направлении, перпендикулярном длинной оси тела — от спины к груди или от груди к спине. А это значит, что человек в таких случаях без существенного нарушения состояния своего здоровья может кратковременно переносить увеличение веса в 8—10 раз и даже больше. При более длительном действии поперечных ускорений (несколько минут) человек выдерживает перегрузки уже несколько меньшей величины. При этом у некоторых людей появляются затруднения дыхания и острые загрудинные боли.
Вот почему космонавт в корабле (на всех этапах действия на него линейных ускорений) должен располагаться так, чтобы перегрузки действовали на него в направлении, перпендикулярном длинной оси тела. Для повышения его устойчивости к перегрузкам конфигурация кресла в кабине корабля и спинка сиденья соответствуют формам человеческого тела.
Для защиты человека от влияния перегрузок можно использовать специальную противоперегрузочную капсулу. Она устроена таким образом, что центр тяжести ее расположен эксцентрично, как в детской игрушке Ванька-встанька: как ее ни бросай, она всегда занимает одно положение — головой вверх.
В печати приводилось описание такой капсулы в виде шара. С помощью двух полуосей она устанавливается в корабле в поперечном положении. Вместе с размещенным в ней креслом летчика капсула может вращаться на 360° в плоскости, проходящей через продольную ось корабля. Центр тяжести ее находится в плоскости вращения, но смещен относительно полуосей таким образом, что каждый раз, когда меняется направление ускорения, она принимает положение, при котором перпендикуляр, соединяющий ось ее пращения, совпадает с направлением действия ускорения. 4* 51В результате кресло космонавта (вместе с капсулой) автоматически разворачивается таким образом, что ускорение воздействует на человека в наиболее благоприятном направлении — по линии «грудь — спина». И так происходит на всех этапах действия перегрузок при взлете и посадке.
Существуют и другие способы защиты космонавта от действия ускорений. Еще К. Э. Циолковский занимался разработкой средств, защищающих живые организмы при ускорениях. Он проявил здесь глубокое знание биологии и большую наблюдательность. У великого ученого возникла тогда идея: уберечь живой организм от ударов и толчков посредством погружения его в жидкость равной ему плотности. Он писал: «Природа давно пользуется этим приемом, погружая зародыши животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль».
Справедливость этой идеи К. Э. Циолковский доказывал крайне простым, но убедительным экспериментом, который он описал в 1891 году в трудах Московского общества любителей естествознания. В кружку или стакан с водой погружают яйцо. Для увеличения плотности в жидкости растворяют поваренную соль до тех пор, пока яйцо не начинает подниматься со дна к поверхности сосуда. После того как оно приходит в равновесие (т. е. не опускается на дно и не поднимается наверх), можно ударить сосуд о стол с большой силой и яйцо не разобьется. В то же время без воды оно даже при слабом толчке разваливается. Этим экспериментом был обоснован универсальный принцип зашиты живых организмов от действия перегрузок различной физической характеристики.
К. Э. Циолковский полагал, что благодаря гидравлическим защитным системам устойчивость человека к действию ускорения будет поднята так, что он сможет выдерживать десятикратное увеличение своего веса. Это предположение полностью подтвердилось экспериментами. Более того, была даже доказана возможность противостоять действию ускорений, значительно превышающих \0g.
Летом 1958 года в США в одной из лабораторий авиационной медицины проводились такие опыты. На центрифуге (см. ниже) укрепляли бак с водой и погружали в него одетого в легкий водолазный костюм человека. Эксперимент провели с девятью людьми и выяснили, что при полном погружении в воду человек, одетый в легкий водолазный костюм, может переносить длительное воздействие (более 4 мин) радиальных ускорений, достигающих I3g. И это еще не был предел.
В дальнейшем в США проводились опыты, в которых в специально сконструированной капсуле, похожей по своей форме на тело сидящего человека, исследовалось влияние радиальных ускорений в условиях полного погружения тела в воду. Эта капсула, заполненная водой, устанавливалась вместе с испытуемым на центрифуге; причем устройство капсулы позволяло быстро выливать из нее воду, что было необходимо для безопасности обследуемого. 52
Биофизик Грей провел на себе такие эксперименты: перед пуском центрифуги он делал глубокий вдох, после чего отключал подачу кислорода и задерживал дыхание на 30 сек. Так он в течение 20—30 сек переносил в воде ускорения до 31g и при этом испытывал только умеренную боль в области живота.
Значит погружение в жидкость с плотностью, близкой к средней плотности тела человека, повышает его устойчивость к дейст: вию ускорения. Однако эта устойчивость не безгранична, хотя, казалось бы, по закону Архимеда можно полностью уравновесить тело в жидкости, точно рассчитав ее плотность, и тем самым защитить человека от каких угодно ускорений.
К. Э. Циолковский писал: «В жидкости человек теряет вес, как бы последний велик не был. Поэтому в жидкой среде существо может выдержать огромное ускорение. Только неравномерность плотности различных частей его тела (кости, кровь) ограничивает безопасную величину ускорения ракеты и возбуждаемую им тяжесть». В самом деле, позвоночные животные имеют костную ткань относительно высокой плотности и легочную ткань небольшой плотности. При ускорениях более плотные части тела, обладающие высоким удельным весом, будут стремиться сместиться вниз, а более легкие ткани, с небольшим удельным весом, — вверх. В результате между тканями с различным удельным весом возникнет напряжение, величина которого с нарастанием ускорений будет возрастать. И в конечном счете прочность тканей может оказаться недостаточной — возникнут разрывы и другие повреждения.
Таким образом, многочисленные экспериментальные исследования показали справедливость положения К. Э. Циолковского о том, что перегрузки легче переносить, погрузившись в жидкость.
Однако, оценивая перспективу использования жидкостных защитных камер в кабинах космических кораблей, следует учитывать и достаточно серьезные отрицательные стороны этого метода. Погружение в жидкость может затруднить проведение наблюдений и потребует специальных мероприятий, чтобы обеспечить дыхание космонавта в таких условиях. Кроме того, необходимо также учитывать, что действие большой перегрузки при возвращении космической ракеты на Землю, во время торможения ее плотными слоями атмосферы, может сопровождаться и значительным нагреванием кабины. А устойчивость человека к высокой температуре в воде значительно ниже, чем в воздухе.
Следовательно, только всесторонняя оценка взаимного влияния многих факторов в каждом конкретном случае позволит сделать заключение о целесообразности использования жидкостных (эм-мерсионных) камер в космических полетах.
Как видим, воздействие перегрузок при космических полетах весьма существенно. Однако при систематической тренировке способность организма переносить их можно значительно повысить. Это уже давно подтвердил опыт летчиков и спортсменов. Дело в том, что в организме человека имеются особые нервные механизмы,регулирующие кровообращение. Они включаются при нарушении кровообращения, в том числе и при воздействии перегрузок, и перераспределяют кровь в организме. В результате систематических тренировок в центральной нервной системе образуются новые условно-рефлекторные связи. И механизмы, регулирующие кровообращение, при воздействии перегрузок начинают включаться все раньше и раньше. В какой-то момент у тренирующегося расстройство кровообращения будет предупреждаться уже в самом начале перегрузки. А этого и нужно было добиться.
Здесь следует, однако, отметить, что «тренировочный эффект» при воздействии перегрузок проявляется главным образом при действии продольных перегрузок, в направлении «голова — ноги», «ноги — голова».
Когда мы говорим о влиянии перегрузки на организм человека, необходимо помнить, что человек не просто находится в кабине космического корабля. Ведь космонавт — активный участник полета. «Полет — это работа», — сказал первый космонавт Ю. А. Гагарин. Значит, при оценке влияния перегрузки на организм человека в первую очередь следует установить, как изменяется работоспособность.
Известно, что при действии перегрузок в первую очередь отмечается нарушение координации произвольных движений. Были проведены опыты, в которых испытуемые во время действия перегрузок должны быть имитировать покидание самолета. С этой целью они должны были вставать с кресла и передвигаться в определенном направлении. Когда перегрузка, направленная от головы к ногам, не превышала 3g, испытуемые выполняли задание, хотя и с трудом, а при перегрузке в 4g передвижение оказалось уже невозможным.
Как показали работы советских ученых, двигательные акты — рабочие движения руками — при действии ускорений существенно изменяются: время, необходимое для выполнения заданных движений возрастает, а точность движений снижается. Кроме того, под действием перегрузок у человека изменяются мягкие ткани тела (фиг. 25).
Все это приходится учитывать при подготовке полетов в космос. Здесь необходимо очень тщательно продумать режим полета и максимально облегчить космонавту условия для выполнения работы при перегрузках. Советские ученые успешно справились с этой трудной задачей: на всех этапах полета, а значит, и при перегрузках, наши славные космонавты Юрий Гагарин, Герман Титов, Ан-дриян Николаев, Павел Попович, Валерий Быковский и Валентина Терешкова сохраняли достаточный уровень работоспособности.
Как же удалось на Земле так хорошо подготовить космонавтов к действию перегрузок, возникающих в космическом полете?
Перегрузки, возникающие при взлете и посадке космического корабля, воссоздаются на Земле с помощью специальных тренажеров, идея которых была высказана в свое время К. Э. Циолковским. 54