Рис.1. Летчик-космонавт СССР П.Попович в скафандре

Ф. РОМАНОВ

Верхней границей атмосферы, приемлемой для жизни человека, считают высоту 3500 м. На более значительных высотах могли находиться лишь подготовленные, тренированные, здоровые люди. На высотах 16-17 км «резервное время», т.е. время допустимого пребывания человека в разреженной среде, ни превышает 15 секунд. На высоте 19 км, если организм человека не защищен от атмосферы с низким барометрическим давлением, возникают явления «дисбаризма» с закипанием жидкостей в тканях тела. Кроме того, по современным представлениям, начиная уже с 30-40 км, организм может подвергаться неблагоприятному воздействию космических лучей.

Вот почему проблема «высотности» — одна из важных в авиации и космонавтике.

Длительные полеты человека в земном космическом пространстве стали возможными, в частности, благодаря тому, что в кабинах космических кораблей созданы условия нормальной жизнедеятельности для экипажа. Герметическая кабина регенерационного типа полностью или частично изолирует космонавта от окружающей среды, защищает его от факторов воздействия космического пространства: ультрафиолетового, инфракрасного и ионизирующего излучений, крайне низкого барометрического давления и т.д.

Совершая рейсы по орбитам, удаленным от Земли на расстояния в сотни километров, космонавты в кабинах кораблей постоянно находились в условиях, близких к естественным, наземным, привычным для организма. Создать такие условия удалось благодаря системам регенерации газовой среды. На отечественных космических кораблях «Восток» успешно применялся химический метод регенерации воздуха с использованием высокоактивных химических соединений.

Системы регенерации газовой среды в американских капсулах проекта «Меркурий» основаны на применении газообразного баллонного кислорода.

Перед посадкой в космический корабль космонавт надевает индивидуальное спецснаряжение (скафандр). Его предназначение — сохранить жизнь и работоспособность космонавта в случае разгерметизации кабины корабля или падения в ней давления газовой среды. Скафандр изолирует космонавта от атмосферы кабины в случае появления в ней вредных примесей. Он не только защищает пилота космического корабля в полете, но и предохраняет его от переохлаждения после приземления или приводнения на парашюте в условиях низкой температуры, уменьшает возможность получения травм при сносе парашюта в район гористой и лесистой местности, обеспечивает плавучесть при спуске на воду.

Скафандры космических кораблей «Восток» безмасочные (рис. 1). Вентилировались они кабинным воздухом с помощью специального вентилятора. Конструктивно в них предусмотрено автоматическое закрывание шлема и включение аварийной системы вентиляции на тот случай, если вдруг упадет давление газовой среды в кабине.

Скафандры, применяемые американскими космонавтами при полетах по проекту «Меркурий», разработаны на основе высотного костюма МК-4 ВМС США. Они состоят из комбинезона, гермошлема, гермоперчаток, ботинок и нательного белья (рис. 2).

Комбинезон двухслойный. Внутренний, газонепроницаемый слой изготовлен из неопрен-нейлона. Внешний слой, отражающий тепло, — из алюминизированного нейлона. Гермошлем присоединяется к комбинезону с помощью шейного соединительного кольца. Чтобы легче было надевать и снимать костюм, имеются герметически закрывающиеся застежки-«молнии».

Система регулирования скафандра выполняет целый ряд функций: герметизацию костюма, снабжение кислородом, удаление продуктов обмена веществ и поддержание требуемой температуры газовой среды в скафандре.

Кислород через распределительные трубки подводится к конечностям космонавта и может свободно циркулировать вокруг всего тела, облегчая его охлаждение. Он поступает и в шлем, где совершается обмен газов и водяных паров. Смесь газов выходит из скафандра через фильтр. Она очищается от запахов и углекислого газа и вслед за этим охлаждается в теплообменнике.

В космических капсулах проекта «Меркурий» кислород постоянно подается в скафандр из баллонов. В каждом из них содержится его более чем на 28 часов дыхания.

Рис.2. Американский космонавт Джон Гленн в космическом снаряжении.

Температура газовой среды в капсуле регулируется теплообменником такого же типа, как и в системе регулирования скафандра.

Сегодня мы являемся свидетелями полетов по околоземным орбитам космических кораблей, пилотируемых человеком. Но уже сейчас ученые многих стран работают над проблемой обеспечения выхода космонавта из кабины космического корабля во время полета и посадки на Луну или иное небесное тело.

Выход космонавта из кабины корабля сопряжен с решением вопросов его защиты от воздействия окружающей среды и обеспечения нормальных условий жизнедеятельности. Единственно возможное решение этой проблемы — создание герметической капсулы или скафандра с автономной (носимой или перевозимой) системой регенерации и кондиционирования газовой среды.

За рубежом ведутся научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки лунных скафандров. В печати сообщается, например, что за последние 6 лет созданы и испытаны экспериментальные образцы скафандров нескольких типов с автономными системами регенерации и кондиционирования воздуха. Проведены и испытания такого снаряжения.

Журнал «Эр ревю» (Франция) сообщил о конструкции лунного скафандра, изготовленного из нейлона с наружным алюминиевым покрытием, способным отражать 90% лучистого тепла.

Специалисты из Англии лунный скафандр представляют в виде костюма-укрытия. По их мнению, снаряжение должно состоять из цилиндрической алюминиевой капсулы и куполообразного колпака с большим обзорным окном. Костюм будет иметь систему кондиционирования воздуха. Кислород для дыхания предполагается подавать из специального баллона (рис. 3).

Конструктивно капсула выполнена из двух алюминиевых цилиндров, составляющих туловищную часть. Внутри ее вмонтированы радиоаппаратура, система регенерации и кондиционирования газовой среды, механические руки, сиденье для отдыха, запас пищи, хранилище для пищевых отбросов, источник электроэнергии и осветительное устройство. Для удобства работы скафандр может быть установлен на треножник, опущен и наклонен. Автоматы стабилизируют температуру внутри скафандра при колебаниях ее снаружи от — 54° до +93°С. Утечки кислорода составляют не более 100 мл/мин. Один из таких скафандров был испытан с участием человека в течение 6 часов.

В печати публиковались данные и другого космического снаряжения, которое отличается лишь тем, что основные запасы кислорода и воды размещены на специальной самоходной тележке (рис. 4).

Эти примеры не исчерпывают практического размаха всех проводимых работ, но наглядно показывают направленность конкретных опытно-конструктивных разработок. Мнения ученых сходятся на том, что скафандр, рассчитанный на выход космонавта из корабля на поверхность Луны, должен отвечать двум основным требованиям: быть максимально герметичным с минимальнейшими утечками газовой среды и иметь автономную систему регенерации и кондиционирования воздуха с соответствующей автоматикой контроля.

Естественно, что такое снаряжение должно иметь надежную и вместе с тем легкую систему радиационной защиты.

Специалисты утверждают, что легче изготовить лунный скафандр для пользования отдельно днем или ночью, чем универсальный. Объясняют это тем, что ночные радиационные температуры на Луне однообразно низкие, а дневные значительно изменяются в зависимости от рельефа, количества теней, отбрасываемых скалами, и т. п.

Рис. 3. Опытный образец лунного скафандра, разработанного английской фирмой «Рипаблик»

Нет единого мнения по поводу газовой среды в лунном скафандре: следует ли поддерживать там естественную, земную атмосферу или для 6—7-часового пребывания использовать газовую смесь с высоким содержанием кислорода при пониженном общем давлении.

Некоторые ученые считают, что на непродолжительное время (до 10 часов) целесообразно отказаться от инертных газов в газовой смеси и рекомендуют использовать для дыхания чистый кислород. При этом оговариваются, что парциальное давление кислорода должно быть равным 160 мм рт. ст. (неизменный уровень). В то же время некоторые авторы полагают, что если космонавт находится в течение 5—6 часов в состоянии покоя, то можно поддерживать парциальное давление кислорода на уровне 80 мм рт. ст.

Поскольку дыхание чистым кислородом не безразлично для организма человека, мало вероятно, чтобы он был использован для дыхания в космическом скафандре в течение длительного времени. Для предупреждения токсического действия чистого кислорода необходимо использовать в качестве дополнительных компонентов инертные газы: азот, гелий, аргон. Известно, что в состоянии покоя, лежа в кровати, человек потребляет 237 мл, или 0,34 г кислорода в одну минуту при нормальном барометрическом давлении и температуре воздуха; в спокойном состоянии, но стоя, — 328 мл., или 0,47 г кислорода, а при ходьбе по поверхности Земли со скоростью 2 км в час — 780 мл, или 1,114 г.

На поверхности Луны, где сила притяжения составляет 1/6 часть земного, можно предположить, что второй уровень потребления кислорода мог бы удовлетворить потребности космонавта, находящегося в скафандре. По мнению американских ученых, общее количество потребленного кислорода в скафандре на поверхности Луны составит 28 л/час. При этом выделение углекислоты будет 27,0 л/час, а количество выделенной влаги — около 150 г/час. Если рабочий день космонавта на поверхности Луны будет равен приблизительно шести часам, то потребное количество кислорода с учетом утечек, надо полагать, не превысит 3,9 кг.

При создании космического снаряжения особое внимание уделяется очистке воздуха в лунном скафандре от вредных химических веществ, образующихся в процессе жизнедеятельности космонавта.

Наиболее эффективными химическими веществами для очистки воздуха могут быть гидроокись лития и надперекись натрия. Предпочтение отдается последней ввиду того, что наряду с большой поглотительной способностью по углекислоте и влаге это вещество содержит необходимое количество кислорода.

Одна из важнейших медико-технических проблем космонавтики — регулирование атмосферы в космическом скафандре по температуре и влажности. Считается, что для обеспечения комфортных условий в скафандре (капсуле) требуется поддерживать температуру среды — 21±5°С; относительная влажность 50±10% (7—11 г/м³)

Если теплоизолирующая одежда и скафандр столь совершенны, что тепло не теряется и не приобретается, то отвод внутреннего тепла необходим независимо от условий окружающего пространства. На Луне, где отмечаются резкие радиоционные температурные перепады, особенно важно, чтобы система регенерации и кондиционирования воздуха скафандра поддерживала постоянно заданные параметры микроклимата при различном характере работы космонавта.

Рис. 4. Так представляют себе американские специалисты лунный скафандр и самоходную тележку: 1 — антенна; 2 — световой индикатор; 3 — амортизатор; 4 — кислородный шланг; 5 — светильники; 6 — цапфы; 7 — головной шлем.

В условиях лунного дня космонавт будет получать тепло через скафандр от Солнца и отраженных лучей поверхности Луны. Кроме того, он сам будет выделять, вероятно, около 160 ккал/час тепла.

Биллингем дал расчет теплообмена в лунном скафандре для разных отделок его поверхности. Он предполагает, что при интенсивности солнечной радиации на Луне, равной 1200 ккал/час м², тепловой баланс космонавта в скафандре при обращении лицом к освещенной стороне будет составлять 400 ккал/час.

Теплообмен между скафандром и окружающей средой в условиях лунного дня будет проходить по таким направлениям, как прямая и отраженная солнечная радиация (приток тепла), отраженная инфракрасная радиация от поверхности Луны (приток тепла), инфракрасная радиация от скафандра в окружающее пространство (потеря тепла).

Ночью, по расчетам Биллингема, от скафандра будет отводиться 10% (около 40 ккал/час тепла. Этого недостаточно для обеспечение комфортных условий, в связи с чем нужны дополнительные устройства для выведения тепла. Отвод тепла из скафандра может быть осуществлен различными способами. Например, Оберст (США) предложил радиационный теплообменник в виде конуса, который монтируется над шлемом и соединяется с системой кондиционирования скафандра.

Возможно охлаждение газовой среды в скафандрах жидким кислородом. Но этот способ неэкономичен. Наиболее просто и выгодно охлаждение воздуха путем испарения воды. Предполагают использовать в качестве охладителей жидкий кислород и воду. Техническое исполнение такой системы встречает ряд трудностей, но эффективность ее не вызываем сомнений.

Зарубежные специалисты при разработке систем терморегулирования лунных скафандров ориентируются на первый и второй способы. Полагают, что проблема теплорегулирования в лунном скафандре на период пребывания человека в нем до 6 часов разрешима.

Для обеспечения условий нормальной жизнедеятельности космонавта в космическом скафандре (капсуле) предстоит разрешить сложный комплекс как медико-биологических, так и инженерно-технических проблем.