«Знание - сила» 1960 г., №10
Л. ГИЛЬБЕРГ
Рисунки Ф. ЗАВАЛОВА
 Рис. 1. |
Для полета человека в космос надо дать ему возможность безболезненно перенести те большие перегрузки, которые возникнут при старте космического корабля, а также во время его торможения при возвращении на Землю.
Нередко большие нагрузки, испытываемые конструкцией ракеты, и мощные воздействия, которые предстоит испытать космонавтам, связывают с огромными скоростями космических кораблей. Но эта связь лишь косвенная. Непосредственного влияния на ракету и человека движение с равномерной скоростью не оказывает, как бы она ни была велика. Достаточно вспомнить, что все мы вместе с Землей с чудовищной скоростью (108 000 километров в час) несемся вокруг Солнца, но никак не ощущаем этого (радиус орбиты Земли настолько велик, что движение нашей планеты весьма близко к прямолинейному).
Другое дело старт, разгон до высокой скорости или торможение. Именно изменения скорости — ускорения (замедление движения есть не что иное, как отрицательное ускорение) связаны с перегрузками и оказывают значительное влияние на организм человека.
Со скоростью почти 1000 километров в час мчит ТУ-104, но если не смотреть в окно на пестрый ковер земли или белое море облаков под самолетом, то совсем не замечаешь движения. Но вот самолет стал резко сбавлять скорость перед посадкой и сразу же неведомая сила плотно прижала вас к креслу. Впрочем не обязательно летать на самолете, чтобы ощутить воздействие ускорения. Вспомните хотя бы поездку в обыкновенном троллейбусе. Стоит водителю резко затормозить машину перед красным огоньком светофора или неосторожным пешеходом, как пассажиров бросает вперед.
Такое ускорение, когда изменяется скорость прямолинейного движения, называется линейным ускорением. При изменении направления движения возникают центростремительные ускорения — их мы ощущаем, например, при катании на карусели или во время езды на автомобиле по горной дороге с крутыми поворотами.
Как известно, скорость обычно измеряется длиной пути, пройденного за единицу времени, например в метрах за секунду (м/сек). А ускорение — это отношение изменения скорости к промежутку времени, в течение которого оно произошло (м/сек2).
Ускорение удобно выражать в сравнении с ускорением свободно падающего тела — g (от латинского слова gravitas — тяжесть). Ускорение силы тяжести, как его еще называют, испытывают все тела на Земле вследствие ее притяжения. Величина ускорения зависит от географической широты места и высоты над уровнем моря. На экваторе она меньше, на полюсах больше. В условиях земной поверхности g принимают равным 9,81 м/сек2.
 Рис. 2. |
С ростом скоростей в авиации и появлением ракет резко возросли и ускорения, которые воздействуют на летательные аппараты и летчиков при взлете, посадке и изменении направления полета. При развороте самолета, летящего со скоростью 1600 километров в час, и при радиусе разворота около двух километров ускорение достигает 9g! А ведь 1600 километров в час — это скорость, которая сейчас намного превзойдена некоторыми военными и экспериментальными самолетами, и недалеко то время, когда и пассажирские самолеты будут летать с такими скоростями.
Наконец, идет деятельная подготовка к полету на ракетах — а в этих случаях ускорения могут достигать еще больших величин.
Наиболее общее определение перегрузки (хотя и не исчерпывающее) дал Константин Эдуардович Циолковский, назвав ее относительной или кажущейся тяжестью.
Перегрузка показывает напряжение в «системе материальных точек» (термин теоретической механики), на которую действуют внешние поверхностные силы. Так как перегрузка есть отношение равнодействующей этих сил к весу системы, то она как бы показывает, во сколько раз стала тяжелее вся система.
Перегрузка направлена в сторону, противоположную ускорению, и численно обычно совпадает с величиной ускорения.
Влияние перегрузки на организм зависит главным образом от ее величины, времени действия и направления, то есть от положения организма по отношению к действующей силе.
 Рис. 3. |
Значительные перегрузки довольно сильно воздействуют на организм, а при некоторых критических значениях приводят к тяжелым последствиям. Прославленный советский летчик А. И. Покрышкин, вспоминая об одном из воздушных боев, пишет: «Тут со мной произошла досадная неприятность. Слишком резко переломив машину из-за опасности прямого столкновения с зажженным «Мессером», я от большой перегрузки на какое-то мгновение потерял сознание».
При перегрузке тело человека как бы утяжеляется, каждое движение требует больших усилий. Дело в том, что организм человека состоит из разнородных тканей, в нем есть полости, по упругим сосудам пульсирует кровь. Под воздействием ускорения внутренние органы начинают смещаться, кровь приливает к ногам или голове (в зависимости от направления ускорения). При ускорении 14 — 15 g кровь становится как бы тяжелее ртути и сердце с трудом проталкивает ее по сосудам.
Обычно различают четыре направления воздействия перегрузок на человека: голова — таз, таз — голова, грудь — спина и спина — грудь.
Если перегрузка действует в направлении «голова — таз», все наши внутренние органы, которые не закреплены «жестко», стремятся опуститься как можно ниже, насколько позволяет строение организма, кровь тоже устремляется вниз — от головы, сердца и легких к органам брюшной полости и ногам, лицо втягивается, как бы худеет, а объем голени, наоборот, намного увеличивается. Мозг обескровливается. Человек теряет сознание. Действие перегрузки от ног к голове вызывает прилив крови к верхней части тела, кровотечение из носа, кровоизлияние в сосудах глаз. Наиболее безболезненно переносятся перегрузки, действующие поперек человеческого тела, однако и они при большой величине ускорения или значительной длительности воздействия вызывают серьезные нарушения жизнедеятельности организма.
Как показали проведенные за рубежом опыты, при обычном положении в кресле самолета тренированные летчики удовлетворительно переносят в течение одной-двух секунд семи-восьми-кратные перегрузки; до 5 единиц — в течение 15 — 20 секунд. Мгновенные, так называемые ударные перегрузки, которые длятся не более одной десятой доли секунды, переносятся даже, когда они достигают 20 единиц. Человек в этот момент как бы весит 1,5 тонны! А когда перегрузки действуют в направлении «грудь — спина», можно выдержать мгновенное действие ускорений 40g!
Не так уж непрочен человек, как может показаться на первый взгляд!
Речь идет, конечно, о физически всесторонне развитых людях с отличным здоровьем, специально тренированных.
Чтобы изучить воздействие больших перегрузок, моделируют на Земле ускорения, которые могут возникнуть в полете. Для этой цели созданы специальные сооружения и устройства, порой весьма сложные и дорогостоящие. В ряде стран имеются центрифуги для физиологических исследований. Центрифуга (рис. 1) представляет собой стальную ферму, которая приводится во вращение мощным электродвигателем. На конце фермы закреплена сферическая гондола. По команде с пульта управления небольшие электродвигатели могут перемещать гондолу в шарнирах, придавая ей всевозможные положения во время вращения всей центрифуги. За несколько секунд центрифугу можно разогнать до скорости около 300 километров в час (окружная скорость гондолы) и создавать ускорения до 20 — 30 g. Одновременно в гондоле в зависимости от целей исследований могут быть созданы различная температура и разрежение.
Наблюдение за человеком, находящимся в гондоле, во время эксперимента осуществляется с помощью телевизионных установок, кинокамер, скоростных рентгеновских аппаратов.
Еще большие ускорения получают на ракетных салазках (рис. 2). Тележка, приводимая в действие мощными ракетными двигателями, движется на полозьях по рельсовому пути: разгоняется до огромной скорости и затем резко тормозится. Испытания на тележке позволяют весьма близко воспроизводить условия полета. Длина рельсовых путей, созданных в США для таких испытаний, достигает 6 — 10 километров. На одной из таких тележек (без человека) была достигнута скорость в 3500 километров в час, получены ускорения при разгоне до 100 g, а при торможении до 150g!
Быстрое торможение ракетных салазок представляет собой довольно сложную инженерную задачу. Чаще всего применяется гидродинамическая система торможения. В нижней части тележки смонтирован прочный ковш-улавливатель. Между рельсами находится бетонный желоб с водой. На участке, где должно начаться торможение, уровень рельсового пути постепенно понижается, ковш приближается к воде и наконец погружается в нее. Он захватывает воду и выбрасывает ее огромным фонтаном. Интересно, что башмаки, которые скользят по рельсам, крепятся к конструкции жестко, без шарниров, так как скорость настолько велика, что башмак не успевает реагировать на неровности рельсового пути. Сменный вкладыш из нержавеющей стали толщиной около сантиметра при скорости около 2500 километров в час почти полностью истирается за один рейс. При столь больших скоростях башмаки скользят по слою расплавленного металла, играющего роль смазки. Во время стремительного рейса за башмаками вьется трехметровый огненный сноп.
Рис. 4. |  |
С помощью ракетных тележек проводились исследования и над людьми. Например, в Холломене (США) салазки, на которых находился человек, в течение 5 секунд разгонялись до 675 километров в час (ускорение 12 g). Как изменялся облик «пассажира» в это время видно на рис. 3. Затем салазки резко тормозились — ускорение (замедление) достигало 22 g. Во время другого эксперимента, когда на испытателе был авиационный шлем и лицо защищено, салазки в течение 5 секунд разогнали до скорости 1010 километров в час, а ускорение достигло 35 g!
Оказывается, к перегрузкам в определенных пределах можно привыкнуть. Тренировки на специальных центрифугах, горизонтальных и вертикальных катапультах, тренировочное катапультирование с вышек значительно повышают сопротивляемость организма перегрузкам.
Немалую помощь летчикам оказывает специальный противоперегрузочный костюм (ППК). Вспомним, что большинство неприятностей при перегрузках связано с резким отливанием крови от головы и верхней части туловища. Главное назначение ППК — воспрепятствовать этому. ППК представляет собой специального покроя комбинезон, вернее штаны, обычно из капроновой или нейлоновой ткани с резиновыми камерами внутри. При возникновении перегрузки в направлении «голова — таз» в эти камеры автоматически нагнетается воздух, костюм сдавливает голени, бедра и живот, отжимая от них кровь.
 Рис. 5. |
Остроумный автомат регулирует давление в костюме, уменьшая вредное воздействие перегрузки примерно на 3 единицы. Однако такой костюм защищает человека только от перегрузки в направлении «голова — таз». ППК не защищает летчика также при мгновенных перегрузках. Во всех этих случаях лучше располагать человека горизонтально, чтобы изменить направление действия перегрузки. В США предложена, например, противоперегрузочная сбрасываемая кабина, имеющая форму сплюснутого сфероида (см. рис. 4). Она может свободно вращаться вокруг поперечной оси на 360 градусов.
Центр тяжести рассчитан таким образом, что линия, идущая от оси вращения к центру тяжести, всегда будет перпендикулярна прямой, проходящей через голову и сердце летчика. Таким образом, нагрузки всегда будут действовать поперек тела и прижимать летчика к сиденью, поглощающему энергию. Размещение кабины на космическом корабле и направление перегрузок показаны на рисунке.
Будущим космонавтам предстоит столкнуться не только с большими перегрузками, но и с перегрузками, меньшими обычной земной, меньшими единицы. Перегрузки от 1 до 0 воспринимаются как уменьшение веса. При перегрузке, равной 0, тело невесомо. Если космонавт находится на спутнике, невесомость возникает вследствие того, что центробежная сила уравновешивает силу притяжения Земли. При полете на космическом корабле от Земли (например на другие планеты) состояние невесомости наступает вследствие ослабления земного притяжения. При невесомости теряют смысл понятия «верх» и «низ», нельзя определить, стоит человек или лежит, нужно приспособиться ко многим непривычным явлениям. Серьезную проблему представляет собой резкий переход от больших перегрузок к невесомости при старте ракеты и от невесомости к перегрузкам при торможении.
Для исследования за рубежом предпринимаются различные эксперименты. Человек плавает, погруженный в соленую воду с удельным весом, равным удельному весу человеческого тела. На короткие мгновения удается получить состояние невесомости в результате особых маневров скоростных самолетов (рис. 5). И, наконец, замечательный опыт, осуществленный на втором космическом корабле с собаками Белкой и Стрелкой.
Многочисленные эксперименты и исследования показывают, что человек сумеет приспособиться к состоянию невесомости. Кроме того, есть возможность создать эффект искусственной тяжести. В США проводились опыты, при которых будущие космонавты передвигались во время состояния невесомости по железным дорожкам самолета в башмаках с магнитными подошвами, в том числе и вниз головой (низ — относительно кабины самолета). Если вращать космический корабль вдоль продольной оси, также может быть получена искусственная тяжесть благодаря центробежной силе.
Одну за другой разрешают наука и техника сложнейшие задачи, связанные с полетом человека в космос. Лучшее свидетельство этого — запуск второго космического корабля-спутника, приспособленного и для полета человека.