В феврале 1953 года на завод № 918 в подмосковном Томилине поступил необычный заказ - изготовить скафандр и катапультирующуюся тележку для… собачек. Завод был организован в конце 1952 года на базе одного из корпусов Центрального склада Министерства авиационной промышленности и имел опытное конструкторское бюро и научно-исследовательский отдел. Там должны были заниматься разработкой и изготовлением высотных скафандров для пилотов реактивных истребителей и бомбардировщиков. Ныне это предприятие известно во всем мире под названием "НПП Звезда".
В то время ракетостроители под руководством С. П. Королева готовились открыть новую - космическую - страницу в истории человечества. В случае успешных запусков четвероногих можно было реально думать об отправке в космос человека.
Скафандры для хвостатых космонавтов шили из трех слоев прорезиненной ткани в виде мешка с глухими рукавами для передних лапок и съемным шлемом сферической формы из органического стекла. Скафандр шнуровали на спине животного.
В отсеках вертикально взлетающих ракет монтировали по две тележки с "испытателями". В них устанавливали баллоны с кислородом под давлением 150 атмосфер. Со старта включалась подача кислорода, и на высоте 35 км катапультировалась одна тележка, а на высоте 75-90 км - другая. После этого собак спускали на парашютах, подача кислорода продолжалась до высоты 3-4 км, после чего автоматически открывался лючок, связывающий полость скафандра с атмосферой.
В начале 1960-х годов собак выводили на околоземную орбиту в кабине корабля "Восток". Тележки устанавливали на кресле для космонавта и проверяли как реакцию животных на условия космического полета, так и работу катапультного кресла. В полете скафандры вентилировали воздухом из кабины корабля. Так, в августе 1960 года успешно прошли запуск и приземление ставших всемирно знаменитыми дворняжек Белки и Стрелки.
ГАГАРИН МОГ ОТПРАВИТЬСЯ В КОСМОС В УТЕПЛЕННОМ ТРЕНИРОВОЧНОМ КОСТЮМЕ
Первые эксперименты показали, что для полета в космос человека нет непреодолимых преград, и в 1959 году на 918-м заводе началось проектирование скафандра для первых космонавтов. Однако уже в феврале 1960 года работа была приостановлена, поскольку у создателей корабля "Восток" во главе с К. П. Феоктистовым возникли проблемы с избытком массы корабля и необходимостью жестко экономить на оборудовании. Феоктистов вообще считал, что вероятность разгерметизации кабины значительно меньше, чем появление других ситуаций, грозящих катастрофическими последствиями, и поэтому скафандр, по его мнению, был излишеством. Инженеры из ОКБ-1 предлагали обойтись обычным утепленным костюмом, который мог пригодиться лишь при приводнении.
Споры между изготовителями скафандра и разработчиками корабля продолжались до лета 1960 года, и в дело пришлось вмешаться начальнику ОКБ-1 С. П. Королеву. Выслушав все аргументы за и против, он заявил, что готов "отдать" 500 кг, но чтобы скафандр с системой жизнеобеспечения был готов к концу года.
Специалисты "Звезды", имевшие к этому времени опыт создания скафандров для военных летчиков, с заданием справились. Первого в мире космонавта отправили в его славное путешествие в скафандре СК-1. Кстати, уже на старте обнаружилось, что на скафандре отсутствуют яркие опознавательные знаки, и чтобы после приземления Ю. А. Гагарина не приняли за шпиона (всем был памятен инцидент со сбитым в 1960 году американским летчиком Пауэрсом), инженер "Звезды" Виктор Давидьянц вывел красной краской на уже надетом на Гагарина шлеме надпись "СССР".
Скафандр сшили из двух слоев: силового лавсанового и герметичного резинового. Космонавта также одели в теплозащитный костюм. Запомнившийся всем оранжевый чехол к скафандру, собственно, не относился, и его роль сводилась лишь к облегчению поисковых работ, поскольку корабли "Восток" не имели системы мягкой посадки и космонавт после катапультирования из кабины приземлялся на парашюте.
Для поддержания комфортной температуры скафандр продували через шланг воздухом из кабины. При разгерметизации шланг отсекался, автоматически закрывался иллюминатор шлема и включалась подача воздуха, а затем кислорода из баллонов. Многих трудов стоило и решение проблемы, о которой не принято говорить вслух, а именно создание ассенизационных устройств (см. "Наука и жизнь" № 10, 2001 г.).
В скафандрах СК-1 летали все космонавты-мужчины на кораблях "Восток". Для В. В. Терешковой в "Звезде" изготовили скафандр СК-2, покрой которого учитывал особенности женской фигуры: более узкие плечи и широкие бедра.
ДЫШАТЬ И ДВИГАТЬСЯ
Скафандры типа СК были чисто спасательными, то есть не предназначались для проведения работ на орбите за пределами корабля. В 1964 году было решено осуществить запуск корабля "Восход-2", представлявшего собой модифицированный вариант "Востока", с выходом одного из двух членов экипажа в открытый космос. Для этого проекта нужен был принципиально новый скафандр, способный защитить космонавта от неблагоприятных условий открытого космоса, позволить выполнять определенные операции и имеющий автономную, не связанную с кораблем, систему обеспечения жизнедеятельности.
При разработке скафандра типа "Беркут" для внекорабельной деятельности (ВКД) пришлось искать компромисс. С одной стороны, в скафандре должно было поддерживаться достаточно высокое давление, чтобы у человека не возникло высотных декомпрессионных расстройств - аналога кессонной болезни1 . С другой стороны, давление не должно было сковывать движений космонавта. Дело в том, что в вакууме мягкая оболочка скафандра становится гораздо более жесткой. Например, покрышку футбольного мяча можно мять, сгибать, скручивать. Но стоит накачать мяч, и чтобы просто вмять поверхность покрышки, придется приложить большие усилия. В безвоздушном пространстве скафандр, как и мяч, расправляется, рукава расходятся в стороны, пальцы перчаток растопыриваются. Кроме того, под действием давления скафандр "растет": подошвы отходят от ступней, с рук сползают перчатки. В таких условиях даже простая съемка на кинокамеру становится тяжелым трудом. Правда, нет худа без добра. Развитие декомпрессионных расстройств идет более интенсивно при резких движениях, а в раздутом скафандре и плавно-то двигаться нелегко.
Эксперименты показали, что оптимальное давление газовой смеси в скафандре должно составлять порядка 400 гПа (0,4 атм) при возможности кратковременного снижения его до 270 гПа. Чтобы сохранить необходимое парциальное давление кислорода, его процентное содержание в смеси, подававшейся из баллонов в наспинном ранце, сделали выше, чем в атмосферном воздухе2.
Как показали дальнейшие события, предусмотрительность конструкторов была совсем не лишней. При возвращении в шлюзовую камеру А. А. Леонов, видимо от волнения, по ошибке начал продвигаться в нее вперед головой. При штатном давлении ему не удавалось перевернуться, чтобы закрыть наружный люк. Снизив давление в скафандре, он смог это сделать, и все закончилось благополучно.
Поскольку выход в космос планировался на небольшое время, то для экономии места решено было обойтись без регенерационной установки: выдыхаемый воздух через предохранительный клапан уходил прямо в космическое пространство.
Скафандр "Беркут" имел еще ряд новшеств: двойную гермооболочку, экранно-вакуумную термоизоляцию, а шлем был снабжен светофильтром. Экранно-вакуумная изоляция, помещаемая под внешним чехлом, представляла собой несколько слоев металлизированной ткани и работала как сосуды Дьюара. Благодаря этому теплообмена между космонавтом и окружающим пространством практически не было.
ПРОДОЛЖЕНИЕ "ПТИЧЬЕЙ" ТЕМЫ
"Беркуты" стали первыми и последними универсальными скафандрами в истории освоения космоса. В них можно было выполнять работы в открытом космосе, а на участке снижения они становились спасательными. С началом полетов кораблей "Союз" руководство космической отрасли отказалось от применения в кабине спасательных скафандров, полагая, что она вполне надежна и гарантирована от разгерметизации. (К сожалению, впоследствии их заблуждение обошлось слишком дорого.)
Пока же было принято решение создать скафандр для длительного пребывания в открытом космосе, позволяющий переходить из одного корабля в другой.
Новый скафандр получил название "Ястреб". Основные изменения коснулись системы обеспечения жизнедеятельности. Ее снабдили элементами регенерации газовой смеси. Выдыхаемый воздух не выбрасывался наружу, а циркулировал по замкнутому контуру. Специальный патрон с гидрооксидом лития поглощал углекислый газ, в испарителе смесь охлаждалась, и там же конденсировалась излишняя влага, а затем смесь подпитывалась кислородом.
Ранец у "Ястреба" из-за этих дополнительных устройств получился довольно большим. Еще при наземных испытаниях выяснилось, что космонавт с ранцем, расположенным за спиной, с трудом протискивается в выходной люк диаметром 660 мм. Выход из положения нашли неординарный: ранец укрепили спереди на уровне ног космонавта.
В январе 1969 года в скафандрах "Ястреб" космонавты Е. В. Хрунов и А. С. Елисеев после стыковки кораблей "Союз-4" и "Союз-5" через открытый космос перешли в другой спускаемый аппарат.
СКАФАНДР ДЛЯ ПОЗЫ ЭМБРИОНА
Катастрофа, повлекшая в июне 1971 года гибель космонавтов Г. Т. Добровольского, В. Н. Волкова и В. И. Пацаева из-за разгерметизации кабины корабля "Союз-11" на спусковом участке, вновь заставила специалистов заняться спасательными скафандрами. Новые костюмы принципиально отличались от первых СК. На стартовом и спусковом участках космонавты в кораблях "Союз" располагались не в креслах, а на специальных ложементах, индивидуально отливаемых по фигуре для каждого члена экипажа. Поэтому шлем скафандра в задней части был мягким, чтобы голова и шея плотно прижимались к ложементу.
Необходимо было учитывать и еще одно условие. Оказалось, что человек лучше переносит перегрузки, находясь не в полулежачем положении, как на первых кораблях, а сгруппировавшись. Поскольку скафандр рассчитывали использовать только при взлете и посадке, то его кроили так, чтобы он наиболее комфортно облегал тело в так называемой позе эмбриона. Благодаря упрощенной системе обеспечения жизнедеятельности масса скафандров составляла всего 9-10 кг.
Скафандры семейства "Сокол", первые образцы которых появились в 1973 году, используют ся космонавтами до сегодняшнего дня.
ЛУННЫЕ КИРАСИРЫ
Еще в самом начале 1960-х годов перед разработчиками космической техники руководство страны поставило задачу готовить пилотируемый полет на Луну. Для лунной экспедиции, разумеется, нужны были особые скафандры. Специалисты предлагали два варианта: уже достаточно отработанный мягкий скафандр с надеваемым на спину ранцем и скафандр полужесткой конструкции, в которой корпус и ранец с системой жизнеобеспечения составляют одно целое. Оба варианта имели достоинства, но после скрупулезного анализа и тщательных сравнений на "Звезде" решили остановиться на полужесткой схеме.
Такой скафандр состоит из жесткого корпуса, или кирасы (в первых разработках кирасу изготавливали из стекловолокна, но позже стали применять более технологичный алюминиевый сплав АМГ-3), и мягких рукавов и штанин. К задней части кирасы на петлях крепился ранец с оборудованием - баллонами с кислородом, патроном для поглощения углекислоты, теплообменником, вентиляторами и еще многим другим оборудованием.
Космонавт не надевал скафандр, а влезал в него сзади, с помощью рычага с кулачком прижимал ранец к кирасе и закрывал шесть замков. Все это происходило гораздо быстрее, чем при использовании мягкого скафандра. Достоинством полужесткой конструкции было и то, что все шланги системы жизнеобеспечения проходили внутри скафандра и не было необходимости делать на корпусе дополнительные вакуум-плотные вводы.
Испытания прошли несколько модификаций скафандра, и наконец удалось найти оптимальный способ крепления рукавов и штанин к кирасе. Он обеспечивал хорошую подвижность и регулировку длины конечностей, так что одним скафандром могли пользоваться космонавты ростом от 168 до 182 см.
Чтобы легче было поднимать и опускать руки в плечевом соединении, установили гермоподшипник (такой же, как в запястье у более ранних скафандров). Благодаря этому новшеству удалось отказаться от режима пониженного давления, и в скафандре оно постоянно поддерживалось на уровне 400 гПа. Регулировку под рост осуществляли силовыми лентами: двумя - по бокам штанин и одной, центральной, - через пах. Силовые ленты ставили и на рукавах, предотвращая "вырастание" скафандра, о котором упоминалось выше.
К 1969 году скафандр "Кречет", предназначенный для выхода на поверхность Луны, прошел полный цикл испытаний, но американцы нас опередили, и вскоре советская лунная программа была свернута.
ДЛЯ ПОСТОЯННОГО ПОЛЬЗОВАНИЯ
Основные принципы, заложенные в конструкцию лунного скафандра, нашли воплощение в семействе скафандров "Орлан" орбитального базирования. Эти устройства предполагалось постоянно держать на долговременной орбитальной станции и использовать для научных и ремонтных работ в открытом космосе.
Ими могли пользоваться космонавты, находившиеся в данный момент на борту, чтобы не было нужды каждый раз брать с собой в космос персональный скафандр.
Кстати, для "Кречетов" и "Орланов" инженеры разработали особую систему отвода тепла. На земле теплообмен между телом человека и окружающей средой в основном происходит за счет испарения пота, конвекции и излучения. Мягкие скафандры вентилировали газовой смесью, которая использовалась также для дыхания. В земных условиях практически отсутствует кондуктивная составляющая теплообмена. Мы ею пользуемся, разве что грея руки, прижимая их к горячей печке. И именно эту составляющую задействовали конструкторы для полужесткого скафандра.
Перед работой космонавт надевал на тело облегающий костюм, пронизанный сетью тонких пластиковых трубочек. Этот своеобразный радиатор соединялся с теплообменником скафандра в замкнутую систему, по которой циркулировала вода. Она обладает высокой теплоемкостью, поэтому ее требуется совсем немного, чтобы снять большое количество теплоты. Соответственно и насос может иметь незначительную мощность. Такой "кондиционер" отводит до 500 ккал/ч, то есть жара не мучает космонавта даже при тяжелой физической нагрузке.
Космонавт сам регулирует температуру и подачу охлаждающей воды по своим субъективным ощущениям. Если он занят и не может отвлекаться, то подачу воды регулируют автоматы. С помощью приборов по разнице температур на входе и выходе определяется количество удаленной теплоты, а по содержанию углекислоты в выдыхаемом воздухе - затраченная работа. Если эти величины не совпадают, то насос начинает работать соответственно быстрее или медленнее.
Первый выход в космос в полужестком скафандре осуществили на станции "Салют-6" космонавты Г. И. Гречко и Ю. В. Романенко в 1977 году. С тех пор скафандры орбитального базирования постоянно модифицировались. Часть изменений в конструкциях появилась по замечаниям самих космонавтов. Но главную роль играло совершенствование земной и космической техники. Первые "Орланы" были связаны со станцией кабелем из силовых и сигнальных проводов, который, естественно, не способствовал свободе движений и позволял работать лишь неподалеку от шлюзовой камеры. Появление малогабаритных источников тока высокой емкости и мобильных средств связи позволило космонавтам обходиться лишь страховочными фалами.
В настоящее время создана модель скафандра со встроенным компьютером, и теперь космонавт непрерывно получает информацию о состоянии систем скафандра, о возникновении нештатных ситуаций и рекомендации по их устранению. Безопасность работающих в открытом космосе людей стала еще выше благодаря применению устройства под названием "Сейфер" (спасатель), с помощью которого космонавт может вернуться на станцию даже при обрыве фалов.
С 1977 года на орбите использовались 28 скафандров "Орлан". Члены сорока двух экипажей совершили в них 226 выходов в космос и проработали там более 1000 часов.
СКАФАНДР - МОЯ КРЕПОСТЬ
За 45 лет "мода" на космическую одежду неоднократно менялась. Скафандр, в котором Гагарин совершил первый в мире виток вокруг Земли, должен был спасти ему жизнь в случае аварии и помочь продержаться до появления спасателей. Скафандры последних поколений - это уже нечто среднее между костюмом и домом. В такой оболочке космонавт может свыше десяти часов находиться в открытом космосе. Теперь внутри скафандра есть даже запас питьевой воды, чтобы во время работы вне станции у человека была возможность утолить жажду, не возвращаясь на борт.
Редакция выражает благодарность Б. А. Иванову и профессору А. С. Бареру за помощь в подготовке статьи.
Комментарии к статье
1 Подобные состояния возникают при резком понижении внешнего давления, из-за чего растворенный в крови азот выделяется в виде пузырьков и закупоривает сосуды.
2 Кстати, примерно по такому пути пошли американцы, создавая пониженное давление в кабинах космических кораблей за счет насыщения атмосферы кислородом.
См. в номере на ту же тему
Академик О. ГАЗЕНКО - Космонавт должен оставаться человеком земли.
Кандидат физико-математических наук В. СУРДИН - Нужно ли человеку лететь на марс?
Доктор физико-математических наук А. ЗАЙЦЕВ - Межзвездные радиопослания.
