Скафандр: история и перспективы
Древние люди, надев звериные шкуры, заложили основы экспансии вида homo sapiens. Вместо того, чтобы тратить миллионы лет на эволюционные изменения организма, человек начал использовать снаряжение для выживания в неблагоприятной обстановке. Подход оказался успешным — люди смогли погрузиться под воду, подняться в воздух, а в 20 веке — отправиться в космос. И сейчас скафандр — наверное, самая продвинутая «одежда» для самых неблагоприятных условий, уже успевшая пройти достаточно длинный путь.
От фантазии к реальности
Логично, что первый скафандр появился в научной фантастике, за 63 года до полета человека в космос. В 1898 году астроном, популяризатор и писатель Гаррет Сервис написал по заказу New York Journal продолжение «Войны миров» Уэллса — «Эдисоновское завоевание Марса». По сюжету земляне строят космические корабли и наносят ответный удар агрессивным марсианам. А для обслуживания земных кораблей в космосе потребовался «герметичный костюм».
Иллюстрация из книги «Эдисоновское завоевание Марса»
К сожалению, Гаррет в описании скафандра совершил сразу несколько очень распространенных ошибок — конструкция базировалась на мягких водолазных костюмах и не учитывала реальную физику вакуума.
Придуманный в 1929 году персонаж Бак Роджерс тоже носил костюм, отдаленно напоминающий водолазный. Забавно, что концепция полностью прозрачного шлема использовалась потом в скафандрах программы Apollo — у герметичного (внутреннего) шлема был только небольшой слой ткани на затылке.
Слева современная реплика оригинальной фигурки Бака Роджерса, справа скафандр программы Apollo
Бронелифчики придумали не вчера. Еще в 30-х годах прошлого века журналы фантастического чтива рисовали почти обнаженных женщин, летающих по вакууму, невзирая на полное отсутствие реализма.
В 1936 году на советские экраны вышел фильм «Космический рейс», консультантом которого был сам Циолковский. Но и тут в скафандрах для прогулок по Луне легко угадываются потомки водолазных костюмов.
Кадр из фильма «Космический рейс»
И первое реалистичное описание скафандра в фантастике сделал, похоже, Роберт Хайнлайн. В «Имею скафандр, готов путешествовать» он описал скафандр с не раздувающимися в вакууме шарнирами, правдоподобными системами жизнеобеспечения и терморегуляции. Но Хайнлайн работал авиационным инженером и занимался как раз высотными костюмами, так что в каком-то смысле реальность обогнала фантастику.
Под водой и в воздухе
Исторически скафандры выросли из последовательности «водолазные костюмы» → «авиационные высотные костюмы» → «космические скафандры».
Работать под водой человечество научилось еще в начале 19 века. Сравнительно простые технологии — пропитанная каучуком ткань и воздушный насос на поверхности позволили создать полноценный костюм для длительного и эффективного пребывания под водой. Развиваясь, водолазные костюмы даже разделились на жесткие и мягкие, как и скафандры, но это ложная аналогия. Дело в том, что с увеличением глубины растет давление, жесткий водолазный костюм от него защищает, а мягкий — нет. Космические же скафандры работают в условиях внешнего вакуума, и их похожее разделение обусловлено совсем другими причинами.
Активно развивающаяся в 30-х годах авиация штурмовала все новые рубежи. Росли скорость, дальность и высота полета. И оказалось, что без дополнительного снаряжения проблемы для пилотов начинаются уже примерно с 4,5 км высоты — падение атмосферного давления и уменьшение парциального (отдельно взятого) давления кислорода приводят к гипоксии и потере возможности управлять аппаратом. Кислородные маски позволили подняться повыше, но расчеты показали, что с 15 км давление выделяемого легкими углекислого газа превысит давление окружающей среды и сделает дыхание невозможным, а выше 19 км в организме начнут кипеть все биологические жидкости. Возникла необходимость в костюмах, не просто подающих пригодный для дыхания воздух, а обеспечивающих давление, при котором организм может жить и функционировать. Очевидной была идея использовать наработки водолазных костюмов, поэтому на фотографиях 30-х годов высотные костюмы имеют такие же жесткие шлем и манишку.
Высотный костюм Уайли Поста в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики
Пионер авиации Уайли Пост в 1935 году сумел подняться до примерно 15 км в разработанном при участии Рассела Колли из Goodrich Company скафандре.
Но инженеров ждал новый сюрприз. Водолазный костюм работает в условиях, когда наружное давление растет с увеличением глубины. А на высоте оно уменьшается, и костюмы стало раздувать. Пришлось придумывать специальные шарниры постоянного объема, чтобы было можно просто согнуть руку. Первыми это сделали в СССР, где инженерная группа под руководством Е.Е. Чертовского занималась разработкой высотных костюмов с 1931 года. Две версии оказались слишком недоработаны, чтобы испытываться в реальных условиях, а вот третью, Ч-3, проверили на бомбардировщике ТБ-3, поднявшись в 1937 году на 7–10 км. Работы велись до 1940 года, и в новых модификациях постепенно решались обнаруженные проблемы — в Ч-5 (1938) стало можно полноценно работать в перчатках.
Скафандр Ч-6 (1939)
Параллельно, с 1937 года, работы по созданию скафандров велись в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). Скафандр СК-4 испытали в полете в 1938, по результатам разработали новые версии, а в СК-7 (1940) сумели устранить запотевание лобового стекла. Проводились даже экспериментальные высотные прыжки в скафандре с парашютом.
Инженер-испытатель Я.М. Солодовник в скафандре СК-5
Скорее всего, именно к этому периоду относится расширение значения слова «скафандр». Образованное из греческих корней и буквально переводящееся как «человек-лодка», оно в начале века относилось к водолазным костюмам. Их называют «скафандрами» и сегодня, но слово без уточнения сейчас означает скорее космическую технику.
Начавшаяся Вторая мировая война не остановила разработку скафандров совсем, но больших успехов ни одна страна не добилась.
Рожденные необходимостью
Реактивные самолеты, появившиеся в конце Второй мировой войны, стали очень бурно развиваться в послевоенное время. Машины летали все выше, и обнаружилась неприятная проблема — кабину самолета можно было сделать герметичной и поддерживать в ней избыточное давление, но в случае внезапной разгерметизации пилот не имел никаких шансов выжить. Пришлось разрабатывать высотные костюмы. По обе стороны океана инженерную задачу решили просто — тело пилота сдавливали надувными мешками, а во втором типе костюмов вдоль конечностей пустили трубки, соединенные лентами, идущими «восьмеркой». В случае разгерметизации в трубки подавался воздух, они расширялись, и ленты стягивали тело пилота. А на голове был герметичный шлем, в который подавался кислород под давлением.
Надутый высотно-компенсирующий костюм в барокамере. Давление соответствует высоте 19 км, и вода кипит при комнатной температуре
Идея оказалась рабочей, но оправдывала себя только в аварийных условиях — ощущения неприятные, нельзя обжать все тело, и сохраняется риск внезапной потери сознания из-за падения кровяного давления. Частичное решение было найдено в совмещении трубок и надувных мешков, которые дополнительно сжимали туловище, и, например, в США костюм MC-3 использовался в авиации достаточно долго и успешно, а с минимальными изменениями применялся для экспериментальных высотных полетов на стратостатах и прыжков с них. В таких костюмах испытатели в барокамерах могли работать в условиях почти полного вакуума, но не для всех задач этого хватало: когда появились еще более быстрые и высотные самолеты (ракетоплан X-15 или SR-71), снаряжению летчика потребовалось защищать также от экстремальных температур и напора воздуха при катапультировании на большой скорости, с чем высотно-компенсирующие костюмы справлялись уже хуже. Поэтому и инженеры и пилоты, которые могли спорить о том, высотно-компенсирующий костюм или скафандр лучше подходят для военной авиации (как показала история, применялись оба варианта), выступали за скафандры для ракетных самолетов и космоса.
В СССР после войны скафандрами занимался Летно-исследовательский институт им. Громова, создавший скафандры ВСС-01,02,03,04, а в 1952 году на базе производственного предприятия №1 Центрального склада министерства авиационной промышленности для работ над катапультируемыми креслами, системами дозаправки в воздухе и скафандрами был организован опытный завод №918, который сейчас носит название НПП «Звезда». Уже в 1953 году были созданы высотные скафандры ВСС-05, ВС-06.
ВСС-04, фото НПП «Звезда»
В 1950-х годах на заводе были разработаны еще несколько моделей, в том числе скафандр «Воркута» (ведущий конструктор А.И. Бойко) для перехватчика Су-9. Он был произведен малой серией для авиации, и, когда в 1959 началась разработка скафандра для космических полетов, именно «Воркута» выступила базовой моделью. Его особенностью были два слоя — силовой и герметичный вместо одного из прорезиненной ткани в предыдущих моделях. Это позволило использовать более подходящие материалы — лавсан для силового слоя, губчатую и листовую резины для герметичного слоя. А в целом на Юрие Алексеевиче Гагарине в первом историческом полете было аж восемь слоев одежды — нательное белье, три слоя теплозащитного костюма, в одном из которых стояла система вентиляции, подкладка скафандра, герметичный слой, силовой слой и верхняя оранжевая оболочка для того, чтобы космонавта было легче заметить после посадки. Еще одной особенностью стала система автоматического захлопывания шлема при разгерметизации.
Скафандр СК-1 в Музее космонавтики
Для кораблей «Восток» также был разработан скафандр СК-2 для женщин-космонавтов, учитывающий особенности женской анатомии.
В США скафандры разрабатывали несколько организаций. Для первого космического корабля «Меркурий» NASA выбрало скафандр Mark IV, который являлся плодом длительной работы ВМФ США. Его производила компания Goodrich (вспомните эксперименты 30-х выше, она работала в этой области уже несколько десятилетий). Скафандр успешно применялся в высотных полетах самолетов F-4, F-6, F-8, A-5, а в 1959 году в нем установили рекорд высоты подъема на 30 км на F-4. Для космической программы скафандры были немного доработаны — темно-серый цвет внешней оболочки и ботинок заменили на блестящий для обеспечения теплового режима, систему жизнеобеспечения перевели на замкнутый цикл, доработали перчатки, чтобы было удобней нажимать на кнопки, добавили разъем медицинской телеметрии. В отличие от Mark IV, костюмы «Меркурия» выполнялись по индивидуальной мерке, это позволило убрать ремни для подгонки. Для программы NASA заказало 21 скафандр, по три штуки на астронавта.
Астронавт Гордон Купер в скафандре
Скафандры первых космических кораблей создали новый тип космических костюмов — спасательные (IVA в английской терминологии) космические скафандры. Такой скафандр не предназначен для выхода в открытый космос или работы на поверхности Луны, он надевается перед стартом, посадкой или стыковкой и защищает в случае разгерметизации космического корабля.
В открытый космос
Следующей задачей, которую должны были решить инженеры, было создание скафандра для работы в открытом космосе. В СССР за основу взяли СК-1: для большей надежности добавили второй герметичный слой, в шлем установили солнцезащитный фильтр, верхний слой из оранжевой ткани заменили на многослойную теплоизоляцию, а закрытую систему жизнеобеспечения сделали опять открытой — выдыхаемый воздух сбрасывался за борт. А обозначение «Беркут» положило начало традиции называть советские и российские скафандры в честь хищных птиц. Не без проблем, но в целом успешно, Алексей Леонов стал первым человеком, совершившим выход в открытый космос.
Первая внекорабельная деятельность в истории
В дальнейшем для ВКД на первых кораблях «Союз» использовался скафандр «Ястреб», сделанный с учетом замечаний по «Беркуту».
В США же в качестве базы взяли скафандр, который использовался в программе ракетного самолета X-15 и был разработан по заказу ВВС США. По конструкции он не сильно отличался от советского, здесь также был резиновый герметичный слой, силовой слой из специальной ткани Link-net, несколько слоев нейлона и внешний слой из ткани Nomex (мета-арамид, выдерживает нагрев до 400°С).
Эд Уайт, первый американец, вышедший в открытый космос
Интересной особенностью было то, что скафандр для «Джемини» был выпущен в нескольких версиях — исходной G3C, версии для ВКД G4C, модификации с мягким шлемом для длительного полета без ВКД G5C, а так же этот скафандр применялся в начале программы «Аполло» под индексом A1C.
G5C
«Беркут» Леонова и G4C стали вторым типом скафандров — скафандры ВКД (в английской терминологии EVA).
Прогулки по Луне
Костюм для Луны имеет свои особенности. На ВКД ноги в лучшем случае используются для фиксации на стреле-манипуляторе, а большую часть времени выглядят настоящим атавизмом «человека космического». На поверхности же небесного тела надо ими активно шевелить, и это должно быть удобно. Так что лунные скафандры по обе стороны океана уже не были модифицированным летным оборудованием. Наиболее забавная история приключилась в США, где компания ILC, производящая женское белье, обошла на конкурсе уже упомянутых выше «мастодонтов», предложив наиболее удобное решение. Секрет был в инновационных шарнирах — гофрированная резина, стянутая проволокой, позволяла легко сгибать конечности даже в вакууме. На фото ниже они видны слева, черное на локтях. Скафандр успел пройти модернизацию, версия A7LB имела дополнительные шарниры на шее и в поясе, для большего удобства управления лунным ровером.
Скафандр A7L
В СССР пошли другим путем и сделали полужесткую конструкцию «Кречет». Особенностью плана советской высадки была необходимость обеспечить возможность пройти 5 км до резервного корабля в случае проблем с основным. Поэтому скафандр имел большую автономность, 10 часов, и тестировался на возможность совершения длительного перехода.
«Кречет» в музее, оранжевая конструкция не лунные ходунки, а подставка
После первых экспериментов скафандры продолжили развиваться.
IVA
В СССР/России с 1973 года используются модификации скафандра «Сокол». Любопытно, что у него есть деталь конструкции, роднящая скафандр с водолазными костюмами — вместо герметичной молнии используется распах на груди, через который скафандр надевается (хорошо виден на фото ниже). Под названием «Шеньчжоу» с минимальными изменениями он используется в космической программе Китая.
«Сокол» и «Шеньчжоу»
В США на шаттлах использовались аж три разных модели. В первых экспериментальных полетах под названием SEES применялся модифицированный скафандр от самолета-разведчика SR-71. Затем, когда шаттл объявили пригодным для эксплуатации, астронавты летали без скафандров вообще. После катастрофы «Челленджера» из доступных компонентов собрали даже не скафандр, а высотно-компенсирующий костюм LES. Вместо трубок и лент там использовались надувные мешки, а для герметизации шлема вокруг шеи надувался воротник. Начиная с STS-65 LES заменили на скафандр ACES, разработанный компанией David Clark Company и являющийся прямым потомком скафандров для Gemini и SR-71.
Слева направо SEES, LES, ACES
EVA
В новых моделях для ВКД решали также задачу создания универсальной конструкции, которой могут пользоваться разные люди, чтобы не возить каждый раз новый скафандр на орбитальную станцию. По эту сторону океана используется скафандр «Орлан». Он представляет собой полужесткую конструкцию (торс — жесткая кираса) с дверкой в задней части скафандра (наследие «Кречета»). С 1977 года скафандр модернизируется, в нем все удобнее находиться и можно работать дольше. Космонавты используют один и тот же скафандр, привозя с собой только перчатки. Китай сначала приобрел готовые «Орланы», затем разработал минимально отличающийся «Фэйтянь».
Слева направо «Орлан» и «Фэйтянь»
В США создали тоже полужесткий скафандр EMU, но он делится на большее количество частей — верхняя часть торса, нижняя, конечности, шлем, рюкзак. Универсальность обеспечивается подбором под конкретного астронавта компонентов подходящего размера. Ниже каноничное фото «золотого времени» шаттлов в 80-х, когда полеты в скафандре без привязи еще считались допустимым риском.
Споры о том, чей скафандр лучше, могут идти долго и без особого успеха, обе модели имеют свои плюсы и минусы. Например, «Орлан» легче, но имеет меньший срок службы (EMU возвращается на землю для ремонта после 25 ВКД, «Орлан» выбрасывается после 12).
Новые корабли
Активная работа по созданию новых пилотируемых кораблей породила и новые модели скафандров. При создании костюма для Crew Dragon, по слухам, главным требованием было то, чтобы скафандр «круто выглядел». Судя по публикуемым фотографиям это получилось реализовать, смотрится, действительно, стильно.
Модель для корабля Boeing выглядит более мешковатой, но, например, мягкий шлем может оказаться удобней.
Совсем недавно были представлены скафандры для корабля «Орион» и лунной программы Artemis. IVA скафандр OCSS является развитием ACES, который использовался на шаттлах, а EVA модель xEMU совмещает модульность EMU с опытом скафандров «Аполлонов», потому что будет предназначаться и для выходов в открытый космос, и для прогулок по Луне.
А у нас прошедшим летом представили IVA скафандр «Сокол-М», главным отличием которого будет герметичная молния вместо распаха. Теперь его можно будет надеть в два раза быстрее, а также разработчик обещает, что новую модель можно будет использовать не менее 10 полетов.
«Сокол-М» на МАКС-2019
Перспективы
Работа над скафандрами не останавливается, и сейчас инженеры экспериментируют с самыми разными конструкциями.
Творческим переосмыслением авиационных высотно-компенсирующих костюмов являются скафандры обжимного действия. В них ткань непосредственно прилегает к телу и обеспечивает необходимое для дыхания давление. Теоретически такие скафандры должны быть легче и удобнее, но очень сложно обжать все тело равномерно и обеспечить отсутствие боли и синяков у человека. Также их пока что сложно и долго надевать и снимать. Модель Bio-Suit разрабатывается в инициативном порядке и постепенно проходит испытания со все большей разницей давлений.
Bio-Suit
Компания ILC Dover предлагает две модели на замену EMU. У максимально жесткого Mark III преимущество в том, что его можно надеть сразу, без того, чтобы несколько часов дышать кислородом, вымывая из крови азот. А полностью мягкий I-Suit разрабатывается не только для выходов в открытый космос, но и для прогулок по другим небесным телам.
Слева направо: Mark III, I-Suit
Для NASA создаются скафандры Z-серии, также отличающиеся повышенным давлением. Интересной особенностью моделей является выпуклый шлем, улучшающий видимость, и вход со спины, как в «Орлане».
Z-1 и Z-2
Вход со спины удобен для концепции Suitport — скафандр спиной соединяется с ровером, фактически избавляя от специальной шлюзовой камеры.
Параллельно компаниям вроде ILC Dover или David Clark Company, занимающимся скафандрами десятилетиями, на рынке появляются и новые игроки. Например, компания Final Frontier Design, ведущим инженером которой является проработавший много лет в НПП «Звезда» Николай Моисеев, в этом году проводила испытания прототипов скафандров для Канадского космического агентства.
Заключение
Идеальный скафандр уже успели придумать в фантастике. В «Черной эстафете» Владимира Васильева описан «костюм», состоящий из крошечных генератора силового поля и системы жизнеобеспечения, защищающий от вакуума, температур и излучений. Пристегнул коробочку к поясу, потратил пять минут на проверку и гуляй себе по космосу хоть в шортах и футболке. Но до этого, конечно же, технологиям еще развиваться и развиваться.
Лекция по материалу:
Материал подготовлен для журнала «Вселенная, пространство, время.» Публикуется в авторской редакции.
P.S. Небольшое объявление. На этой неделе буду в Минске на SQA Days-26, 13 ноября прочитаю в минском планетарии лекцию «Космические байки».
