Космические скафандры и форма космонавтов

Космические скафандры — пожалуй, самая важная спецодежда. Они не просто защищают астронавтов от опасных факторов, но и в буквальном смысле позволяют выживать в открытом космосе. В статье мы рассказываем, как менялась форма космонавтов, а также обсуждаем материалы и технологии, которые в ней используются.

Что такое космический скафандр

Это сложная система, настоящая космическая станция в миниатюре. Она обеспечивает кислород и выводит углекислый газ, регулирует температуру, поддерживает внутреннее давление на достаточном уровне, не пропускает радиацию и микрометеориты. Все разновидности формы можно разделить на две категории:

1. Без выхода в открытый космос. Скафандры, которые используются внутри космического корабля, более комфортны. Часто они сделаны из огнеупорных материалов, предусматривается много карманов для инструментов и бумаг. В качестве примера можно привести оранжевые костюмы (ACES) для Space Shuttle. Яркий цвет позволяет легко найти астронавта при аварийной посадке, для выхода в открытый космос костюм не предназначен. Другой пример внутритранспортного скафандра: Сокол КВ-2, используется на космическом корабле «Союз». Для выхода в космос тоже не предназначен, в вакууме время пребывания человека ограничено 10 минутами. На МКС космонавты могут носить повседневную одежду: хлопковые футболки и брюки, форма нужна на время взлета, стыковки и посадки, а также для выполнения рабочих задач.

2. Для выхода в открытый космос. В отличие от мягких внутрикорабельных моделей «внешние» скафандры жесткие, максимально герметичные. Для примера рассмотрим Орлан-МКС. Это цельная конструкция, в которой космонавт может провести в открытом космосе от 7 до 20 часов. Вес скафандра на земле — 110 кг, в основном за счет систем жизнедеятельности (они расположены за спиной). Это запас кислорода, системы очистки воздуха, отвода влаги, регулировки температуры, а также специальное оборудование. Новая модель SpaceX тоже сделана цельной, но системы жизнеобеспечения находятся не на скафандре, а на корабле: кислород, электричество и т.д. подаются через кабель-фал.

Но давайте посмотрим, как разработчики пришли к современной версии космической формы и какие проблемы им пришлось решать.

История космических скафандров

История скафандров начинается задолго до космической эры, с костюмов для высотных полетов. В 1930-х гг. в разных странах пытались решить проблему с гипоксией у летчиков на высоте более 4,5 км. В СССР в 1931 году были разработаны первые версии герметичных комбинезонов для исследовательских полетов в стратосфере. Один из них, Ч-3, в 1937 году прошел успешные испытания на высоте до 9 км. В 1934 году летчик Уайли Пост (США) поднялся на высоту в 15 км в скафандре Рассела Колли из Goodrich Company. Эти ранние модели стали основой для первых космических костюмов.

После Второй мировой войны высота полетов стала стремительно увеличиваться. В планах политиков всего мира было покорить космос. Но для этого нужен был костюм, который защитит космонавта от экстремальных перегрузок и других опасностей. 

Первый космический скафандр

Первый в мире скафандр СК-1 был разработан в СССР на заводе № 918 (сейчас АО «НПП Звезда»). Это был мягкий двухслойный комбинезон из лавсана и листовой резины, сверху космонавт надевал оранжевый чехол: так его могли быстрее найти при аварии. Системы жизнеобеспечения монтировались в теплозащитный комбинезон: он надевался под оболочку скафандра и помогал выжить в течение 5 часов без воздуха. Первые модели были сшиты по индивидуальным меркам для Юрия Гагарина, Германа Титова и Григория Нелюбова в 1960 году. В СК-1 на кораблях «Восток» летали до 1963 года.

Технические характеристики СК-1:

1. Вес — чуть более 20 кг.

2. Внутреннее давление (при разгерметизации кабины) — до 300 Па. 

После успешного полета Юрия Гагарина на «Восток-1» в 1961 году и его триумфального возвращения спустя 106 минут космос стал открыт для новых исследователей. Осталось сделать еще один шаг: выйти из корабля. И здесь тоже первым стал советский космонавт.

Первый скафандр для выхода в открытый космос

Почти сразу после возвращения Юрия Гагарина в Советском Союзе стали работать над новым скафандром. Гонка вооружений и космических технологий была в самом разгаре, поэтому нужны были новые победы. Поэтому после первого полета многоместного корабля «Восход-1», где космонавты были без скафандров, власти запустили новую программу. Во время миссии «Восход-2» был запланирован выход в открытый космос.

На том же заводе № 918 в 1964-1965 гг. разработали «Беркут». Это был «мягкий» скафандр с открытой системой вентиляции. Костюм был трехслойным (силовой и два герметичных слоя) с неповоротным съемным шлемом. Под него надевали спецзащиту в виде прочного комбинезона с экранно-вакуумной изоляцией. Для поддержания жизни космонавта в открытом космосе использовалась автономная система подачи кислорода (в ранце) разработки Конструкторского бюро кислородного оборудования и страховочная, по шлангу от корабля.

Технические характеристики «Беркута»:

• Вес скафандра — 20 кг, еще столько же весил ранец с системой подачи кислорода.

• Внутреннее давление — 270-400 гПа.

• Время работы в открытом космосе — до 45 минут.

В «Беркуте» был совершен всего один полет на «Восход-2», когда Алексей Леонов первым в мире побывал в открытом космосе. Несмотря на то, что космонавту удалось вернуться в корабль, эксперимент показал несовершенство костюма. Из-за разницы давлений костюм сильно раздулся, почти лишив Леонова возможности двигаться. Давление удалось стравить, но далее были проблемы с возвращением в шлюз. Об этом широко не распространялись, но сразу же начали разработку нового типа скафандров под названием «Ястреб».

Скафандр для высадки на Луну

Так как основные лавры первопроходцев космоса забрал себе Советский Союз, США нужно было брать новый рубеж. Неосвоенной оставалась Луна. Поэтому в 1960-х НАСА запустила программу «Аполлон» с целью высадки космонавтов на поверхность спутника Земли. Скафандры, разработанные для лунной миссии, стали самыми сложными на тот момент. Астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин были одеты в A7L. Это был цельный пятислойный скафандр с гибкими вставками на плечах, запястьях, коленях и в других местах. Он состоял из:

• Трехслойного костюма с жидкостным охлаждением (LCVG, Liquid Cooled Ventilation Garment) для контроля температуры.

• Внутреннего гермокостюма (Torso Limb Suit Assembly, TSLA) с разъемами для системы жизнеобеспечения.

• Внешней оболочки для защиты от микрометеоритов и солнечного излучения, состояла из 13 слоев различных материалов.

• Ранца PLSS (Portable Life Support System) для подачи воздуха, электроэнергии, а также воды и питания.

• Лунных ботинок, специально разработанных для ходьбы по поверхности Луны.

Вес скафандра с ранцем на Земле составлял около 82 кг, но на Луне с ее низкой гравитацией он весил всего 14 кг.

Современные космические скафандры

Если ранее основной задачей скафандра было только помочь космонавту выжить в перегрузках и экстремальных условиях открытого космоса, теперь разработчики уделяют внимание комфорту владельца и внешнему виду костюма. Так, например, модернизированный «Орлан-МКС», который разрабатывается на той же АО «НПП Звезда», легко подгоняется под любой рост, а также имеет «чесалку для носа» (устройство Вальсальва для выравнивания давления снаружи и во внутреннем ухе). Встроенная система климат-контроля автоматически регулирует температуру в скафандре согласно заданным параметрам, а внутренний компьютер постоянно контролирует работу систем и сразу же предупредит о малейших отклонениях.

Новые скафандры Илона Маска SpaceX EVA выглядят как гости из будущего. Внешне они очень похожи на внутрикорабельные SpaceX, которые используются на Crew Dragon. Как мы уже упомянули выше, у них нет собственной системы жизнеобеспечения, поэтому, если вдруг что-то случится с кабелем, космонавт останется без воздуха. Но это пока только предварительная версия, в будущем Маск планирует разработку автономных систем типа PLSS от NASA. Инновационные материалы делают костюм «доспехами из ткани»: он остается мягким внутри космической капсулы, но мгновенно твердеет в открытом космосе. За систему теплообмена тоже отвечают ткани скафандра. В шлеме прямо в визор встроен дисплей, куда в реальном времени выводятся данные о главных показателях (воздух, давление, заряд батареи и т.д.). В целом, скафандр Маска предназначен не для долгой работы в космосе, а больше для коротких вылазок и космического туризма.

Эволюция скафандров: основные инновации

Скафандры прошли долгий путь от простых СК-1 до современных моделей «Орлан-МКС». Вот что изменилось:

• Улучшенная мобильность — передвигаться и выполнять работы на корабле и в космосе стало намного проще.

• Повышенная защита — материалы и конструкция постоянно совершенствуются для безопасности космонавтов.

• Больше времени в безвоздушном пространстве — в современном скафандре можно работать до 8,5 часов.

• Индивидуализация — скафандры легко подгоняются под фигуру астронавта для комфорта.

Космические скафандры позволили человеку совершить, пожалуй, главный шаг XX века — выйти в космос. Сегодня, когда уже на полном серьезе обсуждается идея о колонизации Марса, а Илон Маск в 2024 году заявляет, что спустя 20 лет на красной планете должен жить 1 млн человек, они могут преодолеть очередной рубеж. Стать не просто защитной системой, а возможностью для полноценной жизни в любом уголке галактики. И вполне возможно, мы станем свидетелями этого.