До семидесяти процентов энерготрат космонавта в открытом космосе уходит на войну со скафандром
(Фото: NASA/AFP)
С виду костюм BioSuit не похож на скафандр астронавта. Ну облачение очередного человека-паука, ну модная форма для занятий спортом, ну доспехи для гонщика, гидрокостюм, наконец. Но тем не менее BioSuit - это именно космический скафандр нового поколения, способный надежно защитить человека от радиации и других опасных воздействий и в то же время предоставить ему свободу передвижения в открытом космосе и на поверхности других планет. Уже известно, что в такую одежку NASA планирует "упаковать" участников будущей марсианской миссии.
Дави на газ
Основная задача для любого скафандра - обеспечить человеку гарантированную защиту в экстремальных условиях космического полета. Тело космонавта должно быть спрятано от вакуума, радиации и перепада температур, достигающего сотен градусов. Проблему перегрева и чрезмерного охлаждения инженерам в свое время удалось решить без особых затруднений - использовали принцип термоса, который не отдает тепло в окружающую среду, но и не забирает его. А вот разобраться с давлением, которое в космосе в миллиарды раз меньше, чем на Земле, оказалось сложнее. Чтобы человека в буквальном смысле не раздувало в вакууме, понадобилась сложная конструкция. В результате под многослойной оболочкой скафандра на многие десятилетия поселилась система трубок. Она распределяет потоки кислорода, поступающего из системы жизнеобеспечения. Кислород создает в скафандре внутреннее давление.
Однако существование и работа в громоздком сооружении, каким является современный скафандр (на земле он весит, кстати, примерно столько же, сколько и сам человек), требует больших энергозатрат. Космонавту приходится постоянно противостоять "желанию" скафандра распрямить ему руки и ноги. Исследователи из Массачусетского технологического института подсчитали, что на войну с собственным костюмом у космонавта уходит примерно 70-80 процентов всех энергетических затрат. И наши, и американские космонавты, выходившие в космос, испытывали усталость от того, что им приходилось "сражаться со скафандром". Это подтверждается объективными данными. Так, у астронавта Сернана (Gemini-9), когда он надевал на свой скафандр установку для маневрирования в открытом космосе, частота пульса поднялась до 180 ударов в минуту, а частота дыхания - до 40 вдохов в минуту. У астронавта Гордона (Gemini-11) при выполнении в открытом космосе намеченных заданий частота пульса тоже подскочила до 180 ударов в минуту, а частота дыхания - до 45 вдохов в минуту. Энергозатраты обоих астронавтов приблизительно соответствовали энергозатратам борца на ринге.
Чтобы в буквальном смысле облегчить астронавтам жизнь, американцы взялись за разработку принципиально нового костюма. С одной стороны, он должен быть достаточно прочным, чтобы защитить человека. А с другой стороны, предоставить астронавту максимальную свободу движения. Способ заменить технологию противодавления с помощью воздушной прослойки механическим противодавлением специалисты во главе с профессором Давой Ньюман искали почти десять лет. Справедливости ради надо заметить, что сама по себе идея механического противодавления, когда давление воздуха заменяют особые материалы, не нова. Например, нечто подобное используется в авиации для создания высотных компенсирующих костюмов летчиков. Они защищают пилота в случае разгерметизации кабины на большой высоте. Однако действие их рассчитано на короткий срок - порядка 5-10 минут, чтобы летчик в кратчайшее время мог снизиться на безопасную высоту. В случае работы в открытом космосе и тем более высадки на поверхность планеты счет идет на часы.
"Попытки создать скафандр, в котором сама ткань создавала бы противодавление вакууму, предпринимались еще в конце 60-х, - рассказал "Итогам" заместитель главного конструктора НПП "Звезда" Сергей Поздняков. - Разработали даже целую линейку материалов. Однако существовала проблема в раскрое и подгонке тканей. Необходимо, чтобы она максимально прилегала к телу, но ведь костюм надо обязательно надеть. Сейчас в техническом плане возможностей больше. Это и компьютерное моделирование, и сами "умные материалы", а значит, есть смысл работать в этом направлении". Тем не менее на сегодня самым большим достижением во всем мире остаются полужесткие скафандры серии "Орлан". К настоящему времени выпущено пять модификаций такого типа скафандра. Все они обладают рядом преимуществ при длительных космических полетах. К ним относятся возможность обслуживания на орбите без возврата на Землю, простота замены сменных и вышедших из строя элементов, быстрое самостоятельное надевание-снятие, использование одного типоразмера скафандра для космонавтов с различными антропометрическими данными. По данным "Звезды", ведущего российского предприятия по изготовлению скафандров, за последние тридцать лет на орбите побывало 25 скафандров типа "Орлан". В них осуществлено более ста двадцати парных выходов в космос с общим временем работы свыше 1000 человеко-часов. Однако на предприятии признают, что с развитием космических исследований требования к скафандрам растут. Космические костюмы нового поколения должны обеспечить астронавтам (космонавтам) большую подвижность, иметь значительный ресурс работы, быть простыми в обслуживании. И тут нужны новые технологии и конструкторские решения.
Костюм выходного дня
Сегодня специалисты Массачусетского института технологий предлагают несколько концепций для скафандра, названного ими BioSuit. Один из вариантов второй кожи для астронавтов - специальное вещество, напыляемое на тело. В исследовательском центре армии США его разработкой занимаются уже не первый год. Мельчайшие капельки или волокна полимера имеют свой электрический заряд. Под действием поля они устремляются к своей цели - объекту, который требуется закрыть пленкой, а в конкретном случае к коже, и образуют с ней единое целое. После полимеризации оболочка приобретает высокую прочность, при этом ее упругость обеспечивает свободу движения рукам и ногам. Более того, благодаря своей структуре полимерная одежда практически решает проблему разгерметизации. При механическом повреждении волокна затягивают дыру. Однако в случае работы в открытом космосе от такой пленки требуется полная воздухо- и водонепроницаемость, чего авторам разработки добиться пока не удалось.
В качестве альтернативы умному полимеру команда Давы Ньюман предлагает использовать материалы с памятью формы, что опять же позволит без проблем облачаться в костюм, при этом он будет максимально плотно прилегать к телу. Как известно, материалы с памятью формы обладают способностью возвращаться к исходному положению под воздействием температур. То есть на стадии производства скафандр максимально подгоняют под тело астронавта, однако в "нерабочее" время он будет более просторным, так что его без труда можно надеть. Уже на теле человека костюм подвергнется тепловой обработке и сядет по его фигуре. Учитывая, что материалы с памятью формы обладают достаточно высокой упругостью, они не станут мешать движению в суставах. Эти идеи были опробованы в лабораторных условиях, однако они по-прежнему требуют серьезной доработки.
В то же время американским инженерам удалось добиться необходимых показателей другим способом. Они взяли за основу данные трехмерного сканирования тела человека в движении, подробно изучили его и выяснили, что на руках и ногах есть немало зон, где кожа при сгибании не натягивается. А значит, там можно смело прокладывать прочные нерастяжимые вставки и таким образом формировать силовой каркас. Он-то и не позволит телу раздуваться в космическом вакууме. Сам каркас соорудили из сверхпрочных кевларовых волокон, прошитых по поверхности пленки, а уже поверх него наложили эластичную основу. Трехмерная графика не обманула - участник эксперимента, чьи ноги облачили в опытный образец, без труда смог делать приседания, а кевларовый каркас позволил ему в течение часа находиться в комнате с давлением 150 миллиметров ртутного столба. Это, конечно, не доли миллиметра, как на орбите, но результат неплохой.
Еще один прототип биоскафандра построен как раз по принципу высотных компенсирующих костюмов. Между двумя слоями материала, не пропускающего воздух, находится прослойка из пены с открытыми порами. Этот своеобразный пузырь с одной стороны плотно прилегает к ноге, а с другой - ограничен жестким каркасом. Когда прослойка из пены наполняется воздухом, пузырь и создает необходимое противодавление. Как и в традиционных скафандрах, здесь задействован газ. Общая толщина такой "кожи" составляет не более семи миллиметров и позволяет без проблем находиться в комнате с низким давлением.
"Все эти разработки необычайно интересны, - комментирует Сергей Поздняков, - но, честно говоря, сегодня мы о "второй коже" космонавтов не задумываемся, поскольку подобный скафандр актуален именно для передвижения по поверхности планеты; для работ в открытом космосе, когда космонавт передвигается по поручням в состоянии невесомости, чрезмерной гибкости его ног и туловища не требуется".
Скорее же всего, "вторая кожа" будет лишь одним из слоев скафандра будущего. В нем найдутся слои, ответственные и за радиацию, и за вентиляцию тела, - попробуйте походить несколько часов в воздухо- и водонепроницаемом костюме. Впрочем, и от баллонов с кислородом пока никто отказываться не собирается. Как и в традиционных скафандрах, газ по трубкам будет поступать в шлем, обеспечивая дыхание астронавта. Одним словом, инженерной работы много, так что в деле астронавтов в новомодных костюмах с прилегающим силуэтом мы увидим, вероятно, не раньше высадки человека на Марс.