ВЫХОД В ОТКРЫТЫЙ КОСМОС
Принято считать, что о водолазах большинство людей знает практически все. Поэтому именно их работу и попытаемся сравнить с действиями космонавтов в открытом космическом пространстве.
Некоторые ставят знак равенства между космонавтами и водолазами по виду их деятельности, и очень при этом ошибаются. Достаточно общее у них только использование технического средства поддержания жизнедеятельности человека под названием "Скафандр, в котором они выходят во враждебную человеку среду обитания. Но даже по устройству скафандр космонавта ближе к высотному скафандру летчика.
Рассмотрим некоторые различия.
Космонавт в скафандре, находясь в открытом космическом пространстве, работает в условиях абсолютного вакуума, величина которого после высот в 200 километров практически не меняется.
Водолаз действует в условиях повышенного давления, которое увеличивается с увеличением глубины погружения.
Скафандр космонавта в открытом космосе подвергается воздействию больших перепадов температуры на солнечной и теневой стороне орбиты.
Опасность представляют также: рентгеновское излучение, ионизирующее излучение, ультрафиолетовое излучение, метеоритный поток, даже случайная встреча с обломком ранее выведенного на орбиту космического аппарата.
На скафандр водолаза действует вода и растворимые в ней элементы.
Следовательно, характеристика материалов, из которых должны изготавливаться скафандры водолаза и космонавта, абсолютно различны.
В первом случае на скафандр воздействует сила давления воды снаружи, которая пытается сплющить и скафандр и человека в нем. Такое давление может выдержать только металл специальных сортов.
Во втором случае скафандр должен выдерживать воздействие постоянной величины, распирающей скафандр изнутри – силы избыточного давления газовой атмосферы самого скафандра.
Космонавты в скафандрах, независимо от высоты полета, дышат либо воздушной смесью, либо чистым кислородом, который подается во внутреннюю оболочку скафандра под определенным избыточным давлением. Способ дыхания определяется еще на этапе разработки скафандра.
Космонавт видит перед глазами бесконечность, водолаз – несколько метров пространства перед собой. С психологической точки зрения это, пожалуй, наиболее эмоциональный фактор.
Немалое значение для обеспечения качественного выполнения работ имеют и методы и средства передвижения человека во враждебной среде.
Невесомость позволяет космонавту, легко оттолкнувшись, свободно перемещаться. Но пока возможность такого перемещения еще не обеспечена достаточно техническими средствами передвижения. Хотя отдельные экземпляры космических мотоциклов и были испытаны в космосе.
В открытом космосе космонавты перемещаются преимущественно по внешней обшивке корабля или станции за счет силы рук. Они как улитка таскают за собой свое тело и свое временное жилище скафандр, в придачу с набором инструментов и приспособлений.
Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что скафандр для выхода в открытое космическое пространство должен обеспечивать защиту космонавта от большего числа вредных факторов, чем скафандр водолаза. Но их объединяет одно – очень опасная и рискованная работа в обоих случаях.
Первый скафандр для работы в открытом космосе был разработан для А. Леонова и П. Беляева.
В их скафандрах использовались две герметичных оболочки, из которых одна была резервной, и вступала в действие только при повреждении основной.
Чтобы скафандр не раздувался до бесконечности под действием внутреннего давления, в нем использовалась силовая оболочка. В местах для сгиба рук и ног она была снабжена специальными шарнирами, чтобы обеспечить определенную подвижность космонавту. Использовались специальные шарниры и в перчатках космонавта.
Для подгонки силовой оболочки на конкретного человека в скафандре имелась специальная тросовая система подтяга и регулировочные элементы на конечностях.
Поверх названных трех слоев скафандр покрывали несколькими слоями тончайшей метализованной пленки, которая в свою очередь покрывалась белой плотной тканью, имеющей высокие отражающие свойства. Эти последние слои скафандра надежно защищали космонавта от перегрева солнечными лучами и от переохлаждения.
Шлем скафандра защищал космонавта от травм при ударах. На нем также крепились смотровое стекло, герметично соединенное со шлемом, и светофильтр, защищающий лицо и глаза от тепловых и ультрафиолетовых лучей солнца.
Радиопереговорное устройство было расположено следующим образом: в непосредственной близости от губ и шлемофона вмонтированы микрофоны, а у уха телефоны.
Атмосферу внутри скафандра составляли несколько десятков литров кислорода, заполнявшие зазор между телом космонавта и герметичной оболочкой. Температура и давление внутри скафандра поддерживались автоматически системой жизнеобеспечения, которая располагалась и в самом скафандре и в установке, напоминающей ранец, закрепленный на спине.
В наспинном ранце были размещены запас кислорода в трех баллонах емкостью по 2 литра каждый. На корпусе ранца имелся зарядный штуцер для подзарядки баллонов кислородом в период подготовки к выходу. По специальному манометру можно было контролировать запас кислорода в баллонах. Крепился ранец на спине с помощью быстродействующего разъемного соединения.
Кислород подавался системой в скафандр непрерывно. Часть его использовалась космонавтом для дыхания. Другая часть обтекала тело, насыщалась углекислым газом, теплом, влагой, нагревалась, а затем выбрасывалась в атмосферу.
Давление в скафандре составляло 0, 4 или 0, 27 атмосферы. Работать с таким избыточным давлением непросто. Ведь для того, чтобы только сжать кисть руки в перчатке, требовалось усилие в 25 килограмм.
Следующий тип скафандра использовался при переходе космонавтов Е. Хрунова и А. Елисеева из космического корабля "Союз-5" в космический корабль "Союз-4" через открытое космическое пространство.
Для данного случая конструкторы учли опыт А. Леонова и особенности выполняемой задачи, связанные именно с операциями перехода.
Новые скафандры были менее жесткими и снабжены съемным пространственным шлемом, который имел поднимавшиеся вверх не только светофильтр, но и защитное стекло.
Использовалась в этом скафандре и новая система жизнеобеспечения – регенерацонная. В ней циркуляция газа происходит по замкнутому циклу. Газовый состав при этом обновляется не полностью. Восполнялись лишь те его составляющие, которые изменяются или расходуются в процессе жизнедеятельности человека. Обновленная смесь вновь используется для дыхания и вентиляции, а углекислый газ и другие отходы жизнедеятельности поглощаются специальными поглотителями и регенераторами. В атмосферу не уходит ничего.
Благодаря системе регенерации значительно снизился расход кислорода. Появилась возможность при тех же габаритах скафандра обеспечить работу человека в космосе в течение нескольких часов.
Ранец системы жизнеобеспечения разместили на этот раз в ногах у космонавта, соединив его со скафандром гибким шлангом. Такое размещение ранца облегчало передвижение космонавта при переходе из корабля в корабль, однако не было абсолютно удобным. Поэтому в дальнейшем конструкторы вновь вернулись к размещению ранца за спиной космонавта.
Третий тип скафандра для работы в открытом космосе разрабатывался конструкторами уже применительно к использованию на орбитальных пилотируемых станциях.
Этот скафандр называют полужестким, исходя из принципов его построения. В его основе жесткий металлический корпус – кираса, который составляет единое целое со шлемом и ранцевой системой жизнеобеспечения. Рукава и оболочка штанин мягкая.
Благодаря такой конструкции скафандр не надо зашнуровывать, затягивать, герметизировать. В него просто входят, что особенно легко сделать в невесомости, через люк в кирасе сзади. Он открывается как дверца. Космонавт входит в скафандр и рычагом закрывает за собой люк, обеспечивая полную герметизацию. Все это он может проделать сам.
Скафандр изготавливается нескольких размеров, а в промежутках между ними космонавты могут подгонять скафандр по себе за счет регулировки рукавов и штанин. Правда, такие регулировки не безграничны, а скафандров на станции постоянно находится только два. Если станция летает несколько лет, то вполне возможно, что очередной смене придется работать в скафандрах, не полностью им подходящих. Такая работа возможна, хотя и создаст определенные дополнительные трудности космонавтам.
В большом по размеру скафандре маленький космонавт будет иметь возможность плавать внутри него и проблемой будет нахождение опоры внутри скафандра при передвижении и фиксации своего положения для выполнения работы. Ведь короткие ноги могут и не доставать до ботинок при длинных штанинах.
Большой космонавт в маленьком скафандре будет зажат в его маленьком объеме, не будет иметь полного обзора перед собой, находясь в скрюченном состоянии. Да и работать несколько часов в таком положении не очень приятно.
Вот почему все выходы в открытый космос планируются заранее с учетом возможных расхождений в росте основных и дублирующих экипажей. В чрезвычайной ситуации выбирать не приходится.
Все скафандры соединялись с кораблем или станцией усиленным фалом для обеспечения безопасности космонавтов. В нем были также пропущены провода связи и управления.
Последний тип скафандра имел дополнительный короткий фал со скобой на конце. Это своеобразный страховочный пояс. Если космонавт не удержится руками за поручни, то его отнесет от корабля лишь на длину короткого фала. Он быстро сможет вернуться и продолжить свой путь вдоль станции или корабля. По мере передвижения космонавт перецепляет страховочный фал за новую опору. Такие опоры в виде скоб и перил размещены вдоль станции в несколько рядов и по окружности с таким расчетом, чтобы с их помощью космонавт мог достичь любой точки на внешней поверхности станции.
При необходимости выполнить работы в непредусмотренных местах, на земле разрабатывают специальные переходные устройства, которые затем доставляют на борт станции, выносятся на внешнюю поверхность и обеспечивают выполнение работ.
Прежде чем выполнить любую работу в открытом космосе, космонавт должен зафиксировать положение своего тела, то есть каким-то образом получить надежную опору. Иначе, например, не он будет откручивать гайку, а он сам будет вращаться вокруг гайки. Обычно для этого на предполагаемом месте работы предусматриваются специальные фиксаторы для ног – якоря. Вставил ноги и можешь считать что "твердо стоишь на земле".
Опасен и тепловой перегрев, так как может вызвать "солнечный удар", а следом не только потерю работоспособности, но и смерть.
Впервые неприятности перегрева испытал на себе А. Леонов. Метод снятия тепла в его скафандре за счет вентиляции чистого кислорода не был в полной мере эффективным. В результате нештатной ситуации и больших физических перегрузок температура его тела значительно повысилась, пот заливал не только тело, но и лицо. Сильно запотело и стекло шлем. Это ухудшало ему видимость в самые ответственные минуты выхода в космос.
В результате конструкторы разработали систему водяного охлаждения тела космонавта. Суть его состоит в том, что поверх нательного белья космонавт надевает сетчатый костюм, в ткань которого вплетены трубки для циркуляции воды. Она отбирает тепло стела космонавта, вновь охлаждается в ранцевой системе жизнеобеспечения и снова готова к работе.
Для отвода тепла 300-500ккал в час расход воды всего 1, 5-2 литра в минуту с потребной длиной трубок около ста метров. Качает воду насос всего в несколько ватт мощности.
Водяное охлаждение не снимает всех проблем температурного режима внутри скафандра, но при его использовании мощность вентиляторов воздушного охлаждения для продува газовой смеси во много раз меньше чем при чисто воздушном охлаждении.
Остается рассказать о проблеме дыхания в космическом скафандре. Известно, что в обычных условиях человек дышит воздухом, состоящим на 78% из азота и 21% из кислорода. Остальные примеси составляют около 1%.
Атмосферное давление составляет в среднем 760 мм. Рт. Столба.
Такой состав воздуха не меняется с поднятием на высоту, Однако, общее барометрическое давление атмосферного воздуха постоянно снижается с поднятием на высоту над поверхностью земли. На высотах полета космических кораблей это давление можно считать практически отсутствующим, то есть существует практически полный вакуум.
21% кислорода на Земле от общего атмосферного давления составляет 160 мм. рт. столба, и только при таком давлении человек может нормально дышать. С подъемом на высоту это давление уменьшается и уже после шести километров у человека наступает кислородное голодание.
Кроме то, нельзя забывать, что 78% азота в воздухе на высоте 7-8 километров переходят из растворенного состояния в организме человека в газообразное. При этом нарушается кровоснабжение важных органов деятельности человека. Возникают сильные боли.
На высотах более 20 километров азот закипает при нормальной температуре тела человека.
Вот почему для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека нужно создать в скафандре среду с избыточным давлением, превышающим атмосферное давление на данной высоте, и газовым составом, обеспечивающем нормальное дыхание.
В тоже время, если избыточное давление в скафандре делать слишком большим, то он будет раздуваться с поднятием на высоту и затруднять выполнение космонавтом запланированных операций.
В скафандре А. Леонова можно было установить два уровня давления 400 и 270 мм. рт. столба. При большом давлении легче дышать и Леонов использовал его практически все время своего выхода. Он нормально вышел из шлюза, выполнил основную работу по отходу и возвращению к кораблю, но включить кинокамеру не смог. Дело в том, что кнопка включения кинокамеры располагалась на правой штанине скафандра, и во время тренировок он простым опусканием руки вниз касался нужной кнопки. В реальном выходе, при том же давлении в скафандре, вакуум космоса оказался более глубоким, и скафандр раздулся более обычного. Поэтому те, кто смотрел документальные кадры о первом выходе в космос, недоумевали – почему Леонов так часто и лихорадочно хлопает себя по штанине. А он всего лишь искал кнопку, которая сдвинулась вниз, и дотянуться до нее было невозможно.
Более того. Из-за повышенного раздутия скафандра Леонов не смог с первого раза войти в шлюзовую камеру при возвращении. После нескольких неудачных попыток он принял рискованное решение – снизил давление в скафандре до 270 мм. рт. столба. А ведь физические и моральные силы Леонова уже были на пределе. Повышенная температура, значительное потоотделение, кровяное давление до 180, пульс 160. И в таком состоянии решиться на снижение потребляемого организмом кислорода. Но и другого выхода не было. Решение оказалось верным. Леонов вошел в шлюзовую камеру, восстановил давление, выполнил успешно все последующие операции.
Принцип выхода в открытый космос через шлюзовую камеру остался главным в нашей космической программе. Но сама шлюзовая камера уже стала неотъемлемой частью конструкции орбитальной станции, а не отстреливалась после завершения работ, как это было на корабле "Восход-2".
Выход А. Леонова помог практически решить многие вопросы деятельности космонавтов в открытом космосе.
Например. Оказалось, что отход и подход к кораблю с помощью страховочного фала представляет собой довольно сложную и опасную процедуру. Чем больше расстояние отхода от корабля, тем больше скорость возвращения космонавта к кораблю и скорость вращения самого космонавта.
Это влечет за собой не только потерю ориентировки, но и опасность повреждения скафандра и травм космонавта в момент соприкосновения с элементами корабля и станции. Ведь этими элементами могут быть и антенны, и перила, и другие выступающие части.
Кроме того. Чем больше длина фала, тем больше вероятность запутывания в нем космонавта Необходимо постоянно контролировать положение не только собственное, но фала, и корабля, и скорости вращения с перемещением.
Транспортный корабль "Союз" не был предназначен для выхода в открытый космос при нормальной работе. В случае же аварийной обстановки на спасательном космическом корабле могут быть доставлены автономные скафандры и выход тогда можно будет осуществить через люк бытового отсека.
Для Ю. Романенко и Г. Гречко выход не планировался. Но они стартовали в космос после В. Коваленка и В. Рюмина, стыковка которых окончилась неудачей. Необходимо было проверить стыковочный узел после их неудачных попыток.
Собственно, выход в осмос не разрешался. Г. Гречко должен был, высунувшись по пояс из переходного отсека, осмотреть стыковочный узел и дать заключение о его состоянии. В обязанности Ю. Романенко входила страховка: удерживать Г. Гречко за специальные стремена на ногах, чтобы не улетел в космос, и плавно поворачивать его в проеме выходного люка на 360 градусов.
Гречко не только осмотрел сам узел, но и передал на Землю четкое изображение узла с помощью телекамеры.
Вид открытого космического пространства произвел на Г. Гречко огромное впечатление, и он не удержался от восторженных восклицаний, что чуть не привело к катастрофе.
Ну не мог Ю. Романенко, находясь рядом с открытым люком, хоть одним глазком не посмотреть на такую красоту. Ведь второго такого случая могло и не представиться. Как только Гречко возвратился в отсек, Романенко быстренько скользнул вверх. Страховочный фал ему мешал, и он его отстегнул, считая, что он только выглянет наружу, держась за люк.
Не ожидавший такого маневра, Гречко не сразу среагировал на движение командира. А того уже вытягивало из отсека в открытый космос. В последний момент Гречко все же успел схватить товарища за ноги и втянуть его обратно в отсек.
Космос еще раз доказал, что не прощает мелочей и беспечных ошибок.
Следующий аварийный выход осуществили В. Ляхов и В. Рюмин. Телескопическая антенна, отработав свой срок, была отстрелена, но от станции не отошла, зацепившись за элементы конструкции станции. Она закрывала доступ к стыковочному узлу. У космонавтов подходил к концу 175 суточный полет, но они добровольно согласились выйти в открытый космос и успешно отцепили антенну. Это был первый ремонт в открытом космосе.
Сам процесс выхода в открытый космос длителен по времени и сложен по исполнению, хотя внешне все вроде бы и не так сложно. Надел скафандр, открыл люк и работай.
Однако, прежде чем выйти в открытый космос, необходимо выпустить воздух из переходного отсека в космос. Если этого не сделать, то вряд ли космонавты смогут открыть выходной люк. Ведь изнутри переходного отсека за счет избыточного, по сравнению с космосом, давления, на люк давит газовая воздушная смесь с силой в несколько тонн. Выпуская смесь из отсека, космонавты снижают избыточное давление и тем самым облегчают себе работу.