Одежда для вакуума, или как устроены космические скафандры

В продолжение темы об эволюции летного костюма
История не помнит таких времен, когда бы человек не носил защитного снаряжения. Еще в каменном веке в целях защиты тела от холода и от ударов в битвах с другими племенами человек одевал меховую шкуру. На протяжении веков проблема защитной одежды оставалась одной из важных задач человеческого существования. Каждого, кто обстоятельно интересуется техникой, неизбежно привлекает и история данного вопроса. Необходимость создания специального скафандра для космических полетов понимал еще Жюль Верн. В рассказе «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут» космические путешественники использовали специальные костюмы во время полета в космос. Когда авиация начала подходить к высотам, на которых требовалось использовать герметичные костюмы и аппараты для дыхания, были заложены основы для создания будущих космических скафандров.
16 картинок © zoom70

Проектирование скафандров для космоса началось задолго до первого полета, в феврале 1953 года в подмосковном Томилине. На завод № 918, ныне известный как "НПП Звезда", поступил необычный заказ - изготовить скафандр и катапультирующуюся тележку для собак. Дезик и Цыган, первыми совершившие полет в герметичной кабине ракеты в 1951 обходились без скафандра. 3 ноября 1957 на орбиту отправилась спокойная и ласковая Лайка. Ее разместили в герметичной кабине, а сама лайка была одета в комбинезон с прозрачным гермошлемом. Комбинезон крепился к контейнеру маленькими тросиками, длина которых позволяла принимать Лайке лежачее и сидячее положение, а также немного передвигаться назад—вперёд.

Более совершенный скафандр был использован при полете Белки и Стрелки. 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 и закрепляли в катапультном кресле.

При подготовке первого полета человека в космос мнения о необходимости скафандра разделились. Из за проблем с взлетным весом рассматривали вариант отправки космонавта в обычном тренировочном костюме. 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.

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.

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 болезни. С другой стороны, давление не должно было сковывать движений космонавта.
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 воздухе.
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.

Американцы при полете первого астронавта использовали модернизированный скафандр для высотных полетов, снабдив его маленьким чемоданчиком вентиляции.

После начала полетов "Союзов" в СССР стал использоваться новый скафандр - "Ястреб". Прототип "Ястреба" был создан и испытан в 1967 году. Он представлял собой скафандр мягкого типа со съемным металлическим шлемом. Первыми космонавтами, использовавшими скафандр "Ястреб", стали Е. Хрунов и А. Елисеев во время полета кораблей «Союз-4» и «Союз-5». Как и "Союзы", "Ястреб" разрабатывался для полетов к Луне и работе вне корабля. Система жизнеобеспечения регенерационного типа находилась в металлическом контейнере (ранце), который, для облегчения прохода космонавта через узкий люк монтировался спереди на ногах. Электропитание, связь и телеметрия производились через фал.

Для высадки на Луну в НПП Звезда был разработан полужесткий скафандр "Кречет-94". Советская лунная программа предполагала пребывание на Луне одного космонавта и 5-километровый переход на резервный корабль в случае невозможности осуществить взлёт с Луны на основном корабле. Поэтому разработчики должны были предполагать возможность такого перехода в условиях лунной гравитации. "Кречет" представлял собой очень сложное устройство. Он не надевался на человека, а наоборот, человек входил в скафандр — для этого в задней части данной конструкции предусмотрен люк. В нём была система специальных растяжек и фиксаторов, которые были необходимы для обеспечения невредимости человека во время манёвров, поскольку при малой массе всего лунного корабля смещение центра тяжести всего аппарата из-за неловкого движения человека могло повлечь за собой весьма большие неприятности. Системы "Кречета" обеспечивали рекордно автономное пребывание человека на Луне — до 10 часов, в течение которых исследователь мог совершать работы с большими физическими нагрузками. Для терморегуляции использовали костюм водяного охлаждения. Было создано 2 контура: контур циркуляции и регенерации воздушной среды внутри скафандра, а также запас кислорода для компенсации утечек и контур водяного охлаждения. "Кречет" имел собственные системы радиосвязи, телеметрии, устройство обеспечения питьевой водой и удаления жидких отходов.

Для орбитальной работы в рамках лунной программы был создан скафандр "Орлан". В настоящее время модифицированный вариант космического скафандра «Орлан» обеспечивает работу космонавтов на МКС при осуществлении ими внекорабельной деятельности.

Для наземного эксперимента "Марс-500" на базе "Орлана" разработан скафандр "Орлан-Э".

В США для программы посадки на луну использовались скафандры компании ILC Industries. Скафандр был изготовлен из высокопрочных синтетических тканей, металла и пластмасс. Под скафандр космонавт надевал легкий цельнокроеный костюм с датчиками для биотелеметрии. Кроме того, под скафандр надевался также специальный костюм водяного охлаждения, который был рассчитан на непрерывную эксплуатацию в течение 115 час. В этом костюме из нейлонового спандекса имелась система полихлорвиниловых трубок общей длиной около 90 м, по которым непрерывно циркулировала холодная вода, поглощавшая выделяемое телом тепло и отводящая его к внешнему холодильнику. Благодаря такому костюму температура кожи на различных участках тела не выходила за пределы 40°С.
На ладони были специальные проволочные стяжки, которые не давали перчатке раздуваться при избыточном давлении в скафандре. Для обеспечения ловкости работы руками на пальцах перчаток имелись удлинения-захваты, с помощью которых космонавт мог поднимать мелкие предметы.
Шлем космонавта сделан из прозрачного поликарбоната и обладал большой ударной прочностью. Его сферическая форма давала космонавту возможность поворачивать голову в любую сторону. Кислород поступал в шлем со скоростью 162 л/мин, а герморазъем на левой стороне шлема позволял космонавту в скафандре пить или принимать пищу. Ранцевая система жизнеобеспечения прикреплялась к спинке скафандра и на Земле весла 56,625 кг

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. Скафандры семейства "Сокол", первые образцы которых появились в 1973 году, используют ся космонавтами до сегодняшнего дня. В «Гравитации» героиня Сандры Буллок использует костюм «Сокол КВ-2».

Современные скафандры для работы в открытом космосе превратились в полностью автономные космические корабли, оборудованные самыми различными устройствами для полноценной и безопасной работы. В будущем, по мнению ученых, будет использоваться специальный скафандр - Biosuit. Согласно идее инженеров, эластичная ткань скафандра нового поколения будет выложена по всей площади тонкими нитями из никель-титанового сплава. Подключенный к источнику питания костюм заставит нити сократиться, плотно облегая тело астронавта. В таком защитном облачении люди смогут с легкостью передвигаться по поверхности иных планет.
Все.

Познавательно. Зелень.

Присоединюсь....

zoom70
Хороший пост, спасибо!
Чуть дополню:

СССР очень хотел первым запустить на орбиту экипаж из трёх человек. Но места в кабине "Союз-11" для 3 ложементов космонавтов в скафандрах - не хватало. Поэтому они полетели - без. Что и привело. Были бы в автономных скафандрах - остались бы живы.

было интересно

занятно!
современный скафандр это же пресловутый экзоскелет. только вполне работоспособный.
но вот самое интересное упущено, на мой взгляд - как отводятся продукты жизнедеятельности, чем питаются (...а герморазъем на левой стороне шлема позволял космонавту в скафандре пить или принимать пищу...) и т.д. деталей, в общем, не хватает.

Это достойно отдельной темы, позже выложу.

я вот так думаю что рацион подобран так чтобы отходов было минимальное количество ...может ошибаюсь ... но вот так думаю

Экзоскелет снимает нагрузку с человека и выполняет какую-то работу за него.А скафандр обеспечивает благоприятную среду обитания,и в чем то нагрузку даже увеличивает.Хотя в будущем ,конечно..Смотрите фантастику,там показывают,что будет в будущем..

Классно, как же я бы хотел побывать в космосе....