Я выросту и стану космонавтом, — твердит любой мальчишка в коротеньких штанишках. Но, если еще каких-то несколько десятков лет полет в космос могли осуществить только избранные земляне, то уже сегодня — в век современных технологий, можно не только захотеть и к звездам улететь. Это уже новый вид туризма — космический.
Учитывая растущие темпы коммерческих перелетов и принимая во внимание запланированные миссии, космонавты регулярно выходят в открытый космос, который, к слову, по-прежнему остается крайне враждебной средой. Как бы не развивались технологии, но если вы случайно окажетесь в безвоздушном пространстве, вам едва ли удастся спастись. И дабы защититься от всех этих негативных факторов, космонавты используют защитные костюмы – скафандры. Костюм современного космонавта смотрится со стороны прекрасно, но надевать и носить его неудобно.
Решить эту проблему взялись инженеры из Массачусетского технологического института, и разработали концепцию скафандра будущего. Вместо громоздкого костюма астронавты и космические туристы будут облачены в гибкие обтекаемые одежды, которые защитят от опасностей космоса не хуже современных аналогов. Все это будет реально, если новая концепция исследователей дойдет до стадии коммерческого продукта.
Согласно идее разработчиков, легкая эластичная ткань костюма будет выложена по всей площади крошечными катушками. Подключенный к источнику питания на космическом корабле скафандр заставит катушки сократиться и обтянуть тело космонавта плотным коконом. В таком защитном облачении люди смогут с лёгкостью передвигаться по поверхности других планет, а если скафандр вдруг понадобится снять, для этого потребуется лишь небольшое физическое усилие.
Разработка концепции принадлежит команде, работающей под руководством Давы Ньюман, профессора аэронавтики, астронавтики и инженерных систем. Учёные уже изготовили прототип ткани «второй кожи», усеянной пружинообразными катушками, которые сокращаются, реагируя на тепло. Катушки изготовлены из сплава с памятью формы: если однажды ткань примет определённую форму, материал её повторит при нагревании.
Инженеры также вживили катушки в жгутообразные манжеты и подали электрический ток для создания тепла. При определенной температуре катушки «вспоминали» свою прежнюю форму и сжимали ткань вокруг тела человека. В ходе последующих испытаний группа обнаружила, что давление, генерируемое катушками, равно требуемой величине для полной поддержки астронавта в космосе.
Профессор аэронавтики отмечает: «Надевая обычный скафандр, человек оказывается в воздушном шаре газа, который обеспечивает необходимое для жизни давление в одну треть атмосферного. Мы хотим достичь той же степени, но посредством механического противодавления, прикладывая силу непосредственно к коже и избегая применения газа. В нашей концепции мы объединяем пассивые эластичные ткани и активные материалы, создавая удобный костюм для передвижения по другим планетам и в открытом космосе».
Чтобы найти активный материал, который был бы наиболее пригоден для использования в космосе, учёные протестировали 14 видов изменяющих форму материалов, начиная от диэлектрических эластомеров и заканчивая полимерами с памятью формы. Так они подобрали никель-титановые сплавы с памятью формы.
Из этого материала были изготовлены пружины-катушки малого диаметра, которые смогли производить значительное количество силы при нагреве. Весь материал при этом обладал небольшой массой.
Технологию создания катушкообразных волокон для ткани Ньюман и её команда позаимствовали у коллег-робототехников, также работающих в MIT. Сплавы с памятью формы можно «научить» возвращаться к первоначальной форме в ответ на определённую температуру.
Для «обучения» материала учёные сначала плотно смотали никель-титановые волокна в пружины с миллиметровым диаметром, после чего нагрели их до 450 градусов по Цельсию. При комнатной температуре, катушки могут быть растянуты или согнуты, словно скрепки, но перевалив за порог в 60 градусов по Цельсию, система начнёт меняться, и волокна вновь плотно свернутся в пружины.
Собрав из катушек и эластичного материала манжет, Ньюман и её коллеги успешно протестировали систему. При нагреве от 60 до 160°С катушки тянули на себя волокна и манжет затягивался, плотно облегая любое жёсткое тело.
«Как только космонавт наденет костюм, ему просто нужно будет подключить его к источнику питания, и он сам плотно прильнёт к телу», – отмечает Ньюман в пресс-релизе.
Теперь учёным предстоит найти способ зафиксировать материал в облегающем тело состоянии. Первый способ - это поддерживать постоянную высокую температуру, что невозможно, учитывая что это может быть болезненным для астронавта и слишком затратным по электроэнергии. Второй способ более реален: нужно будет понять, как можно заблокировать катушки от расслабления при снижении температур, пишут Вести.ru . Разработчики отмечают, что такой костюм может быть полезен далеко не только в космосе. Его могут носить солдаты, спасатели или спортсмены. Более того, система сжатия при повышении температур может мгновенно реагировать на возникшее огнестрельное ранение и затянуть рану покрепче, предотвратив чрезмерную потерю крови.
«Когда я вырасту, я стану космонавтом» - эта фраза стала символом целой эпохи, которая началась с космической гонки между ведущими странами мира и закончилась несбывшейся мечтой для многих из нас. Однако есть на планете Земля люди, которые регулярно выходят в открытый космос. И если сегодня для нас стало привычным делом, что на орбите всегда есть кто-то, кто парит в невесомости, когда-то это было настолько захватывающим, что миллионы людей не отрывали глаз от телевизоров, с замиранием сердца наблюдая за первыми потугами освоить космос.
К сожалению, мы родились слишком поздно, чтобы исследовать Землю. К счастью, мы станем первым поколением, с которого начнётся освоение других планет. В этой статье мы поговорим об одежде, без которой не состоится ни один межпланетный перелёт, ни один выход разумного человека в космос, - о скафандрах будущего.
Современные скафандры
Открытый космос - крайне враждебная среда. Если вы случайно окажетесь в безвоздушном пространстве, едва ли вас удастся спасти. В течение 15 секунд вы потеряете сознание из-за отсутствия кислорода. Кровь закипит, а после замёрзнет из-за отсутствия давления. Ткани и органы расширятся. Резкий перепад температур довершит начатое. Даже если вам удастся пережить всё это, не факт, что солнечный ветер не наградит вас вредоносным излучением.
Чтобы защититься от всех этих факторов, космонавты используют защитные костюмы - скафандры. История космического гардероба довольно интересная, однако за последние лет 30 в ней произошло не так много важных событий. Гораздо увлекательней то, что ждёт нас в ближайшем будущем, особенно если учесть растущие темпы коммерческих перелётов и принять во внимание запланированные миссии.
Сегодня российские космонавты используют скафандры «Сокол КВ-2» и «Орлан-МК» (для выхода в открытый космос), разработанные в 1970–1980-х годах. В 2014 году планируются испытания «Орлана-МКС», конструкция которого претерпела незначительные изменения - в целом скафандр почти тот же, что и его предшественник. Сегодня и всегда их производством занимается ОАО «НПП „Звезда" имени академика Г. И. Северина». Китай, кстати, наряжает своих космонавтов (или тайконавтов, если точнее) в костюмы, сделанные на базе советских: тот же «Сокол» и Feitian, представленные в 2003 и 2008 годах соответственно и используемые в миссиях «Шэньчжоу-5» и «Шэнчьжоу-7». США, хоть и заслуживающие уважения за многообещающие разработки, верны скафандрам 1994 и 1984 годов: ACES (AdvancedCrewEscapeUnit) и EMU (ExtravehicularMobilityUnit).
Американцев можно понять. Из-за проблем с финансированием космическая программа была серьёзно урезана. Возможно, если бы не это, они были бы уже на Венере (такая миссия действительно планировалась). Что касается успехов Роскосмоса, то, кроме вышеупомянутых испытаний «Орлана-МКС», ни о чём больше сказать нельзя. Если скафандры будущего в России делают, то делают подпольно.
НАСА планирует вернуться на Луну и активно разрабатывает новые скафандры, поскольку они понадобятся новым армстронгам и олдринам, которые будут оставлять следы на лунном песке. Однако, в отличие от программы «Аполлон-11», новые костюмы должны дать космонавтам больше возможностей. Например, свободное передвижение, которое облегчит работу на Луне, а также защиту от липкой как скотч лунной пыли.
Зато международные партнёры в лице Европейского космического агентства и Роскосмоса планируют пилотируемый полёт на Марс - о чём может свидетельствовать 500-дневный эксперимент, проведённый несколько лет назад. В рамках программы «Марс-500» шестеро членов международного экипажа (в том числе и россияне) провели 500 дней взаперти, имитируя полет на Марс. Возможно, в 2018 году полёт всё же состоится. Тут стоит знать, что основная проблема столь длительного перелета заключается в воздействии радиации, от которой не защищают ни скафандры, ни обшивка корабля. Полёт может оказаться крайне неблагоприятным.
Отметим, что для полета на Марс Роскосмосу совместно с партнёрами придётся разработать специальный скафандр. В рамках программы «Марс-500» члены экипажа использовали специальную версию скафандра «Орлан-Э» (что значит «экспериментальный»). Конструкторы в шутку называют его младшим братом - он практически идентичен остальным «Орланам», но в четыре раза легче и для космической прогулки по Марсу пока не подойдёт. Однако ляжет в основу будущего марсианского костюма.
Также полёт на Марс планируют еще несколько миллиардеров-филантропов - Бас Лансдорп (проект MarsOne, рассчитанный на колонизацию Марса в течение 2011–2033 годов) и Элон Маск (основатель SpaceX).
Сколько стоит скафандр? Модель, используемая НАСА, со всей экипировкой, системой жизнеобеспечения и оборудованием обходится в 12 миллионов долларов. «НПП „Звезда"» предпочитает не афишировать стоимость скафандра, однако поговаривают о 9 миллионах долларов.
Конструкция
Из каких материалов делают скафандры? Давайте разберём на примере EMU. Если первые космические скафандры целиком делали из мягких тканей, современные их варианты сочетают мягкие и жёсткие компоненты, которые обеспечивают поддержку, мобильность и удобство (хотя с последним ещё можно поспорить). Сам материал скафандр делается в 13 слоёв: два слоя внутреннего охлаждения, два сдавливающих слоя, восемь слоёв тепловой защиты от микрометеоритов и один внешний слой. Эти слои включают следующие материалы: трикотажный нейлон, спандекс, уретановый нейлон, дакрон, неопреновый нейлон, майлар, гортекс, кевлар (из которого делают бронежилеты) и номекс.
Все слои сшиты и скреплены вместе, чтобы стать цельным покрытием. Также, в отличие от первых скафандров, которые сшивались индивидуально для каждого космонавта, современные EMU обладают компонентами различных размеров, которые подойдут всем.
Скафандр EMU состоит из таких частей: MAG (собирает мочу космонавта), LCVG (устраняет излишки тепла в процессе прогулки по космосу), EEH (обеспечивает связью и биоинструментами), CCA (микрофон и наушники для связи), LTA (нижняя часть костюма, штаны, наколенники, наголенники и сапоги), HUT (верхняя часть костюма, твёрдая оболочка из стекловолокна, которая поддерживает несколько структур: руки, торс, шлем, рюкзак жизнеобеспечения и модуль управления), рукава, две пары перчаток (внутренние и внешние), шлем, EVA (защита от яркого солнечного света), IDB (внутрикостюмный мешок для питья), PLSS (первичная система жизнеобеспечения: кислород, энергия, уборка углекислого газа, охлаждение, вода, радио и система предупреждения), SOP (запасной кислород), DCM (модуль управления PLSS).
Плохо забытое старое
В 2012 году НАСА представило скафандр нового типа Z-1. Сделанный по образу и подобию скафандра Базза Лайтера из «Истории игрушек», этот костюм должен поступить в производство в 2015 году и будет обладать набором приятных качеств и функций.
Во-первых, шлем в форме пузыря обеспечивает огромное по сравнению с предыдущими вариантами поле зрения. Да, это не канонический «мотоциклетный шлем», но безопасность, по заверениям специалистов, будет на высшем уровне. Новый дизайн плечевых частей костюма предоставляет большую свободу движениям рук. Сзади в скафандре располагается люк, сквозь который пролезает космонавт, когда одевается. То есть скорее это скафандр, словно транспорт, принимает в себя пассажира, а не космонавт надевает на себя всё это.
Во-вторых, и очень важных «во-вторых», скафандр Z-1 будет одинаково пригоден как для выхода в открытый космос, так и для передвижений по поверхности планеты (в отличие от всего того, что носит экипаж МКС).
В-третьих, благодаря новейшим разработкам существенно упала необходимость лишний раз загружать скафандр канистрами с гидроксидом лития, абсорбирующим двуокись углерода, выдыхаемую человеком. Что ж, Z-1 мог бы стать отличной заменой EMU и отправить старый скафандр на пенсию.
В конце прошлого года стало известно, что НАСА испытывает новый облегчённый скафандр, поскольку Z-1 оказался слишком громоздким. Шаг назад? И вот второй: новый костюм станет модифицированной версией оранжевого костюма ACES, разработанного еще в 1960-х. Скафандр будет использоваться командой космического корабля «Орион», который будет ловить астероиды для сбора образцов и анализа. К сожалению, космическое агентство не приоткрывает завесу тайны над этой загадочной миссией, поэтому известно о ней не так много.
Два шага назад? Вот вам третий: челнок «Орион», по сути, является обновленным модулем «Аполлона». И здесь все элементы пазла складываются воедино: внутри ракетного модуля «Орион» слишком мало места, чтобы там можно было развернуться в скафандре типа EMU или Z-1. Кроме того, новый скафандр будет универсальным и предназначенным для работы как внутри, так и снаружи. Сами представители НАСА особенно подчеркивают такие плюсы нового скафандра, как низкая стоимость производства и наличие уже готовой системы жизнеобеспечения космонавта в новом скафандре. Однако есть твёрдая надежда, что Z-1, а вслед за ним и недавно анонсированный Z-2 всё же будут использовать, но в других миссиях.
Оранжевый оттенок был выбран для скафандров ACES из соображений безопасности. Это один из самых ярких цветов как в море, так и в космосе. Найти и спасти заблудшего космонавта было бы проще.
«Вторая кожа»
За время полёта в космосе позвоночник космонавта вытягивается на семь сантиметров. Это приводит к жутким болям в спине, что, конечно же, вызывает беспокойство у космических агентств. Специально для Европейского космического агентства немецкие инженеры разработали плотно прилегающий к телу костюм Skinsuit, который сшит из двунаправленной эластичной ткани из полиуретанового волокна. Костюм плотно сдавливает тело от плеч до стоп, имитируя обычное давление. Летные испытания костюма, сделанного из спандекса, запланированы на 2015 год. Впрочем, некоторые инженеры в своих разработках зашли ещё дальше.
Совсем недавно научный сотрудник лучшего в мире вуза (по версии QS) - Массачусетского технологического института - Дэва Ньюмен представила новый скафандр, над которым работала более десяти лет. Он называется Biosuit и, по мнению многих, может произвести революцию в освоении космоса силами людей.
Облегающий скафандр предоставляет астронавтам большую мобильность и предупреждает травмы («на плечах» астронавтов - 25 операций из-за травм от тяжелых скафандров). Основным мотивом работы Ньюмен было то, что женщины ниже определенного роста не могли использовать EMU, поскольку просто не делают таких маленьких скафандров. Для самой Дэвы это важный факт, поскольку высоким ростом она не отличается. Но есть и другие мотивы.
Во-первых, современные скафандры весят около 100 килограммов. Да, они предназначены для использования в невесомости, но с ними приходится возиться. Во-вторых, пространство само по себе не является пустым. В космосе также есть газ, и для стабилизации давления изнутри и снаружи скафандр «раздувается», ещё больше осложняя движения человека. Biosuit представляет собой плотно стянутую ткань из полимеров и активных материалов - сплава никеля и титана, поэтому самостоятельно оказывает давление на ткань человека, предотвращая её расширение и оставаясь при этом упругим и эластичным.
Также, поскольку этот костюм разделен на автономные секции, в случае прокола одной части у космонавта будет время наложить «повязку». Современные скафандры такого не умеют: треснул значит треснул, разгерметизация происходит по всей ширине предмета одежды. Однако у Дэвы остаются определённые проблемы со шлемом, поэтому сама изобретательница признаёт, что, как ни крути, скорее всего, мы увидим симбиоз EMU и Biosuit. Компромиссным решением было бы оставить нижнюю часть от Biosuit и шлем от EMU. Это обеспечит космонавта нужной мобильностью и проверенной безопасностью шлема. До первых полётов на Марс ещё есть время - и возможность придумать что-то новое.
Поехали?
Что касается начинки скафандров, то учёные серьёзно планируют превратить космонавтов будущего в ходячие лаборатории. Команда учёного Патрика Макгира из Чикаго занимается разработкой портативного компьютера для скафандра, который сможет самостоятельно (или почти самостоятельно - при помощи алгоритмов искусственного интеллекта на основе нейронных сетей) проводить целый ряд анализов: от оценки ландшафта до микроскопической структуры камней. Этот разумный скафандр готовится для полётов на Марс и успешно проходит испытания в полузасушливых районах Испании и отличил лишайник от налёта на камне. В диких условиях какого-нибудь Марса такой помощник может стать бесценным.
Конечно, только костюмами космонавтов современные разработки не ограничиваются. Эпоха космических путешествий объявляется открытой - и кто знает, может быть, именно вы войдёте в число первых космических туристов. В январе успешно прошёл третий и очень впечатляющий тестовый полёт космического корабля Space Ship Two, созданием которого занимается Virgin Galactic и лично Ричард Брэнсон. Похоже на то, что именно «Девственная галактика», по всей видимости, станет первой компанией, предоставляющей шикарную экскурсию на околоземную орбиту, а может, и дальше.
Скафандры для нас с вами тоже готовятся. Американская компания Final Frontier Design представила легкий вариант костюма 3G Space Suit для космических туристов. Удобный, лёгкий (всего семь килограммов - это вам не 100-килограммовый EMU) и недорогой скафандр создавался четыре года на гребне славы предыдущего изобретения компании, сорвавшего престижную награду Popular Science 2013, - особых космических перчаток. Только послушайте, как круто звучит: «Плавленый слой нейлона с уретановым покрытием, 13 уровней под индивидуальный размер, кольцо из углеродного волокна вокруг талии, съёмные перчатки, встроенный коммуникационный разъём, а также охлаждающие контуры в районе груди, рук и ног, защищающие путешественника от перегрева…»
Кажется, запахло космосом. Выбирайте костюм по плечу и приготовьтесь увидеть, как на лунном востоке поднимается слепящий шар - наша с вами Земля.
Хоть до высадки людей на Марс должно пройти еще в лучшем случае несколько десятилетий, разработка космических скафандров, способных защитить будущих смельчаков, уже идет полным ходом.
В прошлом году NASA провели конкурс, в котором дали каждому человеку возможность предложить свой дизайн внешнего вида Z-2 – нового скафандра, обеспечивающего исследователям Красной планеты достаточную подвижность. В свою очередь, компания ILC Dover – опытный изготовитель скафандров, находящийся в городе Фредерика, штат Дэлавер, нанесла на образец финальные штрихи и уже в ближайшие месяцы продемонстрирует результат.
Кто-то может возразить, что человечество не сможет отправить людей на Марс так скоро. Современные скафандры созданы для удобной работы при нулевой гравитации, но никак не для сурового многомесячного путешествия к Горе Олимпа.
Что же будет из себя представлять первый марсианский скафандр? Будет ли он напоминать нынешнюю экипировку - жесткий наполненный газом мешок в форме человеческого тела? Или же нашему взору предстанет нечто облегающее как, например, концепт под названием BioSuit, в котором предполагалось использовать эластичные материалы, принимающие форму тела, что позволило бы правильно распределять давление путем равномерного сжатия тела, созданный в Массачусетском университете?
Дэвид Клаус – профессор аэрокосмической инженерии Колорадского университета в Боулдере утверждает, что мы, вполне вероятно, стоим на пороге дизайнерского прорыва. «Возможно, первые скафандры будут похожи на Z-2. Они будут справляться со своим предназначением, хоть и не будут идеальными»,- считает ученый.
Разработка Z-2 еще не завершена, но со слов инженеров и других экспертов по созданию скафандров можно приблизительно воссоздать то, во что будут экипированы первые люди на Марсе.
Главное требование, конечно, заключается в обеспечении будущим исследователям достаточной защиты. С точки зрения физиологических норм условия на поверхности Марса практически идентичны вакууму, то есть атмосфера красной планеты дает давление, составляющее менее 1% от земного. Из этого следует, что астронавтам будущего предстоит столкнуться с теми же опасностями, что и сегодняшним: любая трещина в скафандре быстро превратит воду в их тканях и венах в пар.
Но это не все, что будет поджидать путешественников на Марсе. Слабое магнитное поле планеты практически не дает защиты от частиц солнечного ветра и космической радиации, и влияние более разреженной атмосферы должно быть также учтено в конструкции скафандра. Защита, используемая на МКС, превращает вакуум в преимущество: благодаря ему между слоями скафандра обеспечивается теплоизоляция. Но стоит спуститься в таком костюме на поверхность Марса, как молекулы тут же просочатся между этими слоями и лишат тело астронавта тепла.
Будущим исследователям предстоит столкнуться с тем, что не беспокоило их со времен лунных миссий Аполлона: пылью. Висящая в воздухе и когда-то заточенная водой марсианская пыль, вероятно, мягче лунной, но она легко поднимается в воздух. Она может расцарапать забрало скафандра и забить собой его шарниры и суставы, что требует усовершенствования их отражательных свойств. Если она проникнет в марсоход или жилой отсек, здоровью человека может быть нанесен ощутимый вред.
Но даже если современные скафандры и смогут защитить исследователей Марса, работать в них будет весьма проблематично. Из-за того, что гравитация красной планеты составляет 38% от земной, притяжение на ней будет довольно сильным. Сегодня скафандры оптимизированы для движения в практически полном вакууме с использованием ручных зацепок, поэтому в районе бедер, суставов и колен они особенно гибкие. «Имеющиеся сегодня скафандры не созданы для прогулок»,- уверяет Джеффри Хоффман – бывший астронавт и нынешний директор лаборатории пилотируемых космических аппаратов (англ. Man Vehicle Laboratory) Массачусетского технологического института (MIT).
При создании Z-2 в NASA учитывают эту проблему. «Сейчас мы работаем в направлении скафандра, в котором можно отправиться на космическую станцию в качестве демонстрации, но нельзя забывать, что он предназначен, в первую очередь, для передвижения по поверхности планеты»,- рассказала Эми Росс – глава продвинутой команды разработчиков скафандров в Космическом центре имени Линдона Джонсона в городе Хьюстоне.
Как и предшественники, Z-2 наполнен газом и состоит из трех основных слоев: силовой оболочки для поддержания давления; структурного слоя, придающего форму скафандру и обеспечивающего движение соединений и внешних слоев, поддерживающих теплоизоляцию и защищающую скафандр от проколов. Но главное его отличие в том, он достаточно гибкий, что в нем можно наклоняться. Z-2 оснащен усовершенствованными шарнирами и суставами, особенно в области бедер, плеч и талии.
Во всех современных скафандрах, как в русских, так и в американских, вход осуществляется сзади. Идея в том, чтобы костюм можно было хранить снаружи космического аппарата или жилого отсека, чтобы не допустить его контакта с пылью. Костюм будет частью компактной системы кондиционирования воздуха; исследователь Марса, предположительно, будет входить в него через комлпескную ранцевую систему со встроенной системой жизнеобеспечения. В открытом состоянии люк скафандра прикреплен ко внутреннему люку космического аппарата. По завершении входа, оба люка закрываются, и астронавт остается в закрепленном состоянии, пока не снимет фиксаторы.
Теоретически, подготовить скафандр к работе можно весьма быстро. Для улучшения подвижности, существующие российские и американские костюмы хранятся под относительно низким давлением. Астронавты должны надолго задержать дыхание, в то время как давление вокруг них постепенно понижается, чтобы снизить риск появления высотных болей. Аквалангисты сталкиваются с этой же угрозой при подъеме на поверхность с большой глубины, когда при низком давлении в теле появляются опасные пузырьки из растворенных газов.
Z-2 способен функционировать при давлении, равном примерно 8.3 футам на квадратный дюйм (57 000 паскалей). Давление на уровне моря и на МКС не превышает и половины этого значения, но все же астронавтам нельзя игнорировать процедуру задержки дыхания. Для сопротивления более высокому давлению на самых широких участках, таких как область паха и грудной клетки, в этих местах костюм сделан из жестких материалов, таких как композит волокна и полимеров. Джинни Ферл – управляющая разработкой скафандров в компании ILC Dover добавила, что эти уплотненные части могут также защитить астронавта от падений
Но Z-2 всё же ещё не готов для выхода на Марс. Ферл рассказала, что внешние слои скафандра еще не оснащены защитой от экстремальных температур и радиации.
Более того, решения некоторых проблем до сих пор не найдены. Конструкция Z-2 тесно связана с новой системой жизнеобеспечения, способной лучше удалять углекислый газ, и все это вместе весит 140 килограмм, что, по словам Росс из NASA, делает его довольно тяжелым. Такую же массу имеют скафандры, применяемые сегодня Соединенными Штатами на МКС, без аварийного двигателя. Однако она упоминает, что даже с такой массой новая система способна на большее: части Z-2 обладают большей подвижностью, а новая система жизнеобеспечения более надежна и может работать дольше.
В будущем мы сможем увидеть появление более подвижных и обволакивающих тело скафандров. Хоффман считает, что концепт BioSuit Массачусетского технологического института уже проложил путь в этом направлении несмотря на то, что находится лишь на начальной стадии разработки. То и дело возникают все новые и новые сложности, как, например, обеспечение давления на вогнутых участках костюма (с обратной стороны коленей и на суставах пальцев). В настоящий момент ученые еще не разработали прототип, обеспечивающий достаточное для защиты от вакуума давление, но работа над этим идет полным ходом.
В это же время в Колорадском университете в Боулдере Клаус с коллегами изучает другие возможности по увеличению возможностей скафандра. Например, уже в этом году он с окончившим университет студентом Кристофером Массина рассказал о возможности снизить расходы воды на поддержание стабильной температуры путем превращения космического скафандра в большой передвижной радиатор. Для этого используются материалы, способные изменять свойства поверхности и таким образом регулировать силу поглощения или отражения света по необходимости.
Клаус признает, что наше поколение вряд ли опробует все эти инновации. Но в случае с Марсом лучше думать наперед.
Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш
Следует начать с самого определения слова скафандр, которое с древнегреческого дословно переводится как «судно человека» или «лодкочеловек». Первым употребил данное слово, в известном нам смысле, французский аббат и математик Ла Шапель для описания разработанного им костюма. Упомянутый костюм являлся аналогом водолазного и предназначался для комфортной переправы солдат через реку. Несколько позже были созданы авиационные скафандры для летчиков, цель которых – обеспечить спасение летчика при разгерметизации кабины и во время катапультирования. С началом космической эры сформировался новый тип скафандра – космический.
Скафандр первого космонавта («СК-1») – Юрия Гагарина, был спроектирован как раз на базе авиационного костюма «Воркута». «СК-1» являлся мягким типом скафандра, который состоял из двух слоев: термопластика и герметичной резины. Внешний слой скафандра был обличен в оранжевый чехол, для более удобного проведения поисковых работ. Кроме того, под скафандр надевался теплозащитный комбинезон. К последнему крепились трубопроводы, задача которых заключалась в вентиляции костюма, вывода влаги и углекислоты, выделяемой человеком. Вентиляция происходила при помощи специального шланга, подключаемого к скафандру внутри кабины. Также «СК-1» имел так называемое ассинтезирующее устройство – нечто вроде эластичных трусов со сменными поглощающими прокладками.
Основная цель такого скафандра – уберечь космонавта от пагубного влияния окружения в аварийной ситуации. Поэтому при разгерметизации вентиляционный шланг мгновенно отсекался, опускалось забрало шлема и запускалась подача воздуха и кислорода из баллонов. При нормальной работе корабля, время работы скафандра составляло около 12-ти суток. В случае же разгерметизации или неполадки системы жизнеобеспечения (СЖО) – 5 часов.
Современный космический скафандр
Выделяют два основных типа космических скафандров: жесткий и мягкий. И если первый может вместить внушительный функционал системы жизнеобеспечения и дополнительные защитные слои, то второй — менее громоздкий и значительно повышает маневренность космонавта.
К первому выходу человека в открытый космос (Алексей Леонов) космические скафандры разделились еще на три типа: для спасения в случае аварийной ситуации, для работы в открытом космосе (автономный), а также универсальный.
Базовой моделью российского скафандра без выхода в открытый космос является «Сокол», американского «ACES». Первая модель «Сокола» вошла в эксплуатацию в 1973-м году, и надевается космонавтами при каждом полете на кораблях «Союз».
«Сокол»
Конструкция современной версии скафандра («СОКОЛ КВ-2») включает два склеенных слоя: силовой – снаружи, и герметичный – внутри. К гермооболочке подведены трубопроводы для осуществления вентиляции. Трубопровод для подведения кислорода подключен только к шлему скафандра. Габариты скафандра зависят напрямую от параметров человеческого тела, но имеют требования к космонавту: рост 161-182 см, обхват груди – 96-108 см. В целом значительных нововведений в этой модели не было и скафандр отлично справляется с поставленной целью – сохранение безопасности космонавта во время космической транспортировки.
«Орлан-МК»
Советский космический скафандр, предназначенный для ведения работ в открытом космосе. Модель МК применяется на МКС с 2009-го года. Данный скафандр является автономным и способен поддерживать безопасную работу космонавта в открытом космосе в течение семи часов. В конструкцию «Орлан-МК» входит небольшой компьютер, который позволяет видеть состояние всех систем скафандра во время внекорабельной деятельности (ВКД), а также рекомендации в случае неполадок какой-либо из систем. Шлем скафандра имеет золотое напыление для уменьшения вредного влияния солнечных лучей. Стоит отметить, что в шлеме имеется даже специальная система для продувки ушей, которые закладывает при изменении давления внутри скафандра. Ранец, расположенный позади скафандра, содержит механизм снабжения кислородом. Вес «Орлан-МК» составляет 114 кг. Время работы вне корабля – 7 часов.
О стоимости такого скафандра можно лишь предполагать: в диапазоне от 500 тыс. долларов до 1.5 млн долларов.
«A7L»
Настоящие испытания для разработчиков скафандров начались с момента начала подготовки высадки астронавтов на Луну. Для осуществления поставленной задачи был разработан скафандр «A7L». Кратко говоря о конструкции данного скафандра, следует упомянуть несколько особенностей. «A7L» состоял из пяти слоев, имел теплоизоляцию. Внутренний гермокостюм имел несколько разъемов для СЖО, внешняя прочная оболочка включала два слоя: противометеорный и огнестойкий. Сама оболочка была сделана из 30-ти различных материалов для обеспечения вышеупомянутых характеристик. Заметным компонентом «A7L» являлся носимый на спине ранец, который содержал основные компоненты СЖО. Примечательно, что во избежание перегрева астронавта, а также запотевания гермошлема, внутри скафандра циркулировала вода, которой передавалось тепло, выделяемое телом человека. Нагретая вода поступала в ранец, где охлаждалась посредством сублимационного холодильника.
«EMU»
Extravehicular Mobility Unit или «EMU» — американский костюм для внекорабельной деятельности, который наряду с «Орлан-МК» используется космонавтами для выхода в открытый космос. Является полужестким костюмом, по большей части схожем с российской разработкой. Среди некоторых отличий:
- Литровый контейнер с водой, подключенный трубкой к шлему;
- Усиленный корпус, способный выдерживать температуры в диапазоне от –184 °с до +149°с;
- Время работы в открытом космосе – 8 часов;
- Несколько меньшее давление внутри скафандра – 0,3 атм., в то время как у «Орлан МК» — 0,4 атм.;
- Имеется видеокамера;
- Наличие вышеперечисленных особенностей сказалось на весе костюма, который составляет около 145 кг.
Стоимость одного такого скафандра составляет 12 млн долларов.
Одежда космонавтов будущего
Недалеко заглядывая, скажем о введение в эксплуатацию новой модификации скафандра «Орлан-МКС» в 2016-м году. Основными особенностями данной модели является автоматическая терморегуляция, в зависимости от сложности выполняемой космонавтом работы в данный момент, и автоматизация подготовки скафандра для выполнения выхода в открытый космос.
НАСА также занимается разработкой новых скафандров. Один из таких прототипов уже проходит тестирование – «Z-1». Несмотря, что «Z-1» внешне очень схож со скафандром Базза Лайтера из мультфильма «История игрушек», его функционал имеет некоторые значительные инновации:
- Наличие универсального порта в задней части скафандра позволит подключать к нему как автономную СЖО, в виде ранца, так и систему жизнеобеспечения, предоставляемую кораблем;
- Повышенная подвижность астронавта в скафандре достигнута за счет: новая технология «вставок» в местах сгиба частей тела, мягкая конструкция костюма, а также относительно небольшой вес – около 73-х кг, в сборке для ВКД. Мобильность астронавта в «Z-1» настолько высока, что позволяет ему наклониться и достать до пальцев ног, присесть на колено, а то и вовсе сесть в позу похожую на позу «лотоса».
Но с «Z-1» уже на начальных этапах возникли проблемы – его громоздкость не позволяет находиться в нем астронавтам на борту некоторых космических кораблей. Поэтому НАСА, помимо «Z-1» и уже анонсированной модификацией — «Z-2», сообщает о работе над еще одним прототипом, особенности которого пока не раскрываются.
Нельзя не отметить, что в данной области возникают и инновационные смелые предложения, наиболее известное из которых — «Biosuit». Дэва Ньюмен — профессор Аэронавтики одного из лучших вузов мира (Массачусетского технологического) работала над концепцией такого костюма более 10-ти лет. Особенностью «Biosuit» является отсутствие пустого пространства в костюме для наполнения его газами с целью создания внешнего давления на тело. Последнее – производится механическим образом при помощи сплава титана и никеля, а также полимеров. То есть скафандр сам стягивается, создавая давление на тело. Будучи разделен на сегменты, «Biosuit» «не боится» проколов скафандра в том или ином места, так как место прокола не приведет к разгерметизации всего костюма, и может быть просто заклеено. Кроме того, данная технология значительно понизит вес скафандра и предотвратит травмы астронавтов, возникающие в результате работы в тяжелом костюме. Что еще остается в процессе разработки – так это шлем, который, к сожалению, по указанной технологии создать скорее всего не удастся. А посему, вероятно, в будущем нас ожидает некий симбиоз скафандра «Biosuit» и «EMU».
Подводя итоги, хочется отметить, что стремительное развитие технологий приводит к столь же стремительному развитию космической техники, инструментов и снаряжения. Тормозным фактором развития скафандров может быть лишь финансирование, так как данное снаряжение стоит миллионы долларов.
aslan wrote in April 12th, 2017Мало кто знает, что для советской экспедиции на Луну была полностью готова и испытана только одна компонента — космический лунный скафандр «Кречет». Еще меньше людей знают, как он устроен.
С развитием реактивной авиации всерьез встали проблемы защиты и спасения экипажа при высотных полетах. С падением давления человеческому организму становится все труднее усваивать кислород, обычный человек без особых проблем может находиться на высоте не более 4−5 км. На больших высотах необходимо добавление кислорода во вдыхаемый воздух, а с 7−8 км человек вообще должен дышать чистым кислородом. Выше 12 км легкие и вовсе теряют возможность усваивать кислород — для поднятия на большую высоту требуется компенсация давления.
На сегодняшний день существует всего два типа компенсации давления: механическая и создание вокруг человека газовой среды с избыточным давлением. Типичным примером решения первого типа служат высотные компенсационные летные костюмы — например, ВКК-6, применяемые пилотами «МиГ-31». В случае разгерметизации кабины такой костюм создает давление, сдавливая тело механическим путем. В основе такого костюма лежит довольно остроумная идея. Тело пилота опутывают ленточки, напоминающие восьмерку.
В меньшее отверстие пропущена резиновая камера. В случае разгерметизации в камеру подается сжатый воздух, она увеличивается в диаметре, сокращая, соответственно, диаметр кольца, опутывающего пилота. Однако такой метод компенсации давления является экстремальным: тренированный летчик в компенсирующем костюме может провести в разгерметизированной кабине на высоте не более 20 минут. Да и создать равномерное давление на все тело таким костюмом невозможно: некоторые участки тела оказываются перетянутыми, некоторые — вообще несдавленными.
Другое дело — скафандр, по сути, представляющий собой герметичный мешок, в котором создано избыточное давление. Время пребывания человека в скафандре практически не ограничено. Но и он имеет свои недостатки — ограничение подвижности летчика или космонавта. Что такое рукав скафандра? Практически это аэробалка, в которой создано избыточное давление (в скафандрах обычно поддерживается давление в 0,4 атмосферы, что соответствует высоте 7 км). Попробуйте согнуть накачанную автомобильную камеру. Трудновато? Поэтому один из самых охраняемых секретов производства скафандров — технология производства специальных «мягких» шарниров. Но обо всем по порядку.
«Воркута»
Первые скафандры, до войны изготавливаемые в ЛИИ им. Громова, создавались в исследовательских целях и использовались в основном для экспериментальных полетов на стратосферных воздушных шарах. После войны интерес к скафандрам возобновился, и в 1952 году в подмосковном Томилине было открыто специальное предприятие по изготовлению и разработке таких систем — Завод № 918, ныне НПП «Звезда». В течение 50х годов предприятие разработало целую линейку экспериментальных скафандров, но только один из них, «Воркута», созданный под перехватчик «Су-9», был выпущен малой серией.
Практически одновременно с выпуском «Воркуты» предприятию было выдано задание на разработку скафандра и системы спасения для первого космонавта. Первоначально КБ Королева выдало «Звезде» техзадание на разработку скафандра, целиком замкнутого на систему жизнеобеспечения корабля. Однако за год до полета Гагарина было получено новое задание — на обычный защитный костюм, рассчитанный на спасение космонавта только при его катапультировании и приводнении.
Противники скафандров вероятность разгерметизации корабля считали чрезвычайно малой. Еще через полгода Королев опять поменял решение — на этот раз в пользу скафандров. За основу были взяты уже готовые авиационные скафандры. Времени на состыковку с бортовой системой корабля уже не осталось, поэтому был принят автономный вариант системы жизнеобеспечения скафандра, размещаемый в катапультном кресле космонавта.
Оболочка для первого космического скафандра СК-1 была во многом позаимствована от «Воркуты», но шлем был сделан полностью заново. Задача ставилась предельно жестко: скафандр должен был спасти космонавта обязательно! Никто не знал, как поведет себя человек во время первого полета, поэтому система жизнеобеспечения строилась так, чтобы спасти космонавта, даже если он потеряет сознание, — многие функции были автоматизированы. Например, в шлеме был установлен специальный механизм, управляемый датчиком давления. И если в корабле оно резко падало, специальный механизм мгновенно захлопывал прозрачное забрало, полностью герметизируя скафандр.
Послойно
Скафандры состоят из двух основных оболочек: внутренней герметичной и внешней силовой. В первых советских скафандрах внутренняя оболочка изготавливалась из листовой резины методом элементарного склеивания. Резина, правда, была специальной, для ее производства применялся высококачественный натуральный каучук. Начиная со спасательных скафандров «Сокол» герметичная оболочка стала резинотканевой, однако в скафандрах, предназначенных для выхода в открытый космос, альтернативы листовой резине пока не предвидится.
«Лунный» скафандр астронавтов - участников миссий Apollo.
Внешняя оболочка — тканевая. Американцы для нее используют нейлон, мы — отечественный аналог, капрон. Она защищает резиновую оболочку от повреждений и держит форму. Лучшей аналогии, чем футбольный мяч, придумать сложно: кожаный внешний чехол защищает внутреннюю резиновую камеру от бутс футболистов и обеспечивает неизменные геометрические размеры мяча.
Провести продолжительное время в резиновом мешке никакой человек не сможет (кто имеет армейский опыт марш-бросков в прорезиненном общевойсковом защитном комплекте, поймет это особенно хорошо). Поэтому в каждом скафандре в обязательном порядке присутствует система вентиляции: по одним каналам подводится ко всему телу кондиционированный воздух, по другим — отсасывается.
По методу работы системы жизнеобеспечения скафандры делятся на два вида — вентиляционные и регенерационные. В первых, более простых по конструкции, использованный воздух выбрасывается наружу, аналогично современным аквалангам. По такому принципу были устроены первые скафандры СК-1, скафандр Леонова для выхода в открытый космос «Беркут» и легкие спасательные скафандры «Сокол».
Термос
Для длительного пребывания в космосе и на поверхности Луны потребовались регенерационные скафандры длительного пребывания — «Орлан» и «Кречет». В них выдыхаемый газ регенерируется, из него отбирается влага, воздух донасыщается кислородом и охлаждается. По сути, такой скафандр в миниатюре копирует систему жизнеобеспечения целого космического корабля. Под скафандр космонавт одевает специальный сетчатый костюм водяного охлаждения, весь пронизанный пластиковыми трубками с охлаждающей жидкостью. Проблемы обогрева в выходных скафандрах (предназначенных для выхода в открытый космос) не возникала никогда, даже если космонавт работал в тени, где температура стремительно падает до -100С.
Дело в том, что наружный комбинезон идеально выполняет функции теплозащитной одежды. Для этого впервые была применена экранно-вакуумная изоляция, работающая по принципу термоса. Под внешней защитной оболочкой комбинезона расположены пять-шесть слоев специальной пленки из особого полиэтилена, терифталата, с двух сторон которой напылен алюминий. В вакууме между слоями пленки теплообмен возможен только за счет излучения, которое переотражается обратно зеркальной алюминиевой поверхностью. Внешний теплообмен в вакууме в таком скафандре настолько мал, что считается равным нулю, и при расчете учитывается только внутренний теплообмен.
Впервые экранно-вакуумная теплозащита была применена на «Беркуте», в котором Леонов вышел в открытый космос. Однако под первые спасательные скафандры, которые работали не в вакууме, одевался ТВК (теплозащитный вентилируемый костюм), сделанный из теплого простеганного материала, в котором и были проложены вентиляционные магистрали. В современных спасательных скафандрах «Сокол» этого нет.
Помимо всего этого на космонавтов надевается хлопчатобумажное белье со специальной антибактериальной пропиткой, под которым расположен последний элемент — специальный нагрудник с закрепленными на нем телеметрическими датчиками, передающими информацию о состоянии организма космонавта.
Соколята
Скафандры были на кораблях не всегда. После успешных шести полетов «Востоков» они были признаны бесполезным грузом, и все дальнейшие корабли («Восходы» и «Союзы») проектировались на полет без штатных скафандров. Целесообразным было принято использование только внешних скафандров для выхода в открытый космос. Однако гибель в 1971 году Добровольского, Волкова и Пацаева в результате разгерметизации кабины «Союза-11» заставила снова вернуться к проверенному решению. Однако старые скафандры в новый корабль не влезали. В срочном порядке под космические нужды стали адаптировать легкий скафандр «Сокол», изначально разрабатываемый для сверхзвукового стратегического бомбардировщика Т-4.
Задача оказалась не из легких. Если при приземлении «Востоков» космонавт катапультировался, то «Восходы» и «Союзы» осуществляли мягкую посадку с экипажем внутри. Мягкая она была только относительно — удар при приземлении был ощутимый. Амортизировало удар энергопоглощающее кресло «Казбек» разработки все той же «Звезды». Формовался «Казбек» индивидуально под каждого космонавта, который лежал в нем без единого зазора. Поэтому кольцо, к которому крепится шлем скафандра, при ударе обязательно бы сломало шейный позвонок космонавта.
В «Соколе» было найдено оригинальное решение — секторный шлем, не закрывающий затылочную часть скафандра, которая делается мягкой. Из «Сокола» также убрали ряд аварийных систем и теплозащитный слой, так как в случае приводнения при покидании «Союза» космонавты должны были переодеться в специальные костюмы. Была сильно упрощена и система жизнеобеспечения скафандра, рассчитанная всего на два часа работы.
В итоге «Сокол» стал бестселлером: начиная с 1973 года их было изготовлено более 280 штук. В начале 90-х два «Сокола» были проданы в Китай, и первый китайский космонавт полетел покорять космос в точной копии русского скафандра. Правда, нелицензионной. А вот скафандры для открытого космоса китайцам никто не продал, поэтому выхода в открытый космос они пока даже не планируют.
Кирасиры
В целях облегчения конструкции и увеличения подвижности внешних скафандров существовало целое направление (прежде всего в США), изучавшее возможность создания цельнометаллических жестких скафандров, напоминающих глубоководные водолазные. Однако частичное воплощение идея нашла только в СССР. Советские скафандры «Кречет» и «Орлан» получили комбинированную оболочку — жесткий корпус и мягкие ноги и руки. Сам корпус, который конструкторы называют кирасой, сваривается из отдельных элементов из алюминиевого сплава типа АМГ. Такая комбинированная схема оказалась на редкость удачной и сейчас копируется американцами. А возникла она по необходимости.
Американский лунный скафандр был сделан по классической схеме. Вся система жизнеобеспечения располагалась в негерметичном ранце на спине астронавта. Советские конструкторы, возможно, также пошли бы по этой схеме, если бы не одно «но». Мощность советской лунной ракеты Н-1 позволяла доставить на Луну только одного космонавта, в отличие от двух американских, а облачиться в одиночку в классический скафандр не представлялось возможным. Поэтому и была выдвинута идея жесткой кирасы с дверцей на спине для входа внутрь.
Специальная система тросиков и боковой рычаг позволяли надежно закрыть за собой крышку. Вся система жизнеобеспечения располагалась в откидной дверце и работала не в вакууме, как у американцев, а в нормальной атмосфере, что упрощало конструкцию. Правда, шлем пришлось делать не поворотным, как в ранних моделях, а монолитным с корпусом. Обзор же компенсировался гораздо большей площадью остекления. Сами шлемы в скафандрах настолько интересны, что заслуживают отдельной главы.
Шлем всему голова
Шлем — важнейшая часть скафандра. Еще в «авиационном» периоде скафандры делились на два типа — масочные и безмасочные. В первом — летчик использовал кислородную маску, по которой подавалась воздушная смесь для дыхания. Во втором — шлем отделялся от остального объема скафандра своеобразным воротничком, шейной герметичной шторкой. Такой шлем играл роль большой кислородной маски с непрерывной подачей дыхательной смеси. В итоге победила безмасочная концепция, которая обеспечивала лучшую эргономику, хотя и требовала большего расхода кислорода для дыхания. Такие шлемы и перекочевали в космос.
Космические шлемы также делились на два типа — съемные и несъемные. Первый СК-1 комплектовался несъемным шлемом, а вот леоновский «Беркут» и «Ястреб» (в котором Елисеев и Хрунов в 1969 году переходили из корабля в корабль) имели съемные шлемы. Причем присоединялись они специальным герморазъемом с гермоподшипником, что давало возможность космонавту вертеть головой. Механизм поворота был довольно интересен.
На кадрах кинохроники хорошо видны шлемофоны космонавтов, которые изготавливаются из ткани и тонкой кожи. На них смонтированы системы связи — наушники и микрофоны. Так вот, выпуклые наушники шлемофона входили в специальные пазы жесткого шлема, и при повороте головы шлем начинал вращение вместе с головой, как башня танка. Конструкция была довольно громоздкой, и от нее в дальнейшем отказались. На современных скафандрах шлемы несъемные.
Обязательный элемент шлема для выхода в космос — светофильтр. У Леонова был маленький внутренний светофильтр самолетного типа, покрытый тонким слоем серебра. При выходе в космос Леонов ощутил очень интенсивное нагревание нижней части лица, а при взгляде в сторону Солнца защитные свойства серебряного светофильтра оказались недостаточными — свет был ослепительно ярким. Исходя из этого опыта, все последующие скафандры стали оборудоваться полными наружными светофильтрами с напыленным довольно толстым слоем чистого золота, обеспечивающего пропускание всего 34% света. Самая большая площадь остекления — у «Орлана».
Причем на последних моделях есть даже специальное окошко сверху — для улучшения обзора. Разбить «стекло» шлема практически невозможно: делается оно из сверхпрочного поликарбоната лексана, который также используется, например, при остеклении бронекабин боевых вертолетов. Однако и стоит «Орлан» как два боевых вертолета. Точную цену не называют, но предлагают ориентироваться на стоимость американского аналога — $12 млн.
