СКАФАНДР
СКАФАНДРЫ И ВЫХОДЫ В ОТКРЫТЫЙ КОСМОС
Скафандр — это одноместный космический корабль, который приходится сгибать. Накачайте его до обычного давления воздуха, и он станет жёстким, как шина; спустите до трети — и астронавт рискует кессонной болезнью, когда азот вскипает в крови. Скафандр NASA работает при 4,3 фунта на кв. дюйм чистого кислорода — примерно как баскетбольный мяч — и расплачивается за это часами дыхания кислородом перед выходом. Шесть глав и два прибора: выберите давление в скафандре и спланируйте десатурацию, при которой азот останется растворённым.
НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →Давление, кислород, охлаждение, защита
В вакууме телу нужно давление вокруг, кислород для дыхания, способ сбрасывать тепло и защита от радиации, микрометеороидов и орбитального мусора [1]. Первый человек в открытом космосе, Алексей Леонов, в 1965 году обнаружил, что скафандр раздуло так, что для возвращения пришлось стравить давление (см. ПЕРВЫЙ). С тех пор каждый скафандр борется с той же проблемой: оболочка под давлением сопротивляется каждому сгибу.
Лунные скафандры «Аполлона» работали при 25,8 кПа (3,75 фунта на кв. дюйм) — достаточно низко для долгой ходьбы и настоящей работы на Луне, с костюмами жидкостного охлаждения. Скафандр EMU для шаттла и МКС вырос из усовершенствованной конструкции «Аполлона» и работает при 29,6 кПа (4,3 фунта на кв. дюйм) — примерно как давление в баскетбольном мяче [1]. Даже так его жёсткость может травмировать плечи, запястья и ногти [1].
Низкое давление легче гнуть — и пузыри появляются раньше
В кабине МКС обычный воздух при давлении около 14,5–14,7 фунта на кв. дюйм, 79 % азота [1]. Тело, живущее в нём, несёт около 11,6 фунта на кв. дюйм растворённого в тканях азота [2]. Резкое падение до 4,3 — и этот азот намного выше окружающего давления: как встряхнутая бутылка, которую открыли, он может образовать пузыри — декомпрессионная болезнь.
NASA оценивает риск тканевым коэффициентом R: давление азота в модельной ткани с периодом полунасыщения 360 минут, делённое на давление в скафандре. Для EMU при 4,3 фунта на кв. дюйм допустимо R ≤ 1,65; российский «Орлан» при 5,8 работает примерно при 1,85 для равного риска, так что сам предел зависит от давления в скафандре [2][4]. Выберите давление ниже и посмотрите R сразу из кабины, без десатурации.
R без десатурации = 11,6 ÷ давление в скафандре [2]. Кислород для дыхания: чистый O₂ при давлении скафандра против 0,21 × 14,7 = 3,1 фунта на кв. дюйм в воздухе на уровне моря. «Жёсткость» показана просто пропорциональной давлению: усилие сгиба герметичного тканевого сустава растёт с перепадом давления; конструкция суставов меняет коэффициент, но не тенденцию.
Часы кислорода перед открытием люка
Дыхание чистым кислородом позволяет растворённому азоту медленно покидать тело. В 360-минутной ткани давление азота падает экспоненциально: P(t) = Pa + (P₀ − Pa) e−kt, где k = ln 2 / 360 мин [2][4]. Только кислородом с 14,7 фунта на кв. дюйм до R ≈ 1,65 нужно около четырёх часов — слишком долго, чтобы сидеть в скафандре.
На шаттле использовался ступенчатый протокол: 60 минут кислорода через маску, затем давление во всей кабине снижали до 10,2 фунта на кв. дюйм с 26,5 % кислорода не менее чем на 12 часов, затем 40–75 минут кислорода в скафандре [3]. На МКС поддерживается обычный воздух, поэтому выходящие ночуют в шлюзе при 10,2 — не дольше 8 часов 40 минут — или выполняют упражнения, дыша кислородом, чтобы ускорить вывод азота [3]. Попробуйте протоколы ниже.
Каждый протокол начинается с 60 минут кислорода при нормальном давлении («только кислород» использует лишь нижний ползунок). При 10,2 фунта на кв. дюйм и 26,5 % O₂ окружающий азот — 7,5, к нему и стремятся ткани [3]. Давление в скафандре 4,3. Однокамерная модель: реальные протоколы NASA учитывают ещё упражнения, повышения давления и перерывы.
Тепло, перчатки и долгий день
Выход в открытый космос — тяжёлая физическая работа против самого скафандра. Система охлаждения EMU рассчитана на метаболическую нагрузку до 1600 БТЕ в час (около 470 Вт), вдвое больше, чем в ранних испытаниях декомпрессии [1]. Заметнее всего это по кистям: каждый захват сжимает перчатку под давлением, и травмы запястий и ногтей от скафандра — известная проблема [1].
Риск декомпрессии — и причина долгих десатураций: скафандру с более высоким давлением её нужно гораздо меньше, но он ещё жёстче. NASA отмечает, что ходьба и физическая активность при низком давлении повышают риск декомпрессионной болезни, поэтому протоколы, работающие в невесомости МКС, не обязательно безопасны для ходьбы по Луне или Марсу [3].
Сорок лет вымывания азота
Самая трудная часть выхода часто происходит до открытия люка: часы спокойного дыхания, пока азот покидает тело — экспонента за экспонентой.