Обитаемые космические станции

Длительное пребывание человека на орбите уже само по себе сопряжено со значительными трудностями инженерного, физиологического и психологического порядка. Однако недостаточно просто поддерживать в кабине приемлемые значения давления, температуры, влажности и состава воздуха. Необходимо создать такие условия, при которых человек мог бы плодотворно работать и нормально отдыхать, т. е. обеспечить экипажу хотя бы минимум комфорта, к которому он привык на Земле. Чтобы знать, как защищаться от какой-либо опасности надо прежде всего ясно представлять, что это за опасность. Теперь, после многочисленных запусков ракет, искусственных спутников и обитаемых космических кораблей, наши знания об околоземном космическом пространстве намного расширились. Наметились конкретные способы защиты экипажа и конструкции орбитальных аппаратов от вредных воздействий космической среды и внешнего радиационного излучения. Вопросы, связанные с поддержанием требуемого теплового режима в жилых помещениях ОКС, а также некоторые другие инженерные проблемы, связанные с длительной работой оборудования в необычных условиях космического полета, представляют значительный интерес. Особое внимание должно быть уделено системам обеспечения жизнедеятельности членов экипажа станции. Обо всем этом и пойдет дальше речь.

КОСМОС НАЧИНАЕТСЯ… В АТМОСФЕРЕ

Среда. Атмосфере как среде, в которой мы существуем, присущи три важные функции. Прежде всего это поддержание необходимых для жизнедеятельности человека состава, температуры и давления воздуха. Кроме того, атмосфера играет роль фильтра от таких опасных для жизни факторов межпланетного пространства, как космическая радиация, ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и космическая пыль. И, наконец, атмосфера является средой, в которой осуществляются разнообразные механические и физические эффекты, например распространение звука, создание аэродинамической силы или сопротивления движению и т. д. Расскажем подробнее о свойствах земной атмосферы, об изменении их с подъемом на большую высоту и о поддержании нужных свойств среды в помещениях ОКС. В начале нашей книги мы говорили о научных спорах по поводу определения верхней границы атмосферы. Напомним, что сейчас ею считают высоту 1000 км — по так называемой физической классификации зон околоземного пространства. Критерием при этом служит явление взаимного столкновения частиц воздуха или длина свободного пробега отдельных молекул воздуха, которая выше 1000 км становится настолько большой, а столкновения между частицами настолько редкими, что атомы и молекулы воздуха получают возможность беспрепятственно двигаться из атмосферы в свободное космическое пространство. Выше 1000 км лежит зона таких свободно движущихся частиц воздуха. Протяженность этой зоны, которую называют экзосферой, также составляет около 1000 км. На высоте около 2000 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицамн межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в межпланетное пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Теперь перейдем к физиологической классификации зон. Летчики и космонавты поднимаются на большие высоты в специальных герметических кабинах, изолирующих организм человека от окружающей среды. Почему человек не может существовать на большой высоте вне такой кабины? Какая высота является предельной для человека и почему?

Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако это одна из наиболее важных функций атмосферы очень быстро ослабевает по мере подъема на высоту. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание, и без надлежащей акклиматизации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается так называемая физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит молекулы кислорода, вполне пригодные для дыхания. Это объясняется значительным уменьшением внешнего барометрического давления. Поясним это. Из физиологии известно, что в легких человека постоянно содержится около 3 л так называемого альвеолярного воздуха. Давление кислорода в этом объеме при нормальных условиях составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в легких остается постоянным — 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в легкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине. Это происходит при достижении высоты 15 км.

На высоте около 19 км давление снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому здесь начнется кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступит почти мгновенно.

Таким образом, с точки зрения физиологии человека космос начинается уже на высоте 19 км.

В современной авиации большое распространение получили герметические кабины с наддувом внешним атмосферным воздухом. Но такой тип кабины практически пригоден лишь для полетов на высотах ниже 30 км. На больших высотах для сжатия сильно разреженного воздуха требуется очень большая мощность компрессора. Кроме того, при сжатии такого разреженного воздуха температура его растет настолько интенсивно, что требуется дополнительное охлаждение воздуха. Поэтому в космических полетах используется принципиально новый тип кабины для пилота — полностью герметизированная и наддуваемая изнутри.

Однако для поддержания жизнедеятельности человека внутри герметической кабины совершенно недостаточно иметь лишь атмосферное давление воздуха и нужное количество кислорода. Внутри космического корабля должен поддерживаться такой климат, к которому человек привык на Земле, т. е. определенный диапазон изменения влажности и температуры воздуха.

Такой искусственно созданный и автоматически поддерживаемый климат был в кабинах советских космических кораблей. Напомним, что в кабине корабля «Восток-5» состав воздуха, давление, влажность и температура поддерживались в заданных пределах почти пять суток. Таким же и даже более высоким требованиям будут удовлетворять рабочие и жилые отсеки ОКС, в которых помещения для экипажа будут намного больше по объему, а время поддержания нормального для человека климата возрастет во много раз.

Физиологическая классификация зон указывает и на то, что на высотах более 36 км интенсивно действует ионизирующая радиация — первичные космические лучи, на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра и на высотах более 120 км — интенсивные метеорные потоки.

Можно представить себе любую другую классификацию зон околоземного пространства. Следует лишь оговориться, что каждая из этих классификаций, как и предыдущие, является условной и неокончательной. В частности, можно рассматривать техническую классификацию зон атмосферы.

По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные всем явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение подъемной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.

В верхних, разреженных слоях воздуха, где длина свободного пробега частиц становится соизмеримой с длиной волны звуковых колебаний, распространение звука оказывается невозможным. До высот порядка 60–90 км еще возможно использование сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического полета. Но начиная с высот 100–130 км знакомые каждому летчику понятия числа М и «звукового барьера» теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полета там еще можно применить аэродинамическое крыло. На высотах же 180–200 км начинается сфера чисто баллистического полета, управлять которым можно лишь используя реактивные силы. Если при таком полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то наступает состояние так называемой динамической невесомости и летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.