Навигация:
Первые советские высотные скафандры разработки Е.Е. Чертовского
Советские скафандры разработки А. И. Бойко и А. И. Хромушкина
Высотно-спасательные скафандры
Аварийно-спасательные скафандры
Оболочка скафандра
Мягкие спасательные скафандры
Внешние тепловые нагрузки
Костюм водяного охлаждения
Первый в СССР скафандр Ч-1 был спроектирован Е. Е. Чертовским в 1931 г. Это был простой герметичный комбинезон со шлемом, имевшим небольшое остекление для обзора. В его конструкции не были предусмотрены шарниры. При наддуве скафандра требовалось большое усилие для сгибания рук и ног, поэтому работать в скафандре при создании в нем избыточного давления было невозможно. В скафандре Ч-2 (1932 – 1934 гг.) в местах сгиба конечностей были применены шарниры, благодаря чему появилась возможность (хотя и в ограниченной степени) сгибать руки и ноги. Однако в этих скафандрах еще не были решены вопросы жизнеобеспечения человека.
В конструкции скафандра Ч-3 (рис. 1), разработанного в 1935 – 1937 гг., уже были заложены все основные элементы будущих скафандров, а также учтены физиолого-гигиенические требования. При избыточном давлении 9,8 – 14,7 кПа (73,5 – 110,25 мм рт. ст.) летчик в скафандре, оболочка которого была изготовлена из прорезиненной ткани, мог передвигаться и управлять самолетом. В разработке скафандра Ч-3 приняли участие авиационные физиологи В. А. Спасский и А. П. Аполлонов. После испытания в барокамере летчик-испытатель С. Коробков провел летные испытания на высотах до 12 км.
В 1938 и 1939 гг. Е. Е. Чертовским были созданы скафандры Ч-4 и Ч-5, а в 1940 г. – усовершенствованные образцы скафандров Ч-6 и Ч-7. Е. Е. Чертовский первым в СССР построил высотный скафандр, и в 1937 г. Центральным советом Осоавиахима ему была присуждена премия за решение проблемы подвижности скафандра. В отличие от известных иностранных образцов скафандров, рассчитанных на кратковременный полет для установления мирового рекорда, первые отечественные скафандры предназначались для многочасового пребывания в них человека в стратосфере. Они снабжались автономной системой кислородного питания регенерационного типа, позволявшей экипажу отсоединяться от нее при переходе в самолете с одного места на другое или совершении прыжка с парашютом.
Отечественные скафандры создавались также в ЦАГИ (Центральном аэрогидродинамическом институте) под руководством А. И. Бойко и А. И. Хромушкина (последний руководил разработкой систем жизнеобеспечения для скафандров). Первый опытный образец скафандра под маркой СК-ЦАГИ-1 был разработан, изготовлен и испытан в 1937 г. Он состоял из верхней и нижней частей, соединявшихся при помощи поясного металлического разъема. Плечевые шарниры обеспечивали необходимую подвижность руки. Оболочка скафандра была изготовлена из двухслойной прорезиненной ткани.
В 1938 г. был разработан скафандр СК-ЦАГИ-2 регенерационного типа, работающий под давлением 29,4 кПа (220,5 мм рт. ст.). Автономная регенерационная система была рассчитана на работу в течение 6 ч. В этой системе воздух из скафандра поступал в регенерационные патроны, в которых он очищался от углекислого газа и паров воды. Очищенный воздух направлялся в инжектор, где смешивался с непрерывно поступающим из баллона кислородом, и снова подавался в скафандр. Бoльшая часть воздуха, подаваемого в скафандр из инжектора, поступала в шлем для дыхания, а меньшая часть – в подскафандровое пространство для вентиляции туловища, рук и ног. Давление в скафандре поддерживалось регулятором.
В конце 1938 г. был выпущен усовершенствованный скафандр СК-ЦАГИ-4, который испытывался в термобарокамере. В 1940 г. с учетом ранее накопленного опыта были созданы скафандры СК- ЦАГИ-5 и СК-ЦАГИ-8 (рис. 2). Последний из них испытывался на советском истребителе И-153, не имевшем еще герметической кабины и защитного фонаря. В период Великой Отечественной войны разработки скафандров были приостановлены.
Однако если раньше скафандр был единственным средством, обеспечивающим жизнедеятельность летчика на большой высоте, то теперь, при наличии на самолете герметической кабины, к нему стали предъявляться иные требования. Так, при загерметизированной кабине скафандр не должен стеснять движения, мешать управлению самолетом и ухудшать обзор, а при разгерметизации кабины скафандр должен автоматически включаться и обеспечивать необходимые жизненные условия. С учетом этих требований в 1947 – 1950 гг. группа конструкторов под руководством А. И. Бойко разработала высотно-спасательные скафандры ВСС-01 и ВСС-04 (см. рис. 2).
Скафандры этих типов представляли собой герметический комбинезон из прорезиненной ткани с закрепленными на нем несъемным откидным шлемом и кислородной маской. Рукава и штанины были снабжены шарнирами, и силовая система хорошо удерживала скафандр от «вырастания». Давление в скафандре регулировалось клапаном избыточного давления. Для надевания скафандра в передней его части был распах с аппендиксом.
Аппендикс – цилиндр, изготовленный из мягкой прорезиненной ткани, позволяет человеку влезть внутрь гермооболочки скафандра. Один конец этого цилиндра прочно соединен с гермооболочкой, другой открыт. После того как человек надевает на себя гермооболочку, свободный конец цилиндра (аппендикса) завязывается шнуром (тем самым герметизируется) и укладывается под силовую оболочку скафандра, после чего силовая оболочка шнуруется или соединяется посредством силовой молнии. Бортовая кислородная система состояла из прибора КП-16 (позднее КП-18). Наддув и вентиляция скафандра осуществлялись от компрессора реактивного двигателя. Для покидания самолета на большой высоте в аварийной ситуации летчик был снабжен парашютным кислородным прибором КП-23.
Этот тип скафандра можно сравнить с герметической кабиной корабля, уменьшенной до размера человеческого тела, он так же, как и кабина, представляет собой достаточно сложное инженерное сооружение, состоящее из отдельных систем и агрегатов. Аварийно-спасательный скафандр должен удовлетворять ряду требований. Например, автоматически включаться в работу при внезапной разгерметизации кабины корабля, т. е. поддерживать под гермооболочкой необходимое давление (то же самое и при медленном падении давления в космическом корабле). Кроме того, при изменении газового состава или падении (или повышении) температуры в космическом корабле аварийно-спасательный скафандр должен совместно с системой жизнеобеспечения поддерживать под своей оболочкой заданную температуру или газовый состав, или то и другое вместе. При наличии избыточного давления в скафандре космонавт должен быть способен управлять рядом систем в космическом корабле. Аварийно-спасательный скафандр должен позволять принимать жидкую пищу и отводить продукты жизнедеятельности, совместно с бортовой радиостанцией поддерживать связь с Землей. Космонавт должен без посторонней помощи одевать и снимать скафандр.
В настоящее время применяются два типа аварийно-спасательных скафандров – вентиляционный и регенерационный, которые отличаются в основном только системами питания человека кислородом и воздухом. Если в вентиляционном скафандре кислород, идущий на дыхание, и воздух на съем тепла и влаги выбрасываются в кабину космического корабля, то в регенерационном скафандре кислород и воздух циркулируют в замкнутом контуре. В скафандрах может применяться раздельная или общая система вентиляции. При раздельной системе вентиляции в шлем подается кислород для дыхания, а туловище вентилируется воздухом. Подаваемый кислород должен обеспечивать дыхание, удаление из шлема выдыхаемого углекислого газа и влаги (около 40 л/мин). Количество потребляемого газа обычно измеряется в так называемых нормальных литрах, приведенных к земным условиям при давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и 0°С.
Оболочка скафандра – главная и наиболее ответственная его часть, которая, как правило, состоит из нескольких слоев: силовой оболочки, гермооболочки (под ней), вентилирующего костюма и нательного белья. Поверх силовой оболочки в целях ее защиты от порывов надевают защитный комбинезон. Силовая оболочка, в свою очередь, состоит из корпуса, рукавов и штанин, которые имеют шарниры: рукава – плечевой и локтевой, штанины – тазобедренный и коленный.
Для предотвращения вырастания скафандра, когда в нем избыточное давление, служит силовая система, состоящая из лент, тросов и шнуров, которая, в свою очередь, подразделяется на силовую систему корпуса, рукавов и штанин, позволяющих подогнать скафандр по росту. Определяющими характеристиками гермооболочки являются герметичность, эластичность и большое удлинение. Значение этих характеристик еще больше возрастает для скафандра, предназначенного для выхода в открытый космос и на Луну, где применяются две гермооболочки: основная и резервная. Но об этом будет сказано более подробно в следующем разделе. Подвижные сочленения оболочки весьма разнообразны по конструкции, причем наибольшее распространение в мягких спасательных скафандрах получили: шарниры, условно названные «шарниры с корочками» (см. рис. 8). Такое название данный тип шарниров получил потому, что деталь, с помощью которой на оболочке создается поперечная складка, имеет форму корочки от апельсиновой дольки. Сочетание шарнира типа корочки с гермоподшипником позволяет наиболее полно обеспечить движение руки в плече.
Специфичным элементом мягкого скафандра является устройство, при помощи которого космонавт надевает скафандр. В настоящее время широко используются два варианта: распах с аппендиксом и распах с гермомолнией.
В советских мягких скафандрах применяется распах с аппендиксом. Это приводит к раздельному соединению гермооболочки посредством резинового шнура и силовой оболочки посредством шнуровки. Распах с аппендиксом – более многодельная процедура надевания скафандра, но и более надежная. Американские инженеры применяют распах-гермомолнию.
Внешние тепловые нагрузки во время пребывания космонавта в открытом космосе во многом зависят от положения орбиты. На экваториальной орбите космонавт подвержен действию солнечного излучения на протяжении половины орбиты. На полярной орбите космонавт все время освещен Солнцем. Следовательно, материалы, из которых изготовлена одежда, должны быть температуростойкими и не менять физико-механических свойств при соприкосновении с нагретой поверхностью корабля.
Экранно-вакуумная – тепловая изоляция (ЭВТИ) применяется для защиты космонавта от перегрева или охлаждения при выходе из космического корабля в открытое пространство. Она предотвращает проникновение тепла во внутрь скафандра при освещении космонавта Солнцем и отвода тепла от скафандра при нахождении в тени корабля. Экранно-вакуумная изоляция представляет собой несколько слоев (5 – 7) тонкой пластмассовой пленки, покрытой с одной или двух сторон алюминием толщиной 0,03 – 0,05 мкм. В скафандрах ЭВТИ применяется в виде комбинезона, надеваемого поверх скафандра.
Остеклению шлема скафандра для выхода в космос предъявляются дополнительные требования по защите органов зрения космонавта от биологически вредного коротковолнового излучения Солнца (с длинами волн короче 300 мкм) и инфракрасных лучей, оказывающих тепловое воздействие. Все скафандры для выхода в космос снабжены одним или двумя светофильтрами. Обычно принимается, что коэффициент светопропускания в видимой части спектра должен быть порядка 5%, а в его инфракрасной части – 10%. В последнем случае поток лучистой энергии уменьшится до 140 Вт/м2, что допустимо с точки зрения теплового и светового действия. При выборе материала для светофильтра следует стремиться к тому, чтобы у его наружной поверхности отношение коэффициента солнечной энергии к излучательной способности было минимальным. Поставленным требованиям удовлетворяют светофильтры, у которых в качестве наружной поверхности используются тонкие пленки из золота, серебра, алюминия и других материалов, обладающих высоким коэффициентом отражения в видимой части солнечного спектра.
Роль противометеоритной защиты выполняет весь пакет (толщина) скафандра:
1) верхний (наружный) комбинезон экранно-вакуумной изоляции;
2) 5 слоев ЭВТИ;
3) внутренняя подкладка комбинезона с ЭВТИ;
4) силовая оболочка скафандра;
5) внешняя гермооболочка.
До конца противометеоритная опасность для скафандра и космонавта не изучена. Экспериментальные исследования этого вопроса затруднены, так как практически невозможно сообщить частицам, которыми бомбардируется скафандр, скорости, соизмеримые со скоростями метеоритов. Поэтому основные данные базируются на теоретических расчетах.
Если теплосъем в вентиляционных скафандрах осуществляется циркуляцией воздуха, то в данном скафандре, предназначенном для интенсивной работы, был использован более высокоэффективный метод отвода выделяемого человеком тепла с помощью костюма водяного охлаждения. Интенсивность теплосъема регулируется самим космонавтом перепуском части циркулирующей жидкости между водяным костюмом и теплообменником.
Физиологическое действие костюма водяного охлаждения основано на том, что протекающая по его трубкам вода способствует охлаждению кожного покрова и существенному уменьшению потоотделения. Даже при значительных энергозатратах (до 450 – 500 Вт) потеря влаги организмом не превышает 0,2 – 0,25 кг/ч. Основными требованиями, предъявляемыми к костюму водяного охлаждения, являются надежность в эксплуатации, возможно малое гидравлическое сопротивление и минимальная масса. Кроме того, костюм должен легко сниматься и надеваться, не ограничивать движения космонавта и конструктивно сочетаться с другим снаряжением.
Костюм водяного охлаждения состоит из комбинезона и системы трубок, по которым циркулирует хладагент. Комбинезон изготовляется из сетчатого полотна трикотажного переплетения. Для снятия и надевания комбинезона имеется распах с застежкой. Подгонка комбинезона по обхвату достигается с помощью шнуровки. Исходным материалом для изготовления комбинезона служат нити из эластичных волокон (спандекса). Трубопроводы костюма водяного охлаждения изготавливают из гибких трубок с внутренним диаметром 1,5 – 3,6 мм и толщиной стенки 0,5 – 1 мм. Полихлорвиниловые трубки обладают достаточной прочностью, термостойкостью и эластичностью, хорошо свариваются. Качество трубок зависит от конструктивной схемы и находится в пределах от 20 до 60 шт. Общая длина трубок 80 – 120 м. Костюм с тонкими трубками получается легче и мягче, и ему отдается предпочтение. Чем меньше длина трубок, тем меньше гидравлическое сопротивление костюма, и поэтому необходима меньшая мощность насоса для обеспечения циркуляции воды. Обычно при расходе около 100 л/ч гидравлическое сопротивление костюма составляет 5 кПа (500 мм вод. ст.).