Как устроены скафандры для открытого космоса

Во время экспедиции Polaris Dawn в сентябре 2024 года компания SpaceX впервые в истории вывела в открытый космос непрофессионала — миллиардера Джареда Айзекмана. На орбите он уже бывал — летал на МКС на таком же корабле Crew Dragon в качестве туриста. Вместе с ним за борт вышла Сара Джиллис — инженер компании Илона Маска. В течение двух часов они тестировали в космическом вакууме новый внекорабельный скафандр Extravehicular Activity Suit (EVA). Задача была выполнена, но предназначение костюма остается неясным.

В чем проблема скафандра от SpaceX? 

EVA выглядит очень футуристично и стильно, и это заслуга голливудского дизайнера Хосе Фернандеса. Сначала Илон Маск поручил ему разработать облик костюма, а уже под получившийся результат инженеры проектировали необходимые системы. Неудивительно, что уже на презентации скафандра, задолго до старта экспедиции Polaris Dawn его внешний вид вызвал множество вопросов.

Внекорабельный скафандр компании SpaceX Изображение: © Mashable India

Первое, что бросается в глаза, — отсутствие громоздкого ранца за спиной. Именно там и в наших «Орланах», и в насовских Extravehicular Mobility Unit (EMU) расположена автономная система обеспечения жизнедеятельности. Она включает основной и запасной кислородные баллоны, емкость с водой, водяной фильтр, коллектор влаги, датчик и фильтр углекислого газа, батареи для питания, насос системы охлаждения и многое другое. Благодаря этому набору космонавты и астронавты могут часами работать за бортом.

«Скафандр — это маленький космический корабль. У него только двигателя своего нет. Зато есть свои системы терморегулирования, очистки атмосферы, подачи кислорода, вентиляции — все, что есть на нормальном корабле», — говорит российский космонавт Олег Скрипочка, который сам не раз работал в открытом космосе.

Герой России Олег Скрипочка Фото: © Юрий Славин / пресс-служба «Сириуса»

Олег Скрипочка окончил физико-математическую школу в Запорожье, после чего поступил в столичный МГТУ им. Н. Э. Баумана (специальность «летательные аппараты»). В 2000 году стал космонавтом-испытателем, а в 2010-м совершил первый полет в космос. На его счету три экспедиции на МКС общей продолжительностью 536 суток 3 часа и 49 минут и три выхода в открытый космос, где он провел 16 часов 39 минут. Закончив с полетами, перешел на работу в Центр подготовки космонавтов на должность ведущего специалиста методического отдела. Удостоен звания «Герой России».

Во время экспедиции Polaris Dawn за Айзекманом от корабля пуповиной тянулся шлангокабель, через который подавались воздух и электропитание, обеспечивалась работа других систем жизнеобеспечения. Очевидно, что далеко на таком не улетишь: слишком рискованно. Миллиардер и не улетел — с великим трудом он смог лишь выбраться из люка, и то не до конца. 

Дело в том, что в космическом пространстве вакуум, а внутри скафандра давление в несколько десятых атмосфер (у «Орланов» — 0,4 атм, у EMU — 0,29 атм). Инженеры Маска сконструировали мягкий скафандр без ребер жесткости. Обычно эти элементы позволяют сохранять объем костюма при изменении внутреннего давления. Без них EVA раздуло. Айзекман словно оказался внутри накачанной шины. На кадрах с орбиты хорошо видно, как трудно ему даже просто разогнуть руку в локте. Впрочем, проверку боем новинка прошла, но о ее перспективах остается только догадываться. 

Какие бывают космические скафандры? 

Помимо выходных скафандров, о которых идет речь в статье, существуют аварийно-спасательные, или внутрикорабельные. В них космонавты отправляются на орбиту и возвращаются обратно. По сути, это дополнительная страховка и защита людей на борту на случай разгерметизации или других нештатных ситуаций. 

Роскосмос использует модернизированные советские «Соколы», а их «клон» взял на вооружение Китай. Американские астронавты вот уже четыре года летают в IVA от SpaceX. Именно на базе этого внутрикорабельного скафандра инженеры Илона Маска разработали внекорабельный EVA.    

Чем отличаются «Орлан» и EMU

Внекорабельные скафандры Роскосмоса и НАСА принципиально отличаются от EVA, и у каждого есть свои преимущества и недостатки. Наш «Орлан» разрабатывался еще для лунной экспедиции. Подразумевалось, что к спутнику полетят два человека — один останется на окололунной орбите, а второй спустится на поверхность. Тогда встал вопрос, как им самостоятельно надеть этот скафандр.

Вход в скафандр «Орлан» Фото: © habr

«Чтобы уменьшить количество сборочно-разборочных операций, родилась идея сделать скафандр единым блоком. То есть шлем, ранец — все уже на скафандр прикреплено. На спине открывается дверца, в которую заходит космонавт. Остается только надеть перчатки — единственный отсоединяемый элемент. Потом эту лунную наработку использовали для создания скафандра для долговременных орбитальных станций», — объясняет Олег Скрипочка.  

Скафандры EMU стали результатом более 20 лет разработки с учетом опыта лунной программы «Аполлон» и работы астронавтов на космической станции «Скайлэб». Их разрабатывали для «Шаттлов» по модульному принципу. То есть костюм многосоставной, отдельно шлем, кираса, рукава, перчатки, штаны, сапоги и ранец. Самому все это не надеть. Такая трудозатратная процедура требует помощников, практически оруженосцев космического рыцаря. Размеры американских скафандров варьируются от M до XL. На каждого участника экспедиции их подгоняют индивидуально на Земле.

Составные части американского внекорабельного скафандра EMU Изображение: © NASA

«На EMU довольно громоздкая система подгонки скафандра, состоящая из колец, которые нужно вшивать и расшивать. В отличие от нее, „Орлан“ можно подогнать за 20 минут на любого человека, поскольку есть возможность регулировать длину рукавов и штанин», — объясняет Олег Скрипочка. 

На МКС, как и на Земле, давление около 1 атм, а в космосе вакуум. Если создать земное давление в скафандре, человек попросту не сможет работать за бортом корабля: у него не хватит сил пошевелиться — настолько сильна разница между давлением в скафандре и космическим вакуумом. Вот почему давление понижают. Советские инженеры остановились на отметке 0,4 атм, американские — на 0,29 атм. В обоих случаях из-за перепада появляется риск возникновения кессонной болезни, когда растворенный в крови азот образует пузырьки. Это чревато повреждением легких, проблемами с сердцем, болями в суставах и мышцах. Поэтому требуется десатурация — космонавты дышат чистым кислородом, выгоняя из крови азот. 

«Я проходил подготовку в составе дублирующего экипажа МКС-17, и мне довелось изучать работу EMU. Он такой красивый, белоснежный, в нем давление немного ниже, чем у нас, поэтому чуть легче работать. Но десатурация перед выходом занимает несколько часов. Обычно экипаж перед выходом ночует у себя в отсеке при пониженном давлении. При работе в „Орлане“ десатурация занимает 30 минут — и мы готовы к работе», — рассказывает Олег Скрипочка.

У «Орлана» всего три размера перчаток, а у EMU номенклатура разных размеров. Американские несколько чувствительнее и позволяют выполнять операции, требующие высокой точности. 

Еще одно преимущество EMU — наличие небольшого реактивного ранца SAFER jetpack, который позволяет астронавту подлететь к станции в случае отрыва от нее. Американцы перемещаются по станции, прикрепившись к борту одной 35-метровой лебедкой, и фиксируют себя фалами и приспособлениями только в месте выполнения работ, а наши перемещаются, поочередно перестыковывая карабины двух страховочных фалов, что замедляет и усложняет выполнение задач. Лебедка досталась астронавтам в наследство от программы «Спейс Шаттл», когда требовалось перемещаться только по грузовому отсеку корабля.

Скафандр «Сокол-М» Фото: © habr

«Традиционный плюс нашей инженерной школы — простота и надежность. В нештатных ситуациях „Орлан“ требует однотипных действий от самого оператора. В плане надежности у него не было таких эксцессов, как у американского скафандра, когда из-за течи гидросистемы вода пошла внутрь шлема, и человек едва не захлебнулся в открытом космосе (в 2013 году из-за потери герметичности соединения в системе жизнеобеспечения в шлем итальянского космонавта Луки Пармитано начала поступать вода. — Прим. ред.)», — отмечает Олег Скрипочка.

Существующие скафандры были созданы еще в прошлом веке, однако Вторая лунная гонка требует новых решений. В феврале американская Collins Aerospace провела успешные испытания костюма для высадки астронавтов на Луну. В середине октября Axiom Space и дом моды Prada показали лунный скафандр под названием Axiom Extravehicular Mobility Unit (AxEMU). Свой аналог в конце сентября представил Китай. Россия в обозримом будущем не планирует отправлять человека на спутник Земли, однако рано или поздно нам тоже понадобится выходной костюм для прогулок по Луне.