Стародавні люди, які вдягли звірячі шкіри, заклали основи експансії людства. Замість того, щоб витрачати мільйони років на еволюційні зміни організму, потрібні для пристосування до навкоишнього середовища, людина почала використовувати спорядження для виживання в несприятливих обставинах. Підхід виявився успешнім: людство змогло зануритися під воду, піднятися в повітря, а у XX столітті — відправитися в космос. І зараз скафандр — мабуть, найскладніший «одяг» для найбільш небезпечних умов, який уже встиг пройти достатньо довгий шлях.
Від фантазії до реальності
Перший скафандр з’явився у науковій фантастиці за 63 роки до польоту людини в космос. У 1898 році астроном, популяризатор науки та письменник Гаррет Сервіс (Garrett Serviss) написав на замовлення New York Journal продовження «Війни світів» Герберта Веллса — «Едісоновське завоювання Марсу». За сюжетом земляни будують космічні кораблі та завдають удар у відповідь по агресивних марсіанах. А для обслуговування цих кораблів у космосі потрібен був «герметичний костюм».
На жаль, Гаррет в описі скафандра зробив одразу кілька вельми поширених помилок: запропонована ним конструкція базувалася на м’яких водолазних костюмах і не враховувала реальну фізику вакууму.
Вигаданий у 1928 році персонаж Бак Роджерс (Armageddon 2419 A.D.) теж носив костюм, що віддалено нагадував водолазний, але в ньому вже була присутня ідея прозорих шоломів, використана у скафандрах програми Apollo — у їхнього герметичного (внутрішнього) шолому був лише невеликий шар тканини на потилиці. В 1936 році на радянські екрани вийшов фільм «Космічний рейс», консультантом якого був сам Костянтин Ціолковський. Але й там у скафандрах для прогулянок Місяцем легко можна було впізнати «нащадків» водолазних костюмів.
Перший реалістичний опис скафандра у фантастиці до того, як полетів Гагарін, зробив, схоже, Роберт Хайнлайн (Robert Heinlein). В оповіданні «Маю скафандр, готовий мандрувати» (1958) цей автор, який працював тоді авіаційним інженером, зобразив конструкцію з шарнірами, що не роздуваються у вакуумі, а також із правдоподібними системами життєзабезпечення та терморегуляції.
Під водою та в повітрі
Історично скафандри створювались у такій послідовності: водолазні костюми, потім авіаційні висотні костюми, і нарешті — космічні скафандри. Працювати під водою людство навчилося ще на початку XIX століття. Відносно прості технології — просочена каучуком тканина та повітряний насос на поверхні — дозволили створити повноцінний костюм для тривалого й ефективного перебування в підводному світі. Розвиваючись, водолазні костюми навіть розділилися на жорсткі та м’які, як і скафандри. Але це хибна аналогія: справа в тому, що зі збільшенням глибини зростає тиск, жорсткий водолазний костюм від нього захищає, а м’який — ні. Космічні ж скафандри працюють в умовах зовнішнього вакууму, тому їхній поділ обумовлено зовсім іншими причинами.
Авіація, що активно розвивалася в 30-ті роки минулого століття, штурмовала все нові рубежі. Зростали швидкість, дальність і висота польоту. І в певний момент виявилося, що без додаткового спорядження проблеми для пілотів починаються на висотах приблизно 4,5 км — падіння тиску навколишнього повітря та зменшення парціального (відносного) тиску кисню призводили до гіпоксії та втрати можливості керувати літальним апаратом. Кисневі маски дозволили піднятися вище, але розрахунки показали, що на висоті 15 км тиск вуглекислого газу, що виділяється легенями, перевищить атмосферний і зробить дихання неможливим, а вище 19 км в організмі почнуть кипіти всі біологічні рідини. Виникла необхідність у костюмах, які не просто подають придатне для дихання повітря, але й забезпечують тиск, при якому людина може жити та працювати. Очевидною була ідея використати досвід водолазів, тому на фотографіях тих років висотні костюми мають такі ж жорсткі шолом і манишку.
Піонер авіації Вайлі Пост (Wiley Post) у 1935 г. зумів піднятися на высоту біля 15 км у скафандрі, розробленому за участі Рассела Колли (Russell Colley) з Goodrich Company. Але на інженерів чекав новий сюрприз. Водолазний костюм працює в умовах, коли зовнішній тиск зростає зі збільшенням глибини. А з висотою він зменшується, і скафандри починає роздувати. Довелося придумувати спеціальні шарніри постійного об’єму, щоб можна було просто зігнути руку.
Першими це зробили в СРСР, де інженерна група під керівництвом Євгенія Чертовського займалася розробкою висотних костюмів із 1931 року. Дві версії виявилися занадто недосконалими, щоб випробовувати їх у реальних умовах, а ось третю — Ч-3 — перевірили на бомбардувальнику ТБ-3, піднявшись у 1937-му на 7-10 км. Роботи велися до 1940 року, і в нових модифікаціях поступово вирішувалися виявлені проблеми: наприклад, у костюмі Ч-5 (1938) в рукавичках уже можна було здійснювати різноманітні операції.
Паралельно з 1937 року роботи зі створення висотних костюмів велися в Центральному аерогідродинамічному інституті (ЦАГІ). Одну з моделей протестували в польотв в 1938-му, за результатами тестів розробили нові версії й навіть змогли усунути запотівання лобового скла. Проводилися також експериментальні висотні стрибки у скафандрі з парашутом.
Швидше за все, саме в цей період слово «скафандр» стало вживатись у ширшому сенсі. Воно утворене з грецьких коренів і буквально перекладається як «людина-човен». На початку минулого століття це слово відносилося тільки до водолазних костюмів. Їх називають «скафандрами» й сьогодні, але зараз це слово без уточнення означає радше одяг космонавта.
Початок Другої Світової війни не зупинив роботу над скафандрами, однак великих успіхів у цьому напрямку тоді жодна країна не досягла.
Народжені необхідністю
Реактивні літаки, що з’явилися в кінці Другої Світової, почали дуже бурхливо розвиватися в повоєнний час. Машини літали все вище, і далася взнаки неприємна проблема: кабіну можна було зробити герметичною та підтримувати в ній достатній тиск, але в разі раптової розгерметизації (вельми вірогідною в ході повітряного бою) пілот не мав жодних шансів вижити. Довелося розробляти спеціальні костюми. По обидва боки океану цю інженерну задачу вирішили просто: вздовж кінцівок пустили трубки, з’єднані стрічками, що йдуть «вісімкою». В разі розгерметизації в трубки подавалося повітря, вони розширювались, і стрічки стягували тіло пілота, на голові якого був герметичний шолом, куди подавався кисень.
Ідея виявилася робочої, але тільки в аварійних умовах: загалом відчуття були неприємними, все тіло «обтиснути» не виходило і зберігався ризик раптової втрати свідомості через падіння кров’яного тиску. Частковим рішенням стали надувні мішки, що додатково стискали тулуб. Наприклад, у США костюм MC-3 використовувався в авіації досить довго й успішно; з мінімальними змінами його також застосовували для експериментальних висотних польотів на стратостатах і стрибків із них.
Випробувачі в барокамерах могли працювати в умовах майже повного вакууму. Але коли з’явилися ще більш швидкі та висотні літаки (ракетоплани X-15 і розвідники SR-71), костюму льотчика довелося взяти на себе також функцію захисту від екстремально низьких температур і напору повітря під час катапультування на великій швидкості, з чим висотно-компенсуючі костюми справлялися погано. Тому інженери та пілоти повинні були визначитися, що краще підходить для військової авіації — компенсуючий костюм або скафандр. Хоча на практиці застосовувалося і те, й інше, для ракетних літаків і космосу скафандр виявився більш вдалим рішенням.
В СРСР після війни цими питаннями займався льотно-дослідний інститут ім. Громова, а пізніше — спеціально створений дослідний завод №918 (зараз НВП «Звезда»). Тут до кінця 50-х років розробили серію висотних скафандрів, в тому числі скафандр «Воркута» (провідний конструктор Олександр Бойко) для перехоплювача Су-9. Його виробили малою серією для авіації, й коли в 1959 році почалася розробка костюма для космічних польотів СК-1, саме «Воркуту» взяли в якості базової моделі. Його особливістю були два шари — силовий і герметичний — замість одного з прогумованої тканини в попередніх версіях. Це дозволило використати більш підходящі матеріали: лавсан — для силового шару, губчасту й листову гуму — для герметичного.
Загалом же на Юрії Олексійовичі Гагаріні в його першому історичному польоті виявилося аж вісім шарів одягу: натільна білизна, три шари теплозахисного костюма (в один із яких вмонтували систему вентиляції), підкладка скафандра, герметичний шар, силовий шар і верхня помаранчева оболонка — для того, щоб космонавта було легше помітити після посадки. Ще однією особливістю стала система автоматичного закривання шолома при розгерметизації. В межах програми «Восток» також створили скафандр для жінок-космонавтів з урахуванням особливостей жіночої анатомії.
В США скафандри розробляло кілька організацій. Для першого космічного корабля Mercury NASA вибрала модель Mark IV, що стала плодом тривалої роботи ВМФ США. Її виробляла компанія Goodrich (згадайте експерименти 1930-х — вона працювала в цій галузі вже кілька десятиліть). Цей скафандр успішно застосовувався у висотних польотах літаків, а в 1959 році в ньому був встановлений рекорд висоти підйому до 30 км. Для космічної програми його трохи вдосконалили: темно-сірий колір зовнішньої оболонки та черевиків замінили на блискучий для дотримання теплового режиму, систему життєзабезпечення перевели на замкнутий цикл, допрацювали рукавички, щоб зручніше було натискати на кнопки, додали роз’єм медичної телеметрії.
На відміну від Mark IV, костюми Mercury для астронавтів виконувалися за індивідуальною міркою — це дозволило прибрати ремені для підгонки. Всього NASA замовила 21 такий скафандр, по три на кожного з семи участників програми Mercury.
«Одяг» перших космонавтів і астронавтів дав початок новому типу космічних костюмів — рятувальним космічним скафандрам. Саме до цього типу належить скафандр «Сокіл», розроблений після катастрофи посадкового апарату корабля «Союз-11», що забрала життя трьох членів його екіпажу. З 1973 року в різних модифікаціях він використовується на кораблях «Союз» (з 1980 року — модель «Сокіл-КВ2»). Рятувальний скафандр не призначений для виходів у відкритий космос або роботи на поверхні небесних тіл: він вдягається перед стартом, посадкою чи стикуванням і захищає в разі розгерметизації космічного корабля.
У відкритий космос
Наступним завданням, яке треба було вирішити інженерам, стало створення скафандра для роботи у відкритому космосі. В СРСР за основу взяли гагарінський СК-1: для більшої надійності додали другий герметичний шар, на шоломі встановили сонцезахисний фільтр, верхній шар із помаранчевої тканини замінили на багатошарову теплоізоляцію, а закриту систему життєзабезпечення знову зробили відкритою — повітря, що видихається, викидалося «за борт». Ця модель отримала назву «Беркут» (так виникла традиція давати імена радянським і російським скафандрам на честь хижих птахів). Саме в ньому Олексій Леонов здійснив перший в історії вихід у відкритий космос.
Звичайно, під час першої «космічної прогулянки» не обійшлося без проблем. Роздування скафандра у вакуумі виявилося занадто сильним, і Леонову довелося частково скинути внутрішній тиск, щоб отримати можливість рухатися. Однак його рухи все ж були обмежені, тому повертатися в шлюзову камеру він був змушений не ногами вперед (як указувало польотне завдання), а головою. Але у підсумку складна та небезпечна операція закінчилася благополучно.
Надалі на перших кораблях «Союз» для роботи в космічному просторі використовувався скафандр «Ястреб», створений з урахуванням зауважень по «Беркуту». Кожен костюм шили індивідуально під конкретного космонавта. У США ж у якості бази взяли скафандр, розроблений на замовлення ВВС для використання в програмі ракетного літака X-15. Конструктивно він не сильно відрізнявся від радянського — в ньому також був гумовий герметичний шар, силовий шар зі спеціальної тканини Link-net, кілька шарів нейлона та зовнішній шар із тканини Nomex (метаарамід, що витримує нагрівання до 400°С).
Скафандр для програми Gemini був випущений у трьох варіантах: для нетривалих польотів, для виходів у відкритий космос (G4C) і з м’яким шоломом для тривалих місій без можливості залишати космічний корабель (G5C). Також ця модель застосовувалася у перших польотах за програмою Apollo. «Беркут» Леонова та G4C стали основою для створення наступних типів скафандрів для здійснення позакорабельной діяльності (ПКД, в англійській термінології — EVA).
Отриманий обома країнами досвід призвів до того, що зараз на Міжнародній космічній станції (МКС) для роботи «за бортом» застосовуються у чомусь схожі, але дуже різні моделі — російський «Орлан» і американський EMU. Спільне у цих систем — їхня універсальність: в одному скафандрі можуть працювати різні люди. Але використані в них технічні рішення помітно відрізняються.
«Орлан» являє собою напівжорстку конструкцію (жорсткий корпус, руки згинаються) з дверцятами в задній частині. Цей елемент запозичений у місячної моделі «Кречет», про яку йшлося в попередніх частинах. З 1977 року скафандр модернізується, перебувати в ньому стає все комфортніше і можна працювати достатньо довго.
Американський EMU теж напівжорсткий, але він ділиться на більшу кількість деталей — верхня частина торса, нижня, кінцівки, шолом, рюкзак. Суперечки про те, чий скафандр краще, можуть тривати довго й без особливого успіху: обидві моделі мають свої плюси та мінуси.
