Древние люди, надевшие звериные шкуры, заложили основы экспансии человечества. Вместо того, чтобы тратить миллионы лет на эволюционные изменения организма, приспосабливаясь к окружающей среде, человек начал использовать снаряжение для выживания в неблагоприятной обстановке. Подход оказался успешным: люди смогли погрузиться под воду, подняться в воздух, а в XX веке — отправиться в космос. И сейчас скафандр — наверное, самая сложная «одежда» для наиболее опасных условий, уже успевшая пройти достаточно долгий путь.
От фантазии к реальности
Первый скафандр появился в научной фантастике за 63 года до полета человека в космос. В 1898 г. астроном, популяризатор и писатель Гаррет Сервис (Garrett Serviss) сочинил по заказу New York Journal продолжение «Войны миров» Герберта Уэллса — «Эдисоновское завоевание Марса». По сюжету земляне строят космические корабли и наносят ответный удар по агрессивным марсианам. А для обслуживания этих кораблей в космосе потребовался «герметичный костюм».
К сожалению, Гаррет в описании скафандра совершил сразу несколько весьма распространенных ошибок: предложенная им конструкция базировалась на мягких водолазных костюмах и не учитывала реальную физику вакуума.
Придуманный в 1928 г. персонаж Бак Роджерс (Armageddon 2419 A.D.) тоже носил костюм, отдаленно напоминающий водолазный, но в нем уже присутствовала идея прозрачных шлемов, использованная в скафандрах программы Apollo — у их герметичного (внутреннего) шлема был только небольшой слой ткани на затылке. В 1936 г. на советские экраны вышел фильм «Космический рейс», консультантом которого был сам Константин Циолковский. Но и там в скафандрах для прогулок по Луне легко угадывались «потомки» водолазных костюмов.
Первое реалистичное описание скафандра в фантастике до того, как полетел Гагарин, сделал, похоже, Роберт Хайнлайн (Robert Heinlein). В рассказе «Имею скафандр, готов путешествовать» (1958) этот автор, работавший тогда авиационным инженером, изобразил конструкцию с не раздувающимися в вакууме шарнирами, а также правдоподобными системами жизнеобеспечения и терморегуляции.
Под водой и в воздухе
Исторически скафандры создавались в такой последовательности: водолазные костюмы, потом авиационные высотные костюмы, и, наконец, космические скафандры. Работать под водой человечество научилось еще в начале XIX века. Сравнительно простые технологии — пропитанная каучуком ткань и воздушный насос на поверхности — позволили создать полноценный костюм для длительного и эффективного пребывания в подводном мире. Развиваясь, водолазные костюмы даже разделились на жесткие и мягкие, как и скафандры. Но это ложная аналогия: дело в том, что с увеличением глубины растет давление, жесткий водолазный костюм от него защищает, а мягкий — нет. Космические же скафандры работают в условиях внешнего вакуума, и их похожее разделение обусловлено совсем другими причинами.
Активно развивавшаяся в 30-е годы минувшего века авиация штурмовала все новые рубежи. Росли скорость, дальность и высота полета. И оказалось, что без дополнительного снаряжения проблемы для пилотов начинаются на высотах примерно 4,5 км — падение давления окружающего воздуха и уменьшение парциального (относительного) давления кислорода приводили к гипоксии и потере возможности управлять летательным аппаратом. Кислородные маски позволили подняться повыше, но расчеты показали, что на высоте 15 км давление выделяемого легкими углекислого газа превысит атмосферное и сделает дыхание невозможным, а выше 19 км в организме начнут кипеть все биологические жидкости. Возникла необходимость в костюмах, не просто подающих пригодный для дыхания воздух, но и обеспечивающих давление, при котором человек может жить и работать. Очевидной была идея использовать опыт водолазов, поэтому на фотографиях тех лет высотные костюмы имеют такие же жесткие шлем и манишку.
Пионер авиации Уайли Пост (Wiley Post) в 1935 г. сумел подняться на высоту около 15 км в скафандре, разработанном при участии Рассела Колли (Russell Colley) из Goodrich Company. Но инженеров ждал новый сюрприз. Водолазный костюм работает в условиях, когда наружное давление растет с увеличением глубины. А на высоте оно уменьшается, и скафандры начинает раздувать. Пришлось придумывать специальные шарниры постоянного объема, чтобы можно было просто согнуть руку.
Первыми это сделали в СССР, где инженерная группа под руководством Евгения Чертовского занималась разработкой высотных костюмов с 1931 г. Две версии оказались слишком несовершенными, чтобы испытывать их в реальных условиях, а вот третью — Ч-3 — проверили на бомбардировщике ТБ-3, поднявшись в 1937 г. на 7-10 км. Работы велись до 1940 г., и в новых модификациях постепенно решались обнаруженные проблемы: например, в Ч-5 (1938) в перчатках уже можно было совершать разнообразные действия.
Параллельно с 1937 г. работы по созданию высотных костюмов велись в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ). Одну из моделей испытали в полете в 1938 г., по результатам разработали новые версии и даже сумели устранить запотевание лобового стекла. Проводились также экспериментальные высотные прыжки в скафандре с парашютом.
Скорее всего, именно в этот период слово «скафандр» стало применяться в более широком смысле. Образованное из греческих корней и буквально переводящееся как «человек-лодка», оно в начале века относилось только к водолазным костюмам. Их называют «скафандрами» и сегодня, но это слово без уточнения сейчас означает скорее облачение космонавта.
Начавшаяся Вторая мировая война не остановила разработку скафандров, однако больших успехов в этом направлении тогда ни одна страна не добилась.
Рожденные необходимостью
Реактивные самолеты, появившиеся в конце Второй мировой, начали очень бурно развиваться в послевоенное время. Машины летали все выше, и обнаружилась неприятная проблема: кабину можно было сделать герметичной и поддерживать в ней достаточное давление, но в случае внезапной разгерметизации (весьма вероятной в ходе воздушного боя) пилот не имел никаких шансов выжить. Пришлось разрабатывать специальные костюмы. По обе стороны океана эту инженерную задачу решили просто — вдоль конечностей пустили трубки, соединенные лентами, идущими «восьмеркой». В случае разгерметизации в трубки подавался воздух, они расширялись и ленты стягивали тело пилота, на голове которого имелся герметичный шлем, куда подавался кислород.
Идея оказалась рабочей, но только в аварийных условиях: в целом ощущения были неприятными, все тело «обжать» не получалось и сохранялся риск внезапной потери сознания из-за падения кровяного давления. Частичным решением стали надувные мешки, которые дополнительно сжимали туловище. Например, в США костюм MC-3 использовался в авиации довольно долго и успешно; с минимальными изменениями он также применялся для экспериментальных высотных полетов на стратостатах и прыжков с них.
Испытатели в барокамерах могли работать в условиях почти полного вакуума. Но когда появились еще более быстрые и высотные самолеты (ракетопланы X-15 и разведчики SR-71), костюму летчика потребовалось взять на себя также функцию защиты от экстремально низких температур и напора воздуха при катапультировании на большой скорости, с чем высотно-компенсирующие костюмы справлялись плохо. Поэтому инженеры и пилоты должны были определиться, что лучше подходит для военной авиации — компенсирующий костюм или скафандр. Хотя на практике применялось и то и другое, для ракетных самолетов и космоса скафандр оказался более удачным решением.
В СССР после войны этими вопросами занимался Летно-исследовательский институт им. Громова, а позже — специально созданный опытный завод №918 (сейчас НПП «Звезда»). Здесь до конца 50-х годов разработали серию высотных скафандров, в том числе скафандр «Воркута» (ведущий конструктор Александр Бойко) для перехватчика Су-9. Он был произведен малой серией для авиации, и когда в 1959 г. началась разработка костюма для космических полетов СК-1, именно «Воркуту» взяли в качестве базовой модели. Его особенностью являлись два слоя — силовой и герметичный — вместо одного из прорезиненной ткани в предыдущих версиях. Это позволило использовать более подходящие материалы: лавсан для силового слоя, губчатую и листовую резины — для герметичного.
А в целом на Юрии Алексеевиче Гагарине в первом историческом полете оказалось аж восемь слоев одежды: нательное белье, три слоя теплозащитного костюма (в один из которых вмонтировали систему вентиляции), подкладка скафандра, герметичный слой, силовой слой и верхняя оранжевая оболочка для того, чтобы космонавта было легче заметить после посадки. Еще одной особенностью стала система автоматического захлопывания шлема при разгерметизации. В рамках программы «Восток» также был создан скафандр для женщин-космонавтов, учитывающий особенности женской анатомии.
В США скафандры разрабатывало несколько организаций. Для первого космического корабля Mercury NASA выбрала модель Mark IV, являвшуюся плодом длительной работы ВМФ США. Ее производила компания Goodrich (вспомните эксперименты 1930-х — она работала в этой области уже несколько десятилетий). Этот скафандр успешно применялся в высотных полетах самолетов, а в 1959 г. в нем установили рекорд высоты подъема до 30 км. Для космической программы его немного усовершенствовали: темно-серый цвет внешней оболочки и ботинок заменили на блестящий для обеспечения теплового режима, систему жизнеобеспечения перевели на замкнутый цикл, доработали перчатки, чтобы удобнее было нажимать на кнопки, добавили разъем медицинской телеметрии.
В отличие от Mark IV, костюмы Mercury для астронавтов выполнялись по индивидуальной мерке — это позволило убрать ремни для подгонки. Всего NASA заказала 21 такой скафандр, по три штуки на каждого из семи участников программы Mercury.
«Одежда» первых космонавтов и астронавтов дала начало новому типу космических костюмов — спасательным космическим скафандрам. Именно к этому типу относится скафандр «Сокол», который был разработан после катастрофы спускаемого аппарата корабля «Союз-11», унесшей жизни трех членов его экипажа. С 1973 г. в разных модификациях он используется на кораблях «Союз» (с 1980 г. — модель «Сокол-КВ2»). Спасательный скафандр не предназначен для выхода в открытый космос или работы на поверхности небесных тел — он надевается перед стартом, посадкой или стыковкой и защищает в случае разгерметизации космического корабля.
В открытый космос
Следующей задачей, которую предстояло решить инженерам, было создание скафандра для работы в открытом космосе. В СССР за основу взяли гагаринский СК-1: для большей надежности добавили второй герметичный слой, в шлем установили солнцезащитный фильтр, верхний слой из оранжевой ткани заменили на многослойную теплоизоляцию, а закрытую систему жизнеобеспечения опять сделали открытой — выдыхаемый воздух сбрасывался «за борт». Эта модель получила название «Беркут» (так возникла традиция давать имена советским и российским скафандрам в честь хищных птиц). Именно в нем Алексей Леонов совершил первый в истории выход в открытый космос.
Конечно, при первой «космической прогулке» не обошлось без проблем. Раздувание скафандра в вакууме оказалось слишком сильным, и Леонову пришлось частично сбросить внутреннее давление, чтобы получить возможность двигаться. Однако его движения все же были ограничены, поэтому возвращаться в шлюзовую камеру пришлось не ногами вперед (как предписывало полетное задание), а головой. Но в итоге сложная и опасная операция закончилась благополучно.
В дальнейшем на первых кораблях «Союз» для работы в космическом пространстве использовался скафандр «Ястреб», сделанный с учетом замечаний по «Беркуту». Каждый костюм шили индивидуально под конкретного космонавта. В США же в качестве базы взяли скафандр, разработанный по заказу ВВС и использовавшийся в программе ракетного самолета X-15. Конструктивно он не сильно отличался от советского — здесь также был резиновый герметичный слой, силовой слой из специальной ткани Link-net, несколько слоев нейлона и внешний слой из ткани Nomex (метаарамид, выдерживающий нагрев до 400°С).
Скафандр для программы Gemini был выпущен в трех вариантах: для непродолжительных полетов, для выхода в открытый космос (G4C) и с мягким шлемом для длительных миссий без возможности покидать космический корабль (G5C). Также этот скафандр применялся в первых полетах по программе Apollo. «Беркут» Леонова и G4C стали основой для создания следующих типов скафандров для осуществления внекорабельной деятельности (ВКД, в английской терминологии — EVA).
Полученный обеими странами опыт привел к тому, что сейчас на Международной космической станции (МКС) для работы «за бортом» применяются в чем-то похожие, но очень разные модели — российский «Орлан» и американский EMU. Общее в этих системах — их универсальность. В одном скафандре могут работать разные люди. Но вот использованные в них технические решения заметно различаются.
«Орлан» представляет собой полужесткую конструкцию (жесткий корпус, сгибающиеся руки) с дверкой в задней части. Этот элемент позаимствован у лунной модели «Кречет», о которой речь пойдет ниже. С 1977 г. скафандр модернизируется, находиться в нем становится все комфортнее и можно работать достаточно долго.
Американский EMU тоже полужесткий, но делится на большее количество деталей — верхняя часть торса, нижняя, конечности, шлем, рюкзак. Споры о том, чей скафандр лучше, могут идти долго и без особого успеха — обе модели имеют свои плюсы и минусы.
