Космический скафандр — это самый маленький космический корабль, когда-либо созданный: автономная система жизнеобеспечения, защищающая человека от вакуума космоса, экстремальных температур, микрометеоритных ударов и солнечного излучения. Разберём, как работает каждая система — от внутреннего слоя комфорта до внешнего теплозащитного микрометеоритного костюма.
Космос — это почти идеальный вакуум. Без скафандра незащищённый человек потеряет сознание примерно за 15 секунд, поскольку растворённые в крови газы начнут кипеть (процесс, называемый эбуллизмом) при крайне низком давлении. Смерть наступит в течение 1–2 минут от удушья и повреждения тканей.
Скафандр поддерживает внутреннее давление около 4,3 psi (29,6 кПа) чистого кислорода — примерно 30% от атмосферного давления на уровне моря. Этого достаточно, чтобы предотвратить эбуллизм и обеспечить дыхание, при этом сохраняя гибкость скафандра, чтобы астронавт мог двигаться и работать. Более высокое давление сделало бы костюм жёстким и затруднило бы в нём эксплуатацию.
Поскольку скафандр использует чистый кислород при пониженном давлении (а не привычную смесь азота и кислорода на уровне моря), перед выходом в открытый космос астронавты несколько часов «преддыхают» чистый кислород, чтобы вывести растворённый азот из крови — иначе им грозит декомпрессионная болезнь, аналогичная «болезни декомпрессии» при дайвинге.
NASA EMU состоит из 14 различных слоёв материала, каждый из которых выполняет свою функцию. От внутреннего к внешнему:
Слой 1 — Жилет жидкостного охлаждения и вентиляции (LCVG): Ластовицевый нижний костюм, пронизанный тонкими пластиковыми трубками, по которым циркулирует вода с регулируемой температурой. Это основная система охлаждения астронавта, удаляющая метаболическое тепло посредством теплопроводности. Он также распределяет поток кислорода по телу.
Слои 2–3 — Подушка давления и удерживающий слой: Мочевинопокрытая нейлоновая камера поддерживает внутреннее давление скафандра. Вокруг неё расположен удерживающий слой из дакроновой полиэстеровой ткани, который не даёт камере распираться наружу — без него скафандр при давлении 4,3 psi превратился бы в неподвижный воздушный шар.
Слои 4–10 — Внутренние слои теплового микрометеоритного костюма (TMG): Множество чередующихся слоёв алюминированного миляра и дакронового сцепленного материала обеспечивают тепловую изоляцию. В прямом солнечном свете внешние поверхности могут нагреваться до +121°С (+250°Ф), а в тени охлаждаться до −157°С (−250°Ф). Эти слои создают вакуумно-изолированный барьер, аналогичный термосу.
Слои 11–13 — Защита от ММОД: Слои волокон из арамида (Кевлара), номекса и тефлонопокрытых материалов защищают от ударов микрометеоритов и орбитального мусора (ММОД). Частица размером с зёрнышко песка в орбите может развивать скорость более 7 км/с — этого достаточно, чтобы пробить металл. Эти слои рассчитаны на то, чтобы замедлять и расщеплять летящие частицы, прежде чем они достигнут камеры давления.
Слой 14 — Внешняя оболочка: Наружный слой — белая орто-ткань (смесь тефлона, номекса и кевлара), обеспечивающая устойчивость к истиранию, огнеупорность и тепловое отражение. Белый цвет отражает солнечное излучение — это критически важно для управления температурой.
Основная система жизнеобеспечения (PLSS) — это ранец, который поддерживает жизнь астронавта во время выхода в открытый космос. Она обеспечивает:
Поставку кислорода: Высокодавленные баллоны с кислородом подают стабильный поток дыхательного газа в шлем. Скафандр поддерживает парциальное давление кислорода, достаточное для дыхания, при общем давлении 4,3 psi.
Удаление CO₂: Картридж с гидроксидом лития (LiOH) поглощает выдыхаемый углекислый газ посредством химической реакции. Без этой системы накопление CO₂ вызовет гиперкапнию (отравление углекислым газом) в течение нескольких минут.
Терморегуляцию: Петь водяного охлаждения LCVG проходит через сублиматор — устройство, направляющее нагретую воду на пористую пластину, выставленную в вакуум космоса. Вода сублимируется (переходит непосредственно из жидкости в пар), унося с собой тепло. Это «радиатор» скафандра.
Энергоснабжение: Литий-ионные аккумуляторы питают электронику костюма, водяной насос, вентиляторы, систему связи и дисплеи (HUD). Ёмкость батарей ограничивает длительность выхода в открытый космос наряду с запасом кислорода и воды.
Связь: УКВ-радио в PLSS соединяет астронавта с кораблём и центром управления полётами. Телеметрия скафандра (давление, температура, уровень O₂, состояние батарей) передаётся непрерывно.
PLSS весит около 54 кг (119 фунтов) — почти половина общей массы EMU. Аварийный запасной кислородный пакет (SOP) обеспечивает примерно 30 минут запасного дыхательного кислорода на случай отказа PLSS.
Астронавты носят под скафандром набор максимальной впитывающей способности (MAG) — по сути, высокопоглощающие взрослые подгузники. Во время выходов в открытый космос длительностью 6–8 часов это единственный вариант. Внутри корабля астронавты пользуются бортовой системой сбора отходов. MAG считается неотъемлемой частью системы скафандра.
Космические скафандры обеспечивают минимальную защиту от радиации по сравнению с корпусом космического корабля. Многослойная конструкция скафандра даёт некоторую защиту от низкоэнергетических частиц, но высокоэнергетические космические лучи и солнечные частицы проходят через него почти без затруднений. Планировщики выходов в открытый космос стараются назначать их на периоды пониженной солнечной активности и ограничивать время экспозиции. Это серьёзная проблема для длительных лунных выходов.
В низкой околоземной орбите солнечная сторона скафандра может нагреваться до +121°С (+250°Ф), а затем, в тени, охлаждаться до −157°С (−250°Ф) — перепад почти 280°С по всему скафандру. На лунной поверхности температуры в кратерах постоянной тени вблизи южного полюса могут опускаться до −230°С. Тепловые слои скафандра и активные системы охлаждения и нагрева справляются с этими экстремальными температурами.
Скафандры, спроектированные и эксплуатируемые Россией и Китаем для их пилотируемых космических программ. Российский скафандр Орлан разрабатывается непрерывно с 1970-х годов, тогда как китайский Фэйтянь эволюционировал от лицензионного аналога Орлана до собственной системы EVA.
Орлан — российский рабочий скафандр для EVA — задняя стыковочная камера, полужёсткий корпус, более 50 лет развития.
Фэйтянь — китайский собственный скафандр для EVA — второе поколение, автономность 7+ часов.
Сокол — спасательный скафандр для старта и входа на «Союзе» — надевается на каждый пилотируемый полёт «Союза» с 1973 года.
Пионерские скафандры эпохи «Аполлона». Скафандр Apollo A7L выводил двенадцать человек на Луну между 1969 и 1972 годами.
Сравнительные данные по каждому скафандру: масса, давление, мобильность, длительность жизнеобеспечения, температурный диапазон, выполненные миссии. А также подробный разбор принципа работы скафандров — 14 слоёв, ранец PLSS, терморегуляция, связь и подвижные суставы.
Небольшое прокол в скафандре вызовет постепенную депрессию. Внутреннее давление скафандра начнёт уходить. Астронавты имеют ремонтный набор и могут запечатать небольшие проколы заплатками. Большой разрыв был бы куда опаснее — у астронавта было бы лишь несколько минут, чтобы вернуться в шлюзовую камеру. Современные скафандры построены с множеством резервных слоёв специально для сопротивления микрометеоритным проколам.
Серийные космические скафандры недоступны для покупки — это государственная собственность или проприетарное оборудование. Реплики скафандров для выставок или косплея стоят от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов. Подлинные перчатки скафандров и тренировочное оборудование время от времени появляются на аукционах космических меморандумов.