В погоне за идеальным скафандром

Двадцать тысяч футов над Оттавой, Шауна Пандья плавно всплывает с места и делает грациозный маневр. Falcon 20 находится на полпути через серию парабол, которые вызывают в кабине короткие периоды невесомости, классический профиль полета, используемый для обучения астронавтов, приносящий туристам незабываемые ощущения и эффектные видеоролики.

Но Пандья, 32-летний врач и астронавт, находится здесь не по какой-либо из этих причин. Она тестирует новый скафандр от Final Frontier Design, стартапа, основанного дизайнером, который ранее создавал костюмы для шоу Victoria's Secret. Во время 18-секундной невесомости Пандья должна вернуться на свое место и застегнуть ремни безопасности на пяти точках. Эта задача, по мнению Пола Кисманна, главного летчика-испытателя в Национальном исследовательском совете Канады и человека, летающего на Falcon, почти невыполнима.

Если оставшиеся параболы пройдут хорошо, а Пандья справится со своей задачей, полет станет огромным шагом к испытаниям под давлением, которые костюм Final Frontier Design должен пройти перед использованием в реальных космических полетах.

Более полувека изготовление скафандров для американских экипажей было искусственной монополией, разделенной между двумя компаниями, причем одна из них изготавливала скафандры для использования внутри корабля, а вторая - для внешних перемещений, то есть для выходов в открытый космос. Инновации не были приоритетом. Например, оранжевые внутренние «тыквенные костюмы», которые носили сотни астронавтов шаттлов, немногим отличаются от использовавшихся в 1959 году летчиками-испытателями, летавшими на ракетоплане X-15 в первые суборбитальные полеты.

Все скоро изменится. Планы NASA включают отправку астронавтов на лунные орбиты и, возможно, на поверхность Луны, и миссии к Марсу. Все это потребует новых костюмов, которые должны быть проще, легче, надежнее и достаточно универсальны, чтобы справляться со всем: от работы в условиях микрогравитации до пылевых бурь. Частные компании разрабатывают собственные костюмы для орбитальных экспедиций, не говоря уже о летной одежде для будущей толпы космических туристов. Все это потребует новых материалов, конструкций и технологий.

Для миллиардов людей на поверхности нашей планеты, она сама - наш скафандр. Магнитное поле Земли помогает сохранить озоновый слой, который, в свою очередь, защищает нас от опасного ультрафиолетового излучения. Плотная атмосфера сжигает большинство влетающих в нее метеорных тел. Естественные процессы создают воздух, которым мы дышим. Для тех немногих, кто находится на орбите выше, скафандр должен обеспечивать ту же защиту, что и планета.

В то время как необходимость скафандра во внешней среде понятна сразу, ценность защитного костюма внутри корабля на первый взгляд не столь очевидна. В идеале космический корабль будет поддерживать герметичность, сохранять пригодную для дыхания атмосферу, ограждать путешественников от ударов и защищать их как от холода, так и от жары во внешнем пространстве.

В прошлом, как американские, так и советские космические программы предусматривали нахождение внутри корабля в обычных костюмах, в которых космонавты могли действовать так же, как в самолете или даже в офисе. Для Советов эта точка зрения изменилась в 1971 году, когда капсула «Союз-11» разгерметизировалась во время спуска, что привело к гибели трех космонавтов. В 1986 году произошла катастрофа «Челленджера» , чей экипаж также стал жертвой разгерметизации.

«Для скафандров, используемых при старте и посадке, главная проблема, которую они должны решать- это выживаемость», - говорит Джейсон Крусан, директор Advanced Exploration Systems в NASA. «Мы не видим большой потребности в развитии этих костюмов прямо сейчас». НАСА будет продолжать использовать модифицированный «тыквенный костюм» для своих миссий «Орион» на Марс в 2020-х годах и, возможно, за его пределами. Но не всем нравится старомодные скафандры .

Астронавт Тим Копра дважды летал на Международную космическую станцию, первоначально на космическом челноке в 2009 году. «Костюмы НАСА были не очень плотными, поэтому, как только они раздувались, становилось намного сложнее работать», - говорит он. Во второй экспедиции на станцию, запущенной в декабре 2015 года, Копра полетел на космическом корабле «Союз» в костюме «Сокол», который был спроектирован после трагедии «Союз-11». «Сокол» адаптирован к человеческому телу, - говорит он. «Он гораздо удобнее и гораздо более тесно связан с вашей собственной антропометрией и эргономикой». Российский подход вдохновил создателей внутреннего костюма Final Frontier Design. Высотно-компенсирующий костюм оснащен металлическими деталями, сделанными методом 3D-печати и выполненными на заказ перчатками с литыми кончиками пальцев, которые работают с сенсорными экранами. Компания заявляет, что окончательный вариант будет на 4 кг легче, чем текущий внутренний костюм NASA и примерно на треть дешевле.

Поскольку суборбитальное путешествие становится коммерческой реальностью, Final Frontier Design также будет ориентирован на пользователей, намеревающихся носить костюмы на протяжении всей миссии. Например, данные разработки привлекли внимание Джейсона Реймуллера, исполнительного директора Project PoSSUM («Полярная суборбитальная наука в верхней мезосфере»), программе «Гражданско-научная астронавтика». Реймуллер надеется использовать суборбитальные полеты для изучения серебристых облаков, самого высокого слоя облаков в атмосфере Земли. Для этой работы потребуется развернуть камеры и другое оборудование, в том числе для забора проб, на борту космического корабля, летящего около облаков. Многие из тестов, которые Пандья предпринимает во время нашего полета на параболической траектории, имитируют работу с этим набором инструментов.

Скафандры для выхода в открытый космос развивались быстрее, чем их двоюродные братья, но тоже сравнительно медленно. В 1960-х годах костюмы Apollo содержали резиновые соединения, металлические кабели и застежку-молнию, которая проходила от промежности к плечу. «Каучук может высыхать на вас, металлические кабели могут сломаться, а поломка молнии была бы критической», - вспоминает Уильям Айри, историк компании ILC Dover, фирмы, которая построила все лунные скафандры. «Ничего из этого не произошло, но никто не мог гарантировать, что этого не случится».

Сейчас производители отказались от резины в пользу пластика, заменили молнию и увеличили способность поддерживать жизнь от шести часов до восьми. Но скафандры по-прежнему неудобны для надевания и использования.

Самой большой проблемой является давление. Оно поддерживается на уровне 4,3 фунта на квадратный дюйм (psi), около трети атмосферного давления, находящегося на поверхности Земли и внутри Международной космической станции. Разница в давлении требует, чтобы астронавты проаодили длительный «предварительный вдох» в чистом кислороде, который удаляет азот из кровотока, чтобы уменьшить риск декомпрессионной болезни.

Более высокое давление внутри костюма не требует таких мер, но есть и минус — в нем труднее двигаться. Руки и ноги раздутого скафандра стремятся выпрямиться, и даже мелкие движения отнимают много сил, утомляя и мешая. Еще одна проблема заключается в том, что костюм является модульным, а не индивидуальным - компоненты для рук, ног и туловища бывают разных размеров. Поэтому астронавты всех размеров могут использовать его. Это удобно, но процесс подгонки костюма довольно сложен. Многие вещи могли бы быть лучше. Например, область плеча в скафандре не совпадает с плечевым суставом. Это чревато травмами плеча. Даже тренировка для выхода в открытый космос - в гигантском плавательном бассейне - была опасной. Завершение 90 или более подводных тренировок при ношении громоздкого костюма значительно увеличило риск операции на плече.

Если скафандр в воде может быть вреден, вода в скафандре может быть смертельно опасной. Вот что случилось с астронавтом Лукой Пармитано в полете в 2013 году Из-за неисправности в системе жизнеобеспечения его костюма, вода просочилась в шлем, быстро пробираясь в уши, глаза, нос и рот. К счастью, быстрое возвращение в шлюз предотвратило удушье. Аналогичная ситуация произошла с Тимом Копра три года спустя (хотя и с гораздо меньшим количеством воды), но к тому времени NASA установила исправление: пластмассовую соломинку, идущую от шлема внутрь костюма.

После 2023 года эксплуатация МКС может быть прекращена. Но разработчики скафандров смотрят в будущее с оптимизмом и рассчитывают на лунные и марсианские миссии.

«В будущем вам нужны гибкие сочленения на талии, на коленях и даже на лодыжках», - говорит Джейсон Крусан из NASA. «Вам понадобится мобильность на полной поверхности и способность ходить, приседать, поворачиваться боком на талии и оправиться от таких вещей, как падение». Астронавтам также необходима более широкая область обзора для работы в непредсказуемых «полевых условиях».

ILC Dover и NASA работают над внешним скафандром под названием Z-2, который имеет необходимые сочленения, а также обновленные системы жизнеобеспечения и современную электронику, такую как дисплей с головным убором. Порт заднего входа дает возможность состыковать к внешней стороне посадочного аппарата или ровера, что позволяет астронавтам выходить прямо в ровер.

Конструкция нового скафандра дополнена также жесткими волокнистыми и полимерными композитными панелями для обеспечения поддержки.

«Z-2 значительно легче, чем костюм Apollo, - говорит Крусан. - Но он все еще слишком тяжел. Если мы не сможем получить нужную массу, мы рассматриваем роботизированную поддержку в суставах». Двигатели в ногах и руках автоматически будут определять движение и управлять костюмом в правильном направлении. Роботизированные перчатки могут также помочь поддерживать сцепление с объектами. NASA уже создала такую перчатку вместе с General Motors, которая надеется развернуть аналогичную технологию для сокращения производственных травм на автомобильных сборочных линиях.

Тем не менее, все это оборудование будет довольно громоздким и сложным. Одной из радикальных идей является почти полное удаление сжатого воздуха из скафандров.

Скафандры должны обеспечить нам для дыхания кислород и необходимое давление. Смерть от лишения кислорода происходит в течение нескольких минут. И когда давление воздуха падает слишком низко, кровь закипает. Но воздух необходим только в шлеме скафандра. В других местах, жизненно необходимое давление может быть достигнуто механически, физически сжимая наши тела.

NASA экспериментировала с такими механическими конструкциями еще в 1950-х годах, используя пены и эластичные материалы. Костюмы были громоздкими и неудобными при надевании и снимании, но показали превосходную мобильность. Они обещали быть и более безопасными. В надувном костюме небольшой прокол, скажем, от микрометеорита, может угрожать падением давления. При проколе механического костюма, астронавт, вероятно, отделается лишь синяком.

Дава Ньюман, профессор аэронавтики, астронавтики и инженерных систем в Массачусетском технологическом институте в 2014 году, создала концепции BioSuit — облегающий костюм, который использует сплавы с памятью формы. Никель-титановый сплав в костюме скручивается плотно и нагревается до примерно 840 градусов по Фаренгейту, после чего его охлаждают. При комнатной температуре сплав может быть легко растянут или согнут, но когда он нагревается до 149 градусов по Фаренгейту, он возвращается в свое спиральное состояние. Ньюмен надеется построить скафандр, который мог бы сжаться достаточно, чтобы поддерживать здоровое давление.

Механическая технология имеет других сторонников. В 2007 году художник Тед Савэн совместно с ветераном российского дизайнера скафандра Николаем Моисеевым, представил в NASA проект «космической перчатки» , в конечном итоге выигравший второй приз и 100 000 долларов — достаточный начальный капитал, чтобы основать Final Frontier Design.

В итоге компания заключила контракт с NASA на разработку механических противонапорных перчаток, которые она поставила в октябре прошлого года. Перчатки Final Frontier Design более легкие, менее громоздкие и более подвижные, чем перчатки NASA.

В них используются компрессионные волокна вместе с маленькими надувными подушками для придания давления в полостях, например ладонями. «Это не идеальное решение, и я хочу, чтобы был лучший способ, но это то, что работает сегодня», - говорит Савэн. - необходимо развитие, чтобы добиться максимально функциональности перчатки, но это соблазнительно близко, и, конечно, лучше, чем в прошлом.»

Final Frontier Design подает заявку на контракт NASA на разработку рукава механического давления, и уже есть прототип. Если его поддержат, то будут сделаны «руки» и «ноги». «Тогда у нас будет сразу полный костюм», - говорит Савэн. «Я убежден, что если мы сможем это сделать, это сделает прежние костюмы под давлением устаревшими. Даже гибридный костюм (с традиционно находящимся под давлением торсом) был бы намного легче и намного лучше в мобильности для планетарных экскурсий, что полный костюм под давлением просто не имел бы никакого смысла»

Разумеется, впереди много лет разработки и испытаний, а также технические проблемы. Однако самая серьезная проблема для Савэна и других предпринимателей - в том, что подход NASA, в целом, скорее эволюционный, чем революционный. «Мы будем постепенно обновлять костюм в течение определенного периода времени, чтобы добавить поддержку миссий, которые нам нужны», - говорит Крусан. Айре Айвер Дуйс отмечает: «NASA не слишком увлекается технологией».

Возможно, частный сектор будет более смелым. SpaceX уже разрабатывает свой собственный внутренний костюм для предстоящих коммерческих миссий экипажей на Международную космическую станцию и, по-видимому, думает о внешнем скафандре для предполагаемой колонии Марса Илона Маска. Большая часть этой работы происходит за закрытыми дверями

Orbital Outfitters - еще один стартап, который разрабатывал внутренний костюм IS3 для суборбитального путешествия. В костюме были биометрические датчики, шумоподавление и система жизнеобеспечения, которая могла функционировать в течение получаса в полном вакууме. Однако IS3 был разработан в первую очередь для корабля XCOR Lynx, развитие которого с тех пор застопорилось.

Некоторые частные космические компании даже сомневаются в том, что им нужны скафандры. World View предлагает суборбитальные полеты в капсуле, медленно поднимаемой воздушными шарами гелия, и воображает, как пассажиры блуждают по своей каюте в повседневной одежде и потягивают напитки в баре. Капсула будет нести дополнительный газ, чтобы справиться с небольшими утечками, и, согласно веб-сайту компании, полет может быть прекращен в любое время.

Однако без скафандров суборбитальные полеты могут быть рискованными. «Мы должны признать, что космический полет действительно тяжелый, и что мы должны принимать все возможные меры, чтобы свести к минимуму риск для экипажа», - говорит Копра. «Предполагать, что техника настолько надежна и безошибочна, что вам никогда не придется использовать защиту - это дико оптимистично». Действительно, даже в самолетах пассажирам все еще выдают кислородные маски...

….На борту Falcon 20 Шауна Пандья завершает свои упражнения во внутреннем костюме Final Frontier Design и повторно закрепляет пятиточечный ремень безопасности в рекордные сроки. Когда через полчаса мы садимся в аэропорт Оттавы, она улыбается. «Одна из вещей, которая действительно впечатляет меня, - это свобода, с которой я делаю мелкие движения, - говорит она мне.

В то время как трое других участников полета (включая меня) поддались тошноте, как после американских горок, Пандья, казалось, наслаждалась каждой минутой. «Некоторые люди говорят, что признаваться в любви, проходить тест или заканчивать вуз, - лучшее чувство в мире», - говорит она. «Но они ошибаются. Ношение скафандра - лучшее чувство в мире ».

Усталые астронавты могли бы поспорить с этим, но скоро все больше людей будет иметь возможность проверить это на себе.

Источник: www.airspacemag.com