Полезные заметки/Скафандр

Скафандр — специальный костюм для сохранения жизнедеятельности человека в средах, несовместимых с жизнью: под водой, в разреженном воздухе и в вакууме. Любой скафандр герметичен и имеет какой-то способ снабжения носителя воздухом, будь то шланг или носимые баллоны. В остальном же скафандры весьма отличаются.

Водолазные скафандры

Скафандры для водолазов делятся на два типа: мягкие и жесткие. Мягкий скафандр был придуман еще в XIX веке и с тех пор его характерный внешний вид с круглым медным шлемом о трех иллюминаторах и свинцовыми калошами не особенно менялся. Различные виды такого скафандра обычно называются по способу крепления шлема («трехболтовый», «двенадцатиболтовый» и др.). Воздух в этот скафандр подается по шлангу под давлением, соответствующим давлению воды на глубине погружения, поэтому у него есть предел — ниже 60 м в нем не спустишься.

Жесткий водолазный скафандр имеет куда более современный внешний вид, похож на космический. В нем поддерживается давление в 1 атмосферу, поэтому погружаться можно намного глубже — насколько хватит прочности. Характерная особенность таких скафандров — у них нету пальцев, так как невозможно сделать перчатку с пальцами, которая держала бы давление воды в не один десяток атмосфер. Вместо них щипцы-клешни, которыми водолаз управляет из «кулачков». По неофициальным данным, максимальная глубина погружения в таком скафандре составляет около 700 м, но подтверждений нет: компания СОМЕХ и французские официальные власти считают этот рекорд государственной тайной

Авиационные скафандры

Эти скафандры предназначены для лётчиков, особенно поднимающихся на бóльшие высоты, чем типичные пассажирские авиалайнеры. Изначально использовались на стратостатах, поскольку самолёты в середине XX в. до таких высот ещё не долетали. Все такие скафандры мягкие и похожи по конструкции на ранние космические (те от них и произошли). Снабжаются воздухом по короткому шлангу. Задача этого скафандра — спасти жизнь летчику в случае разгерметизации кабины.

Космические скафандры

Космические скафандры делятся, как и водолазные, на два типа по конструкции: мягкие и жёсткие, а еще на три типа по назначению: аварийные, для открытого космоса и для планет (лунные, марсианские и др.). Но если разница между мягким и жёстким водолазным скафандром происходит от разных требований по давлению, то почему так делятся космические скафандры? Они же все для одного давления — 0 атмосфер? Дело в том, что мягкие скафандры — аварийные и предназначены для ношения внутри космического корабля. От них не требуется ни толстая жесткая шкура, ни баллоны на спине — они, как и авиационные, подключаются шлангом к трубе с воздухом, и, как и авиационные, предназначены для спасения жизни космонавта в случае декомпрессии. Жесткие же предназначены для открытого космоса.

У вакуума есть неприятная особенность: мягкий скафандр в нем надувается и натягивается, как воздушный шар, и в нем становится труднее двигаться, чем в жёстком, как бы парадоксально это ни звучало — он стремится принять совершенно выпрямленную форму с растопыренными руками-ногами, и на попытку пошевелить или согнуть отвечает упругим сопротивлением. Поэтому жесткая «шкура» у скафандра для открытого космоса не только для защиты от разных палящих лучей и пролетающих микрометеоритов, но и для предотвращения надувания, чтобы космонавту было легче двигаться и выполнять какую-то работу. Сейчас даже жесткие скафандры не полностью жесткие, и немного все-таки раздуваются, но в НАСА экспериментируют с разработкой совершенно жесткого, как латы, скафандра, который гнется в шарнирах, сохраняя постоянный объём, и не оказывает сопротивления.

Для снижения эффекта раздувания скафандр обычно наполняется не обычным земным воздухом под давлением 1 атмосфера, а чистым кислородом под давлением 1/4 атмосферы: для дыхания это равнозначно. Но сразу переходить от дыхания обычным земным воздухом к дыханию разреженным кислородом нельзя: будет кессонная болезнь. Нужно сначала около часа дышать чистым кислородом с давлением в 1 атмосферу, либо гелиевым или аргоновым воздухом, чтобы выгнать из дыхательной системы весь азот. Только после этого можно надевать скафандр и выходить в открытый космос. Если и в самом космическом корабле такая же атмосфера из разреженного кислорода (как на американских «Аполлонах»), этого ограничения нет, скафандр можно надевать сразу.

Еще вакуум не проводит тепло, поэтому в скафандре есть климат-контроль — либо встроенный в сам скафандр, либо в виде отдельного терморегуляционного костюма, который носится под скафандром. Точнее, обычно сочетаются оба подхода: костюм, прошитый трубочками, по которым циркулирует теплоноситель (обычно просто дистиллированная вода), подключается к блоку терморегуляции скафандра. Дело в том, что главная проблема в вакууме — это не пресловутый «космический холод», а именно перегрев: некуда скидывать тепло, а даже при естественных для себя 36,6 градусах человеку не очень приятно, к тому же влажность воздуха вокруг полностью изолированного «человека в собственном соку» растет из-за потоотделения, а длительные 36,6 градусов при влажности 100% уже опасны для здоровья и жизни (про нагрев от работы механизмов скафандра и лучей Солнца мы не упоминаем ввиду очевидности). Проблема решается за счёт того, что часть теплоносителя испаряется в вакууме, охлаждая систему.

В чем разница между скафандрами для открытого космоса и для выхода на поверхность? В основном в конструкции ног и сапог. В невесомости не надо ходить, а ноги нужны только для того, чтобы отталкиваться или опираться, держась за что-нибудь. Поэтому в скафандре для открытого космоса на ногах неудобные для ходьбы «валенки». А вот сапоги лунного скафандра предназначены для того, чтобы в них ходить. Обычно (ну… пока что реально использовалось только одно решение, применённое НАСА в рамках программы «Аполлон») проблема решается с помощью специальных «калош», надеваемых поверх скафандра и защищающих ступни от повреждений при контакте с конструкционными элементами спускаемого аппарата и поверхностью планеты.

Бывают ли скафандры в облипочку?

Пока нет, но разрабатываются. Задача такого скафандра — так сильно обтягивать тело космонавта, чтобы создавать эквивалент давления в ту же 1/4 атмосферы. Пока что прототипы очень непрактичны: в нерастянутом состоянии они размером с детские комбинезончики, натягивать их очень трудно. И при обычном давлении, не в вакууме, дышать в них примерно так же трудно, как какой-нибудь кисейной барышне XIX века в затянутом корсете: оно надо, чтобы космонавты в обмороки падали? Ещё один недостаток — если он сморщится и даст складку, будет болезненно врезаться в тело.

Возможное решение проблемы — волокна из наноматериалов с памятью, которые могут менять натяжение «на ходу» в зависимости от давления снаружи.

А вот для лётчиков (в первую очередь пилотов военной авиации) что-то подобное уже существует под названием ВКК — высотно-компенсирующий костюм. Он представляет собой комбинезон, тщательно подогнанный шнуровкой по фигуре, в который встроены резервуары, наполняемые кислородом из дыхательной системы. В случае разгерметизации кабины в резервуары подаётся газ, и они механически обжимают тело лётчика до тех пор, пока давление не станет нормальным. Без них в современной авиации не обойтись: если вам, уважаемые читатели, хоть раз в жизни ставили банки — вы видели, как засасывается в разрежение плоть. А теперь представьте, что банку вам поставили на всё тело разом… Кровоизлияния под кожу и боль в мышцах — не самые неприятные последствия пребывания в разреженной воздушной среде, когда давление внутри тела больше, чем давление снаружи.