ЭНЕРГЕТИКА РАБОТЫ В СКАФАНДРЕ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ВЫСАДКИ НА ЛУНУ

© С.Н.Филипенков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космической медицины и биологии"
2015 г.

Работая над повестью «Вне Земли» (начата 28.12.1896, закончена в апреле 1917, полностью опубликована в 1920), К.Э. Циолковский четверть века обдумывал принципы создания скафандра космонавта (СК) и шлюзового отсека с целью выхода в открытое космическое пространство из межпланетного корабля (МК). Основоположник космонавтики проанализировал варианты применения СК вне МК, требования к его автономной системе обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ) и меры по обеспечению безопасности с помощью страховочного фала и реактивной двигательной установки. Он также предлагал использовать СК для задач высадки на поверхность Луны, Марса и астероидов. Об этой работе, как о точном научном предвидении, отзывался А.А. Леонов, совершивший выход в космос в СК «Беркут» 18.03.1965 г., почти через 70 лет с того момента, когда возникла сама идея проведения подобной спецоперации.

В испытаниях на стендах и при эксплуатации СК в невесомости при операциях внекорабельной деятельности (ВКД) постоянно улуч-шались физиолого-гигиенические характеристики и подвижность СК, прежде всего, его верхней части. Одновременно повышался ресурс изделия, увеличивалось время работы АСОЖ при сохранении ставшей классической конструктивной схемы полужесткого СК типа «Орлан». [Абрамов И.П., Северин Г.И., Сверщек В.И. и др.,1984; Северин Г.И., Абрамов И.П., Сверщек В.И, Поздняков С.С., 2006]. Конструкция обо-лочки штанин наоборот упрощалась, т.к. реальные операции в условиях невесомости выполняются космонавтами при помощи мышц рук, верхнего плечевого пояса и туловища [Барер А.С., Филипенков С.Н., 1987; Барер А.С., Филипенков С.Н., Головкин Л.Г. и др., 1990].

Высадка на Луну и межпланетная экспедиция — это реальная перспектива российской космонавтики до 2030-х при условии, что будут отработаны медико-биологические и медико-технические вопросы обеспечения безопасности экипажа при выполнении операций в СК на поверхности планеты. Первыми шагами в данном направлении были попытки имитации высадки на Луну и Марс в условиях наземного стенда ЛИИ с вывешиванием человека, снаряжённого в авиационный скафандр «Воркута», до 1/6 и 3/8 их суммарного веса [А.И. Хромушкин, А.И. Бойко, 1960–1964]. Позднее, на стендах обезвешивания завода «Звезда» аналогичные исследования при работе испытателей-добровольцев в СК «Кречет» с измерением энерготрат (ЭТ) человека методом непрямой дыхательной калориметрии выполнялись И.И. Деденко, В.Е. Панфиловым и А.Н. Серебряковым с 1964 по 1972 гг. Ограничение максимального пути в физиологических испытаниях полужестких СК, расстоянием в 5–10 км, а также скорости движения интервалом 1,0–6,5 км/ч было обусловлено не столько функционированием АСОЖ, сколько тяжелыми физическими нагрузками с ЭТ до 7–9 ккал/мин, достигаемыми при пешем перемещении по поверхности в условиях ограничения подвижности жёсткостью напряжённых мягких оболочек нижней части СК (штанин) и конструкцией бедренных, коленных и голеностопных шарниров. Затем исследования были продолжены в испытаниях применительно к работе в СК типа «Орлан» под избыточным давлением 0,27–0,40 кг/см2 в термобарокамере (ТБК-30 и ТБК-50) при вывешивании до остаточного веса изделия в 20–30 кг, который испытателю приходилось носить в течение 3–8,5 часов пребывания в вакууме. Всего при исследовании ЭТ было выполнено с участием 9 испытателей 42 эксперимента при имитации ВКД 2,5–5 ч в ТБК-30 в СК «Орлан», 42 эксперимента с участием 12 испытателей при имитации ВКД 3,5–5 ч в ТБК-30 в СК «Орлан-Д», 158 экспери-ментов с участием 67 испытателей при имитации ВКД 5–7,5 ч в ТБК-50 в СК «Орлан-ДМ», 202 эксперимента с участием 42 испытателей по 5–8,5-часовой имитации ВКД в ТБК-50 в СК «Орлан-ДМА». Анало-гичные исследования проведены на НПП «Звезда» в процессе создания экспериментального СК «Орлан-Э» для эксперимента «Марс-500» (масса 32 кг, вентиляционная СОЖ, избыточное давление в СК 0,2 кг/см2).

В отработке ходьбы в СК «Орлан-Э» и операций с инструмен-тами участвовало 11 кандидатов в эксперимент «Марс-500», 5 испытателей НПП «Звезда» и 1 космонавт РКК «Энергия». С этими добровольцами проверялись и закреплялись навыки входа/выхода из СК с помощью второго оператора и самостоятельно, под избыточным давлением 0,2 кг/см2 определялась скорость перемещения и устойчивость ходьбы с фиксацией страховочных карабинов вентиляционного шланга, выбиралась оптимальная по устойчивости и нагрузке на тело поза отдыха в положении стоя и сидя, оценивались усилия и сама возможность вставания на одно колено, вставание из положения лежа при использовании подручных инструментов или при поддержке второго оператора, отрабатывалось пешее перемещение, а также рабочие операции по разрушению конгломератов реголита альпенштоком, взятию проб грунта или песка с помощью совка и захвата, упаковки их в контейнер. По данным изменения ЧСС в зависимости от ЭТ можно заключить, что при пребывании в «Орлан-Э» в позе сидя ЭТ достигали 2 ккал/мин, увеличивались до 3 ккал/мин в позе отдыха стоя. При ходьбе по горизонтальной песчаной поверхности со скоростью 2–3 км/ч ЭТ составляли 4–6 ккал/мин, а при отборе проб инструментами ЭТ увеличивались до 7–8 ккал/мин. ЭТ достигали максимума 10–11 ккал/мин при операциях вставания с колен или вставания из положения лежа с опорой на инструмент и при поддержке второго оператора. Полунатурные исследования на марсодроме в ГНЦ РФ-ИМБП РАН, показали, что условия применения избыточного давления 0,2 кг/см2 соответствовали тяжелой физической работе с ЧСС до 180–190 уд/мин.

Таким образом, исследования на наземных стендах, в том числе в ТБК-30, ТБК-50, показали, что при режиме избыточного давления в полужёстком СК типа «Орлан» равном 0,2–0,27 кг/см2 в аварийной ситуации ВКД и 0,4 кг/см2 в штатном режиме ВКД, ЭТ могут повы-ситься настолько, что вызовут предельное состояние утомления после 2–5 ч непрерывной работы и не позволят осуществлять длительные 8,5–10-часовые операции ВКД, для которых предстоит разработать специальный режим труда и отдыха и механизировать основные рабо-чие операции с применением дистанционно-управляемых автоматов.