Сделав перерыв на длительный срок, Соединенные Штаты вновь предпринимают попытки отправить человека в космос с использованием собственных ресурсов. Хотя в области ракет и космических кораблей у них сейчас наблюдается преимущество над странами-конкурентами, ситуация со скафандрами не столь безоблачная. Они значительно менее удобны и тяжелее, что создает серьезные трудности, вплоть до отламывания ногтей у космонавтов. Причины сложившейся ситуации в интервью Naked Science объяснил разработчик скафандров Николай Моисеев.
Запуск Crew Dragon на орбиту, несомненно, является знаковым моментом. Американцы не осуществляли собственные полеты в космос уже девять лет, приобретая места на российских «Союзах», однако эта эпоха подходит к завершению. SpaceX взялась за разработку ракеты и космического корабля для транспортировки людей к МКС по сравнительно низкой цене — и успешно выполнила поставленную задачу, причем опередила Boeing. Эта компания, обладающая более чем полувековым опытом космических полетов, также вела разработку корабля для доставки астронавтов на станцию, но столкнулась с рядом технических сложностей — и первой в космос отправилась компания, которой менее двух десятилетий. За это ей заслуженно отдают должное.
Хотя SpaceX обладает значительными преимуществами, на текущий момент у нее есть и заметный недостаток. За последние 18 лет компания добилась успехов в реализации беспилотных миссий, включая ракетные запуски и использование грузового корабля Dragon. Однако, отправка людей в космос – относительно новая задача для SpaceX. Это особенно заметно по скафандрам, которые вызывают критику со стороны экспертов.
По мнению многих, это кажется незначительным аспектом космических перелетов. Однако, на деле, скафандр создает лишь видимость небольшой роли в полете.
Для понимания сложившейся ситуации мы обратились к Николаю Моисееву, разработчику скафандров для NASA. Он посвятил этой области деятельности уже более тридцати лет, работая на научно-производственном предприятии «Звезда» в период с 1986 по 2006 год. С 1988 года разработанные им перчатки успешно применялись в открытом космосе, ведь перчатки являются одним из наиболее сложных в изготовлении компонентов скафандра. Он является обладателем нескольких патентов в сфере скафандростроения и автором многочисленных докладов, представленных на международных конференциях. В России он руководил шестью проектами скафандров, а в 2006 году покинул «Звезду» с должности ведущего конструктора по перспективным скафандрам.
Впервые в истории мировой практики, в 2007 году Николаю Моисееву удалось создать скафандр в домашних условиях (больше не было возможности сделать это в другом месте). Этот скафандр был передан каскадеру из Лондона, который намеревался совершить в нём высотный прыжок. Однако из-за нехватки финансирования для самого прыжка, «домашний скафандр» не был использован. В 2009 году конструктор стал победителем конкурса NASA «Перчатка астронавта», получив приз в 100 тысяч долларов. Впоследствии он получил грин-карту США по категории «Выдающийся ученый и исследователь».
Впоследствии он основал компанию Final Frontier Design ( FFD), разрабатывающая космические скафандры в Нью-Йорке. Предлагаем ознакомиться с его оценкой проблем, возникших у нового скафандра SpaceX, понять, почему создание качественных скафандров для Луны и Марса является такой сложной и важной задачей, и узнать о текущем прогрессе в этой области.
— Фотографии и видеоролики, демонстрирующие новые скафандры Илона Маска, вызвали оживлённую дискуссию среди экспертов. Не могли бы вы рассказать, в чём заключаются основные замечания?
— Обычно космические скафандры изготавливаются из двух слоев: внешнего, силового, выполненного из плотной ткани, такой как нейлон или лавсан, и внутреннего, герметичного. Внутренний слой непроницаем для воздуха, но не способен выдерживать механические воздействия. Силовой же слой должен обладать высокой прочностью, поскольку на него, помимо рабочего давления скафандра (которое для российских моделей «Сокол» и «Орлан» составляет 2-2,5 атмосферы), воздействует дополнительное давление, возникшее в изделиях первых серий. Это давление в три раза превышает рабочее и несколько выше атмосферного. Такая разница называется фактором безопасности – трехкратное превышение означает, что он равен трем.
Вероятно, SpaceX использует коэффициент безопасности, равный двум, а не трем. Об этом свидетельствуют заявления Илона Маска о том, что их новый скафандр прошел испытания при «двойном давлении вакуума». Эта формулировка звучит странно, но получила распространение в прессе. Судя по всему, она означает превышение давления, используемого при испытаниях, над рабочим давлением. Если скафандр рассчитан на 0,3-0,4 атмосферы, то испытания проводились лишь до 0,6-0,8 атмосферы. Это довольно низкий показатель.
— Вы отметили, что давление в скафандрах отличается. В чем причина этого?
— В российских моделях рабочее давление составляет 0,4 атмосферы, поэтому при испытаниях его повышают до 1,2 атмосферы, предварительно помещая скафандр в вакуумную камеру. В современных американских скафандрах давление и того меньше — всего 0,3 атмосферы. Это позволяет избежать чрезмерного «раздувания» скафандра в вакууме, что обеспечивает большую свободу движений. В результате снижаются требования к запасу прочности, что позволяет уменьшить вес конструкции.
Я вновь обращусь к вопросу о том, почему коэффициент безопасности, равный двум, считается недостаточным. Для чего применяют повышенное давление при испытаниях? Это необходимо для оценки прочности ткани силового элемента. Если прочность оказалась ниже требуемого уровня, то при чрезмерных нагрузках она может выйти за пределы допустимых деформаций и не восстановится, подобно пружине, растянутой сверх меры, которая утрачивает способность возвращаться к первоначальной длине и перестает выполнять свои задачи.
С точки зрения постороннего наблюдателя, скафандр представляется эффектной космической экипировкой. Однако с инженерной стороны, это герметичный сосуд, который, подобно баллонам и емкостям, работающим под давлением, требует строгого контроля и проверок, аналогичных тем, что проводит Котлонадзор в России.
В инженерной практике встречается большое количество конструкций, у которых коэффициент безопасности ниже трех и даже двух единиц. Например, герметичная кабина летательного аппарата на высоте может иметь коэффициент безопасности 1,1. Однако для скафандров это неприемлемо, поскольку они изготавливаются из ткани, а не из металла. При создании избыточного давления ткань растягивается, нагрузки распределяются по диагонали, не встречая препятствий в виде волокон, что облегчает ее деформацию. В связи с этим выбор коэффициента безопасности, не превышающего трех, в данном случае объективно нежелателен. Несмотря на это, компания SpaceX приняла такое решение. Это моя версия.
— В чём значимость нового скафандра SpaceX и почему компания применила для его разработки столь необычные технические решения?
— Текущая разработка компании предназначена только для защиты астронавтов внутри космического корабля Crew Dragon в ситуации потери давления — она не рассчитана для работы за пределами корабля. В связи с этим предъявляемые к ней требования отличаются: в них отсутствует собственный источник кислорода, поэтому при разгерметизации их необходимо интегрировать в систему жизнеобеспечения корабля. Вместе с тем, они должны обеспечивать достаточную свободу движений, чтобы астронавты могли оперативно реагировать на возникшие проблемы.
На данный момент состояние внутрикорабельного скафандра SpaceX вызывает опасения. Он функционирует, однако его надежность и удобство оставляют желать лучшего. В первую очередь, уделено меньше внимания безопасности – вероятно, для уменьшения веса. Кроме того, герметичная застежка для входа расположена в области бедер, в паховой зоне. Возможно, это улучшает внешний вид костюма, но вход в скафандр через паховую область не отличается удобством.
По всей видимости, космонавту будет затруднительно надеть скафандр самостоятельно, так как для этого потребуется сложная серия движений. В отличие от российского «Сокола», где вход осуществляется спереди, через область груди, что позволяет надеть его всего за несколько минут, здесь требуется выполнение дополнительных маневров. Кроме того, вызывает опасения и шлем, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Пластиковый шлем имеет толщину 25 миллиметров, в то время как алюминиевые аналоги других производителей имеют толщину всего полтора миллиметра, что уменьшает внутренний объем и создает дискомфорт.
Первый костюм SpaceX оказался не самым удачным из-за особенностей его разработки. Изначально Илон Маск обратился к дизайнеру костюмов для кино Хосе Фернандесу для создания внешнего вида скафандра, а затем уже под этот дизайн стали разрабатывать необходимые системы. Такой порядок действий затрудняет создание полноценного и функционального изделия.
Представленный SpaceX скафандр предназначен для использования внутри космического корабля. Разработка скафандров для полетов на Луну и Марс представляет собой гораздо более сложную задачу.
— По записям видно, что лунные скафандры, которые использовали астронавты США полвека назад, обладали ограниченной подвижностью в области бедер. В чём причина этого?
— В настоящее время скафандры для работы за пределами космического корабля продолжают разрабатываться, даже несмотря на отсутствие программ полетов на Луну или Марс. Однако, современные скафандры созданы с учетом специфики работы на орбитальных станциях, а не для передвижения по другим планетам. В частности, они обладают ограниченной подвижностью ног, поскольку астронавтам в настоящее время нет необходимости передвигаться пешком. Вместо этого они используют руки для перемещения: при выполнении работ за пределами МКС астронавты перемещаются, используя руки.
Лунные скафандры, использовавшиеся в рамках программы «Аполлон», проектировались с учетом необходимости обеспечения подвижности астронавта. Однако, наблюдая за тем, как двигались астронавты в этих скафандрах, можно заметить, что они больше прыгали, нежели ходили, и что основное движение осуществлялось за счет голеностопа. В чем причина этого?
По сути, в его конструкции были предусмотрены шарниры бедер, однако они оказались ненадёжными и недостаточно гибкими. Эта «ограниченность» в движении бедер объясняет необычные прыжки при использовании скафандра «Аполлон». Разумеется, подобный скафандр был приемлем в период лунной гонки, но в настоящее время требуется более усовершенствованное решение.
На данный момент NASA официально заявило о намерении вернуться на Луну к 2024 году. Однако в настоящее время отсутствуют ни корабль, ни скафандр, ни ракета для реализации этой цели. Объем работ значителен. Выполнение всего необходимого в отведенные сроки представляется весьма сложной задачей, но не является невозможным.
— Возможно ли это осуществить в принципе за столь ограниченный период времени?
— В 1960-х годах работа велась в очень сжатые сроки. И в Советском Союзе, и в Соединенных Штатах одновременно реализовывалось несколько параллельных, конкурирующих друг с другом проектов скафандров. В итоге американские специалисты использовали разработки двух компаний, объединив их наиболее удачные решения для создания скафандра Apollo A7L.
В настоящее время в США ведется разработка элементов нового лунного скафандра сразу несколькими организациями под руководством NASA, включая нашу компанию Final Frontier Design. В марте 2020 года мы получили заказ от NASA на сумму миллиона долларов на производство комплектующих для скафандров, предназначенных для возвращения человека на Луну.
Мы отвечаем за поясничный и тазобедренный суставы, а также за ботинки. В целом NASA стремится использовать наиболее эффективные элементы из предыдущих скафандров и одновременно улучшить те, которые работали недостаточно хорошо. Это достаточно разумная стратегия, которая, как предполагается, позволит добиться успеха в разумные сроки.
— В последнее время активно обсуждается потенциальная ценность водяного и углекислотного льда, находящегося в лавовых трубках — обширных пещерах на Луне и Марсе. Этот ресурс может быть использован для производства компонентов ракетного топлива и для изучения древней атмосферы этих планет. Однако, возможно ли вообще добраться до этих месторождений для астронавтов, или современные технологии не позволяют это сделать?
— По имеющимся данным, новый скафандр должен обладать большей степенью свободы движений по сравнению с предыдущими лунными моделями. Однако, серьезные инженерные трудности остаются. В частности, изучение лунных и марсианских пещер, таких как лавовые трубки, предполагает необходимость перемещения по крайне сложной местности, напоминающей альпинизм. Встречающиеся там водяной и сухой лед усложняют доступ к этим объектам.
Современные скафандры для внекорабельной деятельности, разработанные NASA, обладают значительно большей подвижностью тазобедренного сустава по сравнению с теми, что использовались в программе «Аполлон». Однако, по моему мнению, даже в новом скафандре астронавт не сможет перемещаться по сложной местности, проникать в труднодоступные места, например, в пещеры. Причина заключается в его большом весе – масса составляет 175 килограммов. К слову, современный американский скафандр для выходов в открытый космос на МКС — Extravehicular Mobility Unit (Аппарат EVA, масса которого составляет 145 килограммов, российский «Орлан», предназначенный для аналогичных задач, весит около 115 килограммов.
На Луне предметы обладают в шесть раз меньший вес, однако инерция их массы не изменится. Масса современного скафандр значительно превышает массу скафандров программы «Аполлон» (на десятки килограммов). Представить, как в таком скафандре можно добраться до труднодоступных участков, весьма сложно.
— Возникает вопрос о том, почему американские скафандры прошлых лет были значительно легче, уступая в весе на десятки килограммов?
— Решение здесь очевидно: новый лунный скафандр обладает большей подвижностью, особенно в области бедер и пояса, благодаря значительно более развитой системе шарниров. Он более удобен и, что немаловажно, существенно надежнее. В скафандре предусмотрена серьезная резервирование систем, при выходе из строя одной из них ее заменит резервная. В условиях цейтнота лунной гонки реализовать подобную конструкцию не удалось.
Объем воздуха и воды, доступные астронавту в новом скафандре, не отличается от таковых в предыдущих моделях. Максимальное время пребывания в нем (девять часов) обусловлено не только запасом ресурсов, но и физическим состоянием человека, которому необходимы не только вода, но и питание. Кроме того, важно предусмотреть возможность удовлетворения физиологических потребностей, что представляет собой определенную сложность в условиях скафандра.
— А что происходит в России в это время? Ведутся ли у нас разработки новых скафандров?
— «Я проработал 20 лет на предприятии «Звезда», где сейчас разрабатывается новый внутрикорабельный скафандр линейки «Сокол» («Сокол-М»). Образец был представлен на МАКС-2019. По результатам его демонстрации были выявлены недостатки, устранение которых планировалось завершить к концу года. Однако, как это часто бывает на «Звезде», сроки не были соблюдены. В настоящее время, в связи с пандемией коронавируса, неясно, ведутся ли работы над скафандром в активном режиме.
Разработка перспективных скафандров, в том числе предназначенных для миссии на Марс, представляет собой более сложную задачу. Компания «Звезда» получила заказ, однако на данном этапе она не занимается изготовлением физического прототипа, а сосредоточена на проработке его концепции.
— На фотографиях с пресс-конференций, на которых были запечатлены американские астронавты, вернувшиеся с Луны в 1970-х годах, заметны синяки под ногтями, что создает впечатление, будто по пальцам ударили молотком. Что могло быть причиной этого?
— Создание высококачественных перчаток для скафандров — сложная задача. Когда я поступил на «Звезду» в 1986 году и попросил заниматься проектированием перчаток, это вызвало большой энтузиазм у коллег, поскольку никто не желал брать на себя эту работу. И вот с ноября 1988 года разработанные мной перчатки используются в космических полетах — и продолжают использоваться по сей день. За все годы эксплуатации космонавты не испытывали синяков под ногтями, работая в них.
В 1990-х годах на предприятие прибыл космонавт Юрий Маленченко, который во время полетов на орбитальной станции с использованием шаттла применял американский скафандр (каждый скафандр стандартизирован под конкретный космический корабль). Он поделился, что после возвращения на Землю у него появились синяки на пальцах, а впоследствии буквально отслоились ногти – и он проходил без них несколько месяцев.
Причинами утечек стали более узкие перчатки, используемые американскими астронавтами, по сравнению с российскими. Кроме того, общее давление в американских скафандрах на 25% меньше, что приводит к тому, что пальцы не становятся такими «объемными».
Попробуйте прижать указательный палец другими пальцами – аккуратно, чтобы не ощущали боли – и удерживайте так около пятнадцати минут. Вы испытаете дискомфорт. Какие последствия возникнут после нескольких часов работы в подобной перчатке? Вы будете испытывать к ней неприязнь, и, к сожалению, впоследствии возникнут неприятности.
Когда Маленченко вернулся на Землю и обратился к врачу из NASA, тот отреагировал невозмутимо, сказав, что отпуск позволит волосам отрасти. В начале 2000-х годов NASA опубликовало ряд отчетов, посвященных этой проблеме: ногти отслаивались не только у Маленченко. Насколько мне известно, в Соединенных Штатах эта проблема до сих пор не найдена решением.
Почему? У них сформировалась иная культура: профессия астронавта предполагает наличие обширной медицинской страховки, и считается, что подобные трудности не являются чем-то необычным для человека, покоряющего космос.
— Вы говорили, что масса скафандра «Орлан», предназначенного для работы в открытом космосе с МКС, составляет 110–115 килограммов, а вес американского аналога на той же МКС — 145 килограммов. Чем обусловлена такая существенная разница?
— Разница в массе подшипников стала основной причиной расхождений. В американских скафандрах используются подшипники из нержавеющей стали, тогда как в отечественных – из алюминиевого сплава Д16Т, который широко применяется в авиационной промышленности. Плотность последнего в три раза меньше, чем у стали. Также стоит отметить, что американские внекорабельные скафандры оснащены очень массивным поясным подшипником, аналогичного компонента в «Орлане» не предусмотрено.
— Но почему так происходит? Ведь речь идет о космосе, где экономия не является приоритетом, и очевидно, что вес скафандра было бы целесообразнее уменьшить.
— При создании «Звезды» это было предприятие авиационной промышленности, где ценили экономию каждого грамма. Проектирование скафандров для NASA осуществляли специалисты из других сфер – промышленные дизайнеры, которые не придавали значения необходимости снижения веса.
По словам ветеранов «Звезды», еще в 1960-х годах работники, добившиеся уменьшения веса компонентов скафандра, получали премии. Это было связано с разработкой «Кречета» для полетов к Луне, из которого впоследствии появился «Орлан». Иногда инженеры намеренно предлагали более громоздкие варианты, чтобы затем снизить их массу и получить вознаграждение. Именно поэтому предпочтение не было отдано более тяжелым конструкциям.
— Насколько критичен вес скафандра? Или в условиях пониженной гравитации этот фактор не играет существенной роли?
— Недавно у меня был разговор с сотрудниками NASA, и я поделился своим мнением: перечень требований к лунному скафандру весьма обширен, однако приоритетным должен быть минимальный вес. И вот объяснение, почему.
Суть проблемы не сводится лишь к тому, что с весом в 175 килограммов в пещеру забраться не удастся. Гораздо важнее другой вопрос: что произойдет, если астронавт упадет? На спутнике Земли вес меньше, однако масса остается прежней. Подняться в скафандре с лунной поверхности после случайного падения астронавту, особенно женщине-астронавту, может быть не под силу.
Да, поможет коллега. Но что произойдет, если коллега получит травму? Кто о нем позаботится? Это касается их безопасности: пока они не встанут, они не смогут вернуться на корабль. Конечно, в критических ситуациях человек может испытать прилив энергии. Возможно, они встанут. Но зачем же им причинять себе столько страданий?
— Почему NASA не стали воспроизводить решения, реализованные в скафандре «Орлан», учитывая их глубокое изучение этой конструкции?
— Зафиксированы случаи копирования конструктивных элементов наших скафандров, в частности, шарнира перчатки «Орлана». В настоящее время на американских перчатках используется скопированный кистевой шарнир «Орлана». Решение о копировании было принято в 1995 году после тщательного изучения конструкции «Орлана», хотя и с некоторыми изменениями, но сохраняя основную идею, заимствованную из наших перчаток. Полностью изменить концепцию американского скафандра для выхода в открытый космос достаточно сложно.
Развитие конструкций происходит постепенно, без внезапных изменений. Во-вторых, они не способны просто скопировать инородное техническое решение. Целенаправленное изучение российского опыта практически отсутствует, они обращают внимание лишь на наиболее заметные аспекты.