Особенности жизни космонавтов в космическом корабле
Что в космосе нет воздуха, мы знаем. Известно, что без воздуха человек не может прожить и несколько минут. Следовательно, в отсеках обитаемого космического корабля, где размещается экипаж, должен содержаться воздух. Воздух - это в основном смесь двух газов: кислорода и азота. Азот при дыхании организмом не потребляется; мы его выдыхаем обратно в атмосферу, этот газ в наших легких практически не претерпевает никаких изменений. А вот второй газ, кислород, организмом человека усваивается.
Кислород - окислитель, а жизнедеятельность человека, как и любого другого живого организма, немыслима без процесса окисления. Пища, потребляемая нами, в нашем организме подвергается окислению, в результате чего выделяется энергия, которую мы затрачиваем на движение и на выполнение полезной работы.
Итак, для жизни человека необходим именно кислород, следовательно, в космическом корабле, отправляющемся в межпланетный полет, должен иметься необходимый запас кислорода. А нужен ли азот? Ведь в космический полет следует брать с собой лишь самое необходимое, чтобы не увеличивать массу корабля. Может ли человек жить не в воздушной атмосфере, а в атмосфере чистого кислорода? Вопрос этот имеет важное значение, если вспомнить, что содержание азота в воздухе почти в четыре раза превышает содержание кислорода. Нужно ли брать на борт космического корабля смесь двух газов - азота и кислорода - или можно ограничиться одним кислородом?
Человек привык жить и работать в воздушной среде. Поэтому с точки зрения сохранения здоровья членов экипажа в космическом корабле целесообразно иметь воздушную атмосферу, соответствующую атмосфере Земли. В советских обитаемых космических кораблях серии «Восход», «Восток» и «Союз» применяется воздушная атмосфера, состоящая из 80% азота и 20% кислорода, во всех же типах американских обитаемых кораблях («Меркурий», «Джеминай» и «Аполлон») создана чисто кислородная среда, без добавки инертного газа азота.
Наличие в отсеках космического корабля воздуха, а особенно чистого кислорода, создает одну из наиболее серьезных опасностей для экипажа корабля. В воздухе могут гореть многие вещества, а в кислороде горение происходит еще интенсивнее. Многие вещества, не способные гореть на воздухе, очень хорошо горят в кислороде. Вследствие этого в отсеках космического корабля не исключается возможность возникновения пожара. Пожар - всегда большая неприятность. Правда, в случае пожара на Земле люди почти всегда имеют возможность покинуть горящий объект и вызвать пожарную команду для тушения. В космическом пространстве все гораздо сложнее. Экипаж корабля находится в очень тесном помещении, а это сильно затрудняет борьбу с огнем.
Что может быть причиной пожара на борту космического корабля? Мы уже знаем, что корабль - это сложный комплекс различных систем, которые при работе потребляют электроэнергию. На борту корабля имеется источник электрической энергии, от которого по кабелям электрический ток подводится к приборам и системам. При каких-либо неисправностях в кабельной сети может произойти короткое замыкание с образованием искры. От искры может загореться какое-либо горючее вещество. Источником образования искры может стать и сам человек, т. е. член экипажа корабля. Вам, наверное, приходилось наблюдать такую картину: расческа, которой вы причесываетесь, начинает вдруг потрескивать. Почему? На расческе скапливается заряд статического электричества благодаря трению ее о волосы, а затем происходит разряд. При разряде небольшого количества статического электричества мы слышим только легкий треск, искры еще не бывает видно. Если статического электричества скапливается много, его разряд сопровождается образованием довольно мощной искры.
Космонавты, находясь в космическом корабле, производят всякого рода движения,и при этом происходит трение отдельных частей их костюма друг о друга. На костюме в результате трения, так же как и на расческе, может появиться заряд статического электричества, а при определенных условиях произойдет его разряд с образованием искры. Практика показывает, что не так-то просто поджечь горючий материал электрической искрой, если искра не очень большая и действует короткое время. Но это в условиях земных, где проявляется действие силы тяжести. Есть ли какое-нибудь отличие в протекании процесса воспламенения горючих веществ в космическом корабле по сравнению с земными условиями? Оказывается, есть и весьма существенное. В земных условиях теплый воздух, как известно, поднимается вверх, а холодный, как более тяжелый, опускается вниз. Благодаря этому происходит непрерывное перемешивание воздуха. Вы спичкой поджигаете лист бумаги. Куда идет тепло от горящей спички? На нагревание листа. Когда бумага нагреется до температуры воспламенения, она вспыхивает и начинает гореть. Где труднее нагреть лист бумаги до температуры воспламенения: на Земле или в космическом корабле? Нужно иметь в виду, что одновременно с нагреванием бумаги нагревается и окружающий воздух. Нагретый воздух становится легче и поднимается вверх, а на его место поступает новая порция холодного воздуха, которая также начинает нагреваться. Благодаря такой конвекции воздуха количество тепла и время, необходимое для того, чтобы поджечь лист бумаги, увеличиваются.
В космическом корабле сила тяжести отсутствует, поэтому конвекции не происходит. Из-за того что лист бумаги не будет омываться воздухом, для его поджигания потребуется меньше тепла и меньше времени. Следовательно, в условиях невесомости опасность возникновения пожара даже от слабых источников зажигания вполне реальна. А вот с распространением пламени, т. е. с горением уже загоревшегося предмета, получается обратная картина. Для того чтобы горение имело место, необходим приток свежих порций воздуха к горящей поверхности. Ведь любое горение - это соединение кислорода воздуха с горючим веществом. В земных условиях к горящему предмету кислород, необходимый для поддержания процесса горения, непрерывно поступает благодаря наличию силы тяжести, создающей естественную конвекцию. В космическом корабле, где отсутствует естественная конвекция, продукты сгорания (углекислый газ и водяные пары) создают оболочку вокруг очага горения и, таким образом, закрывают доступ к нему свежих порций воздуха.
Следовательно, в условиях невесомости горение не может длительно продолжаться. Но в состоянии невесомости корабль находится не всегда. Мы знаем, что корабль должен быть ориентирован определенным образом относительно Земли или какого-либо небесного тела. При длительных полетах корабль постепенно изменяет свое положение, т. е. теряет ориентировку, поэтому время от времени включаются двигатели ориентации. Кроме того, реактивные двигатели могут включаться для проведения коррекции траектории полета. Работа этих двигателей создает силу тяги, действующую на корабль. Ну, а раз на тело действует какая-то сила, то тело получает некоторое ускорение и при этом нарушается состояние невесомости. Горячие газы (образующиеся при горении), как более легкие, будут двигаться в сторону, противоположную направлению ускорения корабля, а холодный воздух - в том же направлении. Так создаются условия, необходимые для перемешивания воздуха внутри космического корабля, а следовательно, и для поддержания процесса горения. Есть еще и другая, более серьезная причина, которая может способствовать распространению возникшего в космическом корабле пожара,- это искусственная конвекция. Мы уже говорили, что в состав системы регулирования температуры космического корабля входит несколько вентиляторов. Назначение их - прогонять воздух через устройства, в которых от него отбираются излишние влага и тепло.
Вентиляторы приводят в движение большую часть воздуха кабины. Кстати следует сказать, что движение воздуха в кабине необходимо и для нормальной жизнедеятельности членов экипажа. Вы знаете, что человек непрерывно выделяет тепло. Когда температура окружающего воздуха высокая (летом в жаркую погоду), организм выделяет через кожу влагу (потеет), которая, испаряясь, охлаждает поверхность тела. Отвод тепла от тела человека в окружающее пространство обеспечивается естественной конвекцией. Отсутствие конвекции может привести к перегреванию организма.
В космическом корабле в условиях невесомости естественной конвекции нет, поэтому там с помощью вентиляторов создают искусственную, вынужденную конвекцию. Но именно вынужденная конвекция и является главной причиной, которая может случайное возгорание в кабине корабля превратить в большой пожар.
Что может гореть внутри кабины космического корабля? Изоляция электропроводки, одежда самих космонавтов, мягкая обивка кресел и т. д. Не меньшую опасность, чем сам пожар, представляют газы, выделяющиеся при горении различных веществ.
В кабине корабля тесно и, что главное, проветрить кабину не просто. Поэтому образование любого газа в кабине в большом количестве опасно не только для здоровья, но и для жизни членов экипажа. Обнаружить возникновение пожара в кабине космического корабля можно или увидев пламя, или по запаху, если при горении выделяются газы с резким запахом. Ликвидировать пожар в космическом корабле после того, как он развился, очень трудно. Пожар необходимо обнаруживать в самом начале его возникновения, когда еще нет разрушений от огня и когда еще атмосфера кабины не отравлена газами, выделяющимися при горении. Для этого в кабине корабля устанавливаются датчики, которые дают сигнал тревоги (световой или звуковой), когда еще возник не пожар, а лишь опасность его образования. Задача этих датчиков - не только выработать сигнал о возникновении очага горения в кабине корабля, но и включить средства пожаротушения, поскольку промедление с тушением пожара в космическом корабле недопустимо.
Каким же образом можно потушить пожар, возникший в кабине космического корабля? Любое горючее вещество может гореть только в том случае, если оно находится на воздухе, поэтому наиболее простым и верным способом тушения пожара является создание в кабине глубокого вакуума. Сделать это просто.
Кабина космического корабля как бы надута воздухом. Давление газа в кабине равно 1 атм, а окружающее давление в космическом пространстве практически можно считать равным нулю. Поэтому, если открыть какой-либо люк или клапан (который может открываться автоматически по сигналу, полученному с датчика, обнаружившего загорание), воздух из кабины очень быстро выйдет в космическое пространство и горение сразу же прекратится. Выпуск воздуха из кабины - очень удобный способ тушения пожара в космическом пространстве, но следует помнить, что в кабине находятся люди, а они без воздуха жить не могут.
Правда, если космонавты в скафандрах, отсутствие воздуха в кабине им ничем не грозит. Но находиться человеку в скафандре длительное время вредно. Поэтому при полетах, которые длятся несколько суток, экипаж в кабине должен находиться без скафандров. Следовательно, перед тем как нарушить герметичность кабины и позволить воздуху выйти за борт корабля, космонавтам нужно будет надеть скафандры. Но это необходимо сделать до того, как пожар достигнет угрожающих размеров. Однако, как показали специальные эксперименты, время, затрачиваемое космонавтами на одевание скафандров, велико - 25 - 30 мин, а чтобы прекратить в кабине пожар, необходимо выпустить из нее воздух за несколько секунд. Поэтому разгерметизация как средство тушения пожара может применяться только в космических кораблях, кабины которых разделены на несколько отсеков, с герметично закрывающимися люками сообщения. В случае возникновения пожара экипаж из отсека, где произошло возгорание, переходит в другой, а отсек, где возник пожар, соединяется с космическим пространством.
Пожар - это, пожалуй, самая грозная опасность, которая может возникнуть в космическом корабле. Для ликвидации пожара необходимо иметь надежные при любых условиях средства. Поэтому ведутся интенсивные работы по созданию таких средств. Выпускать воздух из кабины не всегда можно. Нельзя ли поступить наоборот: при возникновении пожара не выпускать воздух из кабины, а вводить какие-либо газы, действующие как пламегасители?
Имеется несколько газообразных веществ, которые очень энергично гасят горение в воздухе, даже если они присутствуют в нем в очень небольшом количестве. Если медицинские исследования покажут, что содержание в воздухе таких веществ не сказывается на состоянии здоровья человека, то эти вещества могут оказаться пригодным и удобным средством пожаротушения в космическом корабле. От датчика, обнаружившего начало горения, будет подаваться сигнал на открытие емкости, в которой хранится это вещество под давлением. Пламягасящее вещество будет выбрасываться в кабину и вентиляторами системы терморегулирования перемешиваться с воздухом. Для этого потребуется мало времени, следовательно, пожар может быть потушен в самом начале его возникновения.
После того как пожар будет потушен, космонавты наденут скафандры. Времени для этого у них будет достаточно. Ну а когда надеты скафандры, неопасно разгерметизировать кабину и воздух, загрязненный пламягасителем, выбросить в космическое пространство, а кабину вновь заполнить из запасов, хранящихся на борту космического корабля, свежим воздухом.
Пожар - это очень большая опасность для экипажей космических кораблей, но не единственная. Космическое пространство таит в себе и другие опасности. В космическом пространстве с большими скоростями движутся метеоры. Правда, крупные метеоры настолько редко встречаются, что столкновение с ними космических кораблей почти полностью исключено. Но что будет, если с космическим кораблем столкнется метеор небольших размеров (в поперечнике 1 - 0,5 см и меньше)? Если столкновение произойдет со спускаемым аппаратом, который имеет толстый наружный слой теплозащитного покрытия, то ничего существенного не случится. А что, если столкновение произойдет с орбитальным отсеком? Ведь на нем нет теплозащитного покрытия, его стенки изготовлены из алюминиевого листа толщиной всего несколько миллиметров. При соударении с метеором такая стенка будет пробита насквозь.
Чем это грозит членам экипажа? Удар метеора о стенку корабля не только приведет к образованию отверстия, что уже опасно. Отверстие в стенке корабля означает его разгерметизацию. Весь воздух из отсека выйдет в космическое пространство, и, если космонавты не успеют вовремя заделать отверстие, они погибнут из-за недостатка воздуха для дыхания. Поэтому в космических кораблях должны быть устройства, которые предупреждали бы утечку из него воздуха в случае нарушения герметичности оболочки при соударении с метеором.
В настоящее время известно несколько способов, позволяющих сохранить воздух в космическом корабле в случае пробивания его оболочки метеором небольших размеров. Один из них заключается в следующем. Вокруг орбитального отсека космического корабля располагают вторую оболочку - так называемый буфер из тонкостенного экрана. Экран делается из легких металлов толщиной в несколько десятых долей миллиметра. Расстояние от экрана до стенки отсека 2,5 - 3 см.
Сталкиваясь с экраном, небольшая частица метеорного вещества разбивается в мелкие брызги, одновременно с этим происходит дробление части материала экрана. Частицы, получившиеся при дроблении метеора и экрана, имеют гораздо меньшую кинетическую энергию, чем имел метеор до столкновения с космическим кораблем. Однако они все же получают некоторую скорость и разлетаются в стороны в виде веера, встречаясь с оболочкой орбитального отсека. Удар их приходится на большую площадь участка стенки орбитального отсека. Каждая частица в отдельности, обладая малой массой и сравнительно небольшой скоростью, не может серьезно повредить оболочку стенки.
Более надежную защиту от метеорной опасности дают так называемые самогерметизирующиеся материалы. Самый простой самогерметизирующийся материал - губчатая резина. Проткните гвоздем лист фанеры - в ней образуется дыра. А если гвоздем проткнуть лист губчатой резины, то в нем дыры не будет видно - отверстие почти полностью затянется. Конечно, такой способ герметизации повреждений корпуса космического корабля слишком ненадежен. Для ликвидации возможных повреждений стенок корабля можно применять резиноподобное вещество, но в виде не листов, а небольших шариков (диаметром 3 - 5 мм). Корпус орбитального отсека окружают тонкой металлической оболочкой. В пространство между стенкой отсека и наружной оболочкой помещают мелкие шарики из эластичной резины. Представьте теперь, что метеор пробивает насквозь и наружную оболочку, и стенку корпуса. Так как космический корабль представляет собой как бы надутый воздухом мяч, из отверстия в космическое пространство устремляется поток воздуха. Истекающим в космическое пространство воздухом резиновые шарики будут прижиматься к отверстию в наружной оболочке. Благодаря своей эластичности шарики смогут полностью перекрыть отверстие. Размер эластичных шариков выбирается таким, чтобы он был больше размера ожидаемых метеорных частиц, вернее, отверстий, которые метеоры смогут пробивать в оболочке корабля.
Другой способ ликвидации пробоев гермоотсеков космического корабля состоит в применении химически активных веществ. Химический герметизатор обычно состоит из двух компонентов (частей), представляющих собой легкоподвижные жидкости. При смешении эти жидкости вступают в химическое взаимодействие друг с другом, в результате чего образуется твердое и прочное соединение. Для применения химического герметизатора вокруг корпуса орбитального отсека необходимо иметь две дополнительные оболочки из тонких листов металла. В пространство между этими оболочками (а они образуют две не сообщающиеся друг с другом полости) заливают жидкости - составные части химического герметизатора. Что произойдет, если метеорная частица пробьет орбитальный отсек, стенка которого состоит из трех оболочек - собственно корпуса отсека и двух вспомогательных оболочек? Очевидно, в месте пробоя создадутся условия для смешения жидкостей, залитых в полости. Отверстие очень быстро будет закрыто пробкой, которая образуется в результате химического взаимодействия смешавшихся жидкостей - составных частей химического герметизатора.
Сквозной пробой стенки метеором, кроме разгерметизации отсека космического корабля, может привести и к тому, что внутрь космического корабля с большой скоростью могут влететь и частицы метеорного вещества, и частицы металла, из которого изготовлен корпус орбитального отсека. А это небезопасно. Осколок может ранить члена экипажа; при ударе об электропроводку он может разрушить ее и, что особенно опасно, вызвать короткое замыкание. Короткое замыкание, как правило, сопровождается образованием искр большой мощности, способных воспламенить горючее вещество и, следовательно, вызвать пожар в отсеке.
Пробивание стенки космического корабля может привести к попаданию внутрь отсека сильно раскаленных частиц металла как в твердом, так и расплавленном состоянии. При высокой температуре и при наличии кислорода (находящегося в воздухе кабины) раскаленный металл будет окисляться, т. е. гореть, давая очень яркое пламя с высокой температурой. Понятно, конечно, что это также может привести к возникновению пожара внутри корабля.
Столкновение космического корабля с метеорами, способными пробить его оболочку, очень опасно, но, как уже показала практика полетов обитаемых кораблей, вероятность этого очень небольшая. Для того чтобы пробить стенку орбитального отсека или трубку радиатора системы терморегулирования, находящегося на наружной поверхности оболочки корабля, необходимо столкновение с частицей диаметром, по крайней мере в несколько миллиметров. Частица не очень крупная, но и таких частиц в космическом пространстве не много. А вот частиц совсем мелких (размером в 0,001 мм и меньше) в космическом пространстве можно встретить гораздо больше. Опасны ли такие метеорные частицы?
Несмотря на малые размеры, такие метеоры все же не безобидны. Большого вреда ни стенкам орбитального отсека, ни теплозащитному покрытию спускаемого аппарата они причинить не могут. Но обитаемый космический корабль имеет окна (иллюминаторы), через которые человек может видеть все, что окружает его в межпланетном пространстве, - Землю, звезды, другие планеты солнечной системы и т. д. и по ним ориентировать корабль. Иллюминаторы космических кораблей делают, конечно, из прозрачных материалов типа обычного стекла или каких-либо стеклоподобных масс.
Через стекло мы можем хорошо видеть при условии, если поверхность его не имеет дефектов. А если стекло матовое? Через него, конечно, ничего не увидишь, хотя свет оно и пропускает. Непрерывная бомбардировка космического корабля мельчайшими метеорными частицами как раз и приводит к тому, что прозрачные стекла иллюминаторов космического корабля становятся непрозрачными (матовыми), и тогда космонавт не сможет управлять кораблем. В этом - одна из опасностей, вызываемых действием микрометеоров на космический корабль при длительном его нахождении в космосе. Если энергопитание корабля осуществляется за счет работы солнечных батарей, то последние также представляют уязвимое место для микрометеоров. Повреждение поверхности панелей солнечных батарей микрометеорами ведет к уменьшению их производительности.
