Предшественниками космических скафандров стали высотные пневмокостюмы, которые помогали авиаторам, например, Уайли Посту, устанавливать летные рекорды на больших высотах. На заре авиации кабину самолета не герметизировали, и летчикам, покорявшим высоту, приходилось облачаться в пневмокостюм. Впоследствии военные переработали эти прототипы в полноценные высотные костюмы с полной компенсацией давления для использования в истребителях, летающих выше 12 000 м. Первые астронавты проводили в скафандре весь полет – на случай если вдруг упадет давление внутри капсулы. Сегодняшние астронавты на орбите носят обычную одежду, а на старте и при посадке – высотные костюмы с частичной компенсацией давления, надевая полноценные скафандры только для выхода в открытый космос.

Скафандр – это, по сути, индивидуальный космический корабль в миниатюре, обеспечивающий физическую защиту, давление, атмосферу, терморегуляцию, а также – если предполагается длительное использование – пищу, воду и удаление отходов жизнедеятельности. Кроме того, скафандр должен быть одновременно гибким, прочным и устойчивым к воздействию солнечной радиации и микрометеороидов. А еще, чтобы разработчику мало не показалось, он должен весить как можно меньше, поскольку для вывода корабля на орбиту требуется огромное количество энергии, так что ограничения по весу здесь очень жесткие. В первые скафандры, такие как использовались астронавтами «Джемини», кислород подавался по «пуповине», связывающей их с кораблем. Однако для лунной программы потребовался автономный скафандр с самостоятельной системой жизнеобеспечения. Скафандры, которые сегодня надевают астронавты НАСА для выходов в открытый космос, представляют собой сложные системы под названием скафандры для ВКД (внекорабельной деятельности). Они состоят из 14 слоев, защищающих астронавта от сурового воздействия внешней среды, и оборудованы большим ранцем, где находятся емкости с водой для охлаждения, система кондиционирования воздуха и баллоны с кислородом, рассчитанным на 9–10 часов работы в космосе. На Земле такой скафандр весит целых 113 кг, в космосе он, разумеется, не весит ничего.

Давление в кабине шаттлов и космических станций поддерживается на уровне земного, и экипаж дышит земным воздухом, содержащим 21 % кислорода и 78 % азота. В скафандры для ВКД, однако, закачивается чистый кислород под давлением в одну треть атмосферы. На чистом кислороде (в отличие от кислородно-азотной смеси) астронавт может дольше пробыть снаружи, однако давление приходится уменьшать, чтобы избежать кислородного опьянения (см. гл. 2). Выдыхаемый углекислый газ фильтруется через гидроксид лития, остальные примеси удаляются активированным углем, а вода – влагопоглотителем. Затем по мере необходимости добавляется еще кислород, и дыхательная смесь возвращается в систему циркуляции скафандра.

Поскольку в скафандре для ВКД поддерживается давление в треть атмосферы, астронавт не может просто надеть его и сразу выйти в открытый космос – иначе ему грозит кессонная болезнь. Симптомы ее подробно описаны в главе 2, где шла речь о водолазах. Причиной кессонной болезни служат выделяющиеся в кровь и ткани пузырьки азота, поэтому для предупреждения «корчей» необходимо удалить из организма азот и заменить кислородом, поскольку растворенный кислород усваивается тканями гораздо быстрее, не успевая выделиться в виде пузырьков. Поэтому, прежде чем выйти за борт корабля, астронавты шаттла надевают респираторы и дышат чистым кислородом. Однако надеть скафандр, продолжая дышать исключительно кислородом, довольно затруднительно. Поскольку азот проникает в ткани моментально, нескольких вдохов достаточно, чтобы свести на нет все усилия по насыщению тканей и крови кислородом. В связи с этим астронавту приходится задерживать дыхание, переходя с респиратора на систему жизнеобеспечения скафандра. Это непросто. Поэтому в таких случаях обычно понижают давление в кабине и повышают содержание в ней кислорода, тем самым значительно уменьшая риск пополнения запасов азота в тканях. Кроме того, такой прием позволяет сократить время на «предварительное дыхание» – при 24-часовой декомпрессии кабины перед выходом в открытый космос достаточно получаса дыхания чистым кислородом, тогда как без декомпрессии предварительное дыхание занимает не меньше четырех часов.

Скафандр, как и космический корабль, должен выдерживать экстремальные перепады температур, поскольку на освещенной Солнцем стороне температура может достигать 120° С, а на темной стороне падать ниже –100° С (представьте, что вы сидите перед полыхающим камином в ледяной комнате, и возведите предполагаемые ощущения в квадрат). Кроме того, тепло и пот, выделяемые кожей, оболочка скафандра не пропускает, поэтому внутри он может нагреваться достаточно сильно, особенно когда астронавт активно двигается. Перегрев действительно доставлял немало хлопот выходившим в открытый космос астронавтам «Джемини». Более поздние модификации скафандров оснащались нательным слоем с водяным охлаждением – белье пронизывалось тончайшей сетью трубочек, по которым непрерывно циркулировала вода из баллонов в ранце. Такая же система применяется и в скафандрах для ВКД, которые используются на современных шаттлах.

И наконец, скафандр должен обеспечивать астронавту свободу движений для работы в космосе. Это непростая задача для инженера. С одной стороны, астронавт должен иметь возможность согнуть руку, с другой – скафандр необходимо армировать, чтобы он не лопнул в безвоздушном пространстве{35}, а герметизированный скафандр с наддувом не отличается гибкостью. Поэтому приходится оборудовать скафандр гибкими сочленениями, действующими примерно как наружный скелет у насекомых. Например, нижняя часть скафандра сочленяется на талии, на бедрах, в колене и на лодыжках – как сочленяется в нужных местах жесткий панцирь жука. Но несмотря на это, работать в скафандре все равно достаточно сложно и утомительно, поэтому требуется суровая подготовка. Кроме того, при микрогравитации человек несколько прибавляет в росте, расширяются грудная клетка и голова, а бедра усыхают, поскольку жидкости организма приливают от ног к груди. Об этом ни в коем случае нельзя забывать конструкторам космических скафандров. Некоторым из первых астронавтов пришлось испытать не самые приятные ощущения, когда выяснялось, что скафандр становится тесноват.

Вход в земную атмосферу и посадка – пожалуй, самая опасная часть космического полета. Недаром в своей знаменитой речи президент Кеннеди оговаривал не только высадку человека на Луну, но и его безопасное возвращение на Землю. Возвращающегося астронавта подстерегают как физические, так и физиологические испытания. Самая главная сложность – это невероятный жар, возникающий от трения при входе корабля в земную атмосферу. На той скорости, которую развивает корабль при входе, от атомов воздуха отрываются электроны, обволакивая корпус корабля ионизированной оранжево-красной плазмой. Температура в ней достигает 1650° С, поэтому корабль и экипаж необходимо защитить специальной огнеупорной обшивкой. Дополнительная сложность заключается в том, что верхние слои атмосферы не равномерные, а складчатые, как волны, поэтому при возвращении корабль очень сильно трясет, бросая с гребня на гребень.