История развития космических скафандров России. Ч.6 Скафандры для советской лунной программы
СКВ («скафандр для выхода») является прототипом модификаций полужестких скафандров типов «Кречет» и «Орлан», разработанных впоследствии Звездой для лунной программы ЛЗ и для долговременных орбитальных станций «Салют», «Мир» и МКС.
Проектно-конструкторские работы по созданию экспериментального скафандра для ВКД (внекорабельной деятельности) были начаты на Звезде на основе Постановления правительства от 23 июня 1960 г. «О создании мощных ракет-носителей, спутников, космических кораблей и освоения космического пространства в 1960-1967 гг.». Для выполнения этой работы на Звезде была открыта специальная тема. По указанному Постановлению и последующим приказам МАП срок окончания работы (выпуск эскизного проекта) был установлен на 1965 год.
В течение 1961 года проводилась работа по определению и уточнению исходных данных для проектирования скафандра и его систем, и затем началась проработка технического задания, проект которого был получен от ОКБ-1 в декабре 1961 года. Этим заданием определялись время работы в скафандре 4 часа автономно и 8 часов при жизнеобеспечении от борта, максимальная масса СК не более 85 кг, время одевания не более 5-10 минут. Скафандр должен был комплектоваться установкой для перемещения и маневрирования в открытом космосе.
Был выполнен предварительный тепловой расчет скафандра и агрегатов СОЖ и начато проектирование стендов для испытаний скафандра и его систем. Спроектированы и изготовлены стенд для исследования напряженного состояния мягких материалов оболочки и установка для определения их термического сопротивления, стенд для исследования мягких шарниров скафандра.
К созданию кислородного оборудования была традиционно привлечена организация СКБ-КДА.
Основоположник научной космонавтики в России К.Э. Циолковский ещё в 1920 году в своей фантастической повести «Вне Земли» впервые выдвинул идею использования скафандра для выхода человека из космической станции в открытый космос. Он говорил, излагая свои мысли от лица одного из героев повести, объясняющего устройство скафандра: «Со временем придётся спускаться на планеты, в негодные для дыхания атмосферы … Чтобы жить в пустоте, в разрежённом или негодном газе, нужна … специальная одежда .. Она облегает всё тело с головой, непроницаема для газов и паров, гибка, не массивна, не затрудняет движений тела; она крепка настолько, чтобы выдержать внутреннее давление газов, окружающих тело, — и снабжена в головной части особыми плоскими, отчасти прозрачными для света пластинками, чтобы видеть. Она имеет проницаемую для газов и паров согревающую толстую подкладку, содержит резервуары для сохранения мочи и пр. Она соединяется с особой коробкой, которая выделяет под одежду непрерывно кислород в достаточном количестве. Углекислый газ, пары воды и другие выделения тела поглощаются в других коробках. Газы и пары воды непрестанно циркулируют под одеждой в проницаемой подкладке посредством особых самодействующих насосов. В день нужно не более килограмма кислорода на человека. Всех запасов хватает на восемь часов, и вместе с одеждой они имеют массу не больше 100 килограммов, НО, впрочем. Тут ничего не имеет веса. Скафандр, как видите, даже не обезображивает человека».
Через девять лет, в 1929 году, другой известный ученый в области космонавтики Герман Оберт в статье «Wege zur Raumschiffahrt» излагает свою версию космического скафандра жесткого типа.
В 1962 году главное внимание было уделено выбору оптимальной конструктивной схемы скафандра и проблеме его подвижности.
Анализ имеющейся в то время литературы и собственного накопленного опыта космических полетов дало понять, что применение для работы за пределами космического корабля скафандра с классической на то время (мягкий скафандр плюс съёмный ранец жизнеобеспечения) не является оптимальным решением.
Среди основных недостатков этой системы можно назвать такие, как существенная разница в размерах и форме корпуса скафандра при отсутствии и наличии избыточного давления, сложность надевания-снятия и герметизации оболочки, ограниченный диапазон регулировки корпуса по размерам человека, необходимость и сложность эксплуатации привязной системы ранца и т.д.
Предпочтительной являлась конструктивная схема скафандра с жестким корпусом, в который «встроена» система жизнеобеспечения с органами контроля и управления, а рукава с перчатками и оболочки ног выполнены из мягких материалов.
В течении 1962 года был разработан и изготовлен первый макет, на котором были определены в основном форма и габариты жёсткого корпуса, в том числе расположение и размеры входного люка, были изготовлены несколько вариантов шарниров, как жёстких, так и мягких, основные фрагменты мягких частей оболочки, начаты их испытания. Проект получил название СКВ.
Также в результате проведённых НИОКР для дальнейшей отработки СОЖ была создана схема, имевшая 3 отдельных контура:
- Контур обеспечения подачи кислорода для дыхания и компенсации утечек.
- Контур вентиляции подскафандрового пространства с целью выноса влаги и углекислоты, а также части метаболического тепла.
- Контур охлаждения, включающий испарительный теплообменник, водяной насос, водяной ресивер и костюм водяного охлаждения (КВО).
По ТЗ Звезды специальное КБ Аналитического приборостроения (СКБ-АП) разработало измерительный комплекс, который обеспечивал контроль по телеметрии содержания в скафандре кислорода и углекислого газа, относительной влажности, расхода вентилирующего газа, температуры газа и температуры в двух точках поверхности СК.
В 1963 году была окончательно утверждена конструктивная схема оболочки скафандра СКВ: жёсткий корпус, выполненный заодно со шлемом и имеющий входной люк, крышкой которого служил ранец с агрегатами СОЖ. и мягкие оболочки конечностей. Впоследствии такой тип СК стали называть полужёстким.
Следует отметить, что предложенная уникальная схема входа в скафандр оказалась весьма удачной, что позволило резко упростить процесс надевания скафандра. Эта конструкция используется во всех российских скафандрах полужесткого типа до настоящего времени.
По рекомендации специалистов по радиационной защите с целью уменьшения воздействия на космонавта ионизирующего излучения при выходе в космос в радиационных поясах Земли (по ТЗ высота орбиты равнялась 450 и 36000 км.), корпус СК выполнялся из легкоатомного материала — стеклопластика. Отработка технологии и изготовления корпуса из стеклопластика проводились в Научно-исследовательском институте пластмасс по чертежам и оснастке Звезды.
Работы по разработке и испытаниям различных частей СОЖ и оболочек СК продолжались до декабря 1965 года. Тогда результаты проведенных работ по СК СКВ и его системам были изложены в эскизном проекте «Скафандр для выхода космонавта из корабля в космическое пространство», который был отправлен заказчику (ОКБ-1). Этот скафандр стал прародителем орбитальных советских и российских СК.
Скафандры типа «Кречет» и «Орлан» по программе ЛЗ.
В середине 1964 года ОКБ-1 наряду с программой облёта Луны начало прорабатывать программу экспедиции на Луну на базе ракеты-носителя Н-1 (программа Н1-ЛЗ). 3-го августа 1964 года вышло соответствующее Постановление правительства, которое было впоследствии подтверждено Решением от 10.02.1965 г. и приказами МАП (Министерство Авиационной Промышленности). На основании этих документов Звезде было поручено разработать и поставить Заказчику — ОКБ-1 — скафандры с ранцевыми СОЖ для космонавта, выходящего на поверхность Луны, и для командира корабля, а также систему ассенизации и бортовое оборудование для обеспечения работы скафандра.
Комплекс Л-З был рассчитан на полёт к Луне двух человек и включал в себя два обитаемых объекта: лунный корабль ЛК, совершающий посадку и взлёт с Луны с одним космонавтом, и лунный орбитальный корабль ЛОК, остающийся на окололунной орбите после отделения от него ЛК и до стыковки с ЛК после завершения работы на Луне. Во время нахождения ЛК на Луне командир корабля должен был находится в ЛОКе.
Это означало, что требования, предъявляемые к двум типам СК по назначению и характеристикам различны:
- Один для действий на лунной поверхности с пониженной гравитацией и продолжительной автономной работы.
- Другой для работы на орбите на фале при нулевой гравитации с коротким временем действия.
В процессе предварительного макетирования рассматривались два варианта лунного скафандра: мягкий со съемным ранцем (Заводской шифр «Орел») и полужесткий со встроенной АСОЖ. Дальнейшие испытания должны были показать, какой из этих вариантов является оптимальным.
Полужёсткий лунный скафандр получил название «Кречет», а его ранец с АСОЖ - «Каспий». Полужесткий орбитальный СК для командира корабля получил название «Орлан», а ранец с АСОЖ — «Селигер».
Лунный СК должен был позволять космонавту самостоятельно управлять кораблём и «прилуняться» в нём, ходить по поверхности Луны, защищать человека от внешних воздействующих факторов более неблагоприятных, чем те, что действуют на орбите ИСЗ. Поэтому для этого СК было необходимо обеспечить нужную подвижность ног, применить более мощную теплозащиту, ввести второй светофильтр и т.д.
Высокие требования предъявлялись к надёжности скафандра с учётом того, что на поверхность Лены планировался выход лишь одного космонавта.
Автономное время работы в СК было увеличено до 10 часов, рассматривалась возможность непрерывного нахождения космонавта в ЛК в нештатной ситуации в течение 52 часов (как они это придумали — я понятия не имею, стафф видимо особенно забористый был). Это потребовало ввести в состав СК устройств для питья воды и для сбора и удаления урины и создавало дополнительные трудности при отработке СК.
Из-за задержки получения ТЗ от ОКБ-1 разработка скафандра «Кречет» практически была начата лишь в 1966 году. Он представлял собой модифицированный СК СКВ, действующие макеты которого были изготовлены и испытаны ранее.
Главному изменению была подвергнута конструкция жёсткого корпуса. Вместо стеклопластика, применённого для СКВ, оболочка корпуса СК «Кречет» была изготовлена из листового алюминиевого сплава АМГ-3 толщиной 1,2 мм, что позволило снизить массу СК на 7 кг. Эта замена стала возможна из-за того, что радиационная обстановка на Луне не требовала применения для защиты космонавта оболочки из легкоатомного сплава.
В 1966 году были разработаны и изготовлены три действующих макета скафандра «Кречет» с полностью жёстким корпусом и с жёсткими (сферическими) плечевыми и бедренными шарнирами, а также один макет с поясным шарниром такого же типа (на базе СКВ). Спроектирован и изготовлен действующий макет ранца «Каспий» для лабораторных физиологических испытаний.
По итогам всех испытаний и исследований этих прототипов показали, что конструкция СК «Кречет» требует дальнейших модификаций. Поэтому в 1967 году была разработана новая техдокументация и начато изготовление модифицированного лунного скафандра «Кречет-94» (индекс «94» означал, что этот СК предназначался для ЛК, который имел открытое наименование «Объект 11Ф94).
Новый СК существенно отличался от прототипа. Наибольшие изменения были внесены в конструкцию корпуса, бедренных и плечевых шарниров. Так нижняя жесткая часть корпуса ниже пояса была заменена на мягкую оболочку, соединенную с оболочками ног. Она была снабжена регулируемыми по длине тремя силовыми лентами (две по бокам и одна по центру через пах (передний подтяг), что позволило изменять длину корпуса в широких пределах и существенно расширить антропометрический диапазон космонавтов (рост в пределах 164-182 см).
Также подверглась изменению конструкция плечевых шарниров, которые были заменены со сферических жёстких на гермоподшипники в сочетании с мягким одноосным плечевым шарниром, а вместо одностепенных бедренных шарниров в сочетании с одноосным мягким — полностью мягкие гофрированные шарниры с двумя степенями свободы.
С целью повышения надежности СК были дополнительно введены резервная гермооболочка на мягких частях оболочки, второй контур герметизации в разъёме между корпусом и ранцем и в гермоподшипниках, поверх светофильтра на шлеме была установлена защитная каска из стеклопластика. Была модернизирована система закрытия ранца, усовершенствована конструкция рукава и введён ряд изменения в других устройствах скафандра.
Испытания данного прототипа продолжались с 1967 по 1968 гг. Проведённая макетная комиссия, а затем расширенное заседание научно-технического совета Звезды приняли решение считать основным вариантом лунного скафандра — скафандр полужесткого типа «Кречет-94».
Параллельно с отработкой лунного СК проводились работы по созданию СК «Орлан» и ранцевой системы «Селигер» для командира экспедиции. Этот СК должен был обеспечить возможность выхода в открытый космос для оказания помощи второму космонавту, переходящему в лунный модуль и обратно.
В силу уже упоминавшихся преимуществ полужёсткого скафандра таких как быстрота и надежность снятия-надевания, удобство эксплуатации и высокая готовность к работе (нет внешних пневмокоммуникаций и разъёмов для подсоединения СОЖ, оптимальное размещение на корпусе органов управления и контроля), высокая герметичность и надёжность, широкий диапазон регулировки по росту, оптимальные габариты, скафандр «Орлан» был разработан как модификация скафандра «Кречет-94».
В принципе основные конструктивные решения как оболочки СК, так и СОЖ были для обоих СК одинаковыми, за исключением некоторых упрощений для СК командира. В частности, СК «Орлан» не был полностью автономным, а работал с использованием электрофала, связывающего его с бортовыми системами корабля. В связи с этим, в нём отсутствовали и автономный источник электропитания, блоки радиосвязи и телеметрии, антенно-фидерное устройство, а пульт электроуправления был упрощён.
Скафандр «Орлан» был рассчитан на меньшее время работы (2 сеанса по 2,5 часа), поэтому его ранец имел значительно меньшие размеры.
Оболочка СК также была упрощена. Бедренный шарнир имел одну степень свободы вместо двух у лунного скафандра, в котором было необходимо ходить по поверхности луны, отсутствовал теневой светофильтр, теплозащитная оболочка имела 5 слоев вместо 10 слоев у «Кречета» и т.д.
В составе СК «Орлан» отсутствовали также системы ассенизации и подачи питьевой воды.
Габариты и масса скафандра «Орлан» (59 кг) были соответственно меньше, чем у СК «Кречет-94» (102 кг), что делало его более манёвренным при работе в открытом космосе.
В 1967 году был изготовлен первый опытный образец СК «Орлан», а в 1968 году проведены его лабораторные испытания и доводки.
В связи с тем, что основным видом тренировки космонавтов для работы на поверхности космического корабля в условиях невесомости становились тренировки в гидробассейне, для этих целей была разработана специальная разновидность СК «Орлан-ГН» (ГН — гидроневесомость). Он отличался от «штатного» скафандра наличием на нём специальных грузиков, обеспечивающих «нулевую» плавучесть космонавту и наличием специальной такелажной системы для погружения в бассейн с водой и извлечением его оттуда, а также упрощённой системой СОЖ, обеспечивающей наддув, вентиляцию и охлаждение скафандра от систем бассейна.
Проведённый к 1969 году объём испытаний был достаточен для выдачи заключения о готовности скафандра к лётным испытаниям по программе Л-З. Начиная с этого же года в связи с началом работ по созданию орбитальной станции началась проработка вариантов использования СК «Орлан» программы Н1-ЛЗ и для выхода в открытый космос из станции. Поэтому дальнейшая отработка СК по обоим программам шла параллельно, пока в 1972 году работы по лунному скафандру не были приостановлены, а в 1974 году полностью закрыты в связи с прекращением работ по Н1-ЛЗ.
Следует отметить, что при проведении работ по созданию скафандров по программе Н1-ЛЗ на Звезде одновременно проводилась разработка и экспериментальная отработка систем для первого выхода в открытый космос А. Леонова, а затем скафандра «Ястреб» и ранцевой СОЖ РВР-1П для кораблей «Союз» и позднее станции «Алмаз». Опыт, полученный при создании этих изделий и первых выходов в открытый космос учитывался также и при отработке систем скафандров «Кречет-94» и «Орлан».
Работы по созданию лунного скафандра параллельно со Звездой начали проводить также в Институте Биофизики Минздрава СССР под руководством С.М, Городинского. Однако их усилия закончились лишь разработкой экспериментального образца скафандра, предназначенного для отработки медико-технических требований.
Скафандр «Орёл»
Скафандр мягкого типа «Орёл» разрабатывался как второй вариант лунного скафандра. Он разрабатывался с тем же назначением и по тому же ТЗ, что и СК «Кречет-94». Скафандр «Орёл» разрабатывался по классической схеме мягкого скафандра со съемным наспинным ранцем с системой СОЖ, который получил название «Байкал».
Комплект СК включал в себя верхнюю теплозащитную оболочку, оболочку самого СК, съёмный шлем, вентилирующий костюм. В процессе разработки в его состав был включён вновь созданный костюм водяного охлаждения КВО-9.
Скафандр имел классическую двухслойную оболочку, имевшую передний распах со шнуровкой через крючки и ворот с тросом, замыкаемый специальной застежкой на шейном кольце, которое служило для подсоединения шлема. Корпус имел силовую оболочку для подгонки его по росту и удержания от «вырастания». Эта система была выполнена по типу авиационного СК «Воркута» и космического СК «Беркут».
АСОЖ ранца «Байкал» была аналогична АСОЖ ранца «Каспий».
В результате разработки макетов и их доводки по результатам испытаний скафандр «Орёл» стал представлять собой облегчённый (собственно СК 26 кг. и ранец 60 кг.) по сравнению с СК «Кречет-94» скафандр со всеми присущими ему особенностями мягкого скафандра.
В связи с принятием в 1968г. решения об использовании для лунной программы скафандров полужесткого типа, работы по СК «Орёл» приняли немного иное направление. Его разработка была продолжена с целью использования в качестве аварийно-спасательного скафандра как для высотных самолетов («Орёл-А»), так и для космических кораблей. В дальнейшем накопленный опыт по отработке СК «Орёл» был использован при последующих разработках аварийно-спасательных скафандров мягкого типа «Сокол» и «Баклан».
Список использованной литературы:
1) И.П. Абрамов, М.Н. Дудник, В.И. Сверщк, Г.И. Северин, А.И. Скуг и А.Ю. Стоклицкий «Космические скафандры России»
2) С.М. Алексеев «Космические скафандры вчера, сегодня, завтра»
3) Личный опыт и общение с людьми, которые стояли у истоков советской космонавтики:)
Подписывайся на телеграм-канал Cat_Cat, чтобы не пропустить интересные посты
НА КОРМ КОТИКАМ ---> 💰