Высокая космическая мода: марсианский скафандр

Самый дорогой костюм в истории человечества — это космический скафандр. $20млн за штуку — не шутка. По сути он представляет собой индивидуальный космический корабль со всеми системами и оборудованием и почти так же сложен. А все потому, что человек — царь природы — совершенно беззащитное существо. Мы можем нормально существовать только при комнатной температуре, перепады атмосферного давления заставляют нас глотать таблетки, а малейший дефицит кислорода в окружающем воздухе приводит к обмороку. Что уж говорить о сверхжестких условиях открытого космоса или других планет.

В настоящее время существует два типа защитной космической одежды — домашняя и выходная. Во время переходных фаз полетов — взлета, посадки и маневрирования — астронавты щеголяют в герметичных спасательных скафандрах ACES (Advanced Crew Escape Suit), сделанных из нескольких слоев ткани и оснащенных гермошлемом, системой жидкостного охлаждения, набором средств для выживания, аварийной кислородной системой и парашютом. Для нижних слоев используют материалы на основе хлопка, для внешних — нейлоны различной фактуры с неопреновой и уретановой пропиткой. Примерно такие же комбинезоны, но попроще и из номекса носят пилоты сверхзвуковых истребителей.

На выход приходится одеваться посерьезнее. Для работы в открытом космосе применяется комплекс EMU (Extravehicular Mobility Unit), создающий вокруг человека тонкую, но очень надежную оболочку жизни. Жесткий EMU спасает от микрометеоритов, солнечной радиации, охлаждения, перегрева, а также обеспечивает стабильное внутреннее давление, вентиляцию и связь. В нем можно выполнять простейшие движения, но о сложной двигательной активности говорить не приходится. Вспомните хотя бы, как передвигались по Луне астронавты Apollo. О каком лунном или марсианском строительстве может идти речь, если для одетого, как капуста, астронавта было огромной проблемой подобрать выпавший из неуклюжих перчаток молоток! Надеть 140-килограммовый EMU в одиночку невозможно — процедура облачения и проверки бортовых систем занимает около трех часов.

Очевидно, что для новых миссий такой неуклюжий тулупчик не годится. В NASA считают эту проблему не менее важной, чем, например, разработка ракеты-носителя. Цена вопроса — полмиллиарда долларов. Официальный космический кутюрье Америки — Терри Хилл, руководитель проекта по разработке скафандра Constellation из Космического центра имени Джонсона.

Несмотря на смертельный приговор, вынесенный лунной программе, работы по скафандру Constellation Space Suit System (CSSS) будут завершены. NASA поставила перед группой Хилла очень жесткие задачи, главные из которых — модульность и универсальность скафандра, автономное обеспечение нормальной жизнедеятельности человека в открытом космосе при высоких физических нагрузках в течение 150 часов, возможность индивидуального переодевания и повышенная мобильность.

Гардероб астронавтов будущего, по задумке NASA, будет состоять из единственного комплекта одежды с кучей дополнительных аксессуаров. Предполагается создать две конфигурации скафандра — легкую и экстремальную. В марте 2009 года разработка легкой конфигурации скафандра для переходных фаз полета и аварийных работ в открытом космосе была поручена технологической компании Oceaneering из Хьюстона, специализирующейся на изготовлении защитной амуниции для глубоководных работ.

В скафандре Constellation будет применен традиционный барометрический способ поддержания давления — внутрь нижнего слоя закачают газовую смесь, а для обеспечения подвижности в зонах локтевого, плечевого и коленного суставов установят жесткие пластиковые вставки. Нормальную температуру тела астронавта будет поддерживать многослойная экранно-вакуумная теплоизоляция, впервые примененная еще в середине 1960-х на советском скафандре «Беркут». Фактически астронавт будет заключен в своеобразный герметичный термос с минимальной теплопроводностью. Но если в «Беркуте» конструкторы использовали тяжелую металлизированную ткань, то для CSSS специалисты David Clark намерены разработать особые типы легкого дышащего нейлона с регулируемой односторонней проницаемостью. Астронавтам не чуждо ничто человеческое, в том числе — нормальное пищеварение. Для утилизации продуктов жизнедеятельности CSSS оснастят компактной ассенизационной системой.

Компактная телеметрическая аппаратура и системы связи, интегрированные в шлем, обеспечат постоянную связь с Землей и, в случае экстренного выхода в открытый космос, базовой станцией. Аварийная дыхательная система будет использоваться при необходимости. Облачиться в легкий скафандр не проблема, для этого надо в буквальном смысле слова шагнуть внутрь через длинную вертикальную молнию на спине, застегнуть которую можно, не вставая к зеркалу. Ограниченная автономность CSSS предусматривает фаловую систему обеспечения при работах в открытом космосе.

Тяжелая конфигурация CSSS будет повседневной рабочей одеждой астронавтов. Базовая часть костюма останется прежней, но к ней добавится легкий и прочный композитный панцирь для торса с находящимися в нем запасом кислорода, аккумулятором и инструментами. Самостоятельно накинуть на себя эту кольчужку будет нетрудно — она надевается, как халат хирурга, сзади и застегивается на спине автоматической застежкой. Финальный штрих — тонкий, но очень прочный комбинезон для защиты от микрометеоритов и пыли.

По словам Дэна Барри, вице-президента компании David Clark, экспериментальный прототип модульного скафандра Constellation снаряженной массой не более 50 кг появится уже в сентябре 2010 года. Но пока CSSS- это всего лишь концепция, для воплощения которой требуются новые материалы, технологии и время.

У Терри Хилла есть независимые конкуренты с совершенно иным взглядом на моду. Созданием альтернативных концептуальных скафандров занимается сразу несколько групп ученых. Освоение Луны частными компаниями дает им отличный шанс оказаться на звездном подиуме. Наиболее радикален и многообещающ проект профессора Массачусетского технологического института (MIT) Дэйвы Ньюмэн и ее коллеги, знаменитого астронавта, профессора Джеффри Хоффмана. Их BioSuit уже можно пощупать руками и даже примерить.

В отличие от классических концепций скафандров, в которых оптимальное давление поддерживается барометрически — закачиванием газовой смеси, в BioSuit человеческое тело сжимается механически за счет упругости материала. NASA еще в 1971 году предприняло попытку разработать космический костюм с механической компрессией Space Activity Suit, но работа встала из-за отсутствия необходимых тканей. А идея была очень заманчива — вместо громоздкого надувного футляра, сковывающего движения, получить гибкий и легкий спортивный костюм, в котором можно играть в футбол на Луне.

Коллега Ньюмэн, Джеффри Хоффман, знает о сомнительных прелестях жесткого скафандра не понаслышке, поскольку совершил пять полетов на космических челноках Shuttle и общей длительностью 50 суток, из которых 25 часов он провел в открытом космосе. По его словам, даже простейшие манипуляции астронавта, облаченного в EMU, превращаются в тяжелую работу. Вместе со специалистами из институтской лаборатории Soldier Nanotechnologies, создающей материалы и технологии для изготовления боевой амуниции ХХI века, дизайнерским агентством Trotti & Associates и известным производителем спортивной защиты Dainese из Мольвены, Ньюмэн и Хоффман бросили вызов проекту Constellation.

Для начала физик Крис Карр детально изучил биомеханику движений человека в условиях марсианской гравитации, составляющей всего 38% от земной. Оказалось, что с точки зрения энергетической эффективности наилучшая техника передвижения по Марсу — бег. Но в нынешних EMU далеко не убежишь — неподвижная фиксация стоп и негнущиеся коленки позволяют совершать лишь прыжки в стиле кенгуру. Именно так передвигались по Луне члены миссий Apollo.

Чтобы обеспечить механическую компрессию, мягкому скафандру недостаточно быть просто облегающим — он должен не давать складок при сгибании конечностей и по сути быть второй кожей! Даже закройщики лучших домов моды не способны сделать что-либо подобное из обычной ткани. На помощь разработчикам пришли спандексы с различными свойствами.

В лаборатории Soldier Nanotechnologies инженеры MIT разработали методику лазерного 3D-сканирования человеческого тела, которая позволяет рассчитать точнейшую математическую модель деформации кожного покрова при совершении движений и выявить сетку так называемых константных линий. Другими словами, сделать точные цифровые лекала после единственной примерки. Никаких пузырей на коленках и морщин! Более того, отдельные слои скафандра можно буквально нарисовать прямо на астронавте по технологии напыления микроволокон и жидких полимеров.

На сегодняшний день группа Ньюмэн и Хоффмана сделала уже несколько прототипов космического комбинезона. Для удобства все они отшиты руками дизайнеров из Dainese по меркам Дэйвы Ньюмэн, благо профессор аэронавтики обладает отличной фигурой. В конструкции тонкого и при этом многослойного BioSuit разработчики опробовали целый ряд технологий и материалов, которые еще совсем недавно описывались в научно-фантастических романах.

Оптимальное давление внутри скафандра будет достигаться за счет использования внешнего электрического экзоскелета из ленты сплава с памятью формы — металлических мышечных волокон. Тонкую настройку уровня компрессии в отдельных зонах BioSuit обеспечит электронная система управления. Разрыв скафандра уже не приведет к летальному исходу, так как потеря давления произойдет лишь на небольшом участке тела. Мелкий ремонт BioSuit можно легко произвести в полевых условиях, элементарно наложив на место разрыва стягивающую повязку. Внутренний стеганый слой с наполнителем из термореактивного геля обеспечит отвод избыточного тепла и влаги, причем водяные пары будут не скапливаться в дренажной системе, а сразу выводиться наружу благодаря односторонней проницаемости всех слоев BioSuit. Двойной слой из металлизированного спандекса с поропластом и гелевым термоизолятором оградит астронавта от перепадов внешней температуры, достигающих на Марсе 100 и более градусов Цельсия.

На первый взгляд процесс облачения в такой облегающий комбинезон должен быть не менее трудным, чем трехчасовое коллективное надевание EMU, но это не так. BioSuit натягивается на тело буквально за минуту благодаря продуманной системе застежек-молний и электрозатягивания. Металлическая лента при нулевом напряжении приобретает первоначальную растянутую конфигурацию, а после того как астронавт подключит электропитание, сжимается до полного облегания. Дополняют экипировку марсианина полужесткие защитные элементы из композитов, торсовый панцирь с контейнерами для системы жизнеобеспечения, обувь, перчатки и шлем.

До завершения проекта BioSuit еще далеко, но Ньюмэн и Хоффман уверены в его успехе. Даже если окончательный облик скафандра будущего окажется иным, принципы эластичности и легкости останутся для него базовыми. Побочные результаты работы ученых MIT могут не только оказать огромное влияние на технологии протезирования и изготовления компенсирующей одежды для пожилых людей и больных, но и перевернуть моду. Бытовые фильтры для воды, контактные линзы, неопреновые материалы для обуви, беспроводные инструменты, детекторы дыма, теплосберегающая одежда и обувь и еще тысячи различных полезных вещей — все это было придумано в ходе космических исследований. Так почему бы теперь ученым не замахнуться на haute couture?