Факторы космического полета

Отечественная и зарубежная наука имеет более чем полувековой опыт изучения влияния на человека пониженного барометрического давления и низкого парциального давления кислорода. На основании научных данных разработаны герметические кабины (вентиляционного и регенерационного типов), кислородные приборы, скафандры и т.д. Хорошо изучено также влияние резких перепадов давления от более высоких степеней давления в герметической кабине до значительного разрежения атмосферного давления вне кабины в условиях полета.

Земная атмосфера обеспечивает человека кислородом для дыхания, поддерживает определенное барометрическое давление, создает условия для регулирования температуры, рассеянного освещения, а также является эффективным средством защиты от потенциально опасных космических излучений, которые значительно ослабевают, изменяются или совершенно поглощаются при прохождении через воздушную оболочку Земли. В земных условиях человек и животные находятся на уровне моря при атмосферном давлении, равном 1 кг/см². Таково же суммарное давление газов, растворенных в тканях и жидких средах организма (в крови, лимфе и др.) или заполняющих полые органы (легкие, желудок, кишечник и т.д.).

При быстром падении барометрического давления с подъемом на высоту происходит резкое расширение газов, заполняющих полые органы и полости тела. Вследствие этого наблюдаются толчкообразное выхождение воздуха из легких, вздутие живота (метеоризм), выпячивание барабанной перепонки среднего уха. Внезапное относительное повышение внутрилегочного давления во время вдоха может вызвать механическое повреждение легочной ткани. Расширение газов в желудочно-кишечном тракте часто сопровождается болевыми ощущениями, а также механическими и рефлекторными нарушениями дыхания и кровообращения, причем степень этих явлений находится в прямой зависимости от скорости и степени падения атмосферного давления.

Газы, растворенные в жидких средах организма, при снижении барометрического давления собираются в более или менее крупные пузырьки, оказывают механическое давление на нервные чувствительные рецепторы тканей, вызывают болевые ощущения - чаще в суставах и мышцах. В результате скопления свободного газа внутри и вокруг кровеносных сосудов иногда возникают нарушения кровоснабжения отдельных участков тела.

Все описанные явления, объединяемые под общим названием «декомпрессионные расстройства», чаще всего обнаруживаются при снижении атмосферного давления до уровня ниже 267 мм рт. ст., что соответствует высоте 8000 м и более над уровнем моря. Эти расстройства могут обнаруживаться не только у разных людей, но и у одного и того же человека при различных степенях разрежения и разном состоянии здоровья.

При действии на организм более низкого барометрического давления (около 40 мм рт. ст.) наблюдается высотная газовая эмфизема, которая проявляется во взрывоподобном образовании подкожных вздутий, резко увеличивающих объем тела. Подобные вздутия могут образоваться и во внутренних органах, особенно в местах скопления рыхлых тканей.

Эти явления возникают в результате интенсивного перехода жидкостей в газообразное состояние. Известно, что при нормальном барометрическом давлении вода кипит при температуре 100 °С; при меньшем давлении вода закипает при более низкой температуре. При атмосферном давлении 47 мм рт.ст. вода кипит при температуре 37 °С. Поскольку нормальная температура тела равна приблизительно 37 °С, можно ожидать, что «кипение» жидких сред организма произойдет при снижении барометрического давления до 47 мм рт. ст. В реальных же условиях это явление наблюдается при несколько меньшем давлении.

Следовательно, расстройства, возникающие у человека при резком падении барометрического давления, могут привести к возникновению сильных, иногда труднопереносимых болей и к резкому нарушению работоспособности, при этом не может быть исключено появление и более тяжелых расстройств с полным нарушением функций организма. Таким образом, падение барометрического давления представляет серьезную опасность для космонавтов и заставляет специалистов разрабатывать соответствующие защитные приспособления. В герметической кабине космического корабля или спутника барометрическое давление воздуха чаще всего поддерживается на уровне 760 мм рт. ст. Однако если по техническим условиям необходимо уменьшить давление, то имеется возможность снизить его до 500-550 мм рт. ст. или до несколько меньшей величины. Недостаток кислорода, возникающий при указанном давлении, легко компенсировать увеличением его процентного содержания в воздухе. При этом следует учитывать неблагоприятное влияние не только недостатка, но и избытка кислорода во вдыхаемом воздухе. Экспериментально подтверждается, что длительное дыхание чистым кислородом иногда может привести к нарушению различных функций организма. В частности, нередко развиваются нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы и повреждения органов дыхания (отек, воспаление легких).

Исследованиями было доказано, что для организма при нормальном барометрическом давлении безвредно содержание кислорода во вдыхаемом воздухе в пределах до 60%. Из этого следует, что, какой бы уровень давления ни был принят для герметической кабины, парциальное давление кислорода в ней не должно превышать 420 мм рт. ст. Таким образом, наиболее серьезным вопросом при полете человека в космос является обеспечение экипажа кислородом, так как при подъеме на высоту одновременно со снижением атмосферного давления уменьшается давление составляющих воздух газов: кислорода, азота, углекислоты.

Снижение поступления кислорода в организм с подъемом на высоту приводит к развитию так называемой высотной болезни, которая проявляется у здоровых людей с 4000-5000 м, а на высотах более 12 000 м уже через 10-15 с наступает потеря сознания. Для предотвращения этих нарушений в космическом полете космонавт должен находиться в тщательно изолированной герметической кабине, которая будет защищать его от кислородного голодания и других вредных факторов окружающей внешней среды. Более или менее нормальные условия для дыхания человека во время полетов в космическом летательном аппарате могут быть созданы только при условии, если в кабине космического корабля будет поддерживаться давление не ниже 300 мм рт.ст. при давлении кислорода не менее 150 мм рт. ст. В связи с этим ученые обосновали необходимость использования кабин регенерационного типа, т. е. кабин для восстановления (регенерации) газовой среды до указанных пределов, при которых происходит поглощение вдыхаемой человеком углекислоты и выделение кислорода.

Большую опасность для космонавта представляет нарушение целостности герметической кабины в случае ее пробоя, к примеру метеором. Если экипаж корабля не будет одет в защитную одежду, то в зависимости от размеров отверстия в кабине космонавты через 15-30 секунд потеряют сознание. Поэтому при полетах в мировое пространство для большей безопасности космонавты должны быть одеты в специальные скафандры. Герметическая кабина должна иметь отдельные отсеки. При разгерметизации отсека космонавты в скафандрах смогут перейти в другой отсек или же устранить повреждение. В скафандре можно выполнять работу вне кабины.

В условиях взрывной декомпрессии, протекающей за доли секунды, возможны, кроме того, разрывы тканей и сосудов внутренних органов со всеми вытекающими последствиями. Так вследствие разгерметизации кабины космического корабля "Союз-11" при спуске его с орбиты в 1971 т. погиб экипаж в составе Г.Т. Добровольского, В.Н. Волкова и В.И. Пацаева.

Космическое излучение

Верхние слои атмосферы нашей планеты непрерывно бомбардируются потоками атомных ядер, движущимися с огромными скоростями и носящими название космического излучения. Абсолютное количество таких частиц невелико, но они обладают большими энергиями, измеряемыми миллиардами электрон-вольт.

Большинство несущихся из мирового пространства ядер не достигают поверхности Земли. Они, сталкиваясь с ядрами атомов газов атмосферы, образуют так называемое вторичное космическое излучение. До поверхности Земли доходит только вторичное космическое излучение, интенсивность которого почти в 50 раз меньше первичного. Космическая радиация, как и всякая другая радиация, проникая в вещество, отщепляет от атомов вещества электроны; в результате этого образуются положительные и отрицательные ионы.

Поэтому космическое излучение, как и рентгеновское, относится к ионизирующим излучениям. Клеточные структуры, ткани живого организма повреждаются при действии радиации, так как происходит образование ионов, нарушающих нормальное течение биохимических реакций живого организма.

Космическое излучение почти на три четверти состоит из ядер водорода - протонов. Ядра гелия, или альфа-частицы, составляют около одной четверти, а на остальные ядра химических элементов приходится около одного процента всех космических частиц.

Первичная космическая радиация при действии на организм может вызвать ионизацию, эквивалентную рентгеновскому излучению 0,005 Р в сутки. Если же принять, что относительная биологическая эффективность космической радиации в 10 раз выше обычной радиации (рентгеновской), то действие ее будет эквивалентно 0,05 Р в сутки, или 0,35 Р в неделю, что превышает допустимые нормы и, естественно, должно насторожить врачей. Во всяком случае, при длительных полетах в мировое пространство эти явления необходимо строго учитывать, а биологическое действие космического излучения - самым тщательным образом изучать.

При обеспечении полетов спутников интенсивность облучения можно значительно снизить путем правильного выбора трассы и времени полета. Космические частицы, как и все другие движущиеся заряженные тела, могут отклоняться магнитным полем Земли.

Магнитные силовые линии земного магнитного поля в экваториальных широтах располагаются примерно параллельно земной поверхности, а в полярных широтах - перпендикулярно ей. В результате космические частицы в зоне экватора, пересекая магнитные силовые линии, значительно отклоняются, тогда как идущие к северному и южному магнитным полюсам движутся вдоль этих линий в большом количестве и достигают поверхности Земли.

С незапамятных времен человечество знало, что Солнце излучает свет и тепло, но только в XX веке ученым удалось получить первые сведения о более коротковолновых излучениях Солнца - ультрафиолетовом и корпускулярном. Большая часть этого излучения с длиной волны от 10 до 300 миллимикрон не в состоянии проникать через толстые слои вещества, например через стекла иллюминаторов, и поэтому совершенно безвредна для людей, находящихся в кабине. Однако указанная радиация, интенсивно действуя на поверхностные слои вещества в условиях глубокого вакуума мирового пространства, может разрушать молекулы ткани и материала, из которых изготовлены скафандр и кабина. Эти обстоятельства необходимо учитывать и делать скафандры из ткани, наиболее устойчивой к действию ультрафиолетовых лучей, ограничивать срок службы скафандров, а кабины изготавливать из самых прочных материалов.

Помимо описанной радиации от Солнца исходят лучи с длиной волны менее 10 миллимикрон, и они мало чем отличаются от самых мягких рентгеновских лучей, образуя так называемое корпускулярное излучение Солнца. При длительном действии корпускулярная радиация может повредить ткань скафандра, а проникая в подскафандровое пространство, может вызвать образование озона, вредного для человека. Чтобы снизить влияние на человека ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучений Солнца, вероятно, потребуется делать скафандры из более плотной ткани, чем это необходимо по соображениям прочности, и ограничивать время пребывания космонавтов вне гермокабины ракеты.

Для предотвращения воздействия на космонавтов данного фактора осуществляется прогнозирование радиационной обстановки. При этом учитываются продолжительность полета транспортного пилотируемого корабля, характер орбиты, характеристики конструкции космического аппарата, наличие средств защиты экипажа. С учетом результатов прогноза выбирается дата старта транспортного пилотируемого корабля.

На основании экспериментальных и клинических данных для экипажей космических кораблей установлены три категории дозы ионизирующего излучения, позволяющие выполнить космический полет без серьезных лучевых повреждений организма: допустимая доза, доза оправданного риска и критическая доза.

Из приведенных данных следует, что влияние на человека ионизирующего излучения, особенно космической радиации, изучено недостаточно. Для обеспечения безопасности длительных космических полетов необходимо изучить влияние космической радиации сначала на простейшие живые организмы (микробы, дрожжевые клетки), растения, насекомых и животных. Только при получении результатов научных исследований на животных, особенно при длительных космических полетах, можно дать научно обоснованный ответ о радиационной опасности и обеспечить космические полеты человека.

Метеорные тела

О влиянии на человека шумов имеется достаточное количество научных данных, которые позволяют надеяться, что при разработке космического корабля можно будет провести тщательную звукоизоляцию и снизить уровень шума в кабинах. При этом необходимо учитывать, что шумы будут наиболее интенсивными на активном участке полета, т. е. на участке разгона космического корабля до конца выведения его на орбиту. Влияние вибрации на космонавтов на активном участке выведения космического корабля на орбиту изучено достаточно хорошо. Имеется целый ряд конструктивных предложений амортизаторов, снижающих действие вибраций на человеческий организм.

Практически так же, как ускорение, вибрация и шум связаны главным образом с фазами запуска двигателей космического корабля или их работы во время полета. Их источниками являются работа ракетных двигателей, их сотрясение, перемещение топлива в цистернах-баках, атмосферные потоки и турбулентность атмосферы, а также аэродинамические удары при преодолении космическим кораблем звукового барьера. При полете с выключенными двигателями шум и вибрация почти исчезают, так как в этом случае их порождают лишь импульсные двигатели управления ориентацией космического корабля в пространстве, различные электромоторы и система радиосвязи.

Шум и вибрация вызывают ощущение дискомфорта, раздражение, тошноту и другие неприятные ощущения. Характерно появление чувства тревоги и страха, удушья, болей в области живота и позвоночника, общего утомления, затрудненного дыхания, головной боли, зуда и глухоты. Вредное действие вибрации на организм человека имеет механическую природу, по крайней мере, в диапазоне тех частот колебаний, которые возникают во время космического полета. Очевидно, нарушается нормальное протекание процессов как в отдельных клетках, так и в органах в целом. В частности, вибрация влияет на анафазу, т. е. на ту стадию деления клеток, во время которой начинается расхождение половинок хромосом. Советские биологи в своих экспериментах подвергали вибрации, характерной для работы ракетного двигателя, мышей и установили значительное возрастание количества анафазных формаций в спинном мозгу уже через день после опыта. Процент анафазных формаций достиг максимальной величины 9,79, в то время как у контрольной группы животных он составлял 2,61.

Если бы механические повреждения на клеточном уровне происходили в большем масштабе, то вибрация во время космического полета стала бы серьезной проблемой. Дело в том, что человеческое тело и его отдельные органы имеют, к сожалению, собственные резонансные частоты, лежащие в том же диапазоне, что и частоты ракетоносителей. Так, космический корабль «Аполлон» с ракетоносителем «Сатурн-5» имеет основную резонансную частоту около 4,5 гц. После отделения двигателей первой ступени резонансная частота космического корабля с двигателями второй и третьей ступеней составляет примерно 6 гц, а частота третьей ступени ракетоносителя с космическим кораблем будет уже около 9 гц. Это очень важно, так как резонансная частота тела человека в зависимости от его положения и способа фиксации лежит в диапазоне от 3 до 12 гц. А отдельные органы имеют более высокие собственные резонансные частоты. Когда космический корабль вибрирует на какой-либо из этих частот, вибрация соответствующих органов человека резонансно увеличивается, эти органы деформируются, смещаются или теряют фиксацию, то есть происходит их механическое повреждение. Однако до этого в большинстве случаев возникает ощущение дискомфорта. Пилоты космического корабля «Джемини» при частоте колебаний 50 гц не могли считывать показания приборов, так как именно при этой частоте начинают вибрировать глазные яблоки и глаза словно застилает пеленой.

Шум в 160 дБ может вызывать механические повреждения и необратимую глухоту в результате разрыва барабанной перепонки и смещения слуховых косточек в среднем ухе. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное воздействие шума в 90-120 дБ может привести к повреждению слухового нерва.

Физиологическое воздействие на человека низкочастотных шумов изучают на специальных установках. Одна из таких установок сооружена в Исследовательском центре НАСА Лэнгли в Хэмптоне (штат Вирджиния). В ней можно создавать шум с уровнем до 160 дБ при частоте ниже 3 Гц.

В пилотируемом космическом корабле шумы опасны не только тем, что воздействуют на органы слуха космонавта. При уровне шума 120 дБ наступают серьезные ухудшения в речевой связи и радиосвязи. Эксперименты показывают, что речь говорящего становится значительно менее разборчивой, если к вибрации в диапазоне 10-30 Гц добавляются хаотические шумы. Кроме того, шум в 60 дБ и свыше вызывает торможение нормальных сокращений желудка и кишечника, а также уменьшает выделение желудочного сока и слюны.

Шумы иной интенсивности и частотной характеристики также оказывают нежелательное физиологическое воздействие на человека, значительно снижая его работоспособность и мешая сосредоточиться. Уровень внешних шумов при прохождении их сквозь обшивку космического корабля снижается до 20-30 дБ. Кроме того, они глушатся шлемом скафандра. Принимая во внимание все эти факты, можно сделать вывод, что вибрация и шум не составляют основных проблем при разработке программ пилотируемых космических кораблей. Влияние шума, генерируемого ракетоносителем, невелико, так как корабль быстро отделяется от ступеней с работающими двигателями, и шумы глушатся не только окружающим воздухом, но и обшивкой корабля. Аналогично этому вибрация велика лишь в первые минуты полета корабля с ускорением и во время входа его в плотные слои атмосферы. В эти короткие промежутки времени вибрация не вызывает у человека значительных функциональных сдвигов.

Ускорение