Скафандр: инженерия, история и будущее блоков внекорабельной подвижности

Скафандр — герметичный жизнеобеспечивающий костюм, защищающий астронавтов от сурового вакуума космоса. Часто называемый блоком внекорабельной подвижности (EMU), он обеспечивает кислород, терморегуляцию, удаление CO₂ и экранирование от радиации и микрометеоритов, позволяя подвижность во время выходов в открытый космос. NASA собирает каждый костюм из десятков индивидуально изготовленных компонентов, закупаемых у более 80 производителей, и доставляет готовый продукт в свой Хьюстонский центр. Агентство сейчас имеет 17 операционных EMU, каждый стоимостью более $10,4 млн к производству.

Общие сведения

На Земле атмосфера дает дышимый воздух, защиту от солнечной радиации, терморегуляцию и атмосферное давление. В вакууме космоса ни одна из этих защитных качеств не существует. Скафандр должен воссоздавать земные условия, поставляя кислород, поддерживая давление ~4,3 psi (1,95 кПа), регулируя температуру и фильтруя CO₂ и влагу. Он также экранирует носителя от солнечной радиации, микрометеоритов и экстремального температурного диапазона космоса, достигающего –459,4 °F (–273 °C).

Помимо выживания, костюм позволяет астронавтам выполнять широкий спектр задач: развертывание полезных нагрузок, обслуживание орбитального оборудования, инспекцию и ремонт кораблей, съемку научных изображений.

История

Ранние герметичные костюмы адаптировали из высокогорных реактивных самолетов ВМС США. Суборбитальный полет Алана Шепарда 1961 года использовал двухслойный костюм, ограничивающий движение конечностей. Последующие итерации добавили пять слоев: белое хлопковое белье с биомедицинскими датчиками, синий нейлон для комфорта, герметичный черный неопрен-покрытый нейлон, Тeflon-слой для поддержки формы, и финальный белый нейлон, отражающий солнечный свет.

Во время миссий «Джемини» 1965 года ввели семислойный костюм с алюминизированным Мейларом для усиленной тепловой и микрометеоритной защиты. Весом 33 фунта (15 кг), он все еще страдал от запотевания визора и неадекватного удаления тепла и влаги.

Для лунных выходов «Аполлона» астронавты носили 57-фунтовый (26 кг) семислойный костюм с рюкзаком жизнеобеспечения. Эра «Шаттла» ввела EMU — многоразовый, межастронавтский костюм, к 2000-м имевший 14 защитных слоев и весом более 275 фунтов (125 кг).

Сырье

Слои костюма включают смесь синтетических полимеров: нейлоновый трико (внутренний слой), спандекс, уретан-покрытый нейлон, Дакрон (давление-удерживающий), неопрен, алюминизированный Мейлар, Гортек, Кевлар, Номех. Жесткие сегменты используют стекловолокно и металл, литий гидроксид фильтрует CO₂ и влагу. Серебро-цинковые батареи питют костюм, пластиковые трубки транспортируют охлаждающую жидкость.

Дизайн

Каждый EMU состоит из 18 отдельных компонентов, собранных из деталей от 1/8-дюймовых шайб до 30-дюймовых водяных баков. Ключевые элементы:

• Рюкзак жизнеобеспечения: хранит до 7 часов кислорода, фильтры удаления CO₂, вентилятор, запасной 30-минутный аварийный кислородный пак.
• Шлем: поликарбонатный герметичный пузырь с визором, пург-клапаном, трубочкой для питья, фонариком визора, интегрированной камерой.
• MSOR «Snoopy Cap»: насадка на шлем с наушниками, микрофоном, четырьмя фонарями и механизмом регулировки визора.
• Охлаждающая одежда: спандекс-нейлоновый комбинезон с 300+ футами охлаждающих трубок, циркулирующих водой 40–50 °F (4,4–9,9 °C), регулируемой через клапан на панели управления.
• Нижняя торсовая сборка: включает штаны, сапоги, коленные/лодыжные шарниры, герметичный мешок уретан-покрытого нейлона с Дакроном и неопреном, плюс 950 мл мочеприемник (теперь одноразовый подгузник).
• Перчатки: с миниатюрными нагревателями в каждом пальце, подкладкой и внешним защитным слоем.
• Жесткий верхний торс: стекловолоконно-металлическая оболочка, размещающая шлем, руки, рюкзак жизнеобеспечения, модуль управления; содержит кислородные баллоны, водяные баки, сублиматор, датчики, 17-В перезаряжаемую серебро-цинковую батарею.
• Модуль управления: нагрудной с цифровым дисплеем, голосовым интерфейсом, интегрированной системой предупреждений.

Костюм модулен, позволяя взаимозаменяемые шлем, верхний торс, руки и нижний торс для посадки >95 % астронавтов. Размерные корректировки до 1 дюйма для рук и 3 дюймов для ног возможны.

Надение костюма занимает ~15 минут: сначала охлаждающая одежда, затем нижний торс, затем верхний торс с рюкзаком, наконец перчатки и шлем.

Производственный процесс

Сборка шлема и визора

• Поликарбонатные гранулы литуют в форму для оболочки шлема. Добавляют вентиляционную подкладку, пург-клапан, визор, затем герметизируют и отгружают.
• Сборка визора включает фонарики и коммуникационное оборудование.

Системы жизнеобеспечения

• Кислородные баллоны наполняют, закатывают, монтируют. CO₂-фильтры (гидроксид лития) подключают. Рюкзак получает вентилятор, питание, рацию, систему предупреждений, охлаждающее оборудование.
• Завершенный рюкзак крепится к жесткому верхнему торсу.

Модуль управления

• Электронные блоки управления, цифровой дисплей, пург-клапан строят в отдельных единицах, затем интегрируют в нагрудной модуль.

Охлаждающая одежда

• Тканевые слои (нейлоновый трико, спандекс) сшивают, охлаждающие трубки прокладывают, укомплектовывают передней молнией и соединителями.

Верхний и нижний торс, руки и перчатки

• Синтетические слои ткут, режут и собирают с соединительными кольцами. Перчатки получают нагреватели и подкладку.
• Жесткий верхний торс куют из стекловолокна и металла, предоставляя точки крепления для всех модулей.

Финальная сборка

• Все компоненты отгружают NASA для финальной сборки и строгих наземных испытаний перед полетом.

Контроль качества

Поставщики выполняют проверки качества на каждом производственном этапе. NASA проводит комплексные тесты на собранных костюмах, инспектируя на утечки воздуха, депрессирование и функциональность жизнеобеспечения. Провал в любом тесте ведет к немедленному ремонту или замене для безопасности астронавтов.

Будущее

Будущие EMU могут работать при более высоких давлениях, сокращая преддыхательное время, и иметь улучшенный дизайн шарниров для быстрой пересадки на орбите. Передовые электроники могут заменить сложные коды команд на однокнопочное управление. Исследования идут в сторону более легких, гибких материалов и автономных диагностических систем.