«Выглядит круто, но пользоваться неудобно» Плюсы и минусы скафандров от SpaceX / интервью :: длиннопост :: скафандр :: наука :: SpaceX (Space Exploration Technologies Corporation, Американский Батут Корпорейшен)

«Выглядит круто, но пользоваться неудобно» Плюсы и минусы скафандров от SpaceX

После очень долгого перерыва США вновь пытаются запустить человека в космос своими силами. Но если с ракетами и кораблем у них сейчас все лучше, чем у стран-конкурентов, то со скафандрами не все так гладко. Они заметно неудобнее и тяжелее — что приводит к большим проблемам, вплоть до отваливающихся ногтей на пальцах астронавтов. Почему так вышло — в интервью Naked Science рассказал конструктор скафандров Николай Моисеев.

Шлем нового скафандра SpaceX похож на мотоциклетный, но не очень подходит для активного изменения положений головы / ©SpaceX

Пуск Crew Dragon на орбиту — событие, бесспорно, историческое. Девять лет американцы сами не летали в космос, лишь покупая места на «Союзах», но теперь эта эпоха приближается к своему логическому концу. SpaceX взялась создать ракету и космический корабль для доставки людей к МКС за относительно небольшие деньги — и справилась с задачей, причем быстрее Boeing. Эта компания более чем с полувековым опытом полетов в космос тоже разрабатывала корабль для доставки астронавтов на станцию, но у него оказалось немало технических проблем — и первой полетела компания, которой нет и 20 лет от роду. Честь ей за это и хвала.

Несмотря на все сильные стороны SpaceX, есть у нее на сегодня и одно весьма слабое место. За последние 18 лет там неплохо научились работать с беспилотными полетами — ракетами, космическим грузовиком Dragon и так далее. А вот доставка людей — дело для компании новое. Особенно хорошо это видно по ее скафандрам, вызывающим критическое отношение специалистов.

Многим кажется, что это не такой уж большой элемент космического путешествия. На самом деле, скафандр только выглядит малой частью полета.

Чтобы разобраться в ситуации, мы поговорили с Николаем Моисеевым, разработчиком скафандров для NASA. Он занимается этой темой треть века, работал на научно-производственном предприятии «Звезда» с 1986 по 2006 год. Уже с 1988-го сконструированные им перчатки работали в открытом космосе (а перчатки — один из самых сложных в реализации элементов скафандра). У него несколько патентов в области скафандростроения, немало публикаций на международных конференциях. В России он был ведущим инженером по шести проектам скафандров, а ушел в 2006 году из «Звезды» с должности ведущего конструктора по перспективным скафандрам.

В 2007 году Николай Моисеев впервые в мировой истории сделал скафандр дома (больше было негде). Сделанное ушло каскадеру из Лондона — он планировал совершить в нем высотный прыжок, но на сам прыжок денег уже не хватило, отчего «домашний скафандр» не попал в дело. В 2009 году конструктор выиграл приз в 100 тысяч долларов в конкурсе NASA «Перчатка астронавта». После этого он получил грин-карту США по категории «Выдающийся ученый и исследователь».

Впоследствии основал компанию Final Frontier Design (FFD), создающую космические скафандры в Нью-Йорке. Ниже — его мнение о проблемах нового скафандра SpaceX, о том, почему так трудно — и важно — сделать хорошие скафандры для Луны и Марса, а также о том, как продвигаются дела в этом направлении.

— Фото и видео новых скафандров Илона Маска вызвали много вопросов со стороны специалистов. Вы не могли бы объяснить суть претензий к нему?

— Традиционно космические скафандры делают из двух слоев: силовой оболочки из прочной ткани, нейлона или лавсана, и внутренней гермооболочки. Последняя воздухонепроницаема, но не держит механическую нагрузку. Силовая оболочка же должна быть исключительно прочной, потому что, помимо рабочего давления скафандра (в 2-2,5 раза ниже атмосферного для российских скафандров «Сокол» и «Орлан»), есть еще давление, на которое испытывают изделия из первоначальной серии. И оно в три раза выше рабочего и несколько выше атмосферного. Это превышение называется фактором безопасности — трехкратное превышение означает фактор безопасности, который равен трем.

Но у SpaceX, скорее всего, фактор безопасности равен не трем, а двум. Это следует из слов Илона Маска, что их новый скафандр выдержал «двойное давление вакуума». Фраза идиотская, но ее подхватили многие СМИ. Означает она, по всей видимости, именно превышение максимального давления испытаний над рабочим давлением. То есть, если их скафандр рассчитан на 0,3-0,4 атмосферы, то испытывали его только до 0,6-0,8 атмосферы. Это очень немного.

— Вы упомянули, что давление в разных скафандрах разное. Почему?

— У российских образцов рабочее давление внутри — 0,4 атмосферы, поэтому их испытывают, повышая давление изнутри до 1,2 атмосферы, предварительно поместив в вакуумную камеру. В современных американских скафандрах давление ниже, лишь 0,3 атмосферы — благодаря этому скафандр меньше «раздувает» в вакууме, то есть в нем легче двигаться. Соответственно, ниже требования по фактору безопасности, а значит, скафандр можно сделать легче.

Еще раз вернусь к тому, почему фактор безопасности равный двум — это не очень много. Почему при испытаниях используют повышенное давление? Потому что оно позволяет выяснить, достаточно ли прочна ткань силовой оболочки. Если прочность недостаточна, то при слишком высоких нагрузках ткань выйдет за пределы допустимых деформаций и обратно не вернется — так же, как излишне растянутая при перегрузке пружина не сможет вернуться к исходной длине — и перестанет выполнять свои функции.

Когда человек со стороны смотрит на скафандр, он видит лишь крутую космическую униформу. Но с инженерной точки зрения это сосуд под давлением, поэтому он должен испытываться так же строго, как любые баллоны и емкости под давлением, — как это делает Котлонадзор в России.

В технике много сосудов с фактором безопасности ниже тройки и даже двойки. Например, герметичная кабина самолета на высоте может иметь фактор безопасности 1,1. Но для скафандров это недопустимо: они сделаны из ткани, а не из металла. При наддуве поверхность ткани тянется, нагрузки в ней идут и по диагонали, не встречая на своим пути волокон, отчего ткань легче деформируется. Поэтому здесь выбор фактора безопасности ниже тройки объективно нежелателен. Тем не менее SpaceX на это пошла. Это мое предположение.

— Почему новый скафандр SpaceX важен и отчего компания выбрала для него такие странные технические решения?

— Нынешнее изделие компании используется исключительно для обеспечения безопасности астронавтов внутри корабля Crew Dragon в случае его разгерметизации — а не для того, чтобы в нем можно было работать вне космического корабля. Поэтому требования к ним, с одной стороны, заметно ниже: у них нет своего автономного источника воздуха, так что при разгерметизации их нужно включать в систему жизнеобеспечения корабля. С другой — подвижность в них должна быть значительной, чтобы астронавты могли активно реагировать на нештатную ситуацию.

Пока ситуация по внутрикорабельному скафандру SpaceX выглядит не лучшим образом. То есть да, он работает, но недостаточно надежен и удобен. Во-первых, у него снижен фактор безопасности — видимо, чтобы обеспечить меньшую массу. Во-вторых, гермомолния для входа в него находится между бедер, в паху. Наверное, это делает внешний вид костюма более эстетичным, но в то же время залезать в скафандр «между ног» не очень удобно.

Получается, астронавт будет извиваться как червяк и вряд ли сможет попасть в костюм своими силами. Для сравнения: у российского «Сокола» вход спереди, через грудь, без лишней эквилибристики, и надеть его можно за считаные минуты. В-третьих, сомнителен и шлем, распечатанный на 3D-принтере. Он пластиковый, отчего его толщина — 25 миллиметров, а не полтора, как у алюминиевых аналогов других производителей. Это оставляет меньше места для головы человека — что однозначно менее удобно.

Почему первый костюм SpaceX получился таким неоптимальным? Вероятно, главная причина в подходе к его созданию. Сперва Маск поручил дизайнеру костюмов для фильмов о супергероях Хосе Фернандесу (Jose Fernandez) проработать внешний облик скафандра, а уже затем под этот внешний облик стали проектировать системы костюма. При таком подходе трудно ожидать, что конечное изделие будет беспроблемным.

Скафандр, показанный SpaceX, — внутрикорабельный. А вот скафандры для Луны и Марса создать намного сложнее.

— Лунные скафандры Соединенных Штатов, использованные полвека назад, имели ограниченную подвижность в бедрах, что хорошо видно на записях. Почему?

— Вообще, скафандры для внекорабельных условий существуют и сегодня, когда нет полетов на Луну или Марс. Но они созданы с учетом потребностей орбитальной станции, а не передвижения по другим небесным телам. Например, они имеют очень ограниченную подвижность ног — потому что астронавтам сейчас никуда не нужно ходить ногами. Сейчас они «ходят» руками: когда им нужно выполнять работы снаружи МКС, они перемещаются с помощью рук.

Лунные скафандры времен проекта «Аполлона» должны были обеспечивать подвижность астронавта, но, действительно, если посмотреть на кинематику движений астронавтов в них, человек там больше прыгал, чем ходил, двигался в основном за счет голеностопов. Почему?

Потому что фактически у него зафиксированы бедра — бедренные шарниры в том скафандре были, но плохие, недостаточно подвижные. Именно эта «жесткость» в бедрах — причина странных прыжков в скафандре «Аполлон». Очевидно, такой скафандр был оправдан в условиях лунной гонки, но сегодня нужно нечто более совершенное.

Сейчас NASA официально объявило целью возвращение на Луну к 2024 году. Но пока для этого нет ни корабля, ни скафандра, ни ракеты. Работы много. И все это за оставшееся время сделать будет очень трудно. Но возможно.

— Реально ли это в принципе сделать за такой короткий срок?

— В 1960-х все так делалось — в предельно сжатые сроки. Что в СССР, что в США в то время запускали несколько параллельных, конкурирующих между собой, проектов скафандров. В результате тогда в Штатах взяли наработки двух фирм и соединили их лучшие элементы между собой, получив один скафандр — Apollo A7L.

Сейчас разработка узлов нового лунного скафандра в США ведется сразу множеством исполнителей под руководством NASA, в том числе нашей компанией Final Frontier Design. В марте 2020 года мы получили миллионнодолларовый заказ от NASA на изготовление компонентов скафандров для возвращения человека на Луну.

Наша зона ответственности — поясной и бедренный шарниры и ботинки. В целом NASA пытается использовать наиболее удачные компоненты своих скафандров прошлого и одновременно усовершенствовать их менее удачные компоненты. Это достаточно здравый подход, теоретически позволяющий добиться успеха в умеренные сроки.

— Сейчас много разговоров о том, что водный и углекислотный лед в лавовых трубках, огромных пещерах на Луне и Марсе, представляет большой интерес — из него в перспективе можно делать компоненты ракетного топлива, а также больше узнать о древней атмосфере на этих небесных телах. Но может ли астронавт туда в принципе попасть — или на сегодняшнем техническом уровне это невозможно?

— Есть основания ожидать, что новый скафандр будет иметь больше подвижности, чем старый лунный. Но объективные инженерные сложности никто не отменял. Например, исследование лунных и марсианских пещер, тех же лавовых трубок, потребует передвижения на очень сложной местности, почти альпинизма. Да, там может быть водный и сухой лед, но попасть туда действительно сложно.

Современные внекорабельные скафандры NASA уже имеют подвижность бедра намного лучше, чем у «аполлоновского». Но, на мой взгляд, астронавт и в новом скафандре не сможет никуда лазить, проникать в действительно труднодоступные места, те же пещеры. Почему? Этот скафандр очень тяжелый — речь идет о 175 килограммах. Для сравнения: современный американский скафандр для выходов в открытый космос на МКС — Extravehicular Mobility Unit (EVA) — весит 145 килограммов, российский «Орлан» для тех же целей — примерно 115 килограммов.

Да, на Луне все весит в шесть раз меньше, но вот инерция его массы останется той же. И вес такого скафандра много больше, чем у «аполлоновского» (на десятки килограммов). Очень непросто себе представить, как в нем можно попасть в труднодоступные места.

— Возникает вопрос: почему в прошлом американские скафандры весили на десятки килограммов меньше?

— Ответ тут простой: новый лунный скафандр — гораздо подвижнее, в том числе в бедрах и поясе, система шарниров развита значительно сильнее. Он более удобный и — что важно — намного надежнее. Системы в нем серьезно резервируются, если выйдет из строя одна — ее подменит дублирующая. В спешке времен лунной гонки всего этого создать не успели.

При этом запас воздуха и воды для астронавта в новом скафандре будет такой же, как в старых. Время максимального нахождения в нем (девять часов) ограничено не только запасом воздуха, но и тем, что за этот период человек устает, ему нужны не только вода, но и еда. Требуется также обеспечить отправление естественных потребностей, что в условиях скафандра довольно непросто.

— А что в это время в России? Разрабатывают ли у нас новые скафандры?

— «Звезда», где я проработал 20 лет, трудится над новым внутрикорабельным скафандром линейки «Сокол» («Сокол-М»), они показывали последний его образец на МАКС-2019. По нему был ряд замечаний, которые обещали устранить к концу года. Но, как это всегда бывает со «Звездой», не успели. Сейчас, в условиях пандемии коронавируса, не очень понятно, работают ли они над ним активно или нет.

Более сложная ситуация с перспективными скафандрами — в том числе для Марса. Здесь «Звезда» получила контракт, но работу ведет не над изделием «в железе», а пока скорее над его концептом.

— На фото с пресс-конференций вернувшихся с Луны в 1970-х американских астронавтов отчетливо видны синяки под ногтями, как будто по пальцам попали молотком. Отчего это?

— Сделать качественные перчатки для скафандров очень тяжело. Когда я пришел на «Звезду» в 1986 году и попросился проектировать перчатки, все вокруг были очень рады, потому что никто этим заниматься не хотел. И вот с ноября 1988 года спроектированные мною перчатки летают в космос — и до сего дня. И никаких синяков под ногтями за все годы работы в них у космонавтов не было.

А в 1990-х к нам приехал на предприятие космонавт Юрий Маленченко, который во время полетов на станцию на шаттле пользовался американским скафандром (каждый скафандр унифицирован со своим кораблем). И он рассказал, что после полета у него появились синяки на пальцах, а потом буквально слезли ногти — и несколько месяцев он ходил без них.

Слезли они у него потому, что перчатки, которыми пользуются американские астронавты, более узкие, чем в России. К тому же общее давление в американских скафандрах на четверть ниже, и пальцы получаются не такими «толстыми».

Попробуйте себе сдавить указательный палец другими пальцами — слегка, чтобы не было больно — и продержать так пятнадцать минут. Появятся неприятные ощущения. Что будет через часы работы в таких перчатках? Вы их возненавидите, и да, потом будут проблемы.

Кстати, когда Маленченко уже на Земле с этим обратился к врачу NASA, тот отреагировал спокойно: отпуск у вас большой, все отрастет. В начале 2000-х у NASA вышел ряд открытых отчетов по этой проблеме: ногти сходили не только у Маленченко. Насколько мне известно, в США проблема не решена до сих пор.

Почему? Чуть другая культура: у них астронавт — это профессия с большой медицинской страховкой, считается, что такие сложности для покорителя космоса ничего экстраординарного не представляют собой.

— Вы упомянули, что вес «Орлана», внекорабельного скафандра для МКС, 110-115 килограммов, а американского аналога на той же МКС — 145 килограммов. За счет чего такая большая разница?

— Основная причина — разный вес подшипников. В существующих американских скафандрах подшипники из нержавеющей стали, в наших — из алюминиевого сплава Д16Т, широко применяющегося в авиации. Его плотность втрое ниже, чем у стали. Кроме того, в Штатах внекорабельные скафандры имеют очень массивный поясной подшипник, которого на «Орлане» в принципе нет.

— Но почему так? Ведь это же космос, экономить не требуется, и понятно, что вес скафандра лучше бы сделать поменьше.

— Когда «Звезду» создавали, она была предприятием авиационной отрасли, где привыкли экономить каждый грамм. Для NASA скафандры проектировали люди из других отраслей — промышленные дизайнеры, которые не задумывались над тем, что надо добиваться малого веса.

Ветераны «Звезды» вспоминали, что еще в 1960-х за снижение массы подсистем скафандра (тогда создавался «Кречет» для полетов к Луне, и именно из «Кречета» вырос «Орлан») выдавали премии работникам. Некоторые даже специально изначально предлагали решения потяжелее, чтобы потом массу убрать и получить премию. Вот поэтому там не выбрали более массивные решения.

— А вообще вопрос веса скафандра важен? Или в условиях малой гравитации это не слишком значимо?

— Вы знаете, я какое-то время назад говорил с людьми из NASA и высказал вот какую точку зрения: список требований к лунному скафандру очень длинный, но ключевым там должен быть малый вес. И вот почему.

Дело же не только в том, что со 175 килограммами на себе в пещеру вы не полезете. Вопрос в другом: что будет, если астронавт упадет? Вес на спутнике Земли меньше, но масса та же. Поднять себя в скафандре с поверхности Луны после случайного падения — астронавт, особенно женщина-астронавт, не факт, что сможет.

Да, поможет напарник. Но что, если напарник упадет? Кто их тогда будет поднимать? Это же вопрос выживания: не встав, они не вернутся в корабль. Разумеется, в экстремальных обстоятельствах у человека бывает прилив сил. Наверное, встанут. Но зачем же так мучиться?

— Почему в NASA не пошли по пути копирования решений «Орлана», они же детально изучали этот скафандр?

— Случаи копирования решений наших скафандров были: в частности, шарнира перчатки «Орлана». То есть сейчас на американских перчатках копия кистевого шарнира «Орлана». С изменениями, но все та же идея от моих перчаток. Решение на копирование было сделано в 1995 году после всестороннего изучения конструкции «Орлана». Но поменять концепцию американского внекорабельного скафандра в целом тяжело.

Конструкции развиваются эволюционным путем, без резких перемен — это раз. И два: они не могут просто так взять и скопировать чужое техническое решение. Они практически не изучают российский опыт целенаправленно, только то, что заметили из самого очевидного.