Перегрузки при посадке космического корабля

Обновлено: 08.07.2024

Как мы видели выше, характерной чертой пассивного полета под действием одних лишь гравитационных сил является состояние невесомости, господствующее на борту космического корабля. Предположим теперь, что пассивный полет внезапно прерван включением бортового ракетного двигателя. Состояние невесомости принтом исчезнет, так как появится внешняя поверхностная сила — сила тяги. Как было выявлено выше (§ 3 гл. 2), при пассивном полете в безвоздушном пространствегравитационные силы никак себя не проявляют в относительномперемещении предметов на борту космического корабля и не вызывают вних никаких напряжений. Теперь, после включения двигателя, гравитационные силы, естественно, остаются по-прежнему? неощутимыми и проявляется лишь сила тяги. Как она проявляется?

С точки зрения неподвижного наблюдателя, находящегося вне корабля, сила тяги заставляет корабль ускорить свое движение. Если в кабине корабля находится незакрепленный предмет (например, карандаш, который космонавт выпустил из пальцев), то этот предмет, не получая ускорения, начнет отставать от корабля (это увидел бы неподвижный наблюдатель, скажем, через прозрачную стенку кабины). Космонавт же, находящийся в кабине, воспримет это отставание как падение предметав сторону, противоположную направлению силы тяги (в сторону истечения газов из сопла). В этой же стороне космонавт ощутит опору (у кабины появится пол), в эту же сторону будет направлен отвес, указывающий кажущуюся вертикаль, свободная поверхность жидкости в сосуде окажется перпендикулярной к направлению отвеса. На борту корабля появятся все обычные проявления тяжести. Необычно только название этой тяжести — перегрузка, носящее во многих случаях совершенно условный характер.

На участке разгона ракеты-носителя (рис. 21) перегрузка вполне определяется равнодействующей негравитационных сил — силы тяги и силы аэродинамического сопротивления (рис. 21, б). В общем случае последняя сила состоит из силы лобового сопротивления, направленной противоположно скорости, и перпендикулярной к ней подъемной силы (рис. 21, а). Указанная равнодействующая создает негравитационное ускорение, определяющее перегрузку (рис. 21, в).

Рис. 21. Перегрузка на участке разгона ракеты.

Коэффициент перегрузки на участке разгона составляет несколько единиц. На рис. 21, б показана равнодействующая всех сил, действующих на ракету-носитель; эта сила определяет полное ускорение (рис. 21, в), характеризующее движение ракеты, но не проявляющееся в полной мере на явлениях в кабине корабля. Все явления в кабине при разгоне определяются величиной именно не "гравитационного ускорения. Поэтому негравитационное ускорение иногда называют ощутимым или кажущимся.

Это ускорение может быть измерено специальными приборами — акселерометрами. Простейший акселерометр представляет собой, по существу, динамометр, градуированный в единицах ускорения.

Был такой фильм: американский астронавт терпит в космосе бедствие — его корабль из-за отказа тормозного двигателя не может сойти с орбиты. Его спасает советский космонавт, подлетев на своем корабле. Фильм был фантастический, но такие случаи, когда возможность возвращения с орбиты оказывается под вопросом, в практике космических полетов известны.

Мало кто знал тогда, а широко это никогда и не было известно, что в подобную ситуацию мог попасть Гагарин. Вероятность её возникновения была невелика — и все же она оставалась. Опасность — вечная спутница космических полетов, но в особенности это относится к выходу на орбиту и к возвращению из космоса.

Спуск на землю можно разделить на три участка: сход с орбиты; полет в атмосфере; собственно посадка. На каждом участке решаются свои задачи, работают определенные бортовые системы, и на каждом возможно возникновение нештатных ситуаций.

Нештатные ситуации бывают разные: одни создают лишь мелкие неприятности, другие могут повлечь серьезную аварию, срыв программы и даже к катастрофу. При проектировании и разработке техники проводится анализ безопасности полета, выявляются и исследуются возможные нештатные и аварийные ситуации, разрабатываются алгоритмы выхода, резервные варианты выполнения полетных операций при отказе той или иной бортовой системы.

При разработке пилотируемой космической техники руководствуются принципом: любой отказ в любой системе не должен приводить к опасным последствиям. Для достижения этой цели используется целый арсенал средств. Жизненно важные системы резервируются (на борт корабля ставят два комплекта приборов); внутри систем применяется резервирование её элементов; применяются датчики, работающие на разных физических принципах и многое другое.

Идеальный вариант — зарезервировать все жизненно важные системы. Но, как известно, идеальные варианты нереализуемы.

Сход с орбиты

На следующих пилотируемых кораблях сближающе-корректирующая двигательная установка, которая использовалась и для сближения, и для схода с орбиты, была задублирована. Но нештатные и аварийные ситуации, связанные с этой системой, в дальнейших полетах все равно возникали.

Что происходит с телом при взлёте корабля, как космонавты умудряются спать и насколько им хреново в условиях невесомости?

всех свои увлечения. Кто-то коллекционирует винные пробки, кто-то фотографии своей обширной попы, а кто-то предпочитает бросать вызов возможностям своего тела. Ежегодно Эверест пытается покорить 500 человек, при этом умирает на вершине каждый десятый альпинист — и они прекрасно знают эту статистику. Из-за нехватки кислорода, схода лавин, трудности подъёма и неисправности оборудования. Каждый десятый! Шанс остаться живым и вернуться домой после спуска почти такой же, как при игре в русскую рулетку. Но люди упорно продолжают испытывать судьбу ради захватывающих видов и чувства удовлетворения от выполнения невозможного. Аквалангисты имеют неплохой риск умереть от декомпрессионной болезни, когда растворенный газ начинает пузыриться в крови и блокирует кровоток. Но тысячи дайверов это не останавливает.

А что насчёт полярников, которые живут на станциях много месяцев подряд, проводят исследования и ежедневно рискуют получить обморожение?

Да каждый из нас постоянно испытывает возможности своего тела (для этого необязательно подниматься на Эверест). Мы не спим ночами, чтобы закончить очередную презентацию к сроку, выпиваем на вечеринках тонны алкоголя, ходим зимой в тонких парках, а летом отказываемся носить панамки, потому что не модно, да и не в 1990-х уже живём. Есть ли предел этих возможностей? От чего он зависит? На что вообще способно человеческое тело?

Эшкрофт возглавляет Центр по изучению человеческого гена Оксфордского университета, она генетик и влюблена в науку. В свободное время она взбирается на Килиманджаро, погружается с аквалангом и пишет научно-популярные книги.

Попав в космическое безвоздушное пространство, человек погибнет мгновенной и мучительной смертью. Воздух устремится из лёгких наружу, растворённые в крови и жидкостях тела газы превратятся в пар, разрушая клетки и закупоривая капилляры пузырьками, кислород перестанет поступать в мозг, воздух, запертый во внутренних органах, расширится, разрывая внутренности и барабанные перепонки, а космический холод превратит тело в ледышку. Потеря сознания наступит в течение 15 секунд.

Человек способен выжить в космосе, только прихватив с собой естественную среду обитания, но даже за стенами орбитальной станции космическое путешествие не обходится без испытаний для организма. Первое — это перегрузки, вызываемые ускорением, необходимым для того, чтобы преодолеть притяжение Земли. Второе — прямая противоположность перегрузкам, невесомость. Она может вызывать морскую болезнь, перераспределение жидкостей в теле, сокращение количества эритроцитов и потерю костной и мышечной массы. Если мы хотим осуществить давнюю мечту человечества побывать за пределами Солнечной системы, нужно искать способ справляться с этими трудностями. В этой главе мы рассмотрим, как космический полёт воздействует на организм человека и как бороться с неприятными последствиями этого воздействия.

§1 Ключ на старт

Космонавты вышли из этого испытания целыми и невредимыми, опустившись на парашюте в некотором отдалении от старта. Современным покорителям космоса такие сильные перегрузки не грозят.

ерегрузки, которые испытывает космонавт, меняются на взлёте, поскольку управляются ньютоновским законом движения, согласно которому сила равна массе, помноженной на ускорение. Отрыв от земли происходит сравнительно мягко, поскольку тяговое усилие реактивного двигателя лишь немного превышает вес космического корабля. Самые сильные перегрузки возникают, когда корабль выходит на орбиту, поскольку к тому времени он уже значительно теряет в весе (сжигая большую часть топлива), а реактивные двигатели по-прежнему работают на полную мощь.

Военным летчикам при катапультировании с повреждённого истребителя приходится переносить куда более тяжёлые перегрузки (целых +25g) — зато менее длительные. После активации рычага сбрасывается фонарь самолёта или раскрывается потолок и взрывается пиропатрон, закреплённый под сиденьем, выстреливая кресло вместе с пристёгнутым пилотом в воздух. Разумеется, чем быстрее произойдёт выброс, тем лучше, однако при слишком сильном ускорении может пострадать позвоночник. В результате экспериментов и полевых испытаний было установлено, что предельная перегрузка не должна превышать +25g — в противном случае резко возрастает риск спинных травм. Самые последние модели катапультируемых кресел оборудованы реактивными двигателями, которые продолжают гореть ещё примерно полсекунды после отстрела кресла, позволяя снизить пиковую перегрузку и риск спинной травмы.

Ещё одна существенная проблема, с которой сталкивается космонавт на старте, — это сильная вибрация. Тряска не просто доставляет дискомфорт, но и затрудняет выполнение ручных операций, вызывает тошноту и резонанс внутренних органов с внешними колебаниями. По малоизученным пока причинам она также вызывает гипервентиляцию и иногда обморок.

При дыхании, кроме всего прочего, выделяется водяной пар — это известно любому, кто хоть раз сидел в холодную погоду в машине с закрытыми окнами. Они запотевают изнутри в первую очередь из-за влаги, испаряемой нашими лёгкими. Содержание водяного пара в воздухе космического аппарата необходимо тщательно контролировать, поскольку переизбыток вызовет конденсацию, а недостаток — сухость роговицы глаз и слизистых оболочек глотки. Для поддержания оптимального баланса воздух в космическом корабле постоянно циркулирует в замкнутом цикле, углекислый газ и частицы пыли удаляются, а влажность и содержание кислорода поддерживаются на нужном уровне.

Для определения переносимости ударной перегрузки, возникающий в случае жесткой посадки спускаемого аппарата была проведена серия экспериментов с последующим нарастанием величины ударной перегрузки, достигшей 50G, при которой вес испытателя достиг четырех тон!

Для этих целей была сконструирован специальный вертикальный стенд ударных перегрузок СУП-10 с рельсами, по которым ходила тележка. Сброс испытателя вниз и последующий удар о свинцовые плиты был аналогом жесткой посадки спускаемого аппарата.

Благодаря этим экспериментам удалось определить оптимальный угол наклона спинки кресла (в некоторых случаях позвоночник ломался как тростинка) и только после этого приступить к испытаниям с участием испытателей-добровольцев.

В рекордной серии экспериментов участвовало три штатных испытателя, но дойдя до отметки 38G, один из них отказался от продолжения участия в экспериментах, сославшись на необходимость срочно лечь в госпиталь, второй на насморк и только третий честно признался, что боится. Потом выяснилось, что среди испытателей пошел слух о неудачном аналогичном эксперименте. В качестве добровольца, решившегося продолжить испытания выступил Д.И. Гридунов.

Д.И. Гридунов так описывает один из своих экспериментов:

Много лет спустя, к Д.И. Гридунову подошел один из сотрудников (фотограф Александр Богданов) и вдруг признался «А помнишь, Джон, когда ты ставил рекорд, я тебя фоторафировал вылезавшим из люльки? Так вот, Ада Ровгатовна тогда спросила: «Саша, у тебя цветная пленка есть? Надо обязательно зафиксировать. Ведь у Джона Ивановича кровь выступила на всем теле…

Читайте также: