До начала ХХ века о природных условиях внеземного пространства и факторах космического полета наука имела весьма противоречивые сведения. Разумеется, было уже известно, что между планетами царит пустота, но при этом, например, считалось, что метеороидов и комет намного больше, чем в действительности, и что именно они будут главной угрозой межпланетным путешествиям. С другой стороны, никто не подозревал о радиационной опасности, которая считается главной проблемой сегодня, а влияние перегрузок и невесомости вообще не учитывалось – достаточно вспомнить фантастическую дилогию Жюля Верна о полете внутри пушечного снаряда вокруг Луны.

Вероятно, первым, кто задумался о том, что перегрузки, возникающие при старте и торможении в атмосфере, и динамическая невесомость, возникающая при свободном космическом полете, могут усложнить осуществление межпланетных путешествий, был все тот же основоположник Константин Эдуардович Циолковский. Правда, в этом отношении он был оптимистом и полагал, что перегрузки вполне реально преодолеть, поместив пилотов межпланетного корабля в резервуары с жидкостью соответствующей плотности, а к невесомости человек привыкнет, как привыкают к плаванию, и она может оказаться даже полезной для здоровья. В целом этот оптимизм сохранили и другие отечественные ученые, занимавшиеся теоретической космонавтикой, хотя они, конечно, не могли игнорировать исследования западных коллег, которые куда осторожнее оценивали перспективы переносимости факторов космического полета.

Первые опыты по раскрутке насекомых и животных в примитивных центрифугах (Циолковский, Гарсо, Рынин) показали, что те способны выдерживать весьма значительные перегрузки без вреда для здоровья. С появлением авиации, в том числе морского базирования, началось изучение действия перегрузок на летчиков. Например, при одном из экспериментальных полетов немецкого самолета «F.6», совершенном в 1928 году, при резком выходе из пике возникло ускорение 10,5 g – пилот, конечно, выжил, но на месяц попал в больницу с конъюнктивитом глаз и нервным расстройством, вызванным капиллярными кровоизлияниями в мозгу. Причем в других случаях, когда кратковременное ускорение не превышало 9 g, каких-то негативных физиологических эффектов не отмечалось.

Позднее появились самолетные катапульты, а затем и специальные центрифуги для тренировки летчиков, поэтому к началу космической эры был накоплен значительный материал по воздействию перегрузок на человеческий организм. Об этом свидетельствует, например, обзорная статья доктора Алана Э. Слейтера «Медицинские и биологические проблемы» в английском научном сборнике «Space Research and Exploration», опубликованном на языке оригинала в 1957 года, а через два года изданном на русском языке под названием «Исследование мирового пространства». В отношении перегрузок Слейтер конкретен: длительную перегрузку человек способен выносить довольно долго, оставаясь дееспособным, если она не превышает 5 g, а в лежачем положении – 7 g. Кроме того, если речь идет о кратковременных перегрузках, то оказывается, что можно без потери сознания и без какого-либо вреда для здоровья выдержать до 12,5 g. Остается только определить оптимальную позу, при которой они переносятся легче всего, чем медицина и занималась вплоть до первых космических полетов, хотя и не успела к тому времени эту проблему окончательно разрешить. Таким образом, перегрузки, испытанные первыми космонавтами при старте и при возвращении на Землю, не были чем-то новым ни для них самих, ни для специалистов, готовивших их к полету.

Совсем другое дело – невесомость, ведь ее длительное действие практически невозможно воспроизвести на Земле. Давайте проследим, как менялись представления о невесомости, по работам, опубликованным в открытой печати.

Отдельное внимание этому фактору космического полета уделял авторитетный советский теоретик Ари Абрамович Штернфельд. Вот что он писал в своей статье «Межпланетные путешествия и физиология человека» (1938): «Мы знаем, что отсутствие перегрузки в течение нескольких секунд вполне безвредно. Однако, оценивая условия межпланетного путешествия, которое может длиться целые годы, мы можем лишь строить более или менее обоснованные гипотезы, касающиеся самочувствия пассажиров. Можно думать, что сердце будет действовать нормально, поскольку деятельность его сходна с механической работой насоса с замкнутым циклом, и ему приходится лишь преодолевать сопротивление трения крови о стенки вен, а это сопротивление почти не зависит от внешнего давления. Вопросы дыхания представляются более сложными. Например, при кратковременном падении обычно наблюдается задержка дыхания, если же падение будет длиться долго, то, несомненно, потребуется применение приборов для искусственного дыхания. <…> В обычных условиях физиологические процессы совершаются при любых положениях тела – стоячем, сидячем и лежачем, и изменение направления силы тяжести не оказывает на них существенного влияния. Известно, однако, что очень трудно долгое время держать голову опущенной ниже туловища. Это показывает, что при некоторых необычных положениях тела сила тяжести оказывает вредное влияние на организм, но, с другой стороны, нельзя утверждать, что для других положений тела наличие тяжести необходимо. <…> Итак, в нашем распоряжении еще нет опытных доказательств того, что человек будет чувствовать себя вполне нормально при отсутствии перегрузки. Вполне возможно, что для этого придется применить те или иные меры медицинского характера, которые, впрочем, не устраняют опасности атрофии большинства мышц» .

В послевоенное время с развитием реактивной авиации появилась возможность изучать динамическую невесомость более предметно, ведь она возникает в самолете, летящем по параболе, а чем выше парабола, тем дольше продолжается состояние невесомости. Однако проведенные эксперименты давали неоднозначный результат. Например, во время пикирования в течение 15–20 секунд пилот «F-80E», совершавший эксперимент, почувствовал нарушение координации движений и был дезориентирован. При этом, правда, он утверждал, что повторные эксперименты давались легче, то есть вырабатывалась своего рода «привычка».

Физиологи Игорь Сергеевич Балаховский и Виктор Борисович Малкин сообщали в статье «Биологические проблемы межпланетных полетов» (1956): «Вопрос о том, какое влияние на человека будет оказывать отсутствие силы земного тяготения, особенно труден в связи с крайней сложностью воспроизведения в эксперименте условий невесомости. Разрешение этого вопроса имеет большое значение, так как вскоре после взлета ракеты, сразу же после выключения двигателей, астронавты окажутся в условиях невесомости, в которых им придется находиться длительное время. Что же может произойти в этих условиях с человеком? Было высказано много предположений. Некоторые физиологи на основании теоретических представлений сомневались в возможности жизни человека в этих условиях. Так, немецкий кардиолог Лангер высказал мнение, что в условиях полного отсутствия силы тяжести жизнь может продолжаться только несколько минут, так как неизбежно возникнут глубокие расстройства кровообращения из-за нарушения его нервной регуляции; кровь потеряет вес и не будет оказывать давление на стенки сосудов, где расположены специальные нервные окончания, чувствительные к изменению кровяного давления (барорецепторы). При этом не будет также давления крови в полостях сердца во время его расслабления, что может привести к нарушению нормальной сердечной деятельности. Большинство исследователей все же считает, что жизнь в условиях невесомости возможна и что организм сумеет приспособиться к новым условиям существования. Однако в процессе приспособления могут возникнуть нарушения деятельности центральной нервной системы, связанные с тем, что она не будет получать сигналов от нервных окончаний, расположенных в коже и мышцах, а также в специальном органе равновесия – лабиринте (находится во внутреннем ухе), которые в нормальных условиях „сообщают“ о положении тела и его отдельных частей. При этом возможно расстройство регуляции мышечного тонуса, нарушение ориентации в пространстве, возникновение синдрома „воздушной болезни“ – головокружения и тошноты, а также расстройства сна».

О возможных проблемах писал в 1957 году вышеупомянутый Алан Э. Слейтер: «Наибольшая продолжительность невесомости, достигнутая до настоящего времени, была получена летчиками ракетных самолетов, в частности Чарльзом Егером. <…> По заявлению Х. Хабера, Егер „не использовал все 32 секунды невесомости, которые способен дать тот тип самолета, на котором он совершал полеты. Через 8–10 секунд он почувствовал, что его голова становится тяжелой, и начались первые нарушения ориентировки. На 13-й секунде невесомости у него появилось ощущение медленного вращения в неопределенном направлении. После 15 секунд он потерял ориентировку в пространстве и вышел из параболы“. По заявлению самого Егера: „На какое-то время, которое кажется целым часом, вы оказываетесь в состоянии, когда не можете определить свое положение относительно какого-либо предмета“. С тех пор в США был осуществлен на реактивных самолетах ряд испытаний такого рода, описанных Гератоволем. В этих испытаниях 16 человек были подвергнуты действию невесомости в течение времени от 10 до 30 сек, причем некоторые полеты совершались по параболической кривой вверх и вниз, а часть – только вдоль нисходящей ветви такой кривой. Довольно неожиданным оказалось то, что в действительности восьмерым из испытуемых ощущение показалось приятным, для троих оно было безразличным, и у пятерых появились симптомы воздушной болезни. Таким образом, в настоящее время мы знаем, что некоторые люди могут переносить невесомость в течение целых полминуты, тогда как другие перестают ее переносить уже после первой четверти минуты. Но что случится в длительном межпланетном путешествии? В настоящее время мы можем только догадываться об этом…»

Советские специалисты хоть и проявляли оптимизм, но тоже весьма сдержанный, о чем можно судить по статьям, написанным кандидатами медицинских наук Олегом Георгиевичем Газенко и Виктором Борисовичем Малкиным для журнала «Наука и жизнь» в 1958–1959 годах. Например, в статье, озаглавленной «Человек в космосе. Проблема жизни в условиях невесомости» (1959, № 12), они суммировали данные по наблюдению за подопытными собаками, летавшими с полигона Капустин Яр на космическую высоту (период невесомости составлял до десяти минут), и приходили к выводу, что отсутствие силы тяжести не нарушает фатально кровообращение, как предсказывал Лангер. Все же, отмечали исследователи, до сих пор нет надежных сведений о влиянии невесомости на «функции пищеварения и выделения», но главное – те же эксперименты с ракетными полетами выявили у животных «существенные изменения двигательной активности и характера движений, что указывало на нарушения деятельности центральной нервной системы».

Свидетельства летчиков-испытателей, совершавших параболические полеты, которые приводили исследователи в своей статье, тоже не позволяли сделать однозначный вывод о действии невесомости на нервную систему: «Ферри отметил, что в период невесомости у него появлялось ощущение слабости в ногах и нарушалась способность управлять самолетом. Диринсгофен при многократном повторении параболического полета пришел к убеждению, что расстройства координации движения при пилотировании, возникающие в первых полетах во время невесомости, постепенно исчезают, а новые ощущения он считал приятными».  Кроме того, исход экспериментов с «параболической» невесомостью оказался сильно зависим от величины перегрузок, которые предшествовали переходу к состоянию с нулевой силой тяжести, что, конечно, выглядело закономерным, но требовало новых исследований.

Разброс мнений по вопросу влияния невесомости среди ученых, занимавшихся космической биологией в «догагаринский» период, рос как снежный ком, поэтому в Хоторне (штат Калифорния) прошел симпозиум, по итогам которого был издан сборник, озаглавленный весьма красноречиво: «Невесомость – физические феномены и биологические эффекты» (1961). Согласно библиографическим спискам, более обширного и полного труда на заявленную тему, доступного всем желающим, в то время попросту не было. В нем подводится промежуточный итог исследованиям, предшествовавшим эре пилотируемой космонавтики, рассматриваются все виды невесомости или ее имитации, которые можно получить в земных условиях: «баллистическая» невесомость, «параболическая» невесомость, «водная» невесомость, кратковременная невесомость свободного падения.

Анализ исследований влияния длительного отсутствия силы тяжести на человека занимает в этом труде не слишком большое место, поскольку, как отмечал Рафаэль Левин из корпорации «Локхид», автор доклада «Симуляция невесомости», продолжительность самых длинных и достоверных экспериментов по ее имитации с участием человека к тому времени не превышала 40 секунд. Если же линейно экстраполировать те изменения в самочувствии, которые испытывали пилоты и ученые при «параболической» невесомости, то получалось, что уже через 20 минут после начала ее действия у части людей может наступить «полное нарушение критически важных функций». Какие же проблемы могут возникнуть? Левин перечислял их списком: тошнота, дезориентация, нарушение биологических ритмов, перебои в работе сердечно-сосудистой системы и дыхания. Вызывало его опасения и самочувствие астронавтов при возвращении на Землю: после длительного пребывания на орбите у них могут атрофироваться мышцы и деградировать кости настолько, что им придется заново учиться ходить. Для более серьезного исследования эффектов, возникающих при невесомости, инженеры «Локхида» построили большой вращающийся резервуар, который перед началом испытаний заполнялся соленой водой повышенной плотности: жидкость должна была имитировать состояние безопорного парения, а вращение компенсировало восприятие гравитационного вектора. Левин сообщал, что первые эксперименты с использованием хитроумного резервуара начнутся в июне 1961 года, верил в их большую перспективу, хотя и отмечал, что в нем все равно не получится полноценно воссоздать условия космического корабля, поэтому окончательные ответы на тревожащие вопросы можно получить только на орбите.

Итак, несмотря на большое количество экспериментов (за два предшествующих года американские пилоты, как утверждается в сборнике, совершили свыше двух тысяч полетов с целью изучения «параболической» невесомости), к концу 1960 года у специалистов все еще не было твердой уверенности, что человек сможет жить и работать в космосе больше нескольких минут.