Как экипажи провели две недели в кислородной атмосфере?

Краткий ответ: Корабль заполнялся кислородом под низким давлением, и организм получал нормальное для него количество кислорода. Также из-за низкого давления не возникало пожароопасной ситуации на борту.

В космических программах важное значение имеет масса полезной нагрузки. Любая экономия массы позволяет взять больше научного оборудования или увеличить резервирование систем для повышения надежности полета. Поэтому в первых пилотируемых космических кораблях NASA использовалась кислородная атмосфера — для экономии на массе ненужного азота.

Воздух, которым мы дышим на Земле, на 78% состоит из азота, который не участвует в обмене веществ в организме, поэтому практически не нужен. При этом кубический метр азота имеет массу около 1,2 кг, т.е., исключив азот из внутрикорабельной атмосферы, можно сэкономить несколько килограммов полезной нагрузки. Так, внутренний объем командного отсека Apollo, заполненный атмосферой, составлял 10,4 куб. м, а лунного модуля — 6,7 куб. м. При однократном заполнении воздухом азот нагрузил бы корабль на 16 кг. В ходе экспедиций совершались выходы в открытый космос и на поверхность Луны, при которых вся атмосфера корабля выпускалась наружу, а затем отсеки наполнялись газом из баллонов — с учетом этого запаса, массы добавилось бы еще больше. В экспедициях Apollo 15 и Apollo 17 совершалось по четыре выхода в открытый космос, после которых приходилось заново восстанавливать атмосферу. Соответственно, экономия на азоте составляла уже не менее 64 кг. Поэтому NASA приняло решение использовать для дыхания астронавтов только кислород под давлением 0,35 атмосферы внутри корабля и 0,25 атмосферы внутри скафандров.

Дополнительно кислородная атмосфера значительно упрощала выход в открытый космос, поскольку астронавтам не требовалась десатурация — выведение азота из крови. Эта процедура необходима сегодня астронавтам, дышащим воздухом. На десатурацию требуется около 6 часов, которые также экономились в кислородной атмосфере Apollo.

Такая практика вызвала ряд вопросов:

• Если в корабле было давление 0,35 атмосферы, то как тогда астронавты готовились к переходу на корабельный режим с привычного дыхания в земных условиях, т.е. проходили декомпрессию?
• Не угрожало ли астронавтам кислородное отравление при двухнедельном полете?
• Не повышала ли кислородная атмосфера пожароопасность внутри корабля?
• Как проходила обратная адаптация астронавтов к земной атмосфере?

При подготовке первого испытательного пилотируемого полета Apollo из-за кислородной атмосферы произошла катастрофа — пожар Apollo 1, погубивший трех астронавтов. Причина — грубое нарушение условий эксплуатации: корабль должен был заполняться кислородом под давлением 0,35 атмосферы, а на испытаниях его заполнили под давлением 1,1 атмосферы. В таких условиях кислород повысил горючие свойства некоторых элементов корабля, и при возникновении короткого замыкания в проводке огонь распространялся слишком быстро. Астронавты не успели открыть люк, так как он открывался внутрь, а высокое давление в отсеке препятствовало этому.

Впоследствии, для предотвращения подобных опасных ситуаций, на время старта командный отсек Apollo с экипажем заполнялся под давлением 1 атмосфера газовой смесью из 60% кислорода и 40% азота. Это исключало необходимость декомпрессии для астронавтов перед стартом. Снижение давления до 0,35 атмосферы и переход на дыхание чистым кислородом проходили уже в полете.

Человеческому организму для дыхания необходим кислород, но если дышать чистым кислородом при нормальном атмосферном давлении или при повышенном, то последуют негативные последствия — кислородное отравление. Опасность отравления кислородом напрямую зависит от давления, при котором вдыхается кислород, и его процентного содержания во вдыхаемой атмосфере. Опасность кислородного отравления возникает через несколько суток при дыхании под давлением 1 атмосфера кислородсодержащей смесью, где кислорода более 60%. Если дышать чистым кислородом под давлением 3 атмосферы и более, то признаки отравления возникают уже через несколько минут.

Экипаж Apollo дышал чистым кислородом с момента надевания скафандров (поэтому до ракеты астронавты добирались уже в шлемах) — так до старта они избавлялись от азота в крови. Сам корабль заполнялся кислород-азотной смесью в пропорции 40:60. В ходе полета атмосфера в корабле менялась на полностью кислородную, но давление снижалось до 0,35 атмосферы. Такие условия близки к нормальному дыханию под давлением 1 атмосфера обычным воздухом, в котором кислорода содержится около 20%. Условий для отравления не было.

Кроме того, кислородная атмосфера низкого давления не вызывала пожароопасной ситуации на борту корабля. При катастрофе Apollo 1 давление в отсеке было выше атмосферного, а в космических полетах кораблей Apollo — втрое ниже.

После Apollo в космических кораблях не применяется чисто кислородная атмосфера — теперь экипажи дышат обычным воздухом. В советских и российских космических кораблях так было с самых первых полетов, а NASA перешло на обычный воздух лишь с началом эксплуатации системы Space Shuttle. Большая грузоподъемность космических челноков делала незначительной экономию на азоте в несколько килограммов. Сегодня на Международной космической станции также воздушная атмосфера. Зато, как и во времена Apollo, чистым кислородом дышат в скафандрах во время выхода в открытый космос.

Внекорабельная деятельность — это сложное дело и технически, и физически. Космический скафандр — практически полноценный космический корабль, который имеет собственную атмосферу и внутреннее давление. В отличие от обычных космических кораблей, скафандр имеет подвижные части, т.е. человеку требуется преодолевать внутреннее давление. Чтобы снизить нагрузку на космонавтов, в скафандрах снижают давление до безопасного минимума. Так, в российских полужестких скафандрах серии «Орлан» поддерживается давление 0,4 атмосферы. Американские скафандры EMU не имеют внутреннего каркаса, и в них рабочее давление ниже — 0,3 атмосферы. Длительность работы в скафандре обычно составляет несколько часов, рекорд — почти девять.

Перед выходом в открытый космос сегодняшние космонавты и астронавты несколько часов дышат чистым кислородом под давлением 1 атмосфера. Такая подготовка необходима, чтобы вывести из крови азот, который может «закипеть» при переходе на дыхание в сниженном давлении скафандра. Подобная угроза, называемая «декомпрессионная (кессонная) болезнь», сопутствует работе водолазов. В условиях пониженного давления и кислородной атмосферы, как было на Apollo, отсутствовала необходимость в длительной подготовке к выходу на поверхность Луны или в открытый космос.

Возвращение к дыханию обычным воздухом у астронавтов Apollo происходило во время приземления, когда летящий на парашютах космический корабль открывал воздушные клапаны. Переход к повышенному давлению человеческий организм переносит гораздо легче, чем переход к пониженному. Астронавтам требовалась только так называемая продувка для выравнивания давления в полостях внутри головы. С этим приемом знаком любой, кто занимается подводным плаванием, и оно входит в процесс подготовки всех астронавтов и космонавтов. Тот же прием помогает при обычном полете на пассажирском самолете, когда при снижении закладывает уши. Только в самолете, идущем на посадку, происходит изменение давления с 0,8 до 1 атмосферы, а в Apollo происходило с 0,35 атмосферы.