Глава 5

Давление

В этой главе речь пойдет о давлении.

Это основополагающая физическая величина для космонавтики. Давление должно быть в топливных баках, в двигателях, в скафандрах, и его практически не бывает в открытом космическом пространстве.

Говорят, что в космосе вакуум. Что это значит? В прошлой главе говорилось, что в космосе много чего есть, а значит, вакуум – это не пустота. Он имеет низкое давление, значительно ниже атмосферного. Все имеющиеся определения довольно размыты и оставляют большое поле для фантазий, поэтому на всякий случай введем более конкретное понятие вакуума. Это пространство, где вероятность столкновения одной частицы с другой меньше вероятности пролета одной частицы мимо другой без соприкосновений.

Давление – это физическая величина, характеризующая воздействие силы на единицу площади. Так как описанные ранее объекты в космосе в большинстве своем имеют практически точечный размер, ни о какой площади речь идти не может. Сила зависит от массы, и потому маленькие частицы космоса не могут иметь большую силу. Атмосфера берет числом: чем больше плотность и количество частиц, тем большее они оказывают давление. Еще до эры космонавтики во время полетов на аэростатах инженеры знали, что чем дальше мы находимся от Земли, тем меньше будут давление и содержание кислорода. А за пределами плотных слоев атмосферы делать без скафандров нечего. Более того, если бы проблема заключалась лишь в отсутствии кислорода для дыхания, то ее можно было бы решить кислородной маской. Внутри человека давление есть, да еще и не одно. Когда кровь воздействует на сосуды, говорят об артериальном и венозном давлении, когда воздух воздействует на легкие, говорят об альвеолярном давлении, плевральном давлении. В глазах есть особая жидкость, которая оказывает глазное давление, и т. д. Обычно давление атмосферы совпадает с давлением внутри организма, а если погода меняется, могут возникать головные боли, вызванные несоответствием внутреннего и наружного давлений. А в космосе этот эффект будет еще сильнее. Конечно, человек не взорвется, но сосуды могут лопнуть.

Также воздух будет двигаться в область, где давление ниже. То есть если скафандр или космический корабль будут иметь отверстие, то из него воздух будет выходить до тех пор, пока давление внутри и снаружи не будет одинаковым. При полной разгерметизации давление упадет до нуля.

В итоге первая обезьяна Альберт, которая полетела на ракете, была помещена в небольшую герметичную кабину, чтобы она не погибла в процессе полета. Хотя полет был еще не космическим, но на высоте в 60 км давление слишком низкое, чтобы находиться без скафандра или кабины. Вот только инженеры не подумали, о том, что воздух должен циркулировать для дыхания. Кислород должен приходить, а выдыхаемый углекислый газ выходить. Это не было предусмотрено. В итоге, пока ракета еще стояла на стартовом столе и готовилась к пуску, внутри кабины закончился кислород и сильно нагрелся воздух. Обезьяна погибла от удушья. В СССР произошла обратная ситуация с собаками Чижиком и Мишкой. В их кабине был регулятор давления. Специальное устройство должно было выпускать излишки углекислого газа, когда его давление росло, и освобождать место для кислорода. Оно представляло собой иглу, которая выходила из отверстия и входила в него при определенных значениях количества углекислого газа в кабине. Данный регулятор сработал на большой высоте, но после того как излишки углекислого газа вышли, механизм не выключился. Воздух продолжил выходить. В итоге результат тот же, что и с обезьяной.

В последующих стартах регулятор не использовали. Вместо него в стенке кабины просверлили отверстие, диаметр которого был точно рассчитан на стравливание газовой смеси при избыточном давлении. И это сработало. Затем испытывались другие кабины и скафандры, и, увы, уже в первом полете новой системы разгерметизировались конструкции, показав ошибки инженеров. Это стоило жизни собакам Рыжей, Джойне, Пальме и Пушку.

На собаках проблемы не закончились. У Юрия Гагарина герметичным был не только спускаемый аппарат, но и скафандр. На всякий случай, если корабль разгерметизируется, у космонавта будет шанс выжить. Его скафандр был соединен с креслом, где и находились баллоны с воздухом для дыхания. Однако во время посадки после катапультирования Юрий Гагарин опускался на отдельном парашюте и не мог использовать запас кислорода, оставшийся в кресле. На такой случай в скафандре имелся клапан, который открывался за счет тросика. Гагарин должен был его потянуть, и тогда в скафандр пошел бы воздух из атмосферы. Когда же первый космонавт планеты потянулся к механизму, то понял, что тросик затерялся в складках одежды. Гагарин мог погибнуть от удушья уже на Земле. Все же наш герой не зря был выбран первым космонавтом. Благодаря ловкости и смекалке Гагарин смог вывернуться, дотянуться до тросика и открыть клапан для дыхания.

У экипажа корабля «Союз-11» скафандров как раз не было, и это оказалось трагической ошибкой. Миссия космонавтов Добровольского, Волкова и Пацаева заключалась в первой в истории работе на орбитальной станции «Салют». И уже в самом начале возникли проблемы с воздухом. Корабль успешно доставил космонавтов на станцию, но когда они оказались на борту «Салюта», резкий запах гари омрачил радость от достижения цели. Оказалось, пока станция летала в автоматическом режиме, перегорела проводка двух вентиляторов. Первый день после стыковки с «Салютом» космонавты провели на борту корабля «Союз», пока система регенерации очищала воздух. В середине полета случилось еще одно задымление, но где именно произошел мини-пожар, было непонятно. Космонавты вновь забрались в корабль и стали наблюдать. Либо пожар разрастется и придется экстренно возвращаться на Землю, либо воздух очистится еще раз и достаточно будет немного переждать. События пошли по второму варианту. И вот, наконец, все задачи решены, и космонавты с чувством выполненного долга готовятся к возвращению. В последний момент перед самым стартом загорается предупреждающий сигнал об открытии люка между спускаемым аппаратом и бытовым отсеком. И это послужило поводом для нешуточных волнений. Скафандров у космонавтов не было. Еще несколько попыток закрыть люк также сопровождались сигналом опасности. На Земле решили, что датчик соединения работает неверно. Он срабатывает, когда нет электрического соединения между контактами на обрезе люка и корпусе. Космонавты залепили датчик пластырем, и после закрытия люка сигнал потух. Давление внутри бытового отсека для проверки было уменьшено. Из спускаемого аппарата воздух не проходил. Это означало, что соединение герметично. Корабль отделился от станции и отправился к Земле. Космонавты переживали насчет люка, но с ним проблем не было. После отделения от корабля двух отсеков – приборно-агрегатного и бытового – связь с Землей нарушилась. Даже после успешной посадки космонавты ничего не доложили. Оказалось, опасность ждала их с другой стороны. Под креслом Добровольского находился клапан, который, как и в случае с Гагариным, должен был открываться для вентиляции, когда спускаемый аппарат находился недалеко от поверхности Земли. Только он открылся раньше, когда корабль был в разреженных слоях атмосферы на высоте 150 км. Через получившееся отверстие воздух выходил, пока давление снаружи и внутри не выровнялось, то есть пока весь воздух не вышел. Это и стало причиной трагедии. А причиной открытия клапана, согласно официальному расследованию, считается маловероятное стечение обстоятельств при его изготовлении. Во время тестов при одной или двух ошибках в технологии сборки механизма все равно не удавалось повторить ситуацию «Союза-11», и только когда клапан собрали со всеми возможными ошибками да еще разок ударили по нему, трагическое событие удалось смоделировать. Другая неофициальная версия указывает на то, что виновато было крепление. Место расположения клапана труднодоступно, и когда происходило закручивание гаек, техники могли просто не докрутить. Согласно инструкции усилие для затягивания должно быть не меньше 50 кг, а на всех спускаемых аппаратах слетавших кораблей оно меньше, в одном случае даже было почти нулевое.

Все следующие полеты на кораблях «Союз» проходили только с использованием аварийно-спасательных скафандров, в спускаемый аппарат была добавлена возможность закрыть клапан вручную, а также аварийная система наддува воздухом. Сам механизм открытия тоже переделали, сделав его более устойчивым к физическому воздействию.

В дальнейшем произошел еще один случай, когда этот клапан открылся раньше времени. Это случилось на спускаемом аппарате корабля «Союз МС-02» – новой модификации с изменением многих систем. На высоте 8 км в корабле резко снизилось давление, но благодаря дополнительным мерам безопасности и скафандрам это не имело никаких последствий. К тому же высота была не настолько большой, а падение давления – не очень сильным.

Не только в кораблях и скафандрах были проблемы с давлением. На МКС недавно произошел случай разгерметизации. В одном из блоков появилась трещина, слишком маленькая, чтобы ее обнаружить визуально, но достаточно большая, чтобы из нее выходил воздух. На борту на такой случай есть специальная клейкая лента наподобие скотча. Но в этом случае было непонятно, куда ее клеить. Трещина была небольшой, и воздух выходил медленно. Потерю легко компенсировали регенераторы, но и их ресурс не бесконечен. Через год темпы утечки выросли вдвое, потому нужно было найти источник падения давления. Тут помогла находчивость космонавтов. Анатолий Иванишин и Иван Вагнер взяли пакетик с чаем и рассыпали его в невесомости. Увлекаемые потоками воздуха от перепада давления, чаинки начали двигаться к трещине. За ними космонавты и проследили, а потом успешно заделали источник проблемы.

Эта трещина появилась сама собой, а вот в 2018 году в корабле «Союз МС-09» отверстие кто-то просверлил. В середине миссии на МКС сработали датчики, которые зарегистрировали падение давления. Быстро обнаружилось, что воздух выходит из бытового отсека, пристыкованного к станции корабля. Там в укромном месте космонавты обнаружили ровное просверленное отверстие, а рядом с ним следы соскальзывания, как будто дрель срывалась. Серьезной угрозы для жизни эта ситуация не создала. Отверстие было в таком месте, что МКС можно было изолировать и самую важную часть корабля – спускаемый аппарат – тоже. К тому же дырку быстро заделали. Тем не менее встал вопрос, кто просверлил отверстие. Это либо ошибка, либо саботаж. После проведенного криминалистического расследования представители Роскосмоса с согласия и поддержки представителей NASA заявили, что виновник обнаружен, но подробности оглашены не будут. Варианта на самом деле только два. Первое: кто-то на земле во время монтажа в обход всех инструкций просверлил отверстие, а потом его заделал. Поначалу заплатка держалась, а потом слетела. Второй вариант: это сделал кто-то из экипажа МКС, нарушая правила здравого смысла. Известны следующие факты: отверстие было просверлено изнутри, а не снаружи, следы соскальзывания могут свидетельствовать о работе инструмента без упора, например в невесомости, во время инцидента на борту были отключены камеры, в воздушных фильтрах обнаружена стружка от корпуса. Все эти факты не склоняют чашу весов ни в одну сторону. Появившаяся чуть позже новость о том, что один из членов экипажа имел заболевание, которое может влиять на психику, дала много поводов для разговоров. Тем не менее все представительные органы отвергли выдвинутые этому человеку обвинения.

Самая страшная авария с разгерметизацией произошла со станцией «Мир» в 1997 году. Ее основные причины будут рассмотрены в другой главе. Главное, что грузовой корабль «Прогресс М-34» протаранил один из модулей этой станции, который назывался «Спектр». От удара образовалось отверстие площадью 2 кв. см, которое невозможно было заделать. Через него воздух выходил с огромной скоростью. Среднее время критического падения давления при таком повреждении составляет 26 минут с учетом работы аварийного нагнетания. На станции находились Василий Циблиев, Александр Лазуткин, а также американский астронавт Майкл Фоул. У космонавтов было два варианта спасения. Первый – это покинуть станцию в корабле. Второй вариант – изолировать разгерметизированный модуль. Каждый из сегментов станции присоединялся отдельно, как деталь от конструктора. Однако многие системы были взаимозависимы. В «Спектре», например, находился самый крупный массив солнечных батарей. От них электрические кабели шли к другим модулям. Они как раз и стали проблемой при закрытии люка во время аварии. Александр Лазуткин перебирал многочисленные разъемы, отсоединял и разбрасывал в разные стороны. Некоторые провода не отсоединялись, космонавт их разрезал ножницами по металлу, за которыми нужно было лететь в другой модуль. От падения давления стало закладывать уши, причем уже до болевых ощущений. Время решало всё. Тут еще проблема – нет ключа, который закрывает люк. Космонавт находит один ключ, но он не годится. Затем он находит второй ключ, который подошел, и люк закрылся. Правда, проблемы на этом не закончились. Так как станция оказалась отрезанной от солнечных батарей модуля, она потеряла почти половину своего энергоресурса. Начались сбои всех остальных систем. Окончательно ситуация нормализовалась после того, как космонавты уже другого экипажа Анатолий Соловьёв и Павел Виноградов, которые прибыли для ремонта, провели переподключение солнечных батарей. Для этого они вышли в «закрытый космос». Это как в вакууме открытого космоса, только внутри космического аппарата. Когда космонавты проникли в брошенный «Спектр», внутри все работало, в том числе и вентиляторы, которые должны были перегонять воздух, а теперь крутились вхолостую.

Модуль «Спектр» после тарана кораблем «Прогресс М-34». NASA