Был в истории случай, когда космонавты на орбите на борту станции «Салют-5» специально открыли «форточку». Такая потребность возникла после аварии и жалоб космонавтов из предыдущего экипажа на здоровье. Все грешили на то, что в воздух мог попасть ядовитый материал: топливо, жидкость для охлаждения или еще что-то. Приборы никаких отклонений в воздухе не фиксировали, но на всякий случай инженеры решили полностью заменить воздух на станции. Для этого был подготовлен экипаж корабля «Союз-24», состоящий из космонавтов Виктора Горбатко и Юрия Глазкова. Когда они прибыли на станцию, никаких запахов или других признаков отравляющих веществ не обнаружили. Тем не менее обидно было не использовать дополнительную подготовку, и космонавты решили испытать новые приборы. Глазков открыл клапаны – ту самую «форточку», – и воздух со свистом стал утекать. Когда давление упало, автоматически включилась система наддува. Из-за перепада давления возникла волна разрежения и сжатия, то есть звук. По словам Горбатко, «было такое впечатление, что станция разорвется». Корпус выдержал, и в итоге один из самых необычных и опасных экспериментов оказался удачным. Однако эта экспедиция на станцию была последней. Продолжение работы «Салюта-5» оказалось невозможным, потому что для корректировки орбиты был израсходован весь запас топлива.

Еще одним уникальным экспериментом в области давления является совместный полет двух принципиально разных кораблей – «Союз-19» и «Аполлон». Объединение двух враждующих стран, США и СССР, или, как потом это событие назвали в прессе, – «рукопожатие в космосе», было актом дружбы и началом сотрудничества. Но этому мешал тот факт, что космонавты из разных стран буквально дышали разным воздухом. В советском корабле использовался воздух, по составу близкий к обычному, – 21 % кислорода и 79 % азота. В американском корабле астронавты дышали чистым кислородом, но под давлением 0,4 атмосферы. Это в два раза больше, чем парциальное давление кислорода в атмосфере Земли. Парциальным называют давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он был один. То есть если из атмосферы Земли убрать все газы, кроме кислорода, то давление было бы 0,21 атмосферы. В организме человека есть много азота, который попадает туда из воздуха. Если азот убрать, то и внутри организма давление будет 0,21 атмосферы. Однако если человек резко перейдет из одного корабля в другой, из-за перепада давления азот (и другие газы) начнет расширяться в виде пузырьков и будет стремиться выйти из плена плоти. Это называется декомпрессионной или кессонной болезнью, и ею часто страдают подводники. Процесс похож на процесс кипения. Декомпрессионная болезнь может привести к серьезным последствиям для организма – повреждению клеток органов (в первую очередь легких), сосудов. Однако если давление азота в воздухе немного ниже, чем в крови, то он будет за счет диффузии постепенно без травматических последствий вымываться. После процедуры полного очищения организма от азота человек может дышать чистым кислородом.

Для космонавтов «Союза» сделали специальный переходный отсек, который работает как барокамера – медленно снижает давление азота и, чтобы процесс шел быстрее, увеличивает давление кислорода. Астронавты «Аполлона» тоже должны были проходить через это устройство, но для них оно работало наоборот, увеличивая давление азота и снижая давление кислорода. С людьми это работало, а вот с рыбками нет. На борту «Сюза-19» располагался запаянный аквариум, а в нем – рыбки данио-рерио и вместе с ними вода, корм и растворенный запас кислорода на десять дней. Эксперимент должен был показать, как органы живых существ, которые плавают в воде, то есть практически в невесомости, развиваются в космосе. Данио-рерио – это прозрачные рыбки, и все изменения их организма хорошо видны.

Командир «Союза-19» Алексей Леонов решил перенести в американский корабль аквариум и залетел в переходный отсек. Там из-за перепада давления кислорода снаружи и внутри аквариум треснул. Вода из получившегося крошечного отверстия не вытекала, а воздух как из крови космонавта, так и из аквариума стал выходить. Потом космонавт занес в бортовой журнал следующее: «Как себя чувствуют рыбки? Хорошо, они все погибли». Леонов как никто другой должен был понимать свою ошибку, но об этом позже. Нужно разобраться, почему же возникло различие в составе атмосферы кораблей.

В США используется чистый кислород, так как это позволяет экономить кучу ресурсов. Не нужно брать с собой азот, а вместо него можно взять в три раза больше кислорода и удлинить тем самым время работы внутри корабля. Есть и минус – чистый кислород пожароопасен. В СССР эту проблему осознали очень рано. В первом отряде космонавтов проходил подготовку Валерий Бондаренко. Одним из испытаний было нахождение в сурдобарокамере. Это устройство имитирует тишину и одиночество космоса, а также работу с повышенным содержанием кислорода. Медики должны были убедиться, что организм кандидата может долгое время выдерживать космический полет на тот случай, если двигатель для возвращения не сработает и полет продлится дольше запланированного. В ходе медицинского обследования космонавт снял закрепленные на теле датчики, протер места их закрепления смоченным в спирте ватным тампоном, после чего его выкинул. Вот только предмет гигиены попал на нагревательный элемент и вспыхнул. Вся сурдобарокамера начала гореть, а выйти быстро из нее тоже было нельзя из-за перепада давления. Загорелся и шерстяной костюм. Когда медики смогли открыть дверь, Бондаренко был еще жив, но помощь пришла слишком поздно. В итоге в отечественной практике чистым кислородом космонавты дышали только в скафандрах во время выходов в открытый космос и в ходе тренировок. Это снизило ресурс корабля, но снизило и риски. В США в программе «Аполлон» тоже не обошлось без жертв во время предполетных тестов. Виджил Гриссом, Эдвард Уайт и Роджер Чаффи зашли в кабину «Аполлона-1». Через пять часов астронавты сообщили, что кабина в огне, а через две минуты внутри полыхало всё. В отличие от барокамеры, где мало горючих материалов, в кабине их много. К тому же давление кислорода и его содержание в кабине инженеры увеличили, чтобы туда не попадал атмосферный воздух. Горение было таким сильным, что ручка люка снаружи была раскалена, и за нее невозможно было ухватиться голыми руками. Непосредственной причиной возгорания, вероятно, стало короткое замыкание в электропроводке. В дублирующей кабине, которая полностью имитирует основную, обнаружилось около десятка возможных проблем с электропроводкой. Также ошибочной была конструкция люка, которая не позволила астронавтам быстро выбраться самим. Люк был двойным. Одна створка открывалась вовнутрь, а его крышка – наружу. Люк прижимался более высоким давлением, а когда начался пожар и выросла температура, давление стало еще больше. Если бы люк мог открываться в другую сторону, то у астронавтов был бы шанс спастись. В итоге открыть аппарат удалось только после того, как давление внутри выросло настолько, что кабина лопнула. Но к тому времени все было испепелено. От чистого кислорода в программе «Аполлон» не отказались, так как это сильно усложнило бы конструкцию. Только в следующих за «Аполлоном» проектах американские космонавты стали дышать другим воздухом. А вот двери поменяли. Теперь люк открывался наружу легко и быстро, от среды с большим давлением в сторону среды с меньшим давлением.

Здесь речь шла про орбитальный корабль программы «Аполлон». Когда же стали делать лунный модуль «Орел», то в нем также люк открывался внутрь. Из-за этого астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин могли так и остаться внутри модуля после успешной посадки на Луну. Сначала они надели скафандры, а потом запустили процесс стравливания воздуха в кабине. Однако давление внутри, хоть и упало, не все-таки оставалась высоким. Снаружи на поверхности Луны давления, как и атмосферы, нет. Подергав ручку, астронавты открыть люк не смогли. Прилагать силу было небезопасно, так как корпус очень тонкий. Все же Базз Олдрин решился и отогнул на себя один угол, нарушив уплотнение. Остатки воздуха вышли, и астронавты смогли совершить свои знаменитые шаги по Луне.

Вернемся к Алексею Леонову. Он больше знаменит не участием в первой международной экспедиции «Союз-Аполлон», а тем, что стал первым человеком, вышедшим из корабля «Восход-2» в открытый космос. Причем это было не робкое высовывание половины тела, как это было в первом выходе американского астронавта позже, а полноценный вылет. Возможно, если бы задача стояла поскромнее, проблем у Алексея Архиповича было бы меньше.

Проблема оказалась в скафандре. Он выполняет две основные функции: не выпускать воздух и держать давление внутри, а также быть подвижным, чтобы человек мог свободно работать. Задачи скафандра похожи на задачи акваланга, и потому и то, и другое делают из резины. Вот только если толщина оболочки будет маленькая, то из-за перепада давления скафандр будет надуваться в вакууме подобно воздушному шарику. Часто можно услышать, что с Леоновом это и произошло. Скафандр, который получил имя «Беркут», надулся и стал чуть ли не больше самого корабля. Это заблуждение, и ситуация была совершенно иная. Миф возник из-за того, что сам космонавт описывал ощущения неоднозначными словами: «Скафандр так раздулся, что руки вышли из перчаток, когда я брался за поручни, а ноги – из сапог». Леонов чувствовал, что скафандр натянулся, но не увеличился в размерах. На самом деле инженеры заранее подумали о возможном «надувании». Экипировка космонавта имела несколько слоев, а резина использовалась толщиной почти как у баскетбольного мяча. Стать больше в объеме «Беркут» не мог в принципе. Баскетбольные мячи не раздуваются, как воздушные шарики, но сжать их, когда они накачаны, практически невозможно. То же произошло и со скафандром, внутри которого был Леонов. Под давлением резина натянулась и стала словно каменной. Леонов, тем не менее, оттолкнулся от поручня и вылетел из корабля. Первой его задачей было сделать несколько кадров на шпионский маленький фотоаппарат, который был у него на груди. Космонавт стал сжимать руку в локте, чтобы дотянуться до спускового механизма, но ничего не вышло. Сил согнуть толстую резину до конца не хватало, и рука распрямлялась. Леонов предпринял несколько попыток, но каждый раз дотянуться не удавалось. Отдельная видеокамера на корабле засняла неловкие движения космонавта, но на Земле движения рукой наблюдающие восприняли как «передачу приветов».

Скафандр «Беркут»

Бросив попытки сделать селфи, Леонов переключился на другую проблему. По инструкции космонавту требовалось зайти в шлюз ногами вперед. Согнуть и просунуть ноги в узкий люк ему не удалось. Инженеры потом сокрушались, что не подумали поставить поручень не только внутри, но и снаружи люка. Если бы они это сделали, то Леонов смог бы залезть в шлюз по инструкции, просто оттолкнувшись, и ничего сгибать не потребовалось бы. Немного помучившись, Алексей Архипович решает «сдуть» свой скафандр, то есть сбросить давление внутри и сделать резину мягче. Инженеры предусмотрели два режима работы: с давлением в 0,4 атмосферы и 0,27 атмосферы, но второй режим можно было использовать, только если в крови космонавта не осталось азота. Леонов уже час дышал чистым кислородом и понадеялся, что азот к этому времени вышел. Он пошел на большой риск, но не прогадал. Декомпрессионной болезни не было. Затем Леонов нарушил инструкцию второй раз и залетел в шлюз не ногами, а головой вперед. Теперь возникла проблема, как закрыть внешний люк. Инженеры снова схватились за голову. Космическая «дверь» открывается внутрь и занимает добрых 30 % объема шлюза. Теперь, чтобы решить проблему, Леонову было необходимо развернуться внутри резинового цилиндра диаметром 1 м, да еще и в жестком скафандре. По словам Леонова, пока он залезал обратно в корабль, за 5 минут у него выделилось 6 литров пота, он чуть не утонул в выделившейся жидкости и чудом не схлопотал тепловой удар. С неимоверными усилиями космонавт смог развернуться и закрыть внешний люк. Далее в шлюз был накачан воздух под тем же давлением, что и внутри корабля. Затем Павел Беляев – второй член экипажа «Восхода-2» – открыл внутренний люк шлюза, и наконец Леонов оказался в корабле. Шлюз после выполнения своей задачи был отделен. На этом проблемы с давлением не закончились. Из-за перепадов температуры после отсоединения шлюзовой камеры во внутреннем люке появилась щель, через которую стал выходить воздух. Приборы это зафиксировали и дали команду начать резервную подачу кислорода. Нагнетание газа шло быстрее, чем утечка воздуха. В итоге огнеопасного кислорода стало столько, что любая искра могла спровоцировать пожар. Внутри было много того, что могло гореть, так как корабль разрабатывался для относительно безопасной азотно-кислородной атмосферы. К тому же давление выросло до значений больше 960 мм рт. ст., при том, что нормальное значение – 750 мм рт. ст. Разрешилось все само. Под воздействием кислорода люк придавило к ободу плотнее, датчики перестали регистрировать утечку, и подача кислорода прекратилась. В следующий раз инженеры сделали люк, который открывался внутрь корабля, что было правильным решением.

В США первый выход в открытый космос оказался гораздо проще. Не было никаких шлюзов. Астронавты «Джемини-4» разгерметизировали весь корабль, и Эдвард Уайт вылетел из кабины. Трудности со сжиманием скафандра также были. Уайт перегрелся от нагрузки, похудел на 3,6 кг. Но благодаря более простой конструкции выйти и зайти обратно в корабль ему труда не составило.

Может показаться, что использование шлюза в советском аппарате было ошибкой, но это не так. Если бы что-то произошло, то американский корабль мог бы и не вернуться на Землю. Например, астронавты «Джемини-4» очень испугались, когда их единственный люк не закрылся с первой попытки. В итоге на современных американских станциях шлюз есть, хотя он и не такой конструкции, какой был на корабле «Восход-2».

Скафандры тоже претерпели изменения. Например, в скафандре «Ястреб», модификации «Беркута», рюкзак с кислородом был не за спиной, а в ногах. Там он занимал меньше места, а ходить, как мы привыкли на Земле, в невесомости все равно не нужно. В еще более современном скафандре «Орлан» используется полужесткая конструкция, которая не дает резине растягиваться, но сохраняет подвижность. Тем не менее космонавты очень устают во время работы в открытом космосе.

Также в скафандрах есть возможность работать с пониженным давлением, если работа требует больших усилий или особой подвижности. Александр Лавейкин во время длительного полета в 1987 году забыл об этом. Когда он выходил в открытый космос с борта станции «Мир», то случайно задел рычаг переключения режимов и не заметил этого. Давление стало падать, и Лавейкин забил тревогу. На Земле все встали на уши, но космонавт сообразил, в чем была проблема, и работа продолжилась.

Космонавты Александр Викторенко и Александр Серебров собирались выходить в открытый космос тоже с борта «Мира». Конструкция этой станции сборная. «Мир» имел специальный переходный отсек, который был предназначен для стыковки четырех целевых модулей и перехода членов экипажа между ними. Он также мог выполнять функции шлюзового отсека при выходе в открытый космос, для чего на нем был установлен клапан сброса давления. Викторенко и Серебров начали откачивать воздух, но давление стало падать и внутри бытового отсека космического корабля «Союз ТМ-8», пристыкованного к переходному отсеку. Люки были закрыты, а причиной этого стало отсутствие прибора измерения давления. После стыковки двух модулей или кораблей космонавтам требуется выровнять давление в двух до того независимых аппаратах. Для контроля этого процесса используется манометр. Стыковка корабля и станции прошла давно, прибор был уже не нужен, и чтобы он не мешался, космонавты его сняли, но не закрыли оставшееся от прибора отверстие.

Давление важно не только для космонавтов внутри корабля, оно важно и для баков ракеты-носителя. Чтобы топливо шло в двигатель, нужна сила, которая будет выталкивать горючее и окислитель.

Первая ошибка, связанная с давлением, имела место еще при попытке запустить первую в СССР ракету ГИРД-09. Последовательность действий для ее запуска была следующей. Сначала инженеры заливали в бак охлажденный жидкий кислород. Затем он начинал нагреваться и испаряться и тем самым создавал необходимое давление. Во время экспериментов на земле инженеры определили, что на этот процесс требовалось 6 минут 5 секунд. По истечении этого времени открывались клапаны подачи кислорода в двигатель, а затем происходило зажигание. И вроде все шло по плану, но вместо оглушительного рокота двигатель ракеты еле-еле журчал. Тонкая струйка пламени из-под ракеты не смогла ее даже приподнять. По плану полет должен был занимать 15 секунд, а пламя выходило из двигателя две минуты. В чем оплошность, было совершенно непонятно, пока инженеры не догадались поставить в бак датчик давления и залить в него кислород еще раз. В тот день была холодная и пасмурная погода. Оказалось, что кислород испарялся в таких условиях гораздо медленнее, чем во время испытаний в теплой лаборатории. На достижение нужного давления требовалось в три раза больше времени, но логика запуска этого не предусматривала.

Макет ракеты «ГИРД-09»

Самая известная авария, которую мы рассмотрим в этой главе, – взрыв модуля американского пилотируемого лунного корабля «Аполлон-13». Космический аппарат состоял из двух частей: командного и лунного модулей. Командный отвечал за движение по орбите от Земли до спутника и обратно, а также за движение по орбите вокруг Луны. На нем стояли более мощные двигатели и большего размера баки с топливом по сравнению с лунным модулем, который отвечал за посадку и взлет только со спутника. Когда астронавты Джеймс Ловелл, Джон Суайгерт и Фред Хейз удалились от планеты на расстояние в 330 тыс. км, они увидели, что приборы показывают аномально высокое значение уровня жидкого кислорода. В невесомости такое бывает, и чтобы все исправить, нужно только перемешать содержимое бака. Астронавты запустили специальный механизм, и через несколько секунд снаружи модуля произошел взрыв. После этого пошли электрические сбои и падение напряжения в разных системах, а также возникла тряска, вибрация и вращение.

Виновниками взрыва оказались сразу несколько систем. Еще на Земле во время подготовки к старту была заменена полка для крепления кислородного бака. Во время монтажа один болт крепления не был откручен. Когда инженеры попытались достать полку, она не далась. Тогда специалисты приложили силу. Вероятно, при этом возникли повреждения сливного отверстия бака. Это было замечено, но устранять поломку никто не стал. Инженеры решили не сливать, а выпарить топливо. В баках для контроля температуры и давления имелся специальный нагреватель. Он помогал увеличивать давление в баке при необходимости, например, при включении двигателя или с целью отправки кислорода в топливный элемент для генерации электрического тока, или для подачи его дополнительно в кабину для дыхания экипажа. Суть в том, что если кислород из бака уходит на нужды экипажа, а остатки окислителя в баке расширяются, то температура в баке падает (а с ней уменьшается и давление).