Statek kosmiczny na miarę cz. 1

2

Historia podboju Kosmosu zawiera w sobie wiele zdarzeń, które uchodzą za przełomowe, zarówno z punktu widzenia historii ludzkości jak i postępów w rozwoju technologicznym. Załogowe loty kosmiczne są w tym ujęciu szczególnie interesujące, ponieważ w ich przypadku zarówno technologia jak i osiągnięcia odnotowane przez historię splatają się w jedną całość. I choć myśląc o lotach kosmicznych często myślimy o wielkich rakietach, zaawansowanych orbiterach czy unikalnych lądownikach, to często pomijamy stosunkowo niewielki, ale niezbędny wkład, który pozwala nam latać w Kosmos – skafandry kosmiczne.

Czym właściwie są skafandry? W największym uproszczeniu można by powiedzieć, że skafandry są rodzajem podstawowej ochrony osobistej każdego astronauty. Zapewniają warunki, które pozwalają nam funkcjonować – przynajmniej przez jakiś czas – w niezwykle wrogim środowisku próżni kosmicznej. Diabeł naturalnie tkwi w szczegółach, ponieważ rola skafandra kosmicznego zmieniała się w czasie podobnie jak zmieniały się cele programu kosmicznego. Dlatego trudno oczekiwać, by obecnie wykorzystywane przez SpaceX kombinezony nadawały się do eksploracji Księżyca czy Marsa. Nie wspominając o wykonaniu zwykłego spaceru kosmicznego – na tyle, na ile wyjście w przestrzeń kosmiczną na orbicie Ziemi, przy prędkości 8 km/s, można nazwać “zwykłym”. Jak zatem wyglądał rozwój tej technologii, która dała nam możliwość eksploracji Księżyca i umożliwiła wykonywanie złożonych prac na orbicie okołoziemskiej?

Morskie początki skafandrów kosmicznych

Początków samej idei skafandra kosmicznego należy szukać… w morzu. Konkretnie we wczesnych skafandrach nurkowych, których głównym zadaniem było zapewnienie środowiska pozwalającego na swobodne oddychanie i pracę pod wodą. Gdy rozpoczęto pierwsze loty stratosferyczne – jeszcze balonowe, a później z wykorzystaniem samolotów – konieczne okazało się zabezpieczenie śmiałków przed skutkami takiego wyczynu. Podstawowym problemem związanym z takim lotem było zapewnienie odpowiedniej ilości gazu do oddychania – powietrza lub czystego tlenu. Kolejnym przeciwieństwem okazała się temperatura – bardzo niska i to już na relatywnie niedużej wysokości. Co więcej problem regulacji temperatury okazał się bardziej złożony wraz ze wzrostem wysokości i co za tym idzie, coraz bardziej rozrzedzonej atmosfery. O ile te problemy można było rozwiązać w stosunkowo prosty sposób, powyżej wysokości około 18 kilometrów, po przekroczeniu tzw. limitu Armstronga, ciśnienie atmosferyczne jest na tyle niskie, że woda (z której naturalnie składamy się w większości) wrze w temperaturze ludzkiego ciała. Konieczne zatem stało się nie tylko doprowadzenie (i odprowadzenie lub neutralizacja) gazów oddechowych i utrzymanie prawidłowej temperatury, ale także utrzymanie właściwego ciśnienia oddziaływającego na ciało pilota.

skafander ciśnieniowy Wiley'ego Posta z 1934 roku
Skafander ciśnieniowy Wiley’ego Posta z 1934 roku

Zastosowanie już znanych technologii, które przynajmniej częściowo rozwiązywały ten problem, było zatem najprostszym rozwiązaniem. Wielu śmiałków chcących wykonać loty stratosferyczne, takich jak Wiley Post czy Emilio Herrera skorzystało zatem z już wypracowanych technologii, budując swoje mocno eksperymentalne konstrukcje na bazie rozwiązań znanych głównie wczesnym nurkom. Co ciekawe, skafander projektu Herrery wykorzystywał czysty tlen oraz był także podgrzewany, jednak w trakcie testów okazało się, że środowisko próżni właściwie powoduje odwrócenie problemu – ponieważ powietrze na takiej wysokości jest bardzo rozrzedzone, nie istnieje właściwie medium pozwalające na odebranie ciepła ze skafandra do środowiska poza radiacją. Niestety wybuch hiszpańskiej wojny domowej uniemożliwił Herrerze wykonanie swojego lotu i sprawdzenie skafandra w realnych warunkach stratosferycznych. Związek pomiędzy technologiami wykorzystywanymi w pracach pod wodą oraz lotami stratosferycznymi jest nadal silny – w 2014 roku Alan Eustace odbył lot do stratosfery w specjalnym skafandrze będącym połączeniem technologii nurkowej oraz kombinezonu kosmicznego. Naturalnie, odpowiednie zabezpieczenie pilotów leżało nie tylko w sferze zainteresowań kilku czy kilkunastu śmiałków chcących w latach 30-tych XX wieku bić rekordy lotów wysokościowych. Wczesne lotnictwo, już od początków swojego istnienia, także było zainteresowane i stosowało pewną formę ubioru ochronnego, jednakże jego rola głównie ograniczała się do ochrony przez niską temperaturą oraz fizycznymi obrażeniami spowodowanymi uderzeniem niewielkich obiektów, co w przypadku samolotów z napędem śmigłowym umieszczonym bezpośrednio przed pilotem czasami miało miejsce, tym bardziej, że wczesne lotniska często posiadały jedynie nawierzchnię trawiastą, a same kabiny były w większości odkryte.

II Wojna Światowa

Wybuch II Wojny Światowej, której wpływ odznaczył się właściwie na każdym polu ziemskiej nauki i inżynierii, miał również ogromny wpływ na dalszy rozwój tego, co w niedalekiej przyszłości wyewoluowało w znany nam skafander kosmiczny. O ile konflikt zbrojny przerwał eksperymentalne, załogowe loty stratosferyczne przy użyciu balonów i samolotów, to wkrótce rozwój – zwłaszcza lotnictwa wojskowego – wielokrotnie mocniej przyczynił się do powstania pierwszych zaawansowanych skafandrów ciśnieniowych, choć jeszcze w nieco ograniczonej formie. Nowe konstrukcje lotnicze pozwalały bowiem na loty na znacznie większych wysokościach, gdzie bardziej zaawansowana forma wspomagania pilota, niż ta wykorzystywana jeszcze w latach 30-tych okazała się być po prostu koniecznością. Pierwszym poważnym krokiem w tym kierunku było wprowadzenie ogrzewania elektrycznego jako integralną część ubioru pilota, rozwiązując tym samym problem wystawienia załóg na bardzo niskie temperatury. Podejście to jednocześnie zmieniło postrzeganie samego skafandra, który teraz stał się w dużym stopniu zależny od samego pojazdu latającego i w pewnym sensie stał się jego częścią. Rozwiązania wymagające zastosowania ubioru tego typu stosowano jednakże przez stosunkowo krótki czas do momentu wprowadzenia w samolotach całkowicie zamkniętych konstrukcji ciśnieniowych np. w bombowcu strategicznym B-29. Jednakże problem ochrony pilotów powrócił ze zdwojoną siłą, gdy rozwój technologii napędu odrzutowego i postępy w inżynierii lotnictwa umożliwiły budowę pojazdów latających zdolnych do lotów na wysokościach znacznie przekraczających 10 kilometrów oraz wystawiających pilotów na oddziaływanie bardzo dużych przeciążeń.

Okres lat wojennych okazał się być bardzo interesujący w budowie skafandrów i wprowadzaniu nowych rozwiązań, ponieważ jednocześnie testowano wiele koncepcji wypracowanych przez bardzo wiele firm – zakres był bardzo szeroki, od projektu realizowanego przez pojedynczą, mało znaną firmę, przez potentatów zajmujących się produkcją wyrobów z gumy aż do całych konsorcjów, także zawierających głównych graczy przemysłu lotniczego. Duża część z tych wczesnych prototypów przechodziła silny rozwój z każdą kolejną testowaną wersją. Większość napotykała jednak na te same problemy – pełny skafander ciśnieniowy po wypełnieniu stawał się sztywniejszy i utrudniał ruchy, zdarzało się, że samo podanie ciśnienia zmieniało jego rozmiary; część konstrukcji miała problemy ze szczelnością, inne wymagały dodatkowej osoby aby umożliwić w ogóle jego założenie. W tym samym czasie pracowano także nad skafandrami gdzie tylko niektóre elementy pracowały pod ciśnieniem (które następnie wyewoluowały w skafandry lotnicze), co teoretycznie było mniej kłopotliwe technicznie do zrealizowania. Potrzeba posiadania pełnego skafandra ciśnieniowego była jednak kluczowa dla wielu projektów powojennego lotnictwa gdy nowa technologia rakietowa i odrzutowa przecierała szlaki wiodące do lotów na niespotykane wcześniej wysokości.

Pomidor i kosmos

XH-5 tomato worm suit firmy Goodrich
Wczesny projekt skafandra ciśnieniowego XH-5 tzw. tomato worm suit firmy Goodrich (USAF)

Patrząc wstecz, wczesnym zwycięzcą okazał się projekt XH-5 (tzw. tomato worm suit) firmy Goodrich, który posłużył jako punkt wyjścia dla dalszych konstrukcji. Nazwa wzięła się od pewnego gatunku szkodnika atakującego pomidory, który posłużył jako inspiracja dla rozwiązania mającego poprawić elastyczność skafandra. Projekt ten przerodził się w MARK I (Model S), a ostatecznie w projekt MARK IV, który był wykorzystywany przez pilotów US NAVY. Nie był to jednak jedyny projekt tego typu. W latach 50-tych także siły powietrzne USAF prowadziły własny program pełnego skafandra ciśnieniowego, którego efektem była konstrukcja XMC-2, którą następnie rozwinięto do modelu MC-2 (S-794). Model MC-2 był wykorzystywany na przykład w części z serii lotów eksperymentalnych samolotów rakietowych X-15 (pozostałe loty wykonano z użyciem już seryjnego modelu A/P22S-2). Seryjne modele były również wykorzystywane w programach HL-10 oraz X-24.

Neil Armstrong w skafandrze MC-2 obok samolotu rakietowego X-15 (NASA Dryden Flight Research Center)

Skafander dla Merkurego

Narodziny programu Merkury i planowane loty astronautów oznaczały, że w niedalekiej przyszłości konieczny będzie pełny skafander ciśnieniowy, pozwalający na bezpieczny lot załogowy po trajektorii suborbitalnej, a ostatecznie na orbitę okołoziemską. Nowo powstała w 1958 roku agencja NASA postanowiła w tym celu sięgnąć do już istniejącego rozwiązania jakim były skafandry MARK IV i zaadaptować je do celów lotu kosmicznego. Naturalnie wymagania takiego lotu były znacznie większe niż w przypadku nawet lotów stratosferycznych – z tego względu projekt skafandra musiał ulec pewnym modyfikacjom. Ostateczna konstrukcja opierała się na wewnętrznej strukturze wykonanej z tkaniny nylonowej pokrytej neoprenem tworzącej warstwę ciśnieniową oraz z zewnętrznej warstwy nylonowej, która dodatkowo została pokryta warstwą aluminium. Wiele elementów pozostało jednak identycznych z kombinezonem wykorzystywanym w lotnictwie. Skafander w misjach Merkury nie był jednak traktowany jako główna ochrona astronauty, ponieważ tę rolę pełnił sam pojazd kosmiczny (a spacery kosmiczne nie były jeszcze przewidziane) dlatego skafander nie był używany pod ciśnieniem żadnym z lotów. Jednakże w przypadku utraty szczelności kapsuły, skafander zostałby napełniony i stałby się tym samym jedynym zabezpieczeniem astronauty przed próżnią. Wszystkie loty odbyły się jednak bez problemów ze szczelnością pojazdu, więc taki scenariusz nigdy nie miał miejsca.

Gordon Cooper w skafandrze NAVY Mark IV
Gordon Cooper w skafandrze Navy Mark IV (NASA)

Testy przeprowadzone na Ziemi wykazały jednak, że nawet w przypadku utraty szczelności pojazdu Merkury, skafander MARK IV po wypełnieniu nadal umożliwiał sprawną realizację zadań w ciasnej przestrzeni pojazdu załogowego. W ramach działań adaptacyjnych poprawiono konstrukcję redukując znacznie negatywne efekty związane z charakterystyką skafandra pracującego pod ciśnieniem, a także usunięto część problemów związanych z ograniczeniem ruchu. Zmieniono także konstrukcję hełmu.

Testy skafandra przeznaczonego dla projektu Merkury (rocket.aero / Little Joe: Mercury’s First Steps DVD)

Nie było to jednak jedyne badane podejście w odniesieniu do projektu Merkury. Mniej więcej w tym samym czasie prowadzono już prace badawcze nad koncepcją skafandra SAS. Idea SAS polegała na wykorzystaniu materiału piankowego zawierającego w sobie pęcherzyki powietrza. Gdy ciśnienie zewnętrzne spadało, pęcherzyki te powiększały swoją objętość, wywierając dodatkowy nacisk na ciało człowieka, tym samym niwelując bezpośrednie oddziaływanie próżni. Skafander tego typu teoretycznie mógł być dzięki temu lżejszy i nie wykazujący przy tym problemów znanych z konkurencyjnych rozwiązań, także stosowanych w skafandrach MARK IV. Eksperymentalny skafander wykorzystujący tę koncepcję został zbudowany, ale okazał się być porównywalny wielkością do istniejącego skafandra MARK IV, przy czym nie umożliwiał on tak szerokiego zakresu ruchów jak ten model. Do SAS wracano jeszcze wielokrotnie, a ostatnia iteracja tej idei to Bio-Suit, projektowany jako skafander przeznaczony do eksploracji Marsa.

Pierwsze radzieckie skafandry kosmiczne

Równolegle do prac amerykańskich, także radziecki program wyłonił kandydata na prawdziwy skafander kosmiczny. Prace nad skafandrem ciśnieniowym prowadzono w Związku Radzieckim już od końca lat 30-tych i podobnie jak w przypadku projektów amerykańskich skafandry przechodziły znaczną ewolucję, gdy projektanci napotykali te same problemy z którymi mierzyli się Amerykanie – głównie związane z efektami pracy pod ciśnieniem tj. sztywności całego skafandra oraz trudnościami w poruszaniu się. Ostateczną formą skafandrów, które wykorzystano w lotach kosmicznych stały się skafandry serii SK-1 oraz SK-2 (gdzie skrót SK oznacza dosłownie “skafander kosmiczny”), wyprodukowane przez NPP Zwiezda i wykorzystane w lotach serii Wostok. Kombinezon SK-2 zasadniczo nie różnił się znacznie od SK-1, ale był przeznaczony do użycia przez Walentinę Tiereszkową podczas pierwszego lotu kobiety w kosmos. Konstrukcja opierała się na wcześniejszym projekcie, przeznaczonym dla wojska skafandrze z serii VKK, używanym przez pilotów myśliwców przechwytujących Su-9.

Skafander SK-1
Skafander kosmiczny SK-1 (Mikhail Shcherbakov)

Ciekawym rozwiązaniem w przypadku SK-1 był fakt, że skafander był wykorzystywany “operacyjnie”, ponieważ kosmonauta po wyhamowaniu kapsuły powrotnej w trakcie przejścia przez atmosferę był wyrzucany z kapsuły i lądował na ziemi przy pomocy spadochronu. W przeciwieństwie do skafandra amerykańskiego, SK-1 zawierał w sobie system pozwalający na odprowadzenie moczu – system o którym zapewne Alan Shepard marzył w swojej ciasnej kabinie podczas pierwszego lotu suborbitalnego, a który dodano w kolejnych misjach Merkury. Kombinezon posiadał również nadmuchiwany kołnierz pływalnościowy na wypadek lądowania w wodzie.

W obu przypadkach, zarówno amerykańska jak i radziecka konstrukcja stanowiła jedynie pierwszy stopień w osiągnięciu celów jakimi była eksploracja kosmosu. Rozpoczęcie Kosmicznego Wyścigu pomiędzy USA i Związkiem Radzieckim oznaczało, że na horyzoncie lotów kosmicznych pojawiły się dużo bardziej zaawansowane scenariusze, a te wymagały od inżynierów i naukowców opracowania zupełnie nowych konstrukcji, które ostatecznie umożliwiłyby bezpieczne poruszanie się astronautów lub kosmonautów w przestrzeni kosmicznej lub na powierzchni innych planet. Kolejnym krokiem było zatem opracowanie skafandrów, które pozwoliłyby nie tylko na ochronę astronautów podczas lotu orbitalnego, ale także na ich wyjście w otwartą przestrzeń kosmiczną. Skafandrów, które wykorzystano w lotach Gemini oraz Woschod.

Ważne: artykuł chroniony prawem autorskim, co oznacza że wszelkie prawa, w tym Autorów i Wydawcy są zastrzeżone. Zabronione jest dalsze rozpowszechnianie tego artykułu w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody ze strony właściciela serwisu Kosmonauta.net – firmy Blue Dot Solutions. Napisz do nas wiadomość z prośbą o wykorzystanie. Niniejsze ograniczenia dotyczą także współpracujących z nami serwisów.

AP/Kosmonauta.net

2 komentarze

  1. Nareszcie coś wartościowego. Zwykłe newsy są tylko newsami. Część artykułów to dno w stylu kolejne puszko-satelity nie mające nic wspólnego z satelitami.