Скафандр — защитный костюм , который носят пилоты, летающие на большой высоте, которые могут летать на высотах, где давление воздуха слишком низкое для выживания незащищенного человека, даже при дыхании чистым кислородом при положительном давлении . Такие костюмы могут быть либо с полным давлением (например, космический скафандр ), либо с частичным давлением (используемый экипажем ). Костюмы с частичным давлением работают, обеспечивая механическое противодавление для облегчения дыхания на высоте.
Область от уровня моря до высоты около 3000 м (10 000 футов) известна как физиологически эффективная зона . Уровни кислорода обычно достаточно высоки, чтобы люди могли функционировать без дополнительного кислорода , а декомпрессионная болезнь встречается редко.
Зона физиологического дефицита простирается от 3600 м (12 000 футов) до примерно 15 000 м (50 000 футов). Существует повышенный риск таких проблем, как гипоксия , дисбаризм захваченного газа (когда газ, захваченный в организме, расширяется) и дисбаризм выделяющегося газа (когда растворенные газы, такие как азот, могут образовываться в тканях, т. е. декомпрессионная болезнь ). [1] Выше примерно 4267 м (14 000 футов) требуется богатая кислородом дыхательная смесь , чтобы приблизиться к кислороду, доступному в нижних слоях атмосферы, [2] в то время как выше 12 000 м (40 000 футов) кислород должен находиться под положительным давлением. Выше 15 000 м (49 000 футов) дыхание невозможно, поскольку давление, при котором легкие выделяют углекислый газ (примерно 87 мм рт. ст.), превышает давление наружного воздуха. Выше 19 000 м (62 000 футов), также известной как предел Армстронга , жидкости в горле и легких выкипают. Обычно для поддержания эквивалентной высоты 3 000 м (10 000 футов) используется 100% кислород.
Как правило, скафандры работают по принципу либо косвенного, либо прямого сжатия человеческого тела.
Косвенное сжатие обычно осуществляется путем помещения тела в газовую оболочку. Для этого типа усилия по проектированию сосредоточены на сжатии и удержании газа при одинаковом давлении вокруг тела при движении пользователя, и чтобы давление газа или закрывающая оболочка костюма не ограничивали движения тела пользователя.
Поддержание постоянного давления газа при движении пользователя затруднено, поскольку внутренний объем надувного костюма простой конструкции будет меняться при сгибании суставов тела. Давление газа постоянно пытается подтолкнуть тело пользователя в положение, в котором костюм надувается до максимального объема. Движение против этого давления газа может быть очень трудным и очень изнурительным для пользователя костюма, ограничивая объем работы, которую можно выполнить с использованием костюма.
Для костюмов непрямой компрессии обычно требуются сложные ребристые механические структуры на суставах, которые создают гибкие, но неэластичные складки или карманы в коже костюма, которые действуют для поддержания постоянного объема в костюме при движении пользователя. Эти карманы существуют по обе стороны гибкого сустава и предназначены для совместной работы в тандеме, так что при сгибании сустава складки на одной стороне сустава будут сжиматься и уменьшаться в объеме, в то время как складки на противоположной стороне будут расслабляться и расширяться в объеме. Ребристые структуры обычно скрепляются проволочными тросами или тканевыми ремнями, чтобы ограничить их движение и предотвратить необычные режимы сгибания, которые могут натирать тело пользователя. Проволочные шарнирные тросы также ограничивают сложные складки, которые при освобождении могут развернуться и удлиниться, став более чем на метр длиннее тела пользователя.
Эти конструкции сочленений постоянного объема значительно снижают утомляемость пользователя, избавляя его от необходимости постоянно бороться с давлением костюма.
Прямое сжатие подразумевает приложение давления непосредственно к телу человека с помощью материала костюма, как правило, без какой-либо дополнительной газовой оболочки вокруг пользователя, которая вместо этого создается внешней жесткой конструкцией кабины, охватывающей человека.
Одним из методов, используемых для этого, является так называемый костюм-кабестан, в котором используется сжимаемая надувная трубка, называемая кабестан, окруженная чередующимися полосками ткани, которые оборачиваются вокруг воздушной трубки и прикреплены к неэластичной ткани, которая плотно прилегает к форме тела пользователя.
Чтобы обеспечить индивидуальную плотную посадку по форме тела пользователя, по длине каждой конечности имеются группы шнурков. Молнии также могут проходить по всей длине конечности, чтобы обеспечить пространство для вдевания в костюм. Для приложения давления трубка-кабестан находится под давлением, которая расширяется в диаметре и оказывает давление на полоски ткани. Затем полоски натягивают материал костюма в поперечном направлении вокруг тела пользователя.
Проблема этой конструкции заключается в том, что ткань костюма не может напрямую оказывать давление на тело человека в областях, поверхность которых изогнута внутрь, в сторону от ткани костюма. Места с вогнутыми поверхностями кожи находятся в подмышечных впадинах, за коленями, спереди и сзади в области промежности и вдоль позвоночника.
Могут использоваться надувные конструкции с воздушными камерами или формованный жесткий вспененный пеноматериал, которые помещаются в эти полости для обеспечения прямого давления на кожу, когда материал костюма не может обеспечить такой прямой контакт.
Костюмы частичного давления оказывают давление только на определенные части тела. Они могут обеспечить защиту только до определенной высоты. [3] Они не обеспечивают защиту в течение длительных периодов времени при низком давлении окружающей среды. [4] Костюмы полного давления оказывают давление на все тело. Эти костюмы не имеют ограничений по высоте. [ требуется цитата ]
Человеческое тело может кратковременно выживать в жестком вакууме космоса без защиты, несмотря на противоположные изображения в популярной научной фантастике . Человеческая плоть расширяется примерно в два раза по сравнению с размером в таких условиях, создавая визуальный эффект культуриста [ требуется цитата ] , а не переполненного воздушного шара. Сознание сохраняется до 15 секунд, поскольку наступают эффекты кислородного голодания . Эффекта мгновенного замораживания не происходит, потому что все тепло должно быть потеряно через тепловое излучение или испарение жидкостей, а кровь не закипает, потому что она остается под давлением внутри тела. Наибольшую опасность представляет попытка задержать дыхание перед воздействием, так как последующая взрывная декомпрессия может повредить легкие. Эти эффекты были подтверждены различными несчастными случаями (в том числе в условиях очень большой высоты, в открытом космосе и в тренировочных вакуумных камерах). [5] [6]
Человеческая кожа не нуждается в защите от вакуума и сама по себе газонепроницаема. [7] Вместо этого ее нужно только механически сжать, чтобы она сохранила свою нормальную форму. Этого можно добиться с помощью облегающего эластичного костюма и шлема для удержания дыхательных газов, известного как костюм для космической деятельности .
В СССР первый скафандр полного давления был разработан инженером Сиэнном Даунсом в Ленинграде в 1931 году. CH-1 был простым герметичным скафандром со шлемом, который не имел сочленений, поэтому требовал значительных усилий для движения рук и ног при давлении. Это было исправлено в более поздних скафандрах. Работа над скафандрами проводилась в 1936-41 годах Центральным аэрогидродинамическим институтом (ЦАГИ), а после Второй мировой войны аналогичные работы проводились Летно-исследовательским институтом имени Громова (ЛИИ) . ЛИИ изготовил четыре экспериментальных скафандра полного давления для летных экипажей, а в 1959 году начал работу над скафандрами полного давления для космических полетов. [8] Чертовский использовал название скафандер для скафандров полного давления, от французского scaphandre («водолазный костюм»); с тех пор скафандер стал термином, используемым русскими для обозначения стандартных водолазных костюмов или скафандров .
В 1931 году американец Марк Ридж загорелся идеей побить мировой рекорд высоты полета на открытом гондоле воздушного шара. Понимая, что полет потребует специальной защитной одежды, в 1933 году он посетил Великобританию, где встретился с шотландским физиологом Джоном Скоттом Холдейном , который опубликовал концепцию тканевого костюма полного давления в 1920-х годах. Они обратились за помощью к Роберту Генри Дэвису из Siebe Gorman , изобретателю спасательного комплекта Davis Escape Set , и с помощью ресурсов Холдейна и Дэвиса был создан прототип костюма. Ридж испытал его в камере низкого давления на имитированной высоте 50 000 футов. Однако он не получил поддержки для дальнейшей работы и так и не предпринял попытки побить мировой рекорд.
28 сентября 1936 года командир эскадрильи Королевских ВВС Ф. Р. Д. Суэйн установил официальный мировой рекорд высоты полета на высоте 49 967 футов на самолете Bristol Type 138, одетый в аналогичный костюм. [9]
В 1934 году летчик Уайли Пост , работая с Расселом С. Колли из компании BF Goodrich Company , создал первый в мире практический скафандр. Корпус скафандра состоял из трех слоев: длинного нижнего белья, резиновой воздушной камеры и внешнего костюма из прорезиненной парашютной ткани, который был прикреплен к раме с шарнирами для рук и ног, что позволяло Посту управлять самолетом и ходить в самолет и обратно. К раме были прикреплены перчатки из свиной кожи, резиновые сапоги и алюминиево-пластиковый шлем со съемной лицевой панелью, в которой можно было разместить наушники и ларингофон. В первом полете с использованием скафандра 5 сентября 1934 года Пост достиг высоты 40 000 футов над Чикаго , а в последующих полетах достигал 50 000 футов.
В США большие усилия были вложены в разработку скафандров во время Второй мировой войны. В то время как BF Goodrich лидировала в этой области, другие компании, участвовавшие в таких исследованиях, включали Arrowhead Rubber Co., Goodyear и US Rubber . Университет Миннесоты работал с Bell Aircraft и Национальным бюро стандартов США . Бюро стандартов и Калифорнийский университет выступали в качестве клиринговых палат для распространения информации среди всех вовлеченных компаний. Во время Второй мировой войны не было произведено ни одного эффективного полностью мобильного скафандра, но эти усилия обеспечили ценную основу для последующих разработок. [9]
После войны Холодная война вызвала постоянное финансирование развития авиации, в том числе исследований на большой высоте и скорости, таких как X -1 NACA . Джеймс Генри из Университета Южной Калифорнии разработал костюм с частичным давлением, использующий кислородную маску для подачи сжатого кислорода, при этом давление газа также накачивало резиновые трубки, называемые кабестанами, для затягивания костюма и обеспечения достаточного механического противодавления, чтобы просто уравновесить давление дыхания, необходимое для предотвращения гипоксии на определенной высоте. Компания David Clark Company предоставила техническую поддержку и ресурсы, и прототип костюма был испытан на имитированной высоте 90 000 футов на аэродроме Райт-Филд в 1946 году. Впоследствии конструкция Генри была развита компанией David Clark Company в летные костюмы S-1 и T-1, используемые пилотами X-1. За X-1 последовал Douglas Skyrocket , целью которого было превзойти скорость 2 Маха, и требовался улучшенный скафандр. Дэвид Кларк выиграл контракт в 1951 году на свой первый скафандр полного давления, Model 4 Full Pressure Suit; Первый полет на нем совершил в 1953 году летчик Корпуса морской пехоты США Мэрион Э. Карл , который стал первым военным летчиком США, надевшим полный скафандр, и одновременно установил неофициальный мировой рекорд высоты полета на Skyrocket.
Требования США к высотным разведывательным самолетам, таким как U-2 , и истребителям для перехвата высотных советских самолетов привели к тому, что в 1950-х годах ВМС США было поручено разработать полноразмерный скафандр. Работая с BF Goodrich и Arrowhead Rubber, ВМС США разработали ряд проектов, которые завершились появлением Goodrich Mk III и IV. Хотя Mk IV и предназначался для использования в самолетах, позже NASA использовало его с модификациями для проекта Mercury как Navy Mark V. В то же время Дэвид Кларк выиграл контракт на производство скафандров для проекта X-15 ; его скафандры XMC-2 были признаны первыми американскими скафандрами. [10]
Институт авиационной медицины Королевских ВВС и Королевское авиационное учреждение разработали шлем с частичным давлением, который использовался с костюмом типа кабестан, закупленным в США. В нем Уолтер Гибб и его штурман установили мировой рекорд высоты 29 августа 1955 года на самолете English Electric Canberra . Однако оценка костюма показала, что он обременял владельца и плохо интегрировался с системами спасения Королевских ВВС. Вместо этого IAM Королевских ВВС предложил костюм с минимальным покрытием, который обеспечивал бы защиту «get-me-down». Королевские ВВС никогда не выпускали костюм с частичным давлением, предпочитая вместо этого использовать брюки anti-g в сочетании с куртками pressure (которые оказывали механическое противодавление на грудь владельца).
Кожа — это орган, который обеспечивает внешнюю защитную оболочку для всех частей тела. Это самый большой орган в организме. Это водонепроницаемый, воздухонепроницаемый и гибкий барьер между окружающей средой и внутренними органами. Он поддерживает внутреннюю среду нашего тела стабильной.
Словарное определение термина «компрессионный костюм» в Викисловаре
Медиа, связанные с костюмами высокого давления на Wikimedia Commons