Введение
Тип защитного костюма, используемого в условиях низкого давления.
Напорный костюм — это защитный костюм, который носят пилоты, летающие на больших высотах, где атмосферное давление недостаточно для выживания человека без защиты, даже при дыхании чистым кислородом под положительным давлением. Такие костюмы могут быть как с полным давлением (например, скафандр), так и с частичным давлением (используемые авиационным персоналом). Костюмы с частичным давлением обеспечивают механическое противодействие снижению давления, облегчая дыхание на высоте.
Предыстория
Область от уровня моря до примерно [значение] известна как физиологически эффективная зона. Уровень кислорода обычно достаточно высок для нормального функционирования человека без дополнительного кислорода, и риск декомпрессионной болезни невелик. Физиологически дефицитная зона простирается от [значение] до примерно [значение]. В этой зоне возрастает риск возникновения проблем, таких как гипоксия, дисбаризм запертых газов (когда газ, запертый в организме, расширяется) и дисбаризм развитых газов (когда растворенные газы, такие как азот, могут образовываться в тканях, то есть декомпрессионная болезнь). Выше примерно [значение] требуется дыхательная смесь, обогащенная кислородом, чтобы обеспечить уровень кислорода, сопоставимый с уровнем в нижней атмосфере, а выше [значение] кислород должен подаваться под положительным давлением. Выше [значение] дыхание невозможно, поскольку давление, при котором легкие выводят углекислый газ (примерно 87 мм рт. ст.), превышает внешнее атмосферное давление. Выше [значение], также известного как предел Армстронга, жидкости в горле и легких начнут закипать. Как правило, для поддержания эквивалентной высоты [значение] используется 100% кислород.
Методы работы
Как правило, скафандры поддерживают давление либо за счет непрямого сжатия тела человека, либо за счет прямого сжатия.
Косвенное сжатие
Косвенное сжатие обычно достигается путем помещения тела в газовую оболочку. В этом типе конструкторские усилия сосредоточены на сжатии и удержании газа под равным давлением вокруг тела при движении пользователя, а также на предотвращении ограничения движений тела давлением газа или внешней оболочкой костюма. Поддержание постоянного газового давления при движении пользователя затруднено, поскольку внутренний объем простого надувного костюма изменяется при сгибании суставов. Газовое давление постоянно стремится привести тело пользователя в положение, соответствующее максимальному объему костюма. Движение против этого давления может быть очень трудным и утомительным для пользователя, ограничивая объем работы, выполняемой в костюме. Костюмы косвенного сжатия обычно требуют сложных ребристых механических структур в области суставов, которые создают гибкие, но неэластичные складки или карманы на поверхности костюма, предназначенные для поддержания постоянного объема при движении пользователя. Эти карманы расположены по обе стороны от гибкого сустава и работают согласованно: при сгибании сустава складки с одной стороны сжимаются и уменьшаются в объеме, а складки с противоположной стороны расслабляются и расширяются. Ребристые конструкции обычно укрепляются проволочными тросами или тканевыми ремнями для ограничения их движения и предотвращения нежелательных изгибов, которые могут вызывать дискомфорт у пользователя. Проволочные тросы также удерживают складки, которые в противном случае могли бы развернуться и удлиниться более чем на метр по сравнению с ростом пользователя. Эти конструкции суставов с постоянным объемом значительно снижают утомляемость пользователя, избавляя его от необходимости постоянно бороться с давлением костюма.
Прямая компрессия
Прямая компрессия предполагает оказание давления непосредственно на тело человека с использованием материала костюма, как правило, без дополнительного газового контура вокруг пользователя, который вместо этого обеспечивается внешней жесткой конструкцией кабины, окружающей человека. Один из используемых методов известен как костюм с капстаном, который использует сжимаемую надувную трубку, называемую капстаном, окруженную чередующимися полосами ткани, обернутыми вокруг воздушной трубки и прикрепленными к неэластичной ткани, плотно облегающей форму тела пользователя. Для обеспечения индивидуальной и плотной посадки по фигуре на каждой конечности предусмотрены группы шнуровок. Молнии также могут быть проложены по всей длине конечности, чтобы обеспечить пространство для надевания костюма. Для создания давления капстан заполняется воздухом, что приводит к увеличению его диаметра и оказанию давления на тканевые полосы. Эти полосы затем стягивают материал костюма в боковом направлении, плотнее прижимая его к телу пользователя. Проблема заключается в том, что ткань костюма не может напрямую оказывать давление на тело человека в областях с вогнутой поверхностью, удаленной от ткани костюма. К таким областям относятся подмышечные впадины, задняя поверхность коленей, передняя и задняя части паховой области и вдоль позвоночника. Для решения этой проблемы могут использоваться надувные воздушные камеры или формованные жесткие вспененные материалы, которые заполняют эти углубления, обеспечивая прямой контакт и давление на кожу там, где материал костюма не может обеспечить его напрямую.
Типы
Костюмы с частичным давлением подают давление только на некоторые части тела. Они обеспечивают защиту только до определенной высоты. Они не обеспечивают длительную защиту при низком внешнем давлении. Герметичные скафандры создают давление на всё тело. У таких скафандров нет ограничений по высоте.
Полет в космос без скафандра
Человеческое тело может непродолжительное время выжить в жестком вакууме космоса без защиты, вопреки распространенному мнению, демонстрируемому в научно-фантастических произведениях. В таких условиях человеческие ткани расширяются примерно вдвое, создавая визуальный эффект, напоминающий тело бодибилдера, а не лопнувший воздушный шар. Сознание сохраняется до 15 секунд, пока не начнут проявляться последствия кислородного голодания. Мгновенной заморозки не происходит, так как вся теплота должна рассеяться посредством теплового излучения или испарения жидкостей, а кровь не закипает, поскольку остается под давлением внутри организма. Наибольшую опасность представляет попытка задержать дыхание перед воздействием вакуума, поскольку последующая взрывная декомпрессия может повредить легкие. Эти эффекты были подтверждены в результате различных происшествий (включая случаи на большой высоте, в открытом космосе и в тренировочных вакуумных камерах). Коже человека не требуется защита от вакуума, поскольку она сама по себе газонепроницаема. Ей требуется лишь механическое сжатие для сохранения нормальной формы. Этого можно достичь с помощью плотно облегающего эластичного скафандра и шлема для удержания дыхательной смеси, известного как скафандр для внекосмической деятельности.
СССР
В СССР первый полный герметичный костюм был разработан инженером Ciann Downes в Ленинграде в 1931 году. CH 1 представлял собой простой герметичный костюм со шлемом, не имевшим шарниров, из-за чего для движения рук и ног в состоянии давления требовались значительные усилия. Это было устранено в более поздних моделях. Работы над полными герметичными костюмами проводились в 1936–1941 годах в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ), а после Второй мировой войны аналогичные работы велись в Летно-исследовательском институте имени Громова (ЛИИ). ЛИИ создал четыре экспериментальных герметичных костюма для экипажей воздушных судов, а в 1959 году приступил к разработке герметичных костюмов для космических полетов. Чертовский использовал название «скафандр» для обозначения полных герметичных костюмов, от французского слова «scaphandre» (водолазный костюм); с тех пор «скафандр» стало термином, используемым в России для обозначения как стандартных водолазных костюмов, так и космических скафандров.
Холдейн-Дэвис
В 1931 году американец Марк Ридж загорелся идеей побить мировой рекорд высоты на воздушном шаре с открытой гондолой. Понимая, что для полета потребуется специализированная защитная одежда, он посетил Великобританию в 1933 году, где встретился со шотландским физиологом Джоном Скотом Халданом, который в 1920-х годах опубликовал концепцию цельногерметичного костюма из ткани. Они обратились за помощью к Роберту Генри Дэвису из Siebe Gorman, изобретателю аварийного комплекта Дэвиса, и благодаря ресурсам Халдана и Дэвиса был создан прототип костюма. Ридж испытал его в барокамере, имитируя высоту в 50 000 футов. Однако он не получил поддержки для продолжения работы и так и не предпринял попытки установить мировой рекорд. 28 сентября 1936 года командир эскадрильи Ф. Р. Д. Суэйн из Королевских ВВС установил официальный мировой рекорд высоты в 49 967 футов на самолете Bristol Type 138, используя аналогичный костюм.
Уайли Пост
В 1934 году авиатор Уайли Пост, работая с Расселом С. Колли из компании B. F. Goodrich, создал первый в мире практичный скафандр. Скафандр состоял из трех слоев: термобелья, резиновой камеры для создания давления и внешнего костюма из резиновой парашютной ткани, который крепился к каркасу с шарнирами для рук и ног, позволявшими Посту управлять самолетом и передвигаться к нему и от него. К каркасу были прикреплены перчатки из свиной кожи, резиновые сапоги и шлем из алюминия и пластика со съемной лицевой панелью, в которую можно было установить наушники и гарнитурный микрофон. Во время первого полета в скафандре, 5 сентября 1934 года, Пост поднялся на высоту 40 000 футов над Чикаго, а в последующих полетах достиг 50 000 футов.
Вторая мировая война
В США во время Второй мировой войны было приложено большое количество усилий к разработке скафандров. Хотя компания B. F. Goodrich лидировала в этой области, другие компании, участвовавшие в подобных исследованиях, включали Arrowhead Rubber Co., Goodyear и US Rubber. Университет Миннесоты сотрудничал с Bell Aircraft и Национальным бюро стандартов США. Бюро стандартов и Калифорнийский университет выполняли функции информационных центров, распространяя данные среди всех участвующих компаний. Во время Второй мировой войны не было создано эффективных полностью мобильных скафандров, но проделанная работа заложила ценную основу для дальнейших разработок.
Королевские ВВС
Институт авиационной медицины Королевских ВВС и Королевское авиационное заведение разработали шлем с частичным давлением, который использовался с костюмом капстанного типа, закупленным в США. Уолтер Гибб и его штурман использовали его для установления мирового рекорда высоты 29 августа 1955 года на самолете English Electric Canberra. Однако, оценка костюма показала, что он стесняет движения и плохо совместим с системами аварийного спасения Королевских ВВС. Вместо этого, Институт авиационной медицины Королевских ВВС предложил костюм минимального покрытия, обеспечивающий защиту для экстренного снижения. Королевские ВВС так и не приняли на вооружение костюмы с частичным давлением, предпочитая использовать анти-g-брюки в сочетании с нагрудниками, создающими механическое противодействие давлению на грудь.