Космические скафандры программ "Аполлон" и "Скайлэб"

Введение

Космический костюм, использованный в миссиях "Аполлон" и "Скайлаб"

Космический костюм "Аполлон"/"Скайлаб" (иногда называемый костюмом "Аполлон-11", поскольку наибольшую известность он получил благодаря использованию в миссии "Аполлон-11") – это класс космических костюмов, применявшийся в миссиях "Аполлон" и "Скайлаб". Обоими костюмами "Аполлон" и "Скайлаб" именовались Extravehicular Mobility Unit (EMU). EMU для "Аполлона" состояли из комплекта скафандра (Pressure Suit Assembly – PSA), также известного как "костюм", и портативной системы жизнеобеспечения (Portable Life Support System – PLSS), чаще называемой "рюкзаком". Модель PSA A7L использовалась в миссиях "Аполлон-7" по "Аполлон-14". В последующих лунных миссиях "Аполлон-15", "Аполлон-17", "Скайлаб" и "Аполлон-Союз" применялись скафандры A7LB. Кроме того, эти скафандры различались в зависимости от конкретной программы. Для EMU "Скайлаб" NASA выбрало использование системы жизнеобеспечения с пуповиной, получившей название Astronaut Life Support Assembly. Скафандры, использовавшиеся во время лунных выходов в открытый космос, весили около , а под воздействием лунной гравитации их вес был эквивалентен . Низкая поверхностная гравитация и герметизация скафандра накладывали значительные ограничения на его использование.

Основная конструкция

Разработка базового проекта ЭВМ "Аполлон" заняла более трех лет. В начале программы "Аполлон" космический костюм еще не получил окончательного названия "ЭВМ". В период с 1962 по 1964 год скафандр назывался Space Suit Assembly (SSA). Apollo SSA состояла из сборки одежды под давлением (PGA) и переносной системы жизнеобеспечения (PLSS) в рюкзаке. В марте 1962 года НАСА провело конкурс на контракт на поставку Apollo SSA. Каждое конкурсное предложение должно было продемонстрировать все возможности, необходимые для разработки и производства всей SSA. Многие команды подрядчиков представили свои предложения. Два из них вызвали интерес у НАСА. Предложение Hamilton Standard Division of United Aircraft Corporation предусматривало, что Hamilton будет осуществлять управление программой SSA и поставлять PLSS, а David Clark Company – PGA. В предложении International Latex Corporation (ILC) планировалось, что International Latex будет управлять программой SSA и производить PGA, Republic Aviation предоставит дополнительный опыт в производстве костюмов, а Westinghouse – PLSS. После оценки предложений НАСА отдало предпочтение концепции и опыту Hamilton PLSS, но дизайну ILC PGA. НАСА приняло решение разделить команды Hamilton и ILC, заключив контракт с Hamilton с условием, что ILC предоставит PGA. К марту 1964 года Hamilton и НАСА обнаружили, что три последовательных проекта ILC Apollo PGA не соответствуют требованиям. В сравнительных испытаниях только костюм David Clark Gemini был признан приемлемым для использования в Командном модуле "Аполлон". Хотя Hamilton PLSS соответствовал всем требованиям, пилотируемые испытания показали, что требования к системам жизнеобеспечения были недостаточными, что вынудило программу Apollo SSA начать все заново. В октябре 1964 года НАСА приняло решение разделить программу космических костюмов на три части. David Clark должен был поставлять костюмы для ранних миссий "Блока I" без выхода в открытый космос (EVA). Программа Hamilton/ILC продолжится как "Блок II" для поддержки первых миссий EVA. Дизайн костюма для "Блока II" должен был быть выбран в повторном конкурсе в июне 1965 года. Для обеспечения успеха "Блока II" AiResearch получила финансирование для параллельной разработки рюкзака. Более поздние, продолжительные миссии "Аполлон" относились к "Блоку III" и должны были использовать более совершенные скафандры и рюкзак увеличенной продолжительности, которые будут поставляться поставщиками, выбранными в будущих конкурсах. В связи с этим новым началом программы PGA была переименована в Pressure Suit Assembly (PSA) во всех программах, а SSA "Блоков II и III" – в Extravehicular Mobility Unit (EMU). Hamilton и International Latex так и не смогли наладить эффективное сотрудничество. В марте 1965 года Hamilton переключилась на B. F. Goodrich в качестве поставщика костюмов. В июле 1965 года International Latex выиграла конкурс на поставку костюмов "Блока II" со своим дизайном A5L. Это вынудило НАСА взять на себя непосредственное управление программой EMU "Блока II". До конца 1965 года Hamilton Standard завершила сертификацию своего нового рюкзака. Впоследствии НАСА прекратило разработку рюкзака AiResearch для "Блока II", завершив тем самым выбор дизайна костюма/рюкзака и поставщиков для поддержки первой высадки человека на Луну. Однако это не обошлось без улучшений. На "Аполлоне-11" использовался костюм A7L с рюкзаком "6" (dash six), отражающий семь итераций дизайна костюма и шесть – рюкзака. В команду швей, возглавляемую Хейзел Феллоус, входили Иона Аллен, Делема Остин, Дорис Бойзи, Джулия Браун, Делема Комегис, Джоан Томпсон, Мишель Трис, Жанна Уилсон и Делорес Зеролес. Скафандры A7L впервые совершили космический полет в октябре 1968 года на борту "Аполлона-7". Они использовались в качестве аварийных скафандров для запуска и возвращения на Землю. Также в 1968 году НАСА признало, что с модификациями EMU "Блока II" может дополнительно поддерживать более поздние миссии EVA, включающие лунный ровер (LRV). Это привело к прекращению программы "Аполлона-Блока III" в пользу EMU "Аполлонов-15, 16 и 17" с использованием костюма A7LB и рюкзака увеличенной продолжительности "7". На четвертый день миссии пилот лунного модуля Рассел Швайкарт и командир Джеймс Макдивитт вошли в лунный модуль. Астронавты затем сбросили давление как в Командном, так и в Лунном модулях. Швайкарт вышел из Лунного модуля, чтобы проверить рюкзак и провести эксперименты. Дэвид Скотт частично вышел из люка Командного модуля, поддерживаемый пуповиной, подключенной к Командному модулю, для наблюдения. EVA длилась всего 46 минут, но позволила проверить обе конфигурации EVA EMU. Это был единственный выход в открытый космос "Аполлона" перед миссией высадки на Луну "Аполлона-11". "Аполлон-11" сделал A7L самым известным скафандром программы. Он оказался основным скафандром, который носили астронавты НАСА в рамках проекта "Аполлон". Начиная с 1969 года, костюмы A7L проектировались и производились ILC Dover (в то время подразделение Playtex). A7L является эволюцией первоначального A5L от ILC, который выиграл конкурс на поставку скафандра в 1965 году, и A6L, который представил интегрированный слой защиты от тепла и микрометеоритов. После трагического пожара на "Аполлоне-1" скафандр был модернизирован для обеспечения огнестойкости и получил обозначение A7L. 20 июля 1969 года EMU "Аполлона-11" были широко представлены в телевизионных репортажах о первой высадке на Луну. Также в 1969 году International Latex приняла решение выделить свой бизнес по производству скафандров в отдельную компанию ILC Dover. Базовая конструкция костюма A7L представляла собой цельный пятислойный костюм "торс-конечность" с шарнирами сложной конструкции из синтетического и натурального каучука в плечах, локтях, запястьях, бедрах, лодыжках и коленях. Сборка "кабель/канал" в плечевом суставе позволяла плечу костюма двигаться вперед, назад, вверх или вниз вместе с движениями пользователя. Быстроразъемные соединения на шее и предплечьях обеспечивали подключение перчаток под давлением и знаменитого "рыбьего глаза" шлема "Аполлона" (который был принят НАСА, поскольку обеспечивал неограниченный обзор и устранял необходимость в уплотнении визора, которое требовалось в шлемах "Меркурия", "Джемини" и "Аполлона-Блока I"). Защитный слой, разработанный для обеспечения огнестойкости после трагического пожара на "Аполлоне-1", крепился к сборке одежды под давлением и мог сниматься для ремонта и осмотра. Все костюмы A7L имели вертикальную молнию от разъема шлема (шейное кольцо) вниз по спине и вокруг промежности.

The base Apollo EMU design took over three years to produce. At the beginning of the Apollo program, the Apollo spacesuit had not yet received its final EMU name. Between 1962 and 1964, the spacesuit was called the Space Suit Assembly (SSA). The Apollo SSA consisted of a Pressure Garment Assembly (PGA) and a backpack Portable Life Support System (PLSS). NASA held a competition for the Apollo SSA contract in March 1962. Each competition proposal had to demonstrate all the abilities needed to develop and produce the entire SSA. Many contractor teams submitted proposals. Two gained NASA interest. The Hamilton Standard Division of United Aircraft Corporation proposal offered Hamilton providing the SSA program management and PLSS with David Clark Company as the PGA provider. The International Latex Corporation (ILC) proposal planned International Latex as the SSA program manager and PGA manufacturer, Republic Aviation providing additional suit experience and Westinghouse providing the PLSS. After evaluation of the proposals, NASA preferred the Hamilton PLSS concept and program experience but the ILC PGA design. NASA elected to split the Hamilton and ILC teams, issuing the contract to Hamilton with the stipulation that ILC provide the PGA. By March 1964, Hamilton and NASA had found three successive ILC Apollo PGA designs to not meet requirements. In comparative testing, only the David Clark Gemini suit was acceptable for Apollo Command Module use. While the Hamilton PLSS met all requirements, crewed testing proved the life support requirements were inadequate, forcing the Apollo SSA program to start over. In October 1964, NASA elected to split the spacesuit program into three parts. David Clark would provide the suits for the "Block I" early missions without extra vehicular activity (EVA). The Hamilton/ILC program would continue as "Block II" to support the early EVA missions. The pressure suit design for Block II was to be selected in a June 1965 re competition. To assure Block II backpack success, AiResearch was funded for a parallel backpack effort. The later, longer duration Apollo missions would be Block III and have more advanced pressure suits and a longer duration backpack to be provided by suppliers selected in future competitions. To reflect this new start in the program, the PGA was renamed the Pressure Suit Assembly (PSA) across the programs and the Block II and III SSAs were renamed Extravehicular Mobility Unit (EMU). Hamilton and International Latex were never able to form an effective working relationship. In March 1965, Hamilton switched to B. F. Goodrich as suit supplier. International Latex, in July 1965, won the Block II suit competition with its A5L design. This forced NASA to assume management of the Block II EMU program directly. Before the end of 1965, Hamilton Standard completed certification of its new backpack. NASA subsequently terminated the Block II AiResearch backpack, thus completing the selection of the suit/backpack designs and suppliers to support man's first walking on the Moon. However, this was not to be without improvements. The Apollo 11 EMU featured an A7L suit with a 6 (dash six) backpack reflecting seven suit and six backpack design iterations. This team of seamstresses, led by Hazel Fellows, included Iona Allen, Delema Austin, Doris Boisey, Julia Brown, Delema Comegys, Joanne Thompson, Michelle Trice, Jeanne Wilson, and Delores Zeroles. The A7L pressure suits reached space flight in October 1968 aboard Apollo 7. These were used as launch and reentry emergency suits. Also in 1968, NASA recognized that with modifications, the Block II EMU could additionally support the later EVA missions that involved a Lunar Rover Vehicle (LRV). This resulted in the termination of Apollo Block III in favor of an Apollo 15 through 17 EMU using an A7LB suit and a " 7" long duration backpack. On the fourth day of the mission, Lunar Module Pilot Russell Schweickart and Commander James McDivitt went into the Lunar Module. The astronauts then depressurized both the Command and Lunar Modules. Schweickart emerged from the Lunar Module to test the backpack and conduct experiments. David Scott partially emerged from the Command Module's hatch supported by an umbilical system connected to the Command Module to observe. The EVA lasted only 46 minutes but allowed a verification of both EVA configurations of the EMU. This was the only Apollo spacewalk prior to the Apollo 11 lunar landing mission. Apollo 11 made the A7L the most iconic suit of the program. It proved to be the primary pressure suit worn by NASA astronauts for Project Apollo. Starting in 1969, the A7L suits were designed and produced by ILC Dover (a division of Playtex at the time). The A7L is an evolution of ILC's initial A5L, which won a 1965 pressure suit competition, and A6L, which introduced the integrated thermal and micrometeoroid cover layer. After the deadly Apollo 1 fire, the suit was upgraded to be fire resistant and designated A7L. On July 20, 1969, the Apollo 11 EMUs were prominent in television coverage of the first lunar landing. Also in 1969, International Latex elected to spin off its pressure suit business to form ILC Dover. The basic design of the A7L suit was a one piece, five layer "torso limb" suit with convoluted joints made of synthetic and natural rubber at the shoulders, elbows, wrist, hips, ankle, and knee joints. A shoulder "cable/conduit" assembly allowed the suit's shoulder to move forward, backwards, up, or down with user movements. Quick disconnects at the neck and forearms allowed for the connection of the pressure gloves and the famous Apollo "fishbowl helmet" (adopted by NASA as it allowed an unrestricted view, as well as eliminating the need for a visor seal required in the Mercury and Gemini and Apollo Block I spacesuit helmets). A cover layer, which was designed to be fireproof after the deadly Apollo 1 fire, was attached to the pressure garment assembly and was removable for repairs and inspection. All A7L suits featured a vertical zipper from the helmet disconnect (neck ring), down the back, and around the crotch.

Одежда с жидкостным охлаждением

Лунные экипажи также носили трехслойный костюм жидкостного охлаждения и вентиляции (LCG) или "комбинезон" с пластиковыми трубками, по которым циркулировала вода для охлаждения астронавта, что минимизировало потоотделение и запотевание шлема скафандра. Вода подавалась в LCG из рюкзака PLSS, где циркулирующая вода охлаждалась до постоянной комфортной температуры сублиматором.

Портативная система жизнеобеспечения

В начале соревнований по созданию космических скафандров "Аполлон" никто не знал, как система жизнеобеспечения будет крепиться к скафандру, как должны быть расположены органы управления и какой объем системы жизнеобеспечения потребуется. Было известно, что через десять месяцев Портативная система жизнеобеспечения, также известная как "рюкзак", должна быть завершена для проведения всесторонних испытаний системы скафандра до конца двенадцатого месяца. До заключения контракта на создание скафандра требование к нормальной жизнеобеспеченности в час почти удвоилось. Затем было добавлено максимальное требование к почасовому расходу метаболической энергии, которое превышало первоначальное требование более чем в три раза. В конце 1962 года испытания раннего тренировочного скафандра вызвали опасения относительно требований к системе жизнеобеспечения. Эти опасения были отклонены, поскольку ожидалось, что новые конструкции "Аполлона" будут обеспечивать менее энергозатратную подвижность и улучшенные системы вентиляции. Однако Гамильтон воспринял это как серьезный сигнал о возможном значительном увеличении требований к системе жизнеобеспечения скафандра "Аполлон" и инициировал внутренние исследования и разработки в области технологий "рюкзака". К десятому месяцу был завершен первый "рюкзак". Пилотируемые испытания показали, что "рюкзак" соответствует требованиям. Это могло бы стать большим успехом, если бы не подтвердившие во время испытаний с экипажем данные о том, что требования к системе жизнеобеспечения 1963 года недостаточны для обеспечения лунной миссии. В начале 1964 года были установлены окончательные спецификации скафандра "Аполлон", которые увеличили нормальную продолжительность работы на 29%, а максимальную поддержку использования – на 25%. Ограничения по объему и весу при этом не изменились. Эти последние увеличения потребовали повышения эффективности, что привело к изобретению пористого пластинчатого сублиматора и жидкостного охлаждающего костюма "Аполлон". Пористый пластинчатый сублиматор представлял собой металлическую пластину с микроскопическими порами, размер которых был точно рассчитан таким образом, чтобы при нагреве воды, протекающей под пластиной, до температуры, превышающей комфортную для пользователя, замерзшая вода в пластине таяла, протекала через пластину и испарялась в вакууме космоса, отводя тепло. Как только вода под пластиной остывала до комфортной температуры, вода в пластине снова замерзала, герметизируя пластину и прекращая процесс охлаждения. Таким образом, отвод тепла с автоматическим контролем температуры достигался без датчиков и подвижных частей, которые могли бы выйти из строя. Жидкостный охлаждающий костюм "Аполлон" представлял собой костюм из открытой сетки с прикрепленными трубками для циркуляции охлаждающей воды вокруг тела и отвода избыточного тепла при необходимости. Костюм плотно прижимал трубки к телу для эффективного отвода тепла. Открытая сетка обеспечивала циркуляцию воздуха вокруг тела для удаления влаги и дополнительного отвода тепла. В 1966 году NASA приобрело права на жидкостный охлаждающий костюм, чтобы предоставить всем организациям доступ к этой технологии. Перед первым выходом в открытый космос на скафандре "Аполлон" был установлен передний дисплей и блок управления, получивший название пульта дистанционного управления. Он был модифицирован для "Аполлона-11" для обеспечения дополнительного крепления камеры для получения высококачественных лунных снимков.

At the beginning of the Apollo spacesuit competition, no one knew how the life support would attach to the suit, how the controls needed to be arranged, or what amount of life support was needed. What was known was that in ten months, the Portable Life Support System, aka "backpack", needed to be completed to support complete suit system testing before the end of the twelfth month. Before the spacesuit contract was awarded, the requirement for normal life support per hour almost doubled. At this point, a maximum hourly metabolic energy expenditure requirement was added, which was over three times the original requirement. In late 1962, testing of an early training suit raised concerns about life support requirements. The concerns were dismissed because the forthcoming Apollo new designs were expected to have lower effort mobility and improved ventilation systems. However, Hamilton took this as a strong indication that Apollo spacesuit life support requirements might significantly increase and initiated internally funded research and development in "backpack" technologies. In the tenth month, the first backpack was completed. Manned testing found the backpack to meet requirements. This would have been a great success but for the crewed testing confirming that the 1963 life support requirements were not sufficient to meet lunar mission needs. Early in 1964, the final Apollo spacesuit specifications were established that increased normal operations by 29% and increased maximum use support 25%. Again, the volume and weight constraints did not change. These final increases required operational efficiencies that spawned the invention of the porous plate sublimator and the Apollo liquid cooling garment. The porous plate sublimator had a metal plate with microscopic pores sized just right so that if the water flowing under the plate warmed to more than a user comfortable level, frozen water in the plate would thaw, flow through the plate, and boil to the vacuum of space, taking away heat in the process. Once the water under the plate cooled to a user comfortable temperature, the water in the plate would re freeze, sealing the plate and stopping the cooling process. Thus, heat rejection with automatic temperature control was accomplished with no sensors or moving parts to malfunction. The Apollo liquid cooling garment was an open mesh garment with attached tubes to allow cooling water to circulate around the body to remove excess body heat when needed. The garment held the tubes against the body for highly efficient heat removal. The open mesh allowed air circulation over the body to remove humidity and additionally remove body heat. In 1966, NASA bought the rights to the liquid cooling garment to allow all organizations access to this technology. Before the first Apollo spacewalk, the backpack gained a front mounted display and control unit named the remote control unit. This was revised for Apollo 11 to additionally provide camera attachment to provide high quality lunar pictures.

Сборка костюма для туловища

Пилот командного модуля (CMP) имел скафандр TSLA, аналогичный скафандрам командира и пилота лунного модуля, но с удаленным избыточным оборудованием, поскольку CMP не планировалось выполнять внекорабельную деятельность. Например, скафандр TSLA пилота командного модуля имел только один комплект газовых соединений вместо двух и не имел разъема для водяного охлаждения. Также были удалены предохранительный клапан на рукаве скафандра и крепления для страховочного троса, использовавшиеся в лунном модуле. Скафандр TSLA для CMP также не включал шарнир в области локтя, обеспечивающий вращение руки выше локтевого сустава.

Внутривоздушный слой покрытия

В ходе TSLA пилоты командного модуля носили только трехслойный внутрикосмический защитный слой (IVCL) из Nomex и бета-ткани для защиты от огня и истирания.

Постоянно носить одежду

CMP носил более простой комбинезон из хлопчатобумажной ткани под названием Constant Wear Garment (CWG) под TSLA вместо жидкостного охлаждающего костюма. Охлаждение поступало к нему непосредственно с потоком кислорода в его костюм по пуповине от системы управления окружающей средой космического корабля. Когда LMP и CDR не выполняли выходы в открытый космос на Луне, они также носили CWG вместо LCG.

"Аполлон-15-17"

На последних трех лунных полетах "Аполлон-15", "Аполлон-16" и "Аполлон-17" скафандры были значительно переработаны. Костюмы под давлением получили обозначение A7LB и выпускались в двух вариантах. Вариант для внекорабельной деятельности (EV) представлял собой новый промежуточный скафандр, обеспечивавший большую подвижность и облегчавший работу с лунным ровером. Скафандры A7LB EV были разработаны для более длительных миссий серии J, в рамках которых планировалось проведение трех выходов в открытый космос (EVA) и впервые использование лунного ровера (LRV). Изначально разработанный компанией ILC Dover под названием "A9L", но получивший обозначение "A7LB" от NASA, новый скафандр включал два новых шарнира в области шеи и талии. Шарнир в области талии был добавлен, чтобы астронавт мог сидеть на LRV, а шарнир в области шеи – для улучшения обзора при управлении ровером. Из-за наличия шарнира в области талии шесть разъемов систем жизнеобеспечения были перекомпонованы из параллельной схемы в два "треугольника", а конструкция верхней и нижней молнии на спине была изменена и перенесена. Кроме того, рюкзаки EVA были модифицированы для увеличения запаса кислорода, гидроксида лития (LiOH), мощности и охлаждающей воды, необходимых для более длительных EVA. Скафандр A7LB, использовавшийся в рамках программы ASTP, был единственным скафандром "Аполлон", на котором был нанесен логотип NASA в виде "червя", представленный в 1975 году и широко использовавшийся NASA до 1992 года.