1.5. ВЛИЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ

Общие сведения

Состояние невесомости возникает, когда к телу, находящемуся в пространстве, не приложены никакие внешние силы, кроме силы притяжения. Если КА находится в центральном поле тяготения и не вращается вокруг своего центра масс, он испытывает невесомость, характерным признаком которой является то, что ускорения всех элементов конструкции, деталей приборов и' частиц человеческого тела равны ускорению силы тяжести.

Положительное свойство невесомости - возможность применения в космосе ажурных, тонких и очень легких конструкций (в том числе надувных) при создании крупномасштабных сооружений на орбите (например, гигантских антенн радиотелескопов, панелей солнечных батарей орбитальных электростанций и т. п.). В настоящее время эта возможность в полной мере не используется из-за силовых факторов, действующих на КА при выведении их в космос. Большой научный и практический интерес представляет использование невесомости в различных технологических процессах для получения материалов и изделий со свойствами, недоступными в условиях земной силы тяжести (получение металлических и полупроводниковых материалов, состоящих из элементов с существенно различными удельными весами, композитных материалов с заранее заданным распределением компонентов по объему, выращивание больших полупроводниковых кристаллов и т. д.).

Невесомость оказывает влияние на физические процессы, протекающие в системах и агрегатах КА, вследствие отсутствия конвективного теплообмена и гидростатических сил. При отсутствии гидростатических сил положение жидкости в емкостях (баках, баллонах) зависит лишь от сил поверхностного натяжения и сил сцепления между жидкостью и стенкой емкости, что может привести к отливу жидкости от заборных устройств в баках (баллонах) и нарушить работу, в частности, запуск двигательных установок (ДУ) на жидких, и особенно на криогенных компонентах топлива, так как пузырьки пара или газа в жидком компоненте могут привести к кавитационному срыву и поломке насоса или просто к останову (выключению) двигателя.

Для удержания жидкости в определенном положении в баках (баллонах) применяют специальные перегородки, сетки и другие устройства. Разделение жидкой и газовой фаз в баках можно достигнуть либо путем создания начальной перегрузки (с помощью малых РД, раскрутки всей космической системы вокруг центра масс и т. п.), либо за счет установки непроницаемой подвижной перегородки (поршня, эластичной ткани, пластика или металлической мембраны), либо за счет использования сил поверхностного натяжения (сетчатые заборные устройства в баках). Первый способ находит применение в системах обеспечения запуска ДУ космических ракетных блоков, второй и третий - в ДУ орбитальных станций, КА и КК.

Полет в невесомости требует закрепления на своих местах аппаратуры и оборудования, а также оснащения обитаемого КА средствами фиксации космонавтов, предметов их труда и быта.

Влияние невесомости на организм человека

Первичными эффектами невесомости являются снятие гидростатического давления крови и тканевой жидкости, весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат, а также отсутствие гравитационных стимулов специфических гравирецепторов афферентных систем. Реакции организма, обусловленные длительным пребыванием в невесомости, выражают, по существу, его приспособление к новым условиям внешней среды и протекают по типу «неупотребления» или «атрофии от бездействия» (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема патогенеза нарушений, обусловленных влиянием невесомости, и направления профилактических воздействий: а - звенья патогенеза и связь между ними; б - профилактические средства и направления их воздействия

Состояние невесомости в начальный период часто вызывает нарушения пространственной ориентации, иллюзорные ощущения и симптомы болезни движения (головокружение, дискомфорт в желудке, тошнота и рвота), что связывают главным образом с реакциями вестибулярного аппарата и приливом крови к голове. Наблюдаются также изменения субъективного восприятия нагрузок и некоторые другие изменения, вызываемые реакциями чувствительных органов, которые настроены на земную силу тяжести. В течение первых десяти дней пребывания в невесомости в зависимости от индивидуальной чувствительности человека, как правило, происходит адаптация к указанным проявлениям невесомости и самочувствие восстанавливается.

В условиях невесомости происходит перестройка координации движений, развивается детренированность сердечно-сосудистой системы.

Невесомость влияет на баланс жидкости в организме, обмен белков, жиров, углеводов, минеральный обмен, а также на некоторые эндокринные функции. Наблюдаются потери воды, электролитов (в частности, калия, натрия), хлоридов и другие изменения в обмене веществ.

Ослабление действия внешних сил на структуры, несущие весовую нагрузку, приводит к потере кальция и других веществ, важных для поддержания прочности костей. После длительного воздействия невесомости возможны явления легкой мышечной атрофии, некоторая слабость мускулатуры конечностей и т. д.

К числу наиболее общих проявлений неблагоприятного влияния невесомости на организм в сочетании с другими особенностями условий жизни на космическом корабле относится астенизация, отдельные признаки которой (ухудшение работоспособности, быстрая утомляемость) обнаруживаются уже в процессе самого полета. Однако наиболее заметно астенизация сказывается при возвращении на Землю. Снижение массы тела, мышечной массы, минеральной насыщенности костей, уменьшение силы, выносливости, физической работоспособности ограничивают переносимость стрессовых воздействий, характерных для этого периода перегрузок, и действия земной силы тяжести.

Нарушения двигательной функции в условиях космического полёта, по-видимому, не являются критическими, так как выработка навыков координации движений в невесомости протекает относительно успешно. Значительно более неблагоприятными представляются нарушения координации движений, которые могут развиваться в реадаптационный период в зависимости от продолжительности воздействия гиподинамии и невесомости.

Ортостатическая неустойчивость, характеризующаяся выраженным усилением физиологических изменений, появлением головокружения, слабости, тошноты, и особенно возможностью обморочного состояния при вертикальной позе, представляет весьма серьезную проблему, типичную для послеполетного периода, хотя после кратковременных полетов эти признаки были непродолжительными и легко обратимыми.

Изменения иммунологических реакций и устойчивости к инфекциям сопровождаются возрастанием восприимчивости к заболеваниям, что может привести к возникновению критической ситуации во время полета. В кратковременных полетах значительных изменений со стороны иммунологической реактивности не отмечалось.

Существует определенная вероятность того, что и некоторые другие сдвиги в функциональном состоянии организма могут влиять на продолжительность безопасного пребывания в условиях длительной невесомости. Одни из них определяются процессами перестройки механизмов нервной и гормональной регуляции вегетативных и двигательных функций, другие зависят от степени структурных изменений (например, мышечной и костной ткани), детренированности сердечно-сосудистой системы и обменных сдвигов. Разработка и внедрение системы мероприятий по профилактике этих расстройств являются одной из важных задач медицинского обеспечения длительных космических полетов.

В принципе возможны два способа профилактики влияния невесомости. Первый состоит в том, чтобы предотвратить адат ацию организма к невесомости, создавая на КА искусственную силу тяжести, эквивалентную земной; это наиболее радикальны.!, но сложный и дорогостоящий способ, причем исключающий прецизионные наблюдения за внешним пространством и возможности экспериментов в условиях невесомости. Второй способ допускает частичную адаптацию организма к невесомости, но вместе с тем предусматривает и принятие мер по профилактике или уменьшению неблагоприятных последствий адаптации. Профилактическое действие защитных средств рассчитано в первую очередь на поддержание достаточного уровня физической работоспособности, двигательной координации и ортоетатической устойчивости (переносимости перегрузок и вертикальной позы), поскольку по современным данным изменения этих функций, возникающие в реадаптационный период, представляются наиболее критическими.

Естественным и практически осуществимым является профилактическое воздействие на такие первичные пусковые эффекты невесомости, как снятие гидростатического давления крови я весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат, что позволяет исключить или ослабить длинную цепочку вторично обусловленных сдвигов, в том числе и вызывающих наибольшую озабоченность в реадаптационном периоде. Значительно более сложно парирование тех изменений, которые возникают в деятельности афферентных систем в невесомости. Восполнить отсутствие гравитационных стимулов для специфических гравирецепторов, не прибегая к созданию искусственной тяжести, невозможно. Профилактические и терапевтические воздействия могут быть адресованы не только к первичным, или пусковым, эффектам невесомости, но и к более низким уровням патогенетической цепи.

Профилактика реакций, связанных с отсутствием гидростатического давления крови в невесомости во время полета, может состоять, во-первых, в использовании средств и методов, искусственно воспроизводящих эффект гидростатического давления: дыхание под избыточным (выше атмосферного на 15 - 22 мм рт. ст.) давлением, воздействие отрицательным (ниже атмосферного на 25 - 70 мм рт. ст.) давлением на нижнюю половину тела и др., во-вторых, в профилактическом воздействии на некоторые промежуточные звенья патогенетической цепи с помощью фармакологических и гормональных препаратов. В послеполетный период рекомендуется ношение противоперегрузочных костюмов, обычно используемых летчиками (при давлении в камерах 35 - 50 мм рт. ст.), и установление щадящего режима с постепенным, дозированным увеличением времени пребывания в вертикальной позе.

Восполнение дефицита весовой нагрузки на костно-мышечный аппарат в условиях невесомости относится к числу весьма перспективных направлений в разработке профилактических мероприятий и обеспечивается за счет физической тренировки с использованием пружинных или резиновых эспандеров, велоэргометров, тренажеров типа «бегущей дорожки» и нагрузочных костюмов, создающих статическую нагрузку на тело и отдельные мышечные группы за счет резиновых тяг.

В системе профилактики сдвигов, преимущественно обусловленных отсутствием весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат, могут найти применение и другие методы воздействия, в частности, электростимуляция мышц, применение гормональных препаратов, нормализующих белковый и кальциевый обмен, а также различные способы повышения устойчивости организма к инфекциям.

В общей системе защитных мероприятий должна быть учтена также возможность повышения неспецифической сопротивляемости организма за счет снижения неблагоприятного воздействия стресс-факторов космического полета (снижение уровня шумов, оптимизация температуры, создание надлежащих гигиенических и бытовых удобств), обеспечения достаточного водопотребления, полноценного и хорошо сбалансированного питания с повышенной витаминной насыщенностью, обеспечения условий для отдыха, сна и т. д. Увеличение внутреннего объема космических кораблей и создание на них улучшенных бытовых удобств заметно способствуют смягчению неблагоприятных реакций на невесомость.

Следует отметить, что в системе мероприятий по профилактике неблагоприятного влияния на организм человека длительной невесомости самостоятельное значение принадлежит предполетному отбору и тренировке, а также восстановительной терапии, используемой в послеполетном периоде.

На современном уровне знаний достижение относительно гармоничного профилактического эффекта может быть обеспечено лишь при использовании комплекса профилактических средств, адресованных различным звеньям патогенетической цепи. Правильность такого подхода к построению системы профилактических мероприятий наглядно продемонстрировали полеты экипажей орбитальных станций «Салют» (30, 63, 96, 140, 175, 185 и 211 сут) и «Скайлэб» (28, 59 и 84 сут). Эти полеты подтвердили способность человека существовать и функционировать на современных КА при использовании соответствующих средств профилактики, однако необходимо дальнейшее исследование влияния невесомости на организм человека.

Космическое пространство не является однородной средой с постоянными (хотя бы в среднем) свойствами в каждой своей точке, поэтому конкретные условия полета КА будут зависеть от области пространства, траектории и продолжительности полета.

В общем случае полет КА будет происходить:

вне планеты, когда все необходимое для нормального существования КА и его экипажа должно находиться на его борту;

в условиях глубокого вакуума, что вызывает необходимость подбора и разработки удовлетворяющих этому условию конструкционных материалов и смазок, обеспечения герметичности отсеков КА, разработки особых средств обеспечения теплового режима КА и т. п.;

в условиях невесомости, что исключает нормальный конвективный теплообмен и гидростатическое давление жидкостей, вызывает изменение или нарушение жизненно важных функций человеческого организма;

в условиях метеорной опасности, которая требует разработки конструкции, устойчивой к воздействию метеорных частиц;

в условиях радиационной опасности, обусловленной электромагнитным и корпускулярным излучениями солнечного и галактического происхождения, в связи с чем необходимо обеспечение радиационной защиты экипажа и устойчивых к воздействию радиации материалов и аппаратуры.

Следует отметить, что при увеличении длительности космических полетов как в околоземном пространстве, так и при полетах к другим планетам роль фактора внешних физических условий существенно возрастает.

Кроме рассмотренных выше условий полета в космическом пространстве при разработке КА следует учитывать условия полета на участке выведения на орбиту в составе ракетно-космической системы, а для аппаратов, возвращаемых на Землю, - условия полета на участке спуска в атмосфере и приземления.

Условия полета на участке выведения рассмотрены в книге «Ракеты-носители» - второй книге серии «Ракетно-космический комплекс» (М., Воениздат, 1981), а особенности спуска в атмосфере и приземления - в главах 3 и 9 данной книги.