Теперь перейдем к физиологической классификации зон. Летчики и космонавты поднимаются на большие высоты в специальных герметических кабинах, изолирующих организм человека от окружающей среды. Почему человек не может существовать на большой высоте вне такой кабины? Какая высота является предельной для человека и почему?
Атмосфера снабжает нас необходимым для дыхания кислородом. Однако это одна из наиболее важных функций атмосферы очень быстро ослабевает по мере подъема на высоту. Уже на высоте 5 км над уровнем моря у нетренированного человека появляется кислородное голодание, и без надлежащей акклиматизации работоспособность человека значительно снижается. Здесь кончается так называемая физиологическая зона атмосферы. Дыхание человека становится невозможным на высоте 15 км, хотя примерно до 115 км атмосфера содержит молекулы кислорода, вполне пригодные для дыхания. Это объясняется значительным уменьшением внешнего барометрического давления. Поясним это. Из физиологии известно, что в легких человека постоянно содержится около 3 л так называемого альвеолярного воздуха. Давление кислорода в этом объеме при нормальных условиях составляет 110 мм рт. ст., давление углекислого газа — 40 мм рт. ст., а паров воды — 47 мм рт. ст. С увеличением высоты давление кислорода падает, а суммарное давление паров воды и углекислоты в легких остается постоянным — 87 мм рт. ст. Поступление кислорода в легкие полностью прекратится, когда давление окружающего воздуха станет равным этой величине. Это происходит при достижении высоты 15 км.
На высоте около 19 км давление снижается до 47 мм рт. ст. Поэтому здесь начнется кипение воды и межтканевой жидкости в организме человека. Вне герметической кабины на этих высотах смерть наступит почти мгновенно.
Таким образом, с точки зрения физиологии человека космос начинается уже на высоте 19 км.
В современной авиации большое распространение получили герметические кабины с наддувом внешним атмосферным воздухом. Но такой тип кабины практически пригоден лишь для полетов на высотах ниже 30 км. На больших высотах для сжатия сильно разреженного воздуха требуется очень большая мощность компрессора. Кроме того, при сжатии такого разреженного воздуха температура его растет настолько интенсивно, что требуется дополнительное охлаждение воздуха. Поэтому в космических полетах используется принципиально новый тип кабины для пилота — полностью герметизированная и наддуваемая изнутри.
Однако для поддержания жизнедеятельности человека внутри герметической кабины совершенно недостаточно иметь лишь атмосферное давление воздуха и нужное количество кислорода. Внутри космического корабля должен поддерживаться такой климат, к которому человек привык на Земле, т. е. определенный диапазон изменения влажности и температуры воздуха.
Такой искусственно созданный и автоматически поддерживаемый климат был в кабинах советских космических кораблей. Напомним, что в кабине корабля «Восток-5» состав воздуха, давление, влажность и температура поддерживались в заданных пределах почти пять суток. Таким же и даже более высоким требованиям будут удовлетворять рабочие и жилые отсеки ОКС, в которых помещения для экипажа будут намного больше по объему, а время поддержания нормального для человека климата возрастет во много раз.
Физиологическая классификация зон указывает и на то, что на высотах более 36 км интенсивно действует ионизирующая радиация — первичные космические лучи, на высотах более 40 км действует опасная для человека ультрафиолетовая часть солнечного спектра и на высотах более 120 км — интенсивные метеорные потоки.
Можно представить себе любую другую классификацию зон околоземного пространства. Следует лишь оговориться, что каждая из этих классификаций, как и предыдущие, является условной и неокончательной. В частности, можно рассматривать техническую классификацию зон атмосферы.
По мере подъема на все большую высоту над поверхностью Земли постепенно ослабляются, а затем и полностью исчезают такие привычные всем явления, наблюдаемые в нижних слоях атмосферы, как распространение звука, возникновение подъемной силы и сопротивления, передача тепла конвекцией и др.
В верхних, разреженных слоях воздуха, где длина свободного пробега частиц становится соизмеримой с длиной волны звуковых колебаний, распространение звука оказывается невозможным. До высот порядка 60–90 км еще возможно использование сопротивления и подъемной силы воздуха для управляемого аэродинамического полета. Но начиная с высот 100–130 км знакомые каждому летчику понятия числа М и «звукового барьера» теряют свой смысл, хотя при больших скоростях полета там еще можно применить аэродинамическое крыло. На высотах же 180–200 км начинается сфера чисто баллистического полета, управлять которым можно лишь используя реактивные силы. Если при таком полете развивается центробежная сила, равная силе тяжести на данной высоте, то наступает состояние так называемой динамической невесомости и летательный аппарат становится искусственным спутником Земли.
На высотах выше 100 км атмосфера лишена и другого замечательного свойства — способности поглощать, проводить и передавать тепловую энергию обычной конвекцией. Это означает, что различные элементы оборудования аппаратуры ОКС не смогут охлаждаться так, как это делается обычно на самолете, — с помощью воздушных струй и воздушных радиаторов. На такой высоте, как и вообще в космосе, единственным способом передачи тепла является радиационное излучение. Известно, что полет с большой скоростью в нижних слоях атмосферы связан с очень сильным конвективным нагревом носовой части и обшивки летательного аппарата, возникающим в результате трения о молекулы воздуха. При полете же на высотах 130–160 км нагрев обшивки от трения о воздух становится ничтожно малым.
Итак, где же, начинается собственно космос — свободное межпланетное пространство в «чистом» виде?
Едва ли на этот вопрос можно ответить вполне определенно. На схеме рис. 22 показаны все три рассмотренные нами классификации зон околоземного пространства — физическая, физиологическая и техническая. Интересно, что при подъеме на высоту особенно быстро начинается космос для физиологов — с высоты 19 и даже 15 км. Правда, на этих высотах проявляются лишь отдельные свойства космической среды. Поэтому зону от 19 до 200 км физиологи считают частично эквивалентной космосу.
Конечно, и выше 200 км космос все же отличается от межпланетного пространства, так как еще сказывается влияние близости Земли. Радиационные пояса Земли распространяются на многие десятки тысяч, а гравитационные и магнитные поля — на многие сотни тысяч километров.
Рис. 22. Классификация зон околоземного пространства
Радиация. Пожалуй, одной из самых больших опасностей, подстерегающих человека в космосе, является воздействие космической радиации. Еще не ясны до конца размеры этой опасности, но уже очевидна: необходимость в мощной антирадиационной защите для экипажа ОКС, тем более что вредное влияние радиации на организм обладает свойством накапливаемости и может проявиться через несколько лет или передаться по наследству.
С биологическим действием ионизирующей радиации: люди впервые столкнулись более полувека назад после открытия естественной радиоактивности. Однако серьезным изучением влияния радиации на живые организмы ученые занялись лишь в недавнее время в связи с бурным развитием атомной техники.
Предельно допустимая доза облучения для человека не должна превышать 0,3 рентгена в неделю или 15 рентген в год. Предельной для человека дозой при кратковременном облучении считают 600 рентген. В связи с необходимостью длительного пребывания человека на борту ОКС или в далеком космосе ученые ищут эффективные средства защиты от ионизирующей радиации. Такой защитой, возможно, будут специальные экраны — поглотители и отражатели космических частиц. Ученые ведут также усиленные поиски специальных препаратов, способных в случаях сильного облучения предотвратить или хотя бы задержать развитие лучевой болезни.
При проектировании ОКС будет учитываться влияние космической радиации не только на организм человека, но и на материалы конструкции и оборудование. Исследования показали, что радиация почти не действует на металлы, но в условиях вакуума способна вызывать деполимеризацию пластмасс, нарушающую их структуру. Процесс деполимеризации сопровождается обычно выделением газа, обесцвечиванием, повышением хрупкости и электропроводности, уменьшением сцепляемости частиц пластических материалов.
Известную опасность радиация представляет и для полупроводниковых приборов — транзисторов.
