Мини-корабль с AR и VR-технологиями: все о скафандре «Орлан-МКС»
Что общего между мини-кораблем, «умным» домом и хищной птицей? Всем этим можно описать новый российский скафандр «Орлан-МКС». Он полностью автономен, оснащен системой климат-контроля, почти как в автомобиле, а его внутренняя герметичная оболочка выполнена из высокотехнологичной ткани. Аббревиатура в названии — не отсылка к станции, а буквально ключевые особенности скафандра. Какие именно? Собрали все, что нужно знать о лучшем друге космонавтов.
Грузовой корабль «Прогресс МС-32» отправится к космической станции 11 сентября. Он повезет на борту свыше 2500 килограммов различных грузов, и «Орлан-МКС» №7 среди них всех — особо ценная посылка. Выходной скафандр, разработанный НПП «Звезда», содержит все необходимое для безопасного пребывания и работы за бортом МКС. Учитывая негостеприимные условия открытого космоса, такое устройство действительно становится для космонавтов еще одним кораблем, только в миниатюре.
Зачем космонавту нужен скафандр
В 2007 году на экраны вышел американский научно-фантастический триллер «Пекло» (Sunshine). Действие фильма, режиссером которого выступил Дэнни Бойл, происходит в 2057 году. Человечество на грани вымирания: Солнце неотвратимо угасает, Землю сковал лед. Но у планеты еще есть надежда — космический корабль «Икар-II», экипажу которого нужно выполнить важную миссию: приблизиться к светилу и запустить в него гигантскую бомбу. Именно это, как считают герои, запустит «сердце» звезды.
Особого внимания заслуживает одна сцена. В ней связист Харви, не сумев попасть в стыковочный узел корабля, улетает в открытый космос в поврежденном скафандре. Он моментально замерзает, и его тело рассыпается на кристаллы. А спустя пару минут останки астронавта уничтожаются солнечным ветром.
Насколько это близко к правде? На самом деле у космоса нет температуры. В нем не холодно и не жарко. По сути, космос «никакой». В окружающем пространстве слишком мало вещества, способного передавать тепло, а высокий вакуум — хороший теплоизолятор. Перенос тепловой энергии там происходит лишь за счет излучения. Поэтому если у героя «Пепла» и могли возникнуть проблемы с температурой, то скорее с перегревом, чем с переохлаждением.
Да, в скафандре может быть очень жарко — в открытом космосе он становится своего рода термосом. И главным генератором тепла тут выступает сам человек. Представьте себе: только сидя на стуле, мы выделяем около 70 ватт тепла; при тяжелой работе тепловыделение достигает 450 ватт. Поэтому при активных действиях за пределами станции всего за 15 минут в замкнутом пространстве скафандра можно получить тепловой удар и даже погибнуть.
Однако современные выходные скафандры представляют собой «умные» устройства, которые позволяют космонавтам не просто выживать, но и относительно безопасно работать в условиях, где нормальное существование человека попросту невозможно. Конечно, выходы в открытый космос всегда сопряжены с риском, но скафандры защищают космонавтов от вакуума, поддерживая стабильное давление внутри, радиации и микрометеоритов, а также автоматически регулируют температуру хоть на солнечном свету, хоть в тени Земли.
Так для чего скафандр нужен в первую очередь? Как объясняет главный специалист отдела внекорабельной деятельности РКК «Энергия» Дмитрий Ахмеров, для защиты от отсутствия давления как такового. Атмосфера у поверхности Земли имеет давление 10 в пятой степени паскалей, и состав примерно 21% кислорода, около 78% азота, 0,04% углекислого газа (CO₂), а все остальное — это водяной пар и инертные газы.
«При [нормальном атмосферном] давлении при работе в открытом космосе скафандр бы раздуло настолько сильно, что шарниры и сгибы стали бы слишком жесткими. Сжать и разжать руку было бы просто невозможно, — отметил Ахмеров. — Поэтому в свое время было принято правильное решение, наверное, единственно очевидное на тот момент. Сохраняя парциальное давление кислорода (давление, которое кислород создавал бы в отсутствие других компонентов смеси газов — прим. ред.), просто понизить давление внутри скафандра. Проще говоря, мы имеем 100-процентную кислородную атмосферу внутри скафандра, но при пониженном давлении. Тем самым у нас сохраняется парциальное давление кислорода. В скафандре “Орлан” давление 0,4 атмосферы».
Следующая после защиты от отсутствия давления задача скафандра — обеспечение дыхания. И в большинстве фантастических фильмов здесь делают колоссальную ошибку, замечает Ахмеров. В частности, главным ресурсом скафандра указывается запас кислорода: если он падает, нужно срочно прекращать выход в открытый космос и идти «домой». Но в реальности все не так.
«На самом деле это не главный ресурс. Главный ресурс скафандра для обеспечения жизнедеятельности человека — это удаление углекислого газа. Потому что при повышении концентрации углекислого газа, причем всего на 1-2%, уже начинают идти необратимые физиологические изменения в организме — закисление клеток и так далее. И как раз главный ресурс скафандра — это поглотитель CO₂, который работает на гидроксиде лития», — подчеркнул специалист РКК «Энергия».
Ресурс поглотительного патрона, очищающего кислород в скафандре, составляет 10 часов. В рамках внекорабельной деятельности один час используется для прямого шлюзования — то есть для того, чтобы сбросить давление в шлюзовом отсеке до нуля и выйти в открытый космос. Еще один час уходит на обратное шлюзование — чтобы вернуться на борт МКС и поднять давление в шлюзовом отсеке обратно.
Таким образом, на выполнение внекорабельной деятельности у космонавтов остается восемь часов. Сегодня российские выходы в открытый космос в среднем длятся 6,5 часа, но бывают и рекорды: так, в 2018 году космонавты Александр Мисуркин и Антон Шкаплеров выполняли работы за пределами МКС целых 8 часов 12 минут. И Мисуркин работал в новом скафандре «Орлан-МКС».
История «Орлана-МКС»: потомок лунных скафандров
Скафандры «Орлан-МКС» используются российскими космонавтами на орбитальном комплексе с 2017 года. До них на МКС применялись модели «М» и «МК», хотя «Орлан-М» с 1997-го по 2000-й год успел поработать и на «Мире». А вообще история «Орланов» началась еще в 1960-х, когда в СССР шли работы над лунной программой. Разработать скафандр для суровых условий спутника Земли поручили НПП «Звезда», и у инженеров было два варианта.
Первый — классический мягкий скафандр наподобие «Беркута» (да, в нашей традиции все скафандры имеют «птичьи» названия: это связано с тем, что раньше летать могли только птицы), в котором Алексей Леонов совершил исторический выход в открытый космос. Второй — полужесткий, тогда считавшийся революционным, так как ранец был встроен прямо в корпус скафандра. Остановились на втором варианте: специалисты создали две модели полужестких скафандров — «Орлан» (для работы вне корабля в невесомости) и «Кречет» (для работы на поверхности Луны) и даже провели их испытания. Но полететь на Луну было не суждено: советскую лунную программу свернули.
Впрочем, ценная разработка не пропала даром. Полужесткий корпус «Орлана» стал основой для нового варианта выходного скафандра орбитального базирования, который дебютировал в космосе 20 декабря 1977 года. Тогда космонавты Юрий Романенко и Георгий Гречко вышли за пределы станции «Салют-6» в скафандрах модели «Орлан-Д». Спустя восемь лет на смену пришла модель «Орлан-ДМ», затем — «Орлан-ДМА», а дальше уже упомянутые «М», «МК» и «МКС».
Всего с 1977 по 2025 годы на орбиту доставили 35 скафандров «Орлан» шести модификаций: пять «Орланов-Д», четыре «Орлана-ДМ», десять «Орланов-ДМА», десять «Орланов-М», три «Орлана-МК», три «Орлана-МКС».
При этом на станции «Салют-6» использовались два скафандра, в которых было совершено три выхода, на «Салюте-7» — пять скафандров (13 выходов), на «Мире» — 15 скафандров (78 выходов), на МКС — 12 скафандров (73 выхода). Кроме того, один скафандр применялся на корабле «Шэньчжоу-7» во время первого китайского выхода.
Таким образом, всего скафандры семейства «Орлан» задействовались в 168 выходах. Самый продолжительный из них — 8 часов 12 минут. А в одном из скафандров выполнены рекордные 24 выхода.
Принцип работы скафандра «Орлан-МКС» №7
Сейчас на МКС находятся три экземпляра «Орлана-МКС». Одна из их особенностей в том, что каждый спецкостюм рассчитан на 20 выходов в открытый космос и пять лет работы на борту станции (при условии, что меняются расходуемые элементы). Для сравнения, скафандры прошлой модели — «Орлан-МК» — могли выдержать 15 выходов в открытый космос, а срок их эксплуатации составлял четыре года.
Аббревиатура МКС в названии серии не имеет ничего общего с нашим «космическим домом», хотя это, пожалуй, первое, что приходит на ум. На самом же деле МКС в данном случае — модернизированный, компьютеризированный, синтетический, что отражает ключевые особенности скафандра. У каждого «Орлана-МКС» есть серийный номер — №4, №5, №6. На станцию в ближайшее время прибудет седьмой по номеру, но четвертый по счету — «Орлан-МКС» №7.
Предыдущую, шестую модель доставили на орбитальный комплекс 1 марта 2025 года при помощи грузовика «Прогресс МС-30». От своего предшественника номер седьмой ничем не отличается — ни по «начинке», ни по внешней оболочке. Цель его отправки в космос сугубо практическая: заменить «Орлан-МКС», у которого вышел ресурс, новым, точно таким же скафандром, пояснил Дмитрий Ахмеров.
«Отличительная особенность “Орлана-МКС” от того же “Орлана-МК” заключается в том, что его внутренняя герметичная оболочка выполнена из полиуретана, а не из резины, как у предыдущих версий. И система терморегулирования внутри скафандра имеет автоматическую функцию. Задается определенный диапазон температур, при котором в костюме водяного охлаждения вода делается либо похолоднее, либо потеплее автоматом, а не вручную. Тем самым чуть меньше нагрузка на экипаж: в процессе выхода в открытый космос ему не нужно самому регулировать температуру. Но ручной режим тоже там имеется», — подчеркнул собеседник Pro Космоса.
Система автоматического терморегулирования действительно является одной из главных «фишек» скафандра «Орлан-МКС». С помощью костюма водяного охлаждения — такого комбинезона синего или черного цвета, который космонавты надевают под скафандр — она охлаждает или нагревает тело, словно система климат-контроля в салоне автомобиля, учитывая нагрузку, температуру тела и уровень кислорода.
В костюм вшит лабиринт тонких гибких трубочек, по которым под действием насосов бежит вода. Забирая лишнее тепло от тела, она передает его в теплообменник с выходящим наружу «сублиматором» — «губчатым» цилиндром, находящийся в задней стенке скафандра. Текущая воды разделена на два потока, один проходит через сублиматор и охлаждается, другой остаётся тёплым. Часть воды, забираемая из внутреннего бачка, испаряясь в вакууме, уносит лишнее тепло с собой.
К слову, именно по цвету костюма водяного охлаждения можно отличить скафандры «Орлан-МКС» №6 и №7 от предыдущих моделей. Он черный, а не синий. Отличается по цвету и ткань внешней оболочки — у последних «Орланов-МКС» она более светлая, почти белая. Полиуретан, из которого она сделана, повышает надежность, но при этом сами скафандры довольно «гибкие». «Орлан-МКС» можно подогнать почти под любой рост — от 165 до 190 сантиметров: его рукава и штанины регулируются.
Новый российский скафандр получит с экзоскелет: подробности
Кстати, если присмотреться к рукавам, то можно заметить зеркало, прикрепленное к резиновому ободку. Оно там не для красоты. «Так как скафандр имеет полужесткую конструкцию, то посмотреть вниз на область своей грудной клетки и ниже ты не можешь. А все органы управления как раз расположены в зоне грудной клетки. И вот для того, чтобы можно было четко увидеть тот или иной орган управления, с которым ты взаимодействуешь, используется зеркало. То есть одной рукой смотришь, а второй — работаешь», — объяснил Дмитрий Ахмеров.
Весит «Орлан-МКС» немало — 112 килограммов. Большую часть массы составляют системы обеспечения жизнедеятельности: они спрятаны в ранце, который охватывает скафандр со стороны «спины». Ранец — не просто место для хранения полезного оборудования, а еще и «входная дверь». «Орлан-МКС» не надевают, как одежду, в него заходят — сначала втискивают ноги, потом руки и голову, а затем специальным механизмом закрывают ранец-люк. После этого скафандр проверяют на герметичность — и можно начинать внекорабельную деятельность.
На сегодняшний день «Орлан-МКС» — самый надежный и безопасный скафандр для работы в открытом космосе, это подтверждают и космонавты. Все данные о состоянии систем, уровне их заряда, температуре, давлении и герметичности находятся у них прямо перед глазами — автомат выводит информацию на жидкокристаллический дисплей отечественной разработки. В случае сбоя космонавт сразу об этом узнает: на дисплее всплывет сообщение со звуковым сигналом. Космонавты заслужили славу бесстрашных людей.
Как VR-технологии помогают космонавтам не заблудиться на МКС
Впрочем, успех внекорабельной деятельности на МКС зависит не только от скафандра и профессионализма космонавтов. Все начинается еще на Земле, где специалисты РКК «Энергия» проводят имитационное моделирование выхода в открытый космос с помощью экосистемы «Одиссей». Это программное обеспечение, предназначенное для точного планирования внекорабельной деятельности, формирования циклограммы, построения маршрутов экипажа и правильной отработки тех или иных операций.
В ПО «Одиссей» внедрена технология виртуальной реальности, которая позволяет сделать то, что невозможно ни в гидролаборатории, ни где бы то ни было еще на земле. Надев шлем виртуальной реальности, можно от первого лица с видом из скафандра оценить МКС в полном объеме. Наш главный космический дом — это самый крупный объект, созданный человечеством на орбите, и на Земле воссоздать его в том виде, в котором он летает в космосе, крайне проблематично. А в виртуальной среде возможно.
Программное обеспечение полностью симулирует всю светотеневую обстановку при заданных параметрах орбиты: это нужно для планирования циклограммы, так как во время ВКД ряд операций должны строго выполняться на солнце (в тени экипаж, как правило, отдыхает). И «Одиссей» помогает все собрать воедино.
«В программном обеспечении есть система квазиискусственного интеллекта — планировщик, который от набора задач, анализируя геометрию станции, габаритную проходимость и трудозатраты на выполнение той или иной операции, выдает рекомендации по последовательности операций и конкретному маршруту — проходу по модулям МКС, — объясняет Дмитрий Ахмеров. — Снаружи вся станция состоит из элементов конструкции, за которые можно зацепиться скафандром, и имитационное моделирование позволяет достаточно быстро и оперативно оценить, где идти, грубо говоря, “дешевле”, а где — “дороже”».
Софт выдает оптимальный маршрут и набор операций, которые потом формируются в циклограмму. По этой циклограмме идет подготовка экипажа и по ней же проводится выход в открытый космос. В режиме реального времени софт также позволяет вести сопровождение: загружается чек-лист и идет контроль выполнения операций, кроме того, циклограмма подстраивается под текущую временную обстановку. «Если экипаж что-то выполняет быстрее, что-то медленнее, то циклограмма, следовательно, автоматом растягивается или сжимается», — пояснил собеседник Pro Космоса.
Кроме того, благодаря VR-технологии инженеры могут видеть поле зрения космонавта, которое соответствует реальной обстановке во время выхода. По словам Ахмерова, мало кто задумывается о том, что у скафандра сферический визор, а когда космонавты отрабатывают те же самые операции в гидросреде, опускаясь под воду в снаряжении, происходит оптическое преломление на границе сред. Получается «рыбий глаз»: поле зрения в разы больше, чем оно будет на МКС.
«Я уже 18-й год занимаюсь внекорабельной деятельностью, — рассказывает Ахмеров, — и мне все это время было непонятно, как у нас экипаж может заблудиться на станции, не понимая, куда идти. Бывали такие случаи, когда экипаж спрашивал помощи Земли: где я нахожусь, в какую сторону мне идти? Я не понимал, как такое возможно. И вот я, как разработчик этого софта, знающий всю станцию наизусть, надел VR-шлем и… заблудился, — признался Ахмеров. — Я не понимал, где какой модуль. Потому что очень ограниченное поле зрения, и расположение относительно станции такое, что ты далеко не всегда можешь четко сориентироваться. Поэтому такие тренировки с имитацией условий МКС и орбиты помогают в отработке этих навыков».
VR-шлем и метавселенная: как NASA изучает будущую окололунную станцию Gateway
Дополненная реальность прямо в скафандрах
Сейчас специалисты отслеживают выполнение операций во время ВКД по докладу экипажа и трансляции с камер на скафандрах, но в будущем они хотят получать более детальную информацию о расположении экипажа на МКС. В частности, сделать так, чтобы на 3D-модели станции отображалось, где в данный момент времени находится скафандр №1 и скафандр №2. Эта система получит название «Прометей», и ее второй задачей станет вывод справочной информации космонавтам в режиме реального времени — так называемой дополненной реальности.
«Это набор видеокамер, устанавливаемых поверх скафандра, вычислительный блок с системой искусственного интеллекта на базе процессоров Nvidia. Комбинация видеопотока с этих камер позволит нам сформировать панораму 270 на 270 градусов и транслировать на Землю в режиме реального времени красивую картинку, которая потом будет прямо в этом скафандре анализироваться. “Прометей” распознает все объекты, которые есть в поле зрения, вычислит расстояние, углы и фактически координаты скафандра. Эта координата затем будет сбрасываться на Землю и загружаться в наше программное обеспечение “Одиссей”. Прямо как во всех фильмах про шпионов, когда мы на отображающейся 3D-картинке видим, где находится тот или иной персонаж», — объяснил главный специалист отдела внекорабельной деятельности «Энергии».
Однако выводить эту справочную информацию космонавтам будут не как в модных фантастических фильмах — когда сведения проецируются на остекление скафандра. Это влечет за собой дополнительные вычислительные нагрузки: трассировка зрачков, совпадение проекции с реальным изображением, чтобы все правильно отображалось на зрачок. Плюс это потребует изменения конструкции скафандра. В действительности идея намного проще и эффективнее.
«Мы просто делаем лазерный проектор, который непосредственно на саму станцию будет проецировать эту справочную информацию. Стрелку, обведение контуров того или иного объекта, с которыми экипаж должен взаимодействовать, последовательность задач. Самый простой пример дополненной реальности на Земле — лазерная указка. Лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать. Просто ткнуть в конкретную зону, где ты должен работать. С учетом того, что мы работаем в условиях повышенной освещенности на дневном участке орбиты, то светить такой проектор должен достаточно ярко. Поэтому делается как раз именно лазерный проектор, который обеспечивает читабельность этой информации и ее вывод с правильными фокусировкой и распределением световых потоков», — резюмировал Ахмеров.
Космонавты заслужили славу бесстрашных людей, но у них есть и свои страхи. Например, оказаться в открытом космосе без страховки. Рассказали, что еще пугает отважных.
