Моделирование пребывания человека в космосе заключается в имитации условий космического полета в лабораториях на Земле. Подобное моделирование началось еще в 1967г. в СССР, когда в преддверии длительных космических полетов встала необходимость решения следующих вопросов:
— Чем питаться космонавтам?
— Что пить?
— Сколько нужно взять с собой продуктов и воды?
— Как создать оптимальную систему жизнеобеспечения?
Моделирование условий космического полета применяется для изучения воздействия на организм космонавта факторов длительного полета в замкнутом пространстве, а также для решения диагностических задач медицинского контроля и прогнозирования реакции космонавтов. Кроме этого, прогнозируется и проверяется экспериментально психологическая совместимость экипажа.
При моделировании условий космического полета отрабатываются системы регенерации воздуха и воды, терморегулирования и кондиционирования, и создаются условия, адекватные потребностям организма космонавтов. По мере увеличения длительности полетов (орбитальные станции), увеличивается сложность и длительность экспериментов по моделированию условий полета.
В 1967г. в «Земном звездолете» целый год проработали испытатели: Г. Мановцев, Б. Улыбышев, А. Божко. Наибольшую часть в программе эксперимента занимали клинико-физиологические наблюдения и исследования. Именно они должны были дать ответ на вопрос — смогут ли созданные системы жизнеобеспечения успешно функционировать в течение столь длительного срока, и насколько они безопасны и эффективны. Подобный эксперимент был осуществлен в нашей стране впервые в мире и успешно завершен 5 ноября 1968г.
Одной из главных проблем длительного космического полета является психологическая совместимость членов экипажа. В период годичного пребывания в «Земном звездолете» врача Г.А. Мановцева, биолога А.Н. Божко и техника Б. Улыбышева был проведен эксперимент «Гомеостат» для изучения совместимости. Эксперимент проводился на установке, имеющей 3 душевые кабины. Горячая вода и холодная подавались одновременно во все кабины, но общий режим работы душа зависел от включения всех кранов. Если человек не предъявлял особых претензий и не пытался создать комфортный режим мытья лишь себе, то регулировка системы проходила быстро, и мытье шло без осложнений. Но если в душевую попадал человек, стремящийся создать себе наилучший режим, он быстро обделял остальных, т.е. в двух других кабинах начинала литься только холодная вода.
С помощью подобной установки (естественно модернизированной) стало возможным сравнивать одни группы с другими, определять, кто берет на себя функцию лидера, и добиваться повышения совместимости экипажа.
Удачное завершение годового эксперимента дало ценнейший материал, без которого, вряд ли, были бы возможны будущие длительные полеты на орбитальных станциях «Салют» и «Мир». В июле 1999г. в Москве, в Институте медико-биологических проблем начался эксперимент «Сфинкс-99» по имитации условий работы интернациональных экипажей в «Звездном доме». «Звездный дом» представляет собой комплекс герметичных барокамер с искусственной средой обитания. Здесь два блока – «Мир» объемом в сто кубических метров и «Марсолет», который в два раза больше. В эксперименте принимают участие сразу 8 стран и 4 космических агентства. В рамках эксперимента «Звездный дом» испытатели должны опробовать новые методы и средства, а также новые образцы медико-биологической аппаратуры и специального оборудования, в основном предназначенного для улучшения контроля самочувствия будущих космонавтов. Особое внимание уделяется вопросам психологической совместимости членов экипажа, принадлежащих к разным национальностям. Все космонавты проходили испытания в тишине сурдокамеры. Срок пребывания в сурдокамере около 5 суток. Сурдокамера представляет собой звукоизолированное помещение площадью около 12 кв. м с высотой потолка чуть больше 2 м. По углам расположены видеокамеры. В течение первых трех суток испытуемому не давали специальных заданий, в связи с чем он испытывал значительное нервное напряжение. Затем будущий космонавт трое суток проводит без сна. В это время он должен выполнить ряд специальных заданий. Например, ему дают таблицу, где вперемешку написаны красные и черные числа. Задача испытуемого – как можно быстрее распределить черные числа по возрастающей, а красные — по убывающей.
В блоках «Мир» и «Марсолет» моделируются практически все условия космического полета, за исключением невесомости: газовый состав и давление атмосферы, температура и влажность, уровень шума. Моделирование невесомости на земле проводилось двумя методами. Гипокинезия – длительное пребывание в лежачем состоянии с наклоном тела головой вниз – 6 градусов и иммерсия – длительное пребывание в воде. Наиболее длительные иммерсионные испытания провел С.Нефедов – они начинались с 10-часовых экспериментов, дошли до 8 суток, а потом до 56. Однако это было еще не все. После моделирования невесомости необходимо было смоделировать перегрузки при возвращении на Землю. Поэтому сразу после иммерсии испытателя направляли на центрифугу. Для космонавтов предельная норма вращения на центрифуге 8 g — две минуты. Нефедов «восьмерку» откатал 17 минут. Общение с внешним миром, т.е. радиопереговоры, соответствуют режиму и длительности реальных сеансов связи во время космического полета. Согласно программе эксперимента, интернациональные экипажи должны сменяться каждые 110 дней. В блоке «Мир» отрабатывались отдельные аспекты подготовки экипажей для будущих работ на международной космической станции «Альфа». Блок «Марсолет» используется для подготовки будущих пилотируемых полетов на Марс.
22 марта 2000г. в Москве в институте медико-биологических проблем завершен очередной этап международного эксперимента по моделированию условий пребывания на международной космической станции «Сфинкс-99». Третий основной экипаж наземной «Станции» в составе командира экипажа австрийца Норберта Крафта, членов экипажа канадки Джудит Лапиер, россиянина Дмитрия Геннадиевича Саенко и японца Масатаки Умеды проработал в условиях полной изоляции с 1 октября 1999г.
К этому можно добавить, что в экспериментах по моделированию жизнедеятельности в космосе в свое время принимали участие и космопсихологи. Вот что пишется в книге «Тайны ХХ века» (М.: СП «Вся Москва», 1990г): «Не так давно московские космопсихологи «отправили» в полуторамесячный вояж группу испытуемых. Оказалось, что, как ни удивительно, процессы биохимических изменений крови и тканей организма шли у них в полном соответствии с данными, уже известными по реальным длительным космическим полетам. В частности, интенсивно вымывался кальций из организма. Вдумайтесь в этот факт! Реально сила тяжести никуда не исчезала, но мозг осуществлял программу поведения организма в состоянии длительной невесомости».
Весь путь научного познания связан с процессом моделирования и экспериментирования. Моделирование процесса жизнедеятельности человека в космическом полете можно рассматривать как крошечный шаг в направлении решения проблемы существования цивилизации. При любом космическом полете, начиная с Ю.Гагарина и кончая сегодняшними экспедициями на МКС, прежде всего, определяется срок полета, исходя из ресурсов жизнеобеспечения – питания, воздуха, воды и т.д. А если эту проблему проэкстрополировать? Вот как об этом писал наш известный ученый И. Шкловский: «Если представить себе некий воображаемый космический корабль, экипаж которого улетел в далекий звездный рейс, рассчитанный на многие годы, то каждый поймет, что члены этого экипажа должны с величайшей бережливостью и благоразумием относиться к своим крайне ограниченным ресурсам кислорода, питания, топлива и пр. Сознание мыслящих людей должно все больше и больше проникаться мыслью, что наша Земля очень большой космический корабль, который почти пять миллиардов лет путешествует в глубинах крайне «негостеприимной» для жизни Вселенной. Этот (космический корабль) весьма удобно вышел на стационарную, почти круговую орбиту вокруг устойчиво излучающего желтого карлика и использует его энергию… Но как бы ни были велики ресурсы этого огромного космического корабля – они все же ограничены. И его экипаж (т.е. мы, земляне) должны об этом постоянно помнить».
В конце 80-х годов ученые всего мира («Римский клуб») попытались примерно оценить все ресурсы Земли, которые необходимо расходуются в процессе технологического развития человечества. При этом значение известных ресурсов было увеличено в пять раз в предположении их будущего открытия. Время исчерпания ресурсов было вычислено для основных компонентов Земли. Нефти и газа около 50-ти лет, железа около 170-ти лет, угля около 150-ти лет, алюминия и меди около 55 лет. К этому надо добавить прогрессирующее загрязнение среды обитания, которое ведет к уменьшению кислорода в атмосфере и воде. Было рассмотрено несколько моделей дальнейшего развития человеческого общества. В результате этого анализа было выдвинуто предложение — с целью сокращения катастрофической ситуации, ведущей к «коллапсу» цивилизации, пересмотреть ход дальнейшего технологического развития. На этом примере рассмотрения маленькой модели (несколько человек в ограниченном пространстве) и вероятностной модели экологического развития цивилизации хорошо видно, что основные принципы и подходы остаются одинаковыми. Поэтому трудно переоценить значение первых экспериментов по моделированию поведения людей в замкнутом пространстве, которые были проведены в СССР, а затем и других странах.
Но всегда необходимо помнить, что модель не адекватна реальности в каждом конкретном случае. Она похожа на среднюю величину, зная которую нельзя предсказать значение конкретного результата. Классическим примером можно считать пример с катастрофой шаттла «Колумбия», при старте которого16 января 2003г. фотокамерами был зафиксирован отрыв куска теплозащитного покрытия ускорителя и соударение его с крылом шаттла. В НАСА было проведено компьютерное моделирование возможных последствий, которое не выявило никакой угрозы для корабля и космонавтов. Расчеты велись на основании модели, созданной за десять лет до этого специалистами Юго-западного научно исследовательского института. Никто не мог даже представить, что эта модель не учитывает многих событий, которые могли бы произойти при старте корабля. Вероятность их была слишком мала, но они все же случились. Обломок теплоизоляционного покрытия, сорвавшийся с внешнего топливного бака, со скоростью несколько сот километров в час ударил по кромке левого крыла шаттла, образовав в обшивке дыру в полметра. Причем угол, под которым произошло соударение пены и корабля, лежал в тех пределах, которые не учитывались компьютерной моделью, и, следовательно, сделанный на ее основании прогноз был далек от истинного положения вещей.
Каюта модуля
В середине 2006г. Роскосмос распространил информацию о проведении работ по подготовке эксперимента по моделированию пилотируемого полета на Марс – «Марс-500», который планировалось начать в конце 2007г. В модуле, изготовленном из нержавеющей стали и выполненном в виде герметичного горизонтально расположенного цилиндра, составленного из 24 кольцевых секций, соединенных между собой сварочным соединением. В состав внутреннего интерьера модуля входят: каюты командира и экипажа, кают-компания, кухня, главный пульт, санузел, коридор. На начало 2007г. было отобрано 5 кандидатов, которые в течение 500 суток смогут общаться с внешним миром только с помощью SMS связи.
В рамках проекта «Марс-500» в Институте медико-биологических проблем РАН с 15 ноября по 29 ноября 2007г. проводился эксперимент. Целью двухнедельного эксперимента являлась проверка соответствия технических и эксплуатационных характеристик модулей и их систем требованиям разработанной технической, эксплуатационной документации в условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации. Эксперимент проводился в двух модулях медико-технического комплекса — ЭУ-150 (жилой модуль объемом 150 куб м) и ЭУ-100 (медицинский модуль объемом 100 куб. м). В ходе эксперимента экипаж жил и работал в этих полностью изолированных модулях. В эксперименте испытывались вновь разработанные системы жизнеобеспечения, контроля и управления, информационного обеспечения, локальная телемедицинская сеть. Экипаж успешно справился с возложенными на него задачами. В течение 14 дней была проведена оценка модулей и их систем с точки зрения их пригодности к проведению более длительных экспериментов, являющихся составной частью программы Марс-500. Экипаж провел двухнедельный технологический эксперимент с участием шести испытателей.
Экипаж «Марса-500»: Сергей Рязанский, Антон Артамонов, Александр Ковалев, Марина Тугушева, Дмитрий Перфилов и Олег Артемьев
В истории космонавтики не уделено должного внимания инженерам-испытателям, которые вынесли на себе, жертвуя своим здоровьем, а порой и жизнью, все тяготы испытаний при подготовке к полетам наших космонавтов.
В 2006г. в издательстве «Яуза» «ЭКСМО», М. вышла книга А. Железнякова «Секретный космос. Мифы и фантомы на орбите». В этой книге приведен рассказ одного из наших первых и наиболее известных испытателей Сергея Борисовича Нефедова. «Больше двадцати лет был основным испытателем космической техники. На мне впервые отрабатывали и испытывали системы жизнеобеспечения космонавтов, средства спасения, которые были на борту кораблей «Восток», «Восход» и «Союз». Я первым ходил в невесомость – тогда только-только была создана лаборатория для тренировок космонавтов. Потом на меня первого шили скафандр – предшественник того, в котором летал Юра Гагарин. Но как его шили. Приехал я на завод, меня всего начали обматывать гипсом – статую, говорят, будем делать. И действительно сделали по форме тела статую и по этой статуе шли скафандр. Тогда много чего было неизвестно. Поэтому считалось: скафандр надо шить точно по телу. Тогда же я познакомился с Сергеем Павловичем Королевым. Первый эксперимент у меня был – пять суток просидеть в скафандре в корабле «Восток». Выясняли, можно ли управлять кораблем в скафандре, как работают регенерационные системы, как обеспечивается подача воздуха. Не знали даже, как пить, как поесть, как в туалет сходить в корабле. Закончил, поставили задачу посерьезней – отсидеть 5 суток. Причем не просто так. Королев предупредил: «Сережа, будем создавать аварийные условия, экстремальные». И начали. Сначала дали в корабле температуру минус 60 – вроде как отказ системы, и нужно понять, защитит ли тебя скафандр, сможешь ли управлять кораблем. Выдержал трое суток. Потом имитировали разгерметизацию кабины. Семь суток я прожил на высоте 50 километров над землей в разгерметизированной капсуле. А уже прямо перед полетом Гагарина, в конце января, посадили меня на зачетный эксперимент. Месяц прожить в корабле «Восток». Необходимо было проработать все ситуации, которые могли возникнуть в полете. Отказ двигательной системы мог произойти, когда корабль не удастся вернуть назад? Мог. Программа была сложнейшая. И разгерметизация, и перепады температур, и отказ регенерационной системы, и ремонт ее. При этом я должен был управлять кораблем, выполнять психотесты. Когда вышел, выяснилось, тринадцать килограммов потерял. И еще одна проблема была. Датчики медицинские тогда к телу приклеивали. За месяц на месте, где их крепили, язвы образовывались. Когда сняли скафандр, кожа отваливалась вместе с датчиками. Корабль, в котором проходил мой зачетный эксперимент, назвался «Восток-0». Все свои замечания и ощущения я записал в бортовой журнал, который потом передал Гагарину».