Текст
                    ППТ ВООРУЖЕНИЕ
DD I И ВОЕННАЯ ТЕХНИКА

Редколлегия А. А. Александров (председатель, научный редактор серии), академик РАРАН, д-р техн, наук, профессор В. Т. Калугин (зам. председателя), д-р техн, наук, профессор И.В. Бармин, чл.-корр. РАН, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн, наук, профессор А.Б. Борзов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн, наук, профессор В.В. Зеленцов, чл.-корр. РАРАН, канд. техн, наук, доцент В.Н. Зимин, д-р техн, наук, ст. науч, сотрудник В.М. Кашин, чл.-корр. РАН, академик РАРАН, д-р техн, наук, профессор С.В. Коршунов, канд. техн, наук, доцент Г.0. Когпиев, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн, наук, профессор Г.А. Кувыркин, д-р техн, наук, профессор А.Г. Леонов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн, наук А.Г. Лесков, д-р техн, наук, ст. науч, сотрудник В.Н. Наумов, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн, наук, профессор С.Н. Резник, д-р техн, наук, профессор В.В. Селиванов, академик РАРАН, заслуженный деятель науки РФ, д-р техн, наук, профессор В.А. Тарасов, чл.-корр. РАРАН, д-р техн, наук, профессор С.В. Ладов (отв. секретарь), канд. техн, наук, доцент
основы компоновки БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Под редакцией Г.А. Щеглова Допущено Федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненной группе специальностей и направле- ний подготовки 24.00.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника» в качестве учебного пособия для лиц (студентов, аспирантов, адъюнктов), обучающихся по основным образовательным программам высшего обра- зования по специальности 24.05.01 «Проектирование, производство и экс- плуатация ракет и ракетно-космических комплексов», по специализациям «Аэрокосмические ракетные системы» и «Пилотируемые и автоматические космические аппараты» МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА 2020
УДК 629.786.2 ББК 39.62я7 0-75 Авторы: А. В. Туманову В.В. Зеленцову Н.Л. Павлову Г. А. Щеглов Рецензенты'. кафедры «Космические системы и ракетостроение» (зав. кафедрой чл.-корр. РАН, д-р техн, наук, проф. О.М. Алифанов) и «Системы обеспечения жизнедеятельности и защиты ракетно-космических комплексов» (зав. кафедрой канд. техн, науку доцент В.С. Пичулин) Московского авиационного института (национального исследовательского университета); советник президента ПАО РКК «Энергия» имени С.П. Королёва, канд. техн, наук, доцент А.П. Александров Основы компоновки бортового оборудования пилотируемых кос- 0-75 мических аппаратов : учебное пособие / [А. В. Туманов и др.] ; под ред. Г. А. Щеглова. — Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. — 755, [5] с.: ил. — (Серия «Вооружение и военная техника»). ISBN 978-5-7038-5134-0 Приведены основные сведения и изложены исходные данные, необхо- димые для проведения компоновки бортового оборудования пилотируемых космических аппаратов. Большое внимание уделено вопросам простран- ственной организации пилотируемых аппаратов в контексте человеческой культуры, приведены основные сведения о компоновке транспортных ко- раблей и орбитальных станций. Указаны критерии внешней и внутренней компоновки бортового оборудования, необходимого для осуществления космического полета. Приведены основные критерии качества выполнен- ной компоновки и обширный справочный материал по целевому оборудо- ванию и обеспечивающим системам. Содержание учебного пособия соответствует учебной программе и курсу лекций, которые авторы читают в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направле- нию подготовки 24.05.01 «Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов». УДК 629.786.2 ББК 39.62я7 ISBN 978-5-7038-5134-0 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020
ПРЕДИСЛОВИЕ Развитие пилотируемой космонавтики ставит перед вузами задачу подготовки специалистов, обладающих комплексом универсальных компетенций по ком- поновке космических аппаратов с человеком на борту. До настоящего времени эти вопросы освещались в отдельных изданиях, посвященных, как правило, разработке той или иной системы. Данное учебное пособие подгтовлено как комплексное для обеспечения учебных курсов «Проектирование орбитальных станций» и «Проектирование двухсредных летательных аппаратов», читаемых на кафедре «Аэрокосмические системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана, основанной Генеральным конструктором ракетно-космической техники, академиком В.Н. Челомеем — создателем уникальных систем вооружения и военной техники, в том числе пилотируемой орбитальной станции «Алмаз». Созданная для решения военных задач, эта станция стала основой для отечественных пилотируемых научных орбитальных станций «Салют» и «Мир», а также Международной космической станции. Цель, которую должен достичь студент после изучения этого учебного пособия, — освоение общих принципов, основных положений и базовых методов формирования внешнего вида пилотируемого космического аппарата, а также базовых критериев и принципов, применяемых при создании компоновки бортового оборудования, предназначенного специально для аппаратов такого класса. Задача учебного пособия — предоставить студенту учебный материал, способствующий овладению: • базовыми знаниями об особенностях жизни и деятельности челове- ка в условиях космического полета, о гуманитарных аспектах организации обитаемого пространства, существующих и перспективных компоновочных решениях, об основах устройства и технических характеристиках элементов бортового оборудования; • методами сбора информации, необходимой для выполнения компо- новки, из различных источников с использованием современных компьютер- ных информационно-телекоммуникационных технологий, а также методами анализа компоновочных решений по приведенным в пособии критериям; • начальным уровнем практических навыков выполнения различных видов компоновки пилотируемых космических аппаратов и комплексов. Компоновка космического аппарата — не формализуемый процесс. Здесь велика роль творческих идей, которые воплощаются в проектные решения. В процессе изучения основ компоновки, как и других творческих дисциплин, очень важно и полезно рассматривать различные примеры.
6 Предисловие Для помощи студентам при курсовом и дипломном проектировании в издании представлено достаточно много различных проектов пилотируемых космических аппаратов. Причем приведены не только успешно реализованные и реализуемые в настоящее время проекты космических апаратов, но и нереализованные концепции и идеи. Это сделано намеренно, поскольку многие идеи, «отлежавшись», оказываются актуальными или служат основой для новых проектов. Кроме того, такие примеры будут способствовать развитию у студента умения анализировать и оценивать собственные разработки. Для того чтобы у обучающихся возникла потребность в генерации новых идей, авторы при изложении материала воздерживаются от прямой критики проектов (для этого имеется специальная литература) и не делают акцент ни на положительных, ни на отрицательных сторонах представляемых компоновок. Также намеренно не приведены методики расчетов, поскольку пособие должно служить отправной точкой для формализации компоновочных задач. Основное внимание уделено графическому материалу, который позволяет более наглядно передать компоновочную информацию, чем текстовое описание. Для экономии объема книги текстовое описание, дублирующее схемы, в большинстве примеров опущено. Предполагается, что студент будет самостоятельно или с помощью руководителя внимательно изучать предложенные схемы, приобретая опыт аналитической работы. Для проведения детальных расчетов могут быть использованы существующие специализированные пособия, ссылки на которые даны в тексте. Работа с источниками информации — важная часть процесса проектирования, и студент должен освоить ее в процессе работы над проектами. Самостоятельный поиск информации, даже при наличии Интернета, имеющего «бесконечную емкость», оказывается затруднителен для студента, у которого не сформировано семантическое ядро — ему неясно, какие слова надо задавать поисковой машине. Чтобы помочь студентам начать поиск нужной информации, каждая глава пособия снабжена библиографией, содержащей ссылки на публикации и электронные ресурсы, использованные в процессе подготовки пособия. С помощью ссылок студенты смогут найти более подробную информацию по заинтересовавшей их теме и начать собственный поиск в информационно-телекоммуникационной сети. Собранные в книге примеры показывают, что компоновка пилотируемого космического аппарата значительно сложнее компоновки автоматического космического аппарата. Центральным объектом здесь является человек, в связи с чем студентам потребуется знание технических дисциплин, а также придется разбираться в вопросах, относящихся к биологии, медицине, психологии, эргономике, архитектуре, искусству, философии. Поэтому книга открывается введением, где раскрываются причины, побуждающие человека стремиться в космос, а также представлены существующие проекты космических объектов различных масштабов. Материал книги разделен на три части, каждая из которых соответствует модулю учебного плана дисциплины «Основы компоновки орбитальных станций» и этапу компоновочных работ: сбор исходных данных, определение облика пилотируемого космического аппарата, компоновка специфических для него элементов бортового оборудования и систем. Предполагается, что для компоновки бортового оборудования пилотируемого космического аппарата, общего с
Предисловие 7 автоматическими космическими аппаратами (системы управления движением, энергетические системы и пр.), студенты будут использовать и другие пособия по основам компоновки бортового оборудования космических аппаратов, список которых приведен в конце издания. В первой части содержатся исходные данные, необходимые для выполнения компоновки на основе заданной программы космического полета. В главе 1 приведены юридические аспекты космической деятельности, а также общие сведения о построении космической программы и космической логистике. В главе 2 рассмотрены физиологические и биологические данные о человеке и воздействующих на него факторах во время космического полета. Принципы организации пространства в аппарате и фундаментальные основы архитектуры изложены в главе 3. Во второй части даны примеры формирования общей компоновки пило- тируемого космического аппарата. В главе 4 рассматривается блочно-модуль- ный подход к его компоновке, в главе 5 приведены особенности компоновочных решений отдельных модулей, в главе 6 собраны примеры компоновок космических комплексов. Глава 7 посвящена проектам пилотируемых космических аппаратов с искусственной силой тяжести. В третьей части приведена информация, полезная для выполнения компоновки элементов бортового оборудования. В главе 8 представлены способы зонирования пространства и оформления интерьера кабины пилотируемого космического аппарата. В главе 9 рассказывается о внекорабельной деятельности, дается описание конструкции скафандров, шлюзовых камер различных пилотируемых космических аппаратов, способов перемещения и фиксации космонавта во время внекорабельной деятельности, а также рабочих инструментов и приспособлений, используемых космонавтами. Приведены примеры размещения научной аппаратуры на поверхности российского и американского модулей Международной космической станции. В главе 10 изложены эргономические требования к компоновке рабочего места космонавта и пультов управления. В главе 11 собраны данные о схемах и компоновочных элементах системы обеспечения жизнедеятельности российского и американского сегментов Международной космической станции. В главе 12 рассмотрены вопросы компоновки систем обеспечения безопасности и надежности, а также приведены способы защиты экипажа пилотируемого космического корабля от различных факторов. Авторы выражают благодарность рецензентам: летчику-космонавту СССР, советнику президента ПАО РКК «Энергия» имени С.П. Королёва, кандидату технических наук А.П. Александрову и сотрудникам Московского авиационного института (национального исследовательского университета) — заведующему кафедрой «Космические системы и ракетостроение» члену-корреспонденту РАН, доктору технических наук профессору О.М. Алифанову заведующему кафедрой «Системы обеспечения жизнедеятельности и защиты ракетно-космических комплексов», кандидату технических наук В.С. Пигулину за ценные замечания. Предлагаемая вниманию читателя книга относится к числу учебных изданий, входящих в серию «Вооружение и военная техника», ориентированную на изложение теоретических основ и прикладных задач базовых дисциплин, преподаваемых на кафедрах факультета специального машиностроения МГТУ им. Н.Э. Баумана.
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АС МКС - БА - американский сегмент МКС бортовая автоматика БВК - бортовой вычислительный комплекс БВС - бортовая вычислительная система БКАУ - бортовой комплекс автоматического управления БНО - баллистико-навигационное обеспечение БО - бытовой отсек ВА - возвращаемый аппарат вкд - внекорабельная деятельность ВНП - вероятность непробоя ВОО - высокая околоземная орбита ГК - грузовой корабль гки - галактическое космическое излучение ГОГУ - главная оперативная группа управления ДУ - двигательная установка ИГА - искусственная газовая атмосфера ИМО - информационно-медицинское обеспечение иодэ - информационное обеспечение деятельности экипажа ипт - инженерно-психологические требования исз - искусственный спутник Земли ист - искусственная сила тяжести ИТО - информационно-телеметрическое обеспечение КА - космический аппарат кдо - контрольно-диагностическое обеспечение кик - командно-измерительный комплекс кпо - командно-программное обеспечение кэс - космическая эргономическая система мим - малый исследовательский модуль мкс - Международная космическая станция млм - многофункциональный лабораторный модуль МТКА - многоразовый транспортный космический аппарат НА - научная аппаратура НКУ - наземный комплекс управления
Принятые сокращения 9 НОО — низкая околоземная орбита НУР — нормативный уровень радиации НшС - ОГБ - ОДЭ - нештатная ситуация отделяемый головной блок ошибки, допущенные экипажем оип - объекты искусственного происхождения ок - орбитальный комплекс опс - орбитальная пилотируемая станция ОС - орбитальная станция ПКА - пилотируемый космический аппарат ПК - пилотируемый корабль пкс - пилотируемая космическая станция пн - полезная нагрузка ПОН - программа обеспечения надежности ПРМ - переносное рабочее место ПУ - пульт управления PH - ракета-носитель РПЗ - радиационный пояс Земли PC мкс - российский сегмент МКС РСУ - ручная система управления РТК - радиотехнический комплекс РТО - радиационный теплообменник СА - спускаемый аппарат САС - система аварийного спасения СБ - солнечные батареи сжо - система жизнеобеспечения сио - система исполнительных органов ски - солнечное космическое излучение СКРО - система контроля радиационной обстановки см - служебный модуль со - стыковочный отсек СОБР - система обеспечения радиационной безопасности сов - система подачи питьевой, санитарно-гигиенической и бытовой воды и удаления жидких отходов core - система обеспечения газового состава сои - система отображения информации соп - система обеспечения продуктами питания и удаления твердых отходов СОТР - система обеспечения теплового режима СПО - система поддержки оператора СПС - солнечное протонное событие СПУ - система полуавтоматического управления
10 Принятые сокращения сс — система связи ССКУ — спутниковая система контроля и управления сти — система телеметрической информации СТР — система терморегулирования СУ — система управления СУБ К — система управления бортовым комплексом СУД — система управления движением сэп — система энергопитания тк — транспортный корабль ТКА — транспортный космический аппарат ткс — транспортный корабль снабжения УРМ — универсальное рабочее место ФГБ — функционально-грузовой блок ФЭП — фотоэлектрические преобразователи шк — шлюзовая камера ЦКР — центрифуга короткого радиуса цнс — центральная нервная система ЦУП — центр управления полетом
ВВЕДЕНИЕ Цели и задачи освоения человеком космического пространства Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство. КЗ. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами Пилотируемая космонавтика — область науки, техники и технологии, направленная на освоение человеком новой среды обитания — космического пространства. Цели и задачи проектов пилотируемой космонавтики опреде- ляются комплексом философских и гуманитарных проблем, сопровождаю- щих эволюцию цивилизации. Основоположник практической космонавтики К.Э. Циолковский в своих трудах сформулировал три группы побудитель- ных причин выхода человечества в космос, связанных с его стремлением к новым ресурсам, к прогрессу, а также с желаением иметь средство спасения от глобальных катастроф [1—5]. Стремление к новым ресурсам обусловлено возрастанием материаль- ных потребностей человечества и увеличением мощности промышленно- сти. Доступ к внеземным ресурсам позволяет избежать угрозы исчерпания материальных ресурсов Земли, что представляется главным сдерживающим фактором прогресса. При этом возникают следующие основные задачи [6]: • овладеть запасами вещества, находящегося в космосе в виде планет, астероидов и пр.; • получить доступ к источникам энергии, содержащимся в космосе в виде энергоносителей (углеводороды, гелий-3 и т. п.) и в виде энергии из- лучения Солнца; • овладеть новыми пространствами для жизни людей, к которым следует отнести как поверхности небесных тел, так и межпланетное пространство. Особенно ценным пространством представляется пространство в обитаемых зонах звездных систем, где условия на поверхности планет близки к земным условиям, в частности существует вода в жидкой фазе; • использовать для научных исследований и создания новых матери- алов и технологий специфические условия межпланетного пространства,
12 Введение труднодоступные в земных условиях, таких как микрогравитация, вакуум, стерильность среды и т. п. К.Э. Циолковский особенно отмечал, что «главная цель и первые до- стижения относятся к распространению человека в эфире, использованию солнечной энергии и повсюду рассеянных масс». Приближение поселений человека к новым ресурсам в форме колонизации планет или организации космических поселений более эффективно при освоении ресурсов, рассеян- ных в пространстве, чем доставка их на Землю. Стремление к прогрессу связано с увеличением темпов развития челове- чества благодаря овладению новыми знаниями и средствами производства. Уже сейчас наука стала важной производственной силой, поскольку прогресс в науке ведет к прогрессу в производстве. Выход в космос и космические исследования дают множество новой информации, овладение которой спо- собствует развитию цивилизации. Доставка научных инструментов в косми- ческое пространство открывает новые возможности для прогресса познания. Освоение космоса предполагает международное участие и может служить сильным стимулирующим фактором сплочения народов. Также следует отметить лежащие в основе прогресса гуманитарные пси- хологические и социальные ценности людей, такие как жажда познания нового, тяга к путешествиям, стремление к простору и красоте и, в итоге, — осознание человеком своего места во Вселенной [6]. Немаловажной побу- дительной причиной выхода человечества в космос стал поиск любых форм жизни на других планетах. Господствующая в настоящее время геоцентрическая точка зрения на прогресс, предполагающая, что он происходит на Земле, а космические исследования помогают ему развиваться, постепенно будет превращаться в космическую точку зрения, когда прогресс будет характеризоваться полнотой освоения человеком космоса. Стремление человечества иметь средство спасения от глобальных ка- тастроф обусловлено осознанием угроз планетарного и космического мас- штаба, таких как необратимое изменение климата, уничтожение природы, столкновение Земли с крупными астероидами, потеря Землей магнитного поля, катастрофические изменения на Солнце. Для спасения от подобных катастроф, как отмечал К.Э. Циолковский, человечеству необходимо «иметь в запасе пространство хотя бы Солнечной системы». Фундаментальной программой по освоению человечеством космо- са можно считать «План завоевания человеком космоса», составленный К.Э. Циолковским в 1926 г. [2]. Текст документа ниже приведен полностью, чтобы можно было оценить, насколько стадии развития пилотируемой кос- монавтики соответствуют пунктам данного плана, а также для того, чтобы показать, какие идеи до сих пор остаются нереализованными и актуальными и какие факторы не были учтены. «1. Устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами управления. Но бензиновый мотор заменен взрывной трубой, куда слабосиль- ным двигателем накачиваются взрывчатые вещества. Воздушного винта нет. Есть запас взрывчатых материалов и остается помещение для пилота, закрытое чем-нибудь прозрачным для защиты от встречного ветра, так как скорость такого
Введение 13 аппарата больше аэропланной. Этот прибор от реактивного действия взрывания покатится на полозьях по смазанным рельсам (ввиду небольшой скорости могут остаться и колеса). Затем поднимется на воздух, достигнет максимума скорости, потеряет весь запас взрывчатых веществ и облегченный начнет планировать как обыкновенный или безмоторный аэроплан, чтобы безопасно спуститься на сушу. Количество взрывчатых веществ и силу взрывания надо понемногу увеличивать, также максимальную скорость, дальность, а главное — высоту полета. Ввиду про- ницаемости для воздуха человеческого помещения в самолете высота, конечно, не может быть больше известной рекордной высоты. Достаточно и 5 км. Цель этих опытов — умение управлять аэропланом (при значительной скорости движения), взрывной трубой и планированием. 2. Крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу мотора и скорость увеличивать. Придется прибегнуть к получению предварительной, до взрывания, скорости с помощью описанных ранее средств. 3. Корпус дальнейших аэропланов следует делать непроницаемым для газов и наполненным кислородом, с приборами, поглощающими углекислый газ, амми- ак и другие продукты выделения человека. Цель — достигать любого разрежения воздуха. Высота может много превосходить 12 км. В силу большой скорости при спуске для безопасности его можно делать на воду. Непроницаемость корпуса не даст ракете потонуть. 4. Применяются описанные мною рули, действующие отлично в пустоте и в очень разреженном воздухе, куда залетает ракета. Пускается в ход бескрылый аэ- роплан, сдвоенный или строенный, надутый кислородом, герметически закрытый, хорошо планирующий. Он требует для поднятия на воздух большой предваритель- ной скорости и, стало быть, усовершенствования приспособлений для разбега. Прибавочная скорость даст ему возможность подниматься все выше и выше. Цен- тробежная сила может уже проявить свое действие и уменьшить работу движения. 5. Скорость достигает 8 км/с, центробежная сила вполне уничтожает тяжесть, и ракета впервые заходит за пределы атмосферы. Полетав там, насколько хватает кислорода и пищи, она спирально возвращается на Землю, тормозя себя воздухом и планируя без взрывания. 6. После этого можно употреблять корпус простой, не сдвоенный. Полеты за атмосферу повторяются. Реактивные приборы все более и более удаляются от воздушной оболочки Земли и пребывают в эфире все дольше и дольше. Все же они возвращаются, так как имеют ограниченный запас пищи и кислорода. 7. Делаются попытки избавиться от углекислого газа и других человеческих выделений с помощью подобранных мелкорослых растений, дающих в то же время питательные вещества. Над этим много, много работают — и медленно, но все же достигают успеха. 8. Устраиваются эфирные скафандры (одежды) для безопасного выхода из ракеты в эфир. 9. Для получения кислорода, пищи и очищения ракетного воздуха приду- мывают особые помещения для растений. Все это в сложенном виде уносится ракетами в эфир и там раскладывается и соединяется. Человек достигает боль- шой независимости от Земли, так как добывает средства жизни самостоятельно. 10. Вокруг Земли устраиваются обширные поселения. 11. Используют солнечную энергию не только для питания и удобств жизни (комфорта), но и для перемещения по всей Солнечной системе. 12. Основывают колонии в поясе астероидов и других местах Солнечной си- стемы, где только находят небольшие небесные тела.
14 Введение 13. Развивается промышленность и размножаются невообразимо колонии. 14. Достигается индивидуальное (личности отдельного человека) и обще- ственное (социалистическое) совершенство. 15. Население Солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути. 16. Начинается угасание Солнца. Оставшееся население Солнечной системы удаляется от нее к другим Солнцам, к ранее улетевшим братьям». Как видно, некоторые из пунктов уже стали пройденным этапом. В на- стоящее время начата реализация п. 9. Целями полетов человека в космос являются накопление знаний и поиск способов противодействия негативным условиям космического полета. Научно-промышленное освоение космоса на этом этапе эффективнее всего проводится дистанционно с помощью ав- томатических инструментов. Указанная в плане «большая независимость от Земли» космических поселений пока еще не достигнута в силу возникших значительных медико-биологических, технических и экономических проблем. Как показали исследования, космическое пространство является исключи- тельно неблагоприятной средой для пребывания человека. Приведенные выше пп. 9—15 плана завоевания человеком космоса К.Э. Циолковский сформулировал в начале XX в., естественно, в общем виде. Они задают лишь цели и общий вектор развития пилотируемой кос- монавтики, объясняют причины, по которым использование автоматических космических аппаратов — необходимое, но недостаточное средство для ис- следования космоса. Опыт, получаемый при проектировании и выполнении пилотируемых программ, а также результаты научных исследований, проведенных с уча- стием человека в космосе, необходимы для детализации и коррекции пути экспансии человечества в космосе. Такие программы требуют больших затрат, но создают значительные конкурентные преимущества реализующим их го- сударствам. С середины XX в. исследования и технические разработки для космоса служат одним из важнейших стимулов развития науки и технологий. Основное направление развития пилотируемой космонавтики предпо- лагает расширение зоны обитания и влияния. Выделяют две формы кос- мической экспансии: организация поселений на поверхности космических тел и их создание непосредственно в межпланетном пространстве. В первом случае речь идет о построении поселений-баз на планетах и астероидах, во втором — подразумевается создание искусственных космических поселений. К критериям оценки эффективности космической экспансии относят: полноту использования внеземных ресурсов; решение задачи непрерывного прогресса человечества; создание наиболее благоприятных условий для жизнедеятельности людей. Колонизация планет представляется наиболее естественным путем, подобным уже пройденному этапу великих географических открытий. Как некогда люди переплывали недружелюбный океан и основывали колонии на новых богатых ресурсами землях, так и при колонизации планет космическое пространство представляется средой, которую надо «переплыть», выдержав неблагоприятные условия перелета.
Введение 15 Преимущества такой формы освоения пространства: • возможность поселения людей в привычном поле силы тяжести при организации базы на достаточно массивном объекте; • близость к материальным ресурсам, которые можно добывать и пере- рабатывать на месте без космической транспортировки; • возможность естественной защиты людей от вредных излучений, если планета обладает магнитным полем и атмосферой. Однако колонизация космических тел, аналогичная земной колониза- ции, где пространство космоса — «небесный океан», а планеты — «острова и материки», недостаточно эффективна. К.Э. Циолковский писал: «Многие воображают себе небесные корабли с людьми, путешествующими с планеты на планету, постепенное заселение планет и извлечение отсюда выгод, какие дают земные обыкновенные колонии. Дело пойдет далеко не так, о спуске на крупные небесные тела нельзя теперь и мечтать — так он труден» [4]. Здесь имеются в виду следующие трудности. Во-первых, построение базы на небесном теле, где условия отличаются от земных, имеет те же трудности по жизнеобеспечению, что и создание ис- кусственного поселения в межпланетном пространстве. В Солнечной системе не существует небесных тел кроме Земли, где человек мог бы обходиться без сложных систем жизнеобеспечения: искусственной атмосферы, а также за- щиты от радиации и метеоритов. В настоящее время астрономы обнаружили первые планеты около других звезд, и активно совершенствуются методики поиска пригодных для жизни планет в других звездных системах. Однако имеющиеся данные пока не позволяют достоверно указать ни одной плане- ты, подобной Земле, в других звездных системах. Во-вторых, целесообразно колонизировать объекты, находящиеся в зоне обитаемости, для обеспечения поселений достаточной энергетикой. В Сол- нечной системе это Луна, Марс и астероиды, поскольку условия на Венере крайне неблагоприятны даже для работы автоматических зондов. Таким образом, в результате колонизации жизненное пространство увеличивается только в несколько раз по сравнению с поверхностью Земли. В-третьих, для организации грузопотока между планетами с силой тяже- сти, близкой к земной, требуются существенные энергетические затраты на разгон при взлете и торможение при посадке транспортных средств. Мини- мальными эти затраты будут только в случае организации базы на астероиде, где сила тяжести соответствует уровню микрогравитации — (0,1...0,001) g и менее. Причем построение базы на астероиде требует тех же затрат, что и построение полностью искусственного космического поселения, однако по сравнению с ним здесь имеются ограничения по параметрам орбиты, векто- ру угловой скорости вращения вокруг центра масс, условиям освещенности, рельефу поверхности, геологическому составу и пр. В результате количество удобных для колонизации астероидов оказывается весьма ограниченным. Идея, которую первым в мире сформулировал К.Э. Циолковский, состоит в том, что основной формой экспансии человека в космос является созда- ние полностью искусственных космических поселений — эфирных городов. Такой город — это комплекс искусственных сооружений для жизнедеятель- ности человека, вращающихся вокруг Солнца на различных удалениях и
16 Введение в разных плоскостях в зависимости от их назначения и форм использования внеземных ресурсов. Создание этих комплексов позволит удовлетворить всем критериям эффективности заселения пространства: • освоить значительную область пространства в обитаемой зоне Солнеч- ной системы путем построения множества поселений; • выбрать для каждого поселения наиболее рациональную орбиту и па- раметры движения вокруг центра масс; • обеспечить наилучшие условия для организации транспортных потоков и снабжения поселений материальными и энергетическими ресурсами; при этом базы на планетах и астероидах будут служить источниками ресурсов, которые можно добывать автоматически или с минимальным участием людей; • рационально сочетать условия невесомости и искусственную силу тя- жести, получаемую за счет вращения поселения. Критические технологии пилотируемой космонавтики Развитие пилотируемой космонавтики в соответствии с планом К.Э. Циол- ковского сдерживают несколько критических технологий. Сюда относится, прежде всего, технология создания замкнутой искусствен- ной среды обитания. Естественная среда обитания человека — планета Земля, единственная из известных на сегодняшний день планет обладающая биос- ферой — глобальной экологической системой, обеспечивающей возникнове- ние и воспроизводство жизни, поддерживаемой потоком солнечной энергии и биологическим круговоротом. Человек также является частью биосферы, его деятельность оказывает значительное влияние на многие природные про- цессы. В искусственной биосфере, создаваемой на обитаемом космическом сооружении, требуется сформировать динамическую равновесную систему, регулируемую жизнью [7]. Обеспечить устойчивые режимы работы искус- ственной биосферы — сложнейшая задача. Эксперименты по созданию искусственной замкнутой экосистемы в раз- ных масштабах проводились и проводятся в настоящее время [8], например, эксперименты БИОС-1, БИОС-2, БИОС-3, «Биосфера-2» [9, 10]. Однако все эти работы далеки от достижения главной цели — создания полностью замкнутой самодостаточной и самоорганизующейся системы, в которой люди могли бы жить, работать, развиваться и увеличивать свою численность для следующей волны экспансии. С технологией создания искусственной биосферы связана технология ее защиты от космической радиации. Отсутствие эффективных средств радиаци- онной защиты космических поселений — сейчас основной сдерживающий фактор развития пилотируемой космонавтики. Другой важной технологией, требующей развития, является космическая энергетика. Крупнейшее на сегодняшний день космическое сооружение — Международная космическая станция (МКС) обладает солнечной энерго- установкой мощностью 0,00011 ГВт. Для сравнения: обычный энергоблок АЭС на Земле дает около 1 ГВт энергии, а крупнейшая в мире АЭС, японская
Введение 17 Kashiwazaki Kariva, имеет мощность 8,2 ГВт. Суммарная мощность всех элек- тростанций мира превышает 3500 ГВт, а выработка электроэнергии — более 15 трлн кВт-ч в год. В настоящее время планируется создание космических ядерных энергоустановок только мегаваттного класса (0,001 ГВт). Таким образом, для поддержания жизнедеятельности космических поселений и создания эффективной транспортной инфраструктуры требуется увеличение единичной мощности энергоустановок как минимум на четыре порядка. При этом основной проблемой разработки технологий космической энергетики оказываются не вопросы получения энергии, а вопросы избавления от из- лишнего тепла. Поскольку передача тепла от орбитальной станции (ОС) в космическое пространство возможна только излучением, необходимы про- рывные технологии создания высокопроизводительных холодильников-из- лучателей. Одним из таких проектов являются капельные холодильники [11]. Еще одна важная технология — это технология создания крупногабаритных космических конструкций размерами 1 км и более. В настоящее время наиболь- шая конструкция в космосе — МКС, имеющая длину 109 м, ширину (с фермами) 73,2 м и высоту 27,4 м. Для сравнения: длина самого большого в мире судна, тан- кера Knock Nevis, составляет 458,5 м, ширина — 68,9 м.Самое большое отдельно стоящее здание — многофункциональный комплекс The New Century Global Center в городе Чэнду (Китай) имеет длину 500 м, ширину 400 м, высоту 100 м. Самое высокое здание на Земле — башня Burjkhalifa имеет высоту 828 м. Основной проблемой сооружения крупногабаритных конструкций в космо- се будут огромные энергетические затраты на доставку необходимых строи- тельных материалов. Неразвитость космической энергетики останавливает «космическое производство» материалов. Однако основные проблемы — не технические. Для того чтобы началась настоящая космическая экспансия, необходимо, чтобы жизнь в космическом поселении стала привлекательной для людей. Должен возникнуть мощный стимул, побуждающий человека к жизни вне Земли. Споры за лидерство в космических гонках среди наций, возможно, сменятся конкуренцией среди элитных групп за право жить в кос- мическом поселении. В настоящее время такие процессы уже проявляются в виде нового направления пилотируемых полетов — космического туризма. Развитие устойчивого сообщества в искусственном космическом посе- лении — фундаментальная гуманитарная проблема, решение которой может оказаться гораздо сложнее, чем создание искусственной биосферы и реше- ние технических задач. Согласно В.И. Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе... Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного» [12]. Существование большого сообщества людей в космическом поселении требует развития технологий создания глобальной устойчивой системы взаимодействия природы и общества — искусственной ноосферы. Таким образом, из-за имеющихся ограничений создать полноцен- ные космические поселения пока невозможно. Однако первые полвека космической эры продемонстрировали фундаментальное значение плана К.Э. Циолковского для развития космической техники. Логически первый
18 Введение шаг уже сделан — на низкой околоземной орбите сейчас успешно функцио- нируют пилотируемые орбитальные станции: постоянно обитаемая МКС и посещаемая китайская орбитальная станция «Тянь-Гун». В космосе постоянно находится экипаж из 6 человек, а максимальное число его членов составило на сегодняшний день 13 человек. Следующий прогнозируемый этап — создание транспортной инфраструк- туры для перелетов к Луне, Марсу и астероидам, построение лунной базы и пилотируемые полеты к астероидам и Марсу. Это потребует развертывания на околоземной орбите промышленной инфраструктуры по сборке, испы- таниям и обслуживанию транспортных систем. В сочетании с увеличиваю- щимся объемом научных исследований и организацией в космосе опытного производства в условиях высокого вакуума и микрогравитации необходимо будет увеличить численность людей, одновременно присутствующих на ор- бите. На этом этапе будет стоять задача создания нескольких коллективов, каждый из которых будет объединен направлением своей деятельности, а все они вместе — общей целью. Создание космических кораблей и орбитальных станций нового поколения, рассчитанных на большие экипажи, потребует новых компоновочных решений. Обитаемые космические сооружения Существующие проекты обитаемых космических сооружений по мас- штабу можно разделить на три группы: космические станции, космические поселения и астроинженерные сооружения. Конечно, проекты космических поселений, тем более астроинженерных сооружений, являются утопиче- скими и относятся пока в большей степени к области научной фантастики. Однако их нужно рассматривать как логически развивающийся ряд гипотез в истории проектов пилотируемой космической техники. Перед созданием новой техники важно ознакомиться с уже имеющимися проектами и идея- ми, чтобы заметить, как ценные идеи, заложенные в самых ранних проектах, не теряются, а постепенно находят путь к реализации. Поэтому ниже будут представлены некоторые ранние проекты космических сооружений. Космические станции — сооружения, обслуживаемые и обеспечиваемые за счет ресурсов Земли с помощью космических транспортных систем. Со- гласно плану завоевания космоса, на этом этапе «все сооружения, скафандры, орудия, оранжереи или жилища — все должно быть сделано и испытано за- ранее на Земле. Вся работа в эфире, на первое время, ограничивается лишь сборкой готовых частей. Первые колонии должны основываться за счет своей планеты, тем более, что и материалов поблизости Земли, вероятно, никаких нет (можно только захватывать составные части разреженной атмосферы, но этого недостаточно). Хорошо, если колонии на первых порах не будут хотя бы нуждаться в кислороде и пище» [2]. Первый технически проработанный проект космической станции-колонии, предложенный К.Э. Циолковским в 1918 г., показан на рис. В1 [13]. Станция представляет собой комплекс, составленный из отдельных цилиндрических
Введение 19 в Рис. В1. Схема космической станции-колонии, предложенной К.Э. Циол- ковским в 1918 г. (размеры указаны в метрах): а — общий вид станции; б — компоновка жилых помещений модуля; в — поперечное сечение модуля; 1 — модуль станции; 2 — прозрачная стенка; 3 — оболочка; 4 — ил- люминатор; 5 — разделительная стенка; 6 — центральная труба с почвой оранжереи; 7 — коммуникации; 8 — защитный экран в сложенном состоянии; 9 — защитный экран в развернутом состоянии; 10 — общий зал; 11 — зал собраний (6 шт.); 12 — каюта (200 шт.); 13 — производственные и гигиенические помещения; 14— растения
20 Введение модулей в виде звезды и других фигур (рис. В1, а). Рабочая орбита станции — геостационарная. Станция ориентирована на Солнце и стабилизирована вращением. Модуль станции (рис. В1, б) имеет диаметр 10 м и длину 1000 м. Схема компоновки жилых помещений показана на рис. В1, в. Станция рас- считана на экипаж от 100 до 400 человек. Жилое пространство совмещено с оранжереей, что позволяет, по мнению автора, построить замкнутую биосферу. Растения размещаются в искусственной почве, расположенной в центральной трубе, проходящей через ось станции. Терморегулирование станции обеспечивается применением разворачиваемых экранов и циркуляцией жидкости по трубам вдоль оси станции. Создаваемая за счет вращения станции искусственная сила тяжести меньше земной, но на концах модулей она превышает силу поверхностного натяжения и позволяет воде течь и заполнять сосуды с образованием свободной поверхности. Искусственная тяжесть в помещениях на концах станции используется для производственных нужд и гигиены. Экипаж станции в основном живет в условиях невесомости. Архитектура станции предусматривала разделение ее пространства на двести отдельных кают, шесть залов для собраний и один общий зал. Перегородки внутри станции предусмотрены негерметичными, они сделаны из сетки, покрытой вьющимися растениями. Таким образом, сформирована естественная биологическая система контроля газового состава атмосферы станции. На рис. В2 приведен проект космической станции, построенной по схеме тросовой системы, предложенный Г. Обертом в 1923 г. [14, 15]. Станция со- бирается на орбите в виде комплекса из нескольких ракет (по расчетам пред- стояло построить небольшой флот ракет массой 300...400 т). В околоземном пространстве ракеты связываются металлическим канатом длиной в несколь- ко километров и приводятся во вращение для создания искусственной силы тяжести. В проекте жилые помещения станции находились на концах труб, связанных с осью вращения тросами, вдоль которых располагались лифты, предназначенные для перемещения членов экипажа станции из жилых по- мещений в рабочий отсек и обратно. На специальных фермах размещены Рис. В2. Обитаемая космическая станция по проекту Г. Оберта (1923): 1 — проволоки для крепления «сторожевых» бомб; 2 — жилые помещения; 3 — помещения особого назначения; 4 — труба для связи; 5 — кабины лифта; 6 — отделение для хранения мусора; 7 — натяжные тросы; 8 — сборочные помещения; 9 — отражатель солнечных лучей; 10 — хранилища запасов; 11 — хранилища му- сора; 12 — воздушный тамбур; 13 — телескопы; 14 — плечо сооружения
Введение 21 подсобные помещения, средства связи, специальные лаборатории и крупнога- баритный телескоп. В центре рабочего отсека предусмотрен шлюз для выхода в открытый космос. Вокруг станции был предусмотрен легкий проволочный каркас с защитными поражающими средствами против метеорной опасности. На рис. ВЗ показана космическая станция Г. Нордунга, предложенная в 1928 г. [16]. Рабочая орбита станции — круговая высотой 35 900 км. В про- екте рассматривалась рассчитанная на экипаж из нескольких десятков че- ловек «станция-облако», которая должна была состоять из трех отдельных космических аппаратов, соединенных друг с другом воздушными шлангами и электрическими кабелями. Составными частями станции были жилой модуль, электростанция и обсерватория (рис. ВЗ, а). Компоновочная схема жилого модуля (рис. ВЗ, б) с искусственной силой тяжести, создаваемой вращением, представляла собой тор диаметром около 30 м с овальным поперечным сечением. В проекте были учтены эффекты, связанные с действием ускорения Кориолиса, возникающим при перемещении членов экипажа в такой стан- ции, в частности, была предложена конструкция спиральных лестниц для перемещения к центру станции, где располагалась ступица «жилого колеса», вращающаяся в противоположном направлении и выполняющая функцию воздушной камеры. В проекте были детально проработаны многие узлы станции. Тепловой режим жилого модуля поддерживался за счет теплоцентрали, состоящей из солнечных концентраторов и радиаторов-излучателей, расположенных в те- невой зоне за зеркалом. Модуль обсерватории (рис. ВЗ, в) «в форме котла с внутренним избыточным давлением в одну атмосферу» можно считать про- образом современных европейских и американских модулей МКС. В проекте была также достаточно подробно разработана солнечная тепловая электро- станция, выделенная в отдельный модуль (рис. ВЗ, г). Несколько вариантов орбитальной станции военно-научного назначения, разработкой которой в 1940-1950-е гг. занимался В. фон Браун, показаны на рис. В4 [17]. В компоновке этого проекта продолжены идеи жилого колеса Г. Нордунга — жилой модуль-тороид диаметром 50 м, составленный из 20 цилиндрических секций, каждая диаметром около 3 м и длиной 8 м (рис. В4, а). В центре тороида размещался энергетический модуль диаметром 8 м с солнечной тепловой электростанцией. Энергетический модуль соединялся с жилым модулем тросами-спицами. Для снабжения станции предусматрива- лись стыковочные узлы на энергетическом модуле. Для перемещения экипажа между жилым и энергетическим модулями предусмотрены узкие радиальные герметичные каналы. В проекте S-1 (1952) диаметр станции был увеличен до 75 м. Численность экипажа достигала 80 человек (рис. В4, б). Жилой модуль, имевший форму тора объемом 18 400 м3, был составлен из надувных отсеков из армированной резины. Архитектура жилого пространства предусматривает три уровня в на- правлении радиуса. Внешний уровень занят коммуникациями, а два других предназначены для жизни и работы экипажа. Для перемещения членов эки- пажа между центральным энергетическим и причальным модулями, подъема
22 Введение б в Рис. ВЗ. Орбитальная станция по проекту Г. Нордунга (1928): а — общий вид «станции-облака»; б — компоновочная схема жилого модуля с искусственной силой тяжести; в — модуль обсерватории; г — модуль электростанции (7 — парогенератор; 2 — воздушный шлюз; 3 — радиатор-холодильник; 4 — модуль с машинными преобразо- вателями энергии; 5 — фокусирующее зеркало концентратора)
Введение 23 Рис. В4. Орбитальная станция по проекту В. фон Брауна: а — проект 1946 г.; б — проект 1952 г.; в — проект 1953 г. с солнечной электростанцией, использу- ющей кольцевой параболический концентратор высоты орбиты, а также для обслуживания станции и сборки межпланетных космических аппаратов рядом со станцией предусмотрены малые аппара- ты-буксиры. Для защиты от метеоритов предназначен металлический экран. Чтобы станция была постоянно освещена Солнцем, ее орбита была вы- брана псевдосолнечно-синхронной круговой высотой 1730 км (проект 1953 г.). Это давало возможность использовать кольцевой параболический концен- тратор солнечной энергии (рис. В4, в), в фокусе которого по приемнику из- лучения циркулировала ртуть, нагреваемая до 700 °C под давлением 5 МПа. Мощность электростанции оценивалась в 1,660 ГВт тепловой энергии, что позволяло получать 0,5 ГВт электрической энергии. Сравнение ранних проектов с реализованными на практике конструк- циями трех поколений орбитальных станций показывает, что все они, как и предсказывал К.Э. Циолковский, имеют линейную или звездообразную компоновку и были составлены из жестко соединенных цилиндрических модулей (рис. В5). Кольцевая компоновка модулей, проекты тросовой систе- мы и «станции-облака» пока остаются нереализованными, хотя постоянно развиваются.
24 Введение Рис. В5. Реализованные проекты космических станций: 7 — «Мир»; 2 — «Салют-1»; 3 — Skylab; 4 — «Тянь-Гун-1»; 5 — «Салют-7«; 6 — Международ- ная космическая станция; 7 — SpaceLab на базе Space Shuttle Эволюция реализованных отечественных проектов орбитальных станций показана в табл. В1 [18]. Эксплуатируемая в настоящее время МКС имеет массу около 500 т и размер около 100 м. Максимальная численность членов экипажа, одновременно работавших на станции, составила 13 человек. Су- ществующие космические программы предполагают создание космических станций не только на околоземной орбите, но и на орбите искусственного спутника Луны, а также в точках либрации системы Земля — Луна. При этом численность экипажа станций будет увеличиваться. Космические поселения — это такие сооружения, которые предлагается ис- пользовать для автономного существования сообщества людей численностью от десятков тысяч до десятков миллионов человек. Размеры космического поселения близки к размеру малого космического тела. В различных проектах они составляют от 1 км до 100 км. Космическое поселение снабжается вне- земными ресурсами, добытыми на небесных телах. Энергетическое снабжение обеспечивается за счет энергии Солнца. Космические поселения обслужи- ваются с помощью транспортной инфраструктуры, развернутой в пределах Солнечной системы. Первые утопические проекты космических поселений принадлежат К.Э. Циолковскому, Д.Д. Берналу, Дж. О’Нейлу, Д. Ромику. Один из создателей науковедения и концепции научно-технической ре- волюции, английский физик и социолог науки Д.Д. Бернал в 1929 г., прак- тически дословно повторяя на английском языке идеи К.Э. Циолковского о неизбежности расселения человечества в межпланетном пространстве, предложил проект космического поселения в виде полой сферы диаметром около 16 км (10 миль), в которой в условиях невесомости обитают 20 000, 30 000 жителей [19]. Построенная из материала астероида, многослойная оболочка сферы толщиной около 400 м служит для защиты от метеоритов.
Таблица Bl Примеры развития орбитальных станций Наименование, даты полета, обший вид Масса, т Объем, м3 Энерго- снаб- жение, кВт Числен- ность экипажа, чел Грузо- гюток, т/г. Особенности технического обслуживания и ремонта «Салют Ь (19.04.1971-11.10.1971) п— 1«Салют3. (25.06.1974-21.01.1975) “—**' 1«Салют 4» (26.12,1974—03.02.1977) «Салют 5» (22.06.1976-08.08.1977) 25 100 3 2-3 0 Все средства жизнеобеспечения экипажа, ресурсное оборудование и расходуемые материалы научных исследований доставлялись в составе ОС Skylab (14.05.1973-11,07,1979) ( 77 330 30 3 0 Расходуемые материалы жизнеобеспечения доставлены на орбиту в составе станции. Полу- чен опыт внекорабельной деятельности экипажа по ремонту оборудования бортовых систем «Салют 6» (29.09.1977-29.07.1982) «Сал юг 7» (19.04.1982-07.02.1991) 32 106 4 3 2-3 Предусмотрены два стыковочных порта: для пи- лотируемых и для грузовых транспортных кораб- лей. Осуществлялись доставка грузов и доза- правка топливом, коррекции орбиты средствами корабля «Прогресс». Выполнены масштабные рс мог iTiTO - восстаг ювитслы гыс работы «Мир» (26.02.1986-23.03.2001) осУ Па НО 400 10 3 R—10 Организовано постоянное транспортно-техни- ческое обеспечение. Широко использованы технологии замены оборудования, исчерпавшего ресурс. Использованы специальные манипуля- торы для монтажа станции.Применено механи- зированное средство «Стрела» для перемещения 1рузов и экипажа 408 1173 ПО 25-40 Международная космическая станиия (20. 11, 1998 - наст, вр.) Внедрены комплексная система инвентариза- ции и хранения грузов, а также система у и нфипироваг 1 пых констру кти вов, устройся в крепления оборудования и соединения коммуникаций для заменяемого оборудования. Широко применяются роботизированные и механизированные средства сборки и технического обслуживания станции
26 Введение Окна Рис. В6. Различные варианты компоновки эфирного города К.Э. Циолковского: а — компоновочная схема оранжереи (рисунок К.Э. Циолковского); б — компоновочная схема оранжерей и жилого модуля (рисунок К.Э. Ци- олковского); в — поздняя компоновочная схема эфирного города с кольцевой жилой зоной
Введение 27 В ней размещаются запасы необходимых веществ, газов и жидкостей, колонии водорослей, требующихся для производства кислорода, системы переработки отходов. В качестве источника энергии планировалось использовать энергию Солнца. По мнению автора проекта, такая сфера по своему полезному жиз- ненному пространству будет эквивалентна поверхности площадью 384 км2 со слоем воздуха высотой 15 м. Эфирный город-облако, предложенный К.Э. Циолковским в 1933 г., представляет собой комплекс, состоящий из оранжерей и жилых модулей — «приютов для людей» (рис. В6) [20]. Оранжереями (рис. В6, а) являются тела вращения большого удлинения. В них вращением вокруг оси тела создается искусственная сила тяжести и обеспечиваются наилучшие условия, необхо- димые для развития растений. Один торец оранжереи, имеющий наибольшее поперечное сечение, оснащен прозрачным куполом и ориентирован на Солн- це. Жилые модули могут быть как вращающимися, так и невращающимися. В них поддерживается температурный режим, наиболее подходящий для жизни людей. Оранжереи и жилые модули соединены трубопроводами, чтобы создать циркуляцию искусственной атмосферы (рис. В6, б). Другой вариант одномодульной компоновки (рис. В6, в) представляет собой цилиндр диаметром 100 м и длиной 1000 м, вращающийся вокруг оси для создания искусственной силы тяжести. На внутренней поверхности ци- линдра размещены жители и постройки. Один торец цилиндра ориентирован на Солнце и воспринимает энергию. Ближе к центру расположены оранжерея и вспомогательные системы, менее чувствительные к воздействию ускорения Кориолиса. Противоположный торец — зона размещения промышленных установок. На рисунке также представлены кольцевое лабораторное помеще- ние вокруг зоны с растительностью, тоннели сообщения с отсеком команды и шлюзовая камера со стыковочным устройством. Проект создания в космосе города с населением 20 000 человек амери- канского инженера Д. Ромика (1956) приведен на рис. В7. Основные жилые помещения предложено разместить в ободе колеса, вращающегося для соз- дания искусственной силы тяжести. Здесь же должны располагаться школы, Рис. В7. Эфирный город по проекту Д. Ромика: 1 — окончательный размер (финальная очередь расширения); 2 — стыковочная платформа; 3 — шлюз; 4 — люк шлюза; 5 — корпуса ракет, образующие центральное ядро (49 шт.); 6 — пер- вая очередь расширения; 7 — начальные модули строительства; 8 — вращающееся колесо
28 Введение больницы, театр, кино, спортивные площадки и магазины. Основные научные лаборатории и вспомогательное оборудование предусматривалось разместить в невращающемся цилиндре диаметром 300 м и длиной около 1 км. Особен- ностью проекта являлся подробный план развертывания поселения [21]. Ряд проектов космических поселений-«островов», размещаемых в точке либрации, предложен Д. О’Нейлом в 1975 г. [22]. Проект «Остров один» (рис. В8) предусматривал переработку проекта сферы Д.Д. Бернала. Рассматривается сфера диаметром 512 м с населением до 1000 человек. Сферическое жилое пространство должно вращаться вокруг оси для создания искусственной силы тяжести. Население размещалось в экваториальной области, а на полюсах находились прозрачные области, куда через зеркала направлялся солнечный свет. Сферическое поселение дополняли агрокультурные модули в виде торов, энергетические установки, промышленные модули, холодильники-излучатели и прочая необходимая инфраструктура. Проект «Остров два» был развитием предыдущего проекта. Здесь пред- полагался диаметр сферы 1800 м. Благоприятная для жизни экваториальная окружность в 6,5 км (4 мили) может быть комфортабельным домом прибли- зительно для 140 тыс. человек. Такие размеры поселения были продиктованы Рис. В8. Проект космических поселений в варианте «Остров один» Д. О’Нейла (1975): а — общий вид (/ — заводы и доки; 2 — зеркала; 3 — радиатор; 4 — внеш- ние торовые модули с оранжереями; 5 — жилой модуль); б — компоно- вочная схема солнечного освещения; в — схема поселения
Введение 29 экономическими соображениями: среда обитания должна была быть относи- тельно небольшой для снижения транспортных расходов и времени на дви- жение, но в то же время достаточных размеров, чтобы эффективно содержать необходимую промышленную базу. Проект «Остров три» О’Нейла (1975) представляет собой два боль- ших цилиндра, вращающихся в противоположных направлениях (рис. В9). В табл. В2 приведены параметры различных вариантов поселений такого типа. Рис. В9. Проект космического поселения типа «Остров три» Д. О’Нейла (1975): 7 — ось вращения комплекса; 2 — жилой модуль, вращающийся вокруг продольной оси; 3 — зеркало; 4 — сельскохозяйственные модули; 5 — энергетический модуль Таблица В2 Основные проектные параметры космических поселений типа «Остров три» Вариант Длина, км Радиус, м Период вращения, с Население, чел. 1 1 200 21 10 тыс. 2 3,2 640 36 100—200 тыс. 3 10 2000 63 0,2—2 млн 4 32 3200 114 0,2—20 млн Каждый цилиндр разделен продольно на шесть равных секторов: на три окна («соляриса») и на три жилых участка («долины»), которые чередуются друг с другом. С внешней стороны окон располагаются прямоугольные зер- кала, и свет, отражаясь от них попадает внутрь «острова». Положением зеркал управляет компьютер, который регулирует климат и продолжительность дня и ночи. На одном конце цилиндрического сооружения имеется солнечная электростанция с большим параболическим зеркалом. Оно фокусирует сол- нечное излучение на паровой котел с рабочим веществом, используемым для
30 Введение привода турбогенераторов. На другом конце устроены причалы для транс- портных кораблей. Каждый цилиндр окружен внешним кольцом из сель- скохозяйственных модулей. В 1975 г. во время работы летней школы, организованной совмест- но НАСА и Стэндфордским университетом, идеи космических поселений были исследованы 28 учеными, инженерами, социологами и экономистами. В результате были сформулированы общие предложения о геометрических формах космических поселений (рис. В10) [23]. Рис. В10. Основные формы космических поселений: а — гантель; б — тор; в — ожерелье; г — массив гантелей; д — сфера; е — цилиндр; ж — массив ожерелий; з — стопка торов Другим результатом проведенной школой работы стал проект «Стэнд- фордский тор» (рис. Bl 1). Поселение для независимого проживания 10 тыс. человек включает в свой состав жилой тороидальный модуль диаметром 1,8 км, вращающийся с угловой скоростью 1 об/мин для создания искус- ственной силы тяжести (0,9—1,0) g. Он снабжен зеркалами для освещения. В центре тора расположена ступица с неподвижным зеркалом, которое от- ражает солнечный свет на вращающееся вокруг центра кольцо из вторичных зеркал. Эти зеркала в свою очередь отражают свет в кольцевые прорези окон шириной 30,5 м для освещения сельскохозяйственных помещений. В «ступице колеса» размещаются коммуникационное оборудование и причалы для прибывающих космических кораблей и буксиров. Имеется также прямоугольный радиатор для сброса в пространство избыточного тепла. По оси «колеса» вынесено на стержне автоматизированное промышленное предприятие по переработке лунной руды в условиях невесомости с исполь- зованием солнечной энергии. Для защиты жителей от космической радиации до уровня стандарта США для гражданского населения (менее 0,5 бэр в год) предлагалось использовать 10 млн т экранирующих материалов (в основном отходы переработки руд).
Введение 31 Рис. В11. Проект космического поселения «Стэндфордский тор» (1975): 1 — гелиоконцентратор солнечной печи; 2 — транспортный трубопровод (10 км); 3 — централь- ная втулка (хаб); 4 — панели солнечных батарей жилого модуля; 5 — жилой модуль («Стэндфорд- ский тор»); 6 — стыковочный модуль; 7 — солнеч- ный свет; 8 — ось вращения; 9 — главное зеркало (не вращающееся); 10 — вторичные зеркала; 11 — радиатор жилого модуля (не вращающийся); 12 — технологические установки; 13 — панели солнечных батарей Астроинженерные сооружения — это гипотетические обитаемые кон- струкции, имеющие размеры, сравнимые с радиусом орбиты планеты. Такие фантастические объекты приведены здесь в качестве предельного случая космических поселений. Ученые предполагают, что развитая цивилизация может использовать подобное сооружение для полной утилизации энергии центральной звезды и/или для решения проблемы жизненного пространства. К астроинженерным сооружениям относятся кольца и сфера Циолковского (рис. В12, а, б). Циолковский предлагал соединять свои эфирные города-ци- линдры в ожерелья вокруг Солнца. В разных плоскостях может быть много колец, которые в итоге сольются в сферу. Американский ученый Ф.Д. Дайсон предположил, что в предельном слу- чае космическое поселение может размещаться на замкнутой непрерывной вращающейся сферической оболочке, построенной вокруг звезды из вещества всех планет звездной системы (рис. В12, в). Однако проект был подвергнут справедливой критике из-за неустойчивости подобной сферы. Развити- ем проекта сферы Дайсона стал проект, предложенный советским ученым Г.И. Покровским, — раковина Покровского, представляющая собой набор колец, вращающихся вокруг звезды (рис. В12, г) [24]. Плоскости вращения колец устанавливают так, чтобы вместе они перехватывали практически весь поток излучения звезды. Рис. В12. Основные типы космических поселений вокруг звезд: а — кольца Циолковского; б — сфера Циолковского; в — сфера Дайсона; г — раковина Покровского
32 Введение Обзор проектов обитаемых космических сооружений показывает, что в каждом из них возникают и решаются специальные вопросы организации используемого экипажем пространства, которые в земных условиях решают архитекторы при проектировании зданий. Необходимость проектирования космических сооружений, предназначенных для долговременной продуктив- ной жизни и деятельности человека, потребовала создания нового раздела архитектуры — космической архитектуры. Декларативные и чисто формальные построения, построения на уровне первичных, самых общих функциональных схем описанных выше совершенно фантастических поселений можно считать начальными шагами в построении их будущей пространственной организации, начальными эвристическиими подходами к созданию и развитию будущей космической архитектуры и кос- мического градостроительства. Первые работы в области космической архитектуры были выполнены в СССР в РКК «Энергия» при проектировании интерьеров КА «Союз» [25]. Архитекторов привлекали для создания интерьеров ОС «Салют» и «Мир», пилотируемого транспортного корабля нового поколения «Федерация». В США архитекторов привлекали к созданию ОС Skylab и разработке мо- дульной архитектуры станции Freedom. Космическая архитектура как научное направление в настоящее время активно развивается. В США под эгидой американского института аэро- навтики и астронавтики (AIAA) создан технический комитет по космиче- ской архитектуре (SATC), с 2002 г. регулярно проводящий международные симпозиумы по данной тематике и выпускающей учебные пособия [26, 27]. Активную работу в области космической архитектуры проводит организация Sasakawa International Centr for Space Architecture (SICSA) [28]. Европейское космическое агентство (ESA) также привлекает архитектурные бюро к соз- данию космической техники [29]. Вопросы космической архитектуры регу- лярно докладываются на Академических чтениях по космонавтике, ежегодно проводящихся в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Однако задача космической архитектуры гораздо шире — это не просто дизайнерское оформление интерьеров, это организация жилого, рабочего и общественного пространства. В целом — выработка стратегических направ- лений построения космических комплексов исходя из психологических, со- циальных и культурных законов развития человека и общества [30]. Переход от земной архитектуры к космической — один из этапов эволюционного процесса развития земной цивилизации. В этом процессе каждый этап ста- новления новых технологий позволял представить в новом качестве фун- даментальные культурные ценности, накопленные человечеством. По мере совершенствования космической техники ее специфические проблемы при создании космических поселений постепенно утратят главенствующую роль и уступят место архитектурным проблемам — проблемам пространственной организации полноценной жизнедеятельности человека. Уже сейчас техни- чески осуществимо создание ОС из множества модулей, однако архитектура построенных из этого «конструктора» перспективных ОС с экипажем из 10 — 50 человек пока недостаточно проработана.
Введение 33 Цели и задачи компоновки различных пилотируемых космических аппаратаов Компоновка — один из важнейших этапов создания нового КА, в ходе которого целевое оборудование, элементы конструкции, агрегаты и узлы объ- единяются в единую систему, предназначенную для выполнения в течение заданного времени функциональных задач КА, определяемых его назначени- ем. По функциональному назначению пилотируемые космические аппараты (ПКА) можно разделить на три группы. Транспортные космические аппараты (ТКА) предназначены для выпол- нения динамических операций: доставки в космос и возвращения на Землю экипажа и грузов, выполнения межорбитальных перелетов, обслуживания космических объектов, краткосрочных автономных полетов. ТКА могут быть пилотируемыми или беспилотными. Например, ТКА «Союз» является пилотируемым, а грузовые ТКА «Прогресс», ATV, HTV, Dragon совершают полет без экипажа, но посещаются людьми при разгрузке/погрузке в составе орбитальной станции. ТКА могут быть по своей конструкции одноразовыми («Союз», Apollo), частично многоразовыми (Dragon, «Федерация») или пол- ностью многоразовыми («Буран»). Орбитальные станции предназначены для обеспечения длительной работы экипажа на орбите (околоземной, орбите вокруг Луны или Марса и пр.). Они могут быть постоянно обитаемыми, как «Мир» или МКС, или посещаемыми, как советские «Салют», «Алмаз», американская Skylab, китайская космиче- ская лаборатория «Тянь-Гун-1» и проектируемая российская технологическая лаборатория ОКА-Т. Пилотируемые экспедиционные КА предназначены для доставки людей к другим небесным телам (Луне, планетам и астероидам), посадки на их по- верхность, выполнения целевых задач, взлета с поверхности небесных тел и возвращения экипажа на Землю. Сюда следует отнести не только такие ТКА, как «Аполлон», но и долговременные базы, размещаемые на орбитах и поверхности небесных тел. Основные задачи компоновки ПКА различают в зависимости от их функ- ционального назначения: • определение общей пространственной структуры КА с учетом его пер- спективного развертывания; • обеспечение жестких требований по безопасности полета; • внутренняя компоновка пространства обитаемых отсеков исходя из медико-биологических, эргономических и психологических требований; • компоновка бортовых систем и обитаемых отсеков с учетом взаимо- влияния оборудования и деятельности экипажа; • компоновка оборудования систем жизнеобеспечения; • внешняя компоновка КА с учетом возможности осуществления вне- корабельной деятельности; • компоновка бортового оборудования с учетом возможности обслужи- вания его экипажем.
34 Литература к Введению Литература к Введению 1. Циолковский К.Э. Монизм вселенной. Калуга: 1-я Государственная типолито- графия, 1925, 33 с. 2. Циолковский К.Э. Исследование мировых пространств реактивными прибора- ми. Калуга, 1926. 3. Циолковский К.Э. Будущее Земли и человечества. Калуга: Гублит, 1928. 28 с. 4. Циолковский К.Э. Цели звездоплавания. Калуга: Типография ОСНХ, 1929. 40 с. 5. Циолковский К.Э. Растение будущего и животное космоса. Калуга, 1929. 32 с. 6. Улубеков А. Т. Богатства внеземных ресурсов. М.: Знание, 1984. 256 с. 7. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 2001. 376 с. 8. Яздовский В.И. Искусственная биосфера. М.: Наука, 1976. 221 с. 9. Аллен Дж., Нельсон М. Космические биосферы. М.: Прогресс, 1991. 128с. 10. Международный центр замкнутых экологических систем. URL: http://www.ibp.ru/ labs/mc.php 11. Конюхов Г.В., Коротеев А.А. Капельные холодильники-излучатели космических энергетических установок нового поколения. URL: http://knts.tsniimash.ru/ru/src/mat/ kaplia3.pdf 12. Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере // Успехи современной биологии. 1944. № 18. Вып. 2. С. 113-120. 13. Циолковский К.Э. Вне земли // Природа и люди. 1918. № 2—12. 14. Oberth Н. Die Rakete zu den Planeten raumen. Munchen. 1 Auflage, 1923. 15. Oberth H. Wege zur Raumschiffahrt. Munchen, 1929. 16. Noordnung H. Das Problem der Befahrung des Weltraums. Leipzig, 1929. 17. von Braun W. Across the Space Frontier (with J. Kaplan et. al.) ed. E. Ryan. New York: Viking Press, 1952. 147 p. 18. Радченко Э.Т., Пугаченко C.E. Орбитальные станции: использование опыта проектирования и эксплуатации при математическом моделировании перспективных космических систем // Научно-технические разработки ОКБ-23-КБ «Салют». М.: Воздушный транспорт, 2006. С. 85-105. 19. Bernal J.D. The World, the Flesh & the Devil: An Enquiry into the Future of the Three Enemies of the Rational Soul. 1929. 20. Циолковский К.Э. Альбом космических путешествий. 1933. Архив РАН. Опись 1. Док. 84. URL: http://www.RAS.RU./ktsiolkovskyarchive/l.aspx (дата обращения 7.04.2019). 21. Johansen Н.О. Now they’re planning a City in Space // Popular Science. 1956. Vol. 168. No. 5. P. 92-100. 22. O'Neill G.K. The High Frontier: Human Colonies in Space. New York: William Morrow & Company, 1977. 23. Space Settlements: A Design Study, NASA, SP-413, Scientific and Technical. Eds. R.D. Johnson, C. Holbrow. 1975. URL: http://settlement.arc.nasa.gOv/75SummerStudy/s.s.doc.html 24. Покровский Г.И. Два возможных объекта поисков высокоразвитых цивили- заций // Природа. 1973. № 6. С. 97-98. 25. Кафтанов А. Архитектор Галина Балашова — Акварели для космоса // Поект Россия. 2000. № 15. С. 13-24. 26. SATC. URL: http://www.spacearchitect.org 27. Out of This World: the new field of space architecture. Eds. S. Howe, B. Sherwood. AIAA, 2009, September 30. 28. SICSA. URL: http://www.uh.edu/sicsa 29. Umbilical Design. URL: http://www.umbilicaldesign.se 30. Голованов Я.К. Архитектура невесомости. Приглашение к размышлению. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1985. 144 с.
Часть I ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ КОМПОНОВКИ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
ГЛАВА 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА 1.1. Юридические аспекты космической деятельности В настоящее время использование космического пространства оговорено в пяти действующих базовых договорах ООН по космосу, которые заложили правовую основу, обеспечивающую исследование космического пространства и отвечают интересам государств, использующих результаты космической деятельности. Космическую деятельность в Российской Федерации регламентируют следующие документы: • «Основные положения Основ государственной политики Российской Федерации в области космической деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу» (утв. Президентом РФ от 19.04.2013 № Пр-906); • «Основные положения государственной политики в области исполь- зования результатов космической деятельности в интересах модернизации экономики Российской Федерации и развития ее регионов на период до 2030 года» (утв. Президентом РФ 14.01.2014 № Пр-51); • «Государственная программа Российской Федерации «Космическая деятельность России на 2013—2020 годы», а также • другие документы, составляющие комплексное нормативно-правовое обеспечение, которое охватывает основные аспекты данной деятельности на национальном и межгосударственном (международном) уровнях. В Законе РФ от 20 августа 1993 г. № 5663-1 «О космической деятельности», Разделе VI. Международное сотрудничество, сформулированы права и обязан- ности Российской Федерации по отношению к иностранным космонавтам. Статья 27. Правовой режим иностранных организаций и граждан 1. Иностранные организации и граждане, осуществляющие космическую деятельность под юрисдикцией Российской Федерации, пользуются правовым режимом, установленным для организаций и граждан Российской Федерации, в той мере, в какой такой режим предоставляется соответствующим государ- ством организациям и гражданам Российской Федерации. 2. Российская Федерация обеспечивает правовую охрану технологий и коммерческих тайн иностранных организаций и граждан, осуществляющих космическую деятельность под юрисдикцией Российской Федерации, в со- ответствии с законодательством Российской Федерации.
38 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Иная необходимая охрана технологий и коммерческих тайн иностранных организаций и граждан, осуществляющих космическую деятельность под юрисдикцией Российской Федерации, обеспечивается на взаимной основе. 3. Иностранные организации и граждане, осуществляющие космическую деятельность под юрисдикцией Российской Федерации, производят страхо- вание космической техники, а также рисков, связанных с космической де- ятельностью, в порядке, установленном Гражданским кодексом Российской Федерации и настоящим Законом (в ред. Федерального закона от 29.11.1996 ред. от 13.07.2015 № 5663-1). Статья 28. Правовое регулирование международного сотрудничества 1. Организации и граждане Российской Федерации, принимающие уча- стие в осуществлении международных проектов в области космической дея- тельности, заключают договоры с иностранными организациями и гражда- нами в соответствии с законодательством Российской Федерации, если иное не предусмотрено этими договорами. 2. В случае коллизии норм законодательства Российской Федерации и законодательства иностранного государства, применимых к космической деятельности с участием организаций и граждан Российской Федерации, действует законодательство Российской Федерации, если иное не предусмо- трено международными договорами Российской Федерации». 1.2. Целевое назначение пилотируемых космических аппаратов Облик пилотируемого космического аппарата — это комплексная характе- ристика, отражающая общие количественные и качественные признаки его компоновки. Цель формирования облика — выбор и обоснование основ- ных параметров компоновки и определение их количественных значений. Исходными данными для формирования облика служат результаты анализа предполагаемых условий работы ПКА. В ходе анализа рассматриваются це- левое предназначение ПКА, современные и перспективные требования к эксплуатационным свойствам ПКА рассматриваемого класса, конструктивные решения возможных прототипов и основные тенденции развития пилотиру- емой космической техники. Если целевым предназначением ПКА является достижение человеком не- которого положения в космическом пространстве, например, границы космоса в суборбитальном полете, выход на околоземную орбиту и возвращение на Землю, экспедиция к другим небесным телам или операция по обслуживанию других КА, то требуется сформировать облик транспортного ПКА. Если же це- левое предназначение ПКА — освоение человеком пространства в окрестностях точки, движущейся по некоторой орбите, например, на околоземной орбите, на орбите искусственного спутника небесного тела либо на орбите искусствен- ной планеты солнечной системы, то нужно создать облик орбитального ПКА. Основное требование, которое предъявляется к облику транспортного ПКА, — эффективное и безопасное перемещение экипажа и грузов из пунк- та отправления в пункт назначения. В соответствии с ним транспортный
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 39 ПКА предназначен для выполнения таких динамических операций, как старт с небесного тела, посадка на небесное тело, маневрирование, сближение и стыковка с другими КА. В общей массовой сводке ПКА большую долю занимают агрегаты и системы управления движением центра масс. Эффек- тивность транспортного ПКА определяется минимальным расходом энергии на совершение этих операций, что устанавливает требование минимизации инерционно-массовых характеристик и компактности, а также максимальной плотности компоновки. Эти требования следует учитывать при компоновке как бортовых систем, так и обитаемых объемов и систем жизнеобеспечения. Основное требование, предъявляемое к облику орбитального ПКА в про- цессе длительного функционирования, — предоставить возможность экипажу эффективно осваивать и контролировать выбранную область космического пространства. При этом освоение заключается в формировании такой области космического пространства, внутри которой деятельность экипажа является безопасной, и которая подразделяется на зоны деятельности: • герметичные, где обеспечены все условия для жизнедеятельности; • негерметичные, где безопасно вести деятельность в открытом космосе; • безопасного движения элементов транспортных систем; • приема и передачи излучений (прием солнечной энергии, сброс теп- лового излучения, прием электромагнитных волн при работе систем связи и научной аппаратуры) и т. п. Эффективность освоения пространства экипажем ПКА определяется максимальной производительностью труда. Для ее достижения могут по- требоваться элементы конструкций значительных габаритов, например для получения требуемого количества солнечной энергии. Длительный жизнен- ный цикл орбитального ПКА порождает требования к гибкости компоновки, возможности расширения и трансформации структуры и архитектуры ПКА в соответствии с изменяющимися задачами. Требования к транспортному и к орбитальному ПКА могут сочетаться в одной компоновке. Например, к орбитальной станции на низкой околоземной орбите предъявляются требования и как к обитаемому КА, и как к транспорт- ному, поскольку необходимо постоянно совершать динамические операции по коррекции высоты полета, уменьшающейся под влиянием разреженных газов в термосфере Земли. Для такого ПКА возникает компоновочное требование минимизации площади миделевого сечения для уменьшения энергетических затрат на удержание орбитальной станции (ОС) на заданной орбите, которое противоречит требованию увеличения рабочего пространства. При постановке и решении целевых задач, стоящих перед ПКА, прово- дятся выбор и обоснование направлений космической деятельности, обос- нование инвестиционных проектов в области коммерциализации, оценка капитализации бизнеса, а также организация и стимулирование инноваци- онной деятельности. Космическая деятельность — одно из основных направлений развития мировой экономики. Количество патентов в области космической техники и технологии, полученное за последние 15 лет, возросло в 4 раза. Пилотируемые КА предоставляют широкие возможности для выполнения научных и технологических программ, требующих нестандартных подходов
40 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата и творческого участия человека в процессе их реализации. С.П. Королев сформулировал эти задачи следующим образом: «...Одной из самых главных задач является осуществление полета человека в космос с исследователь- скими целями. Как бы ни были совершенны приборы и аппаратура на ав- томатических станциях, все же ничто не может заменить разум пытливого исследователя...» [1]. Направления работ на ПКА включают дистанционные исследования Земли и ее атмосферы, внеатмосферную астрономию, исследования кос- мического пространства и других планет, поведения человека в длительном космическом полете, а также выполнение ряда биологических и технологи- ческих экспериментов, связанных с выращиванием на борту космического корабля сельскохозяйственных культур, получением медицинских препа- ратов и созданием сверхчистых материалов в отсутствие гравитационного воздействия. Орбитальные станции предоставляют широкие возможности для отработки новой аппаратуры, а также служат базой для тестирования и запуска малых КА. Научные исследования в PC МКС проводятся в соответствии с «Долго- срочной программой научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на PC МКС». Например, в 2012 г. здесь были проведены 211 экспериментов, в том числе по следующим направлениям [2]: • человек в космосе — 37; • космическая биология и биотехнология — 39; • физико-химические процессы и материалы в условиях космоса — 19; • исследование Земли и космоса — 56; • технологии освоения космического пространства — 45; • образование и популяризация космических исследований —15. В настоящее время российский сегмент МКС за счет космического туризма, выполнения в рамках международных контрактов коммерческих транспортных операций «Земля — МКС — Земля» и сдачи в аренду зару- бежным потребителям части ресурсов российского сегмента также позволяет получить коммерческую выгоду. Несмотря на то что коммерческий эффект с учетом его роста оценивается примерно в 1,5...2,5 млрд долл, в год, можно с уверенностью ожидать гораздо больший эффект от использования ресурсов МКС по следующим направлениям: • дистанционное зондирование Земли в интересах экологического мо- ниторинга, сельского и лесного хозяйства, рыбного хозяйства, картографии и геодезии, МЧС, природопользования и др.; • навигация, геоинформационное картографирование; • сдача в аренду ресурсов МКС; • выполнение научных исследований и экспериментов в интересах от- дельных стран и потребителей; • проведение и коммерческая реализация результатов медико-биологи- ческих экспериментов в интересах медицины и фармакологии и др. Развитие научных и экспериментальных работ на борту ПКА зависит от следующих факторов: • объема и площади в герметичных отсеках, выделяемых для проведения научно-технологических работ;
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 41 • наличия площадок для размещения научной аппаратуры вне герме- тичных отсеков; • необходимого объема электроэнергии; • возможности использования некоторых элементов бортовой аппара- туры; • регулярности доставки расходных материалов для проведения науч- но-технологических работ; • наличия квалифицированного персонала, проводящего эксперименты. Для размещения целевой аппаратуры на ПКА необходимо иметь рабочие места, под которые в герметичных отсеках и на внешней поверхности ПКА должны быть выделены требуемые объемы. В зависимости от программы научных исследований эта задача решается двумя путями. В первом случае научная программа организована последовательно: после завершения каждого из экспериментов проводится следующий. Поскольку здесь не требуется большого числа рабочих мест, программа может быть вы- полнена на серии ПКА, реализующих ее в течение нескольких полетов или на долговременной ОС с универсальными рабочими местами, последовательно оснащаемыми требуемой аппаратурой. Во втором случае программа организована параллельно: в течение полета одновременно ведутся несколько длительных экспериментов, которые нельзя прерывать. Здесь может быть использована только такая ОС, смена экипа- жей на которой позволит выполнить эксперименты. Размещение целевой аппаратуры при параллельном проведении экспериментов требует увеличения числа рабочих мест, например, за счет дооснащения ОС специализированными модулями. Примером подобной компоновки может служить ОС «Мир». На рис. 1.1 приведено распределение массы научной аппаратуры на борту ОС «Мир» по направлениям научных исследований, проведенных на этой ОС [3]. За время полета на ОС «Мир» были выполнены 55 научных программ, пред- ставленных различными странами: Россией — 28, США — 7, Францией — 6, Казахстаном — 3, Германией — 2, Сирией, Болгарией, Афганистаном, Велико- британией, Японией, Австрией, Словакией — 7, ЕКА (Европейское космическое агентство) — 2. На рис. 1.2 показано распределение массы научного оборудования по странам-участникам экспериментов. Суммарная масса грузов с результатами экспериментов, возвращенных с ОС «Мир», превысила 4700 кг [3]. Цель развертывания ОС, расширения возможностей бортовой служебной и исследовательской аппаратуры, включающая разработку, запуск и стыковку новых исследовательских модулей, — создание мощного инновационного орбитального центра по разработке новых технологий для целого спектра отраслей национальной экономики. На рис. 1.3 представлена примерная схема создания инновационного по- тенциала в космической отрасли [4]. Одна из центральных проблем иннова- ционной деятельности, определяющая пути ее успешного развития, состоит в том, что прежде чем организовать затратное внедрение, необходимо иметь подтвержденную предварительными исследованиями новацию (новшество), прошедшую стадию научно-исследовательской и опытно-конструкторской разработки (НИОКР).
42 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 1.1. Распределение массы научной аппаратуры по направлениям научных исследований на орбитальной станции «Мир» Рис. 1.2. Распределение массы научной аппаратуры по странам-участникам экс- периментов на орбитальной станции «Мир»
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 43 Рис. 1.3. Схема создания инновационного потенциала Зарождение новаций зависит от имеющегося научно-технического по- тенциала и наличия финансирования НИОКР. На рис. 1.4 представлена ди- аграмма расходов в 2010 г. на НИОКР в странах, ведущих разработку косми- ческой техники [4]. Развитие российского сегмента МКС дает возможность резкого увели- чения объемов и номенклатуры науч- ных и экспериментальных работ в инте- ресах отдельных стран, отраслей, фирм и корпораций. Оценки коммерческого потенциала МКС в целом и отдельных сегментов стран-участниц проекта (в основном сегментов РФ и США) можно найти, например, в работе [4]. Рис. 1.4. Расходы на НИОКР косми- ческой техники ведущих стран мира в 2010 г. 1.3. Космическая программа пилотируемых полетов Целевое предназначение ПКА и программа работ, выполняемых в про- цессе полета, являются составной частью космической программы, которая формируется для достижения целей и задач государственного или междуна- родного масштаба. Космическая программа определяет количество и дли- тельность полетов, задачи отдельных экспедиций, состав экипажей, основные динамические операции каждого полета (стыковки, маневры и пр.). Первые космические программы были направлены на выход в космос и достижение Луны, последующие — на освоение космического пространства на низкой околоземной орбите. Международные программы предполагают кооперацию и координацию усилий нескольких государств. В настоящее время формиру- ются космические программы полета к Луне, Марсу и астероидам. Построение космической программы требует проведения многоуровневого планирования.
44 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Планирование — составная часть (этап) циклического процесса управ- ления полетом космического аппарата. На этапе проектирования начинает- ся разработка плана, который представляет собой основу процесса полета. В планировании можно выделить следующие уровни, которым соответствуют общие виды плановых документов (рис. 1.5) [5]: • общий (стратегический или долговременный) план полета; • детальный (тактический) план полета, составляемый на один год; • номинальный план полета, составляемый на шесть месяцев; • циклограмма выполнения полетных операций на неделю—сутки. Например, при проектировании ОС разрабатывается долгосрочная программа проведения научных исследований и экспериментов, на осно- ве которой строится годовая программа научно-прикладных исследований и экспериментов. Годовой план научных работ используется для создания программы реализации научно-прикладных исследований в период основ- ных пилотируемых экспедиций. Далее строится номинальный план полета (в части полезной нагрузки) на две экспедиции. На его основе формирует- ся общий план сопровождения научных работ на одну неделю и детальный план полета [6]. Рис. 1.5. Этапы планирования полета пилотируемого космического аппарата
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 45 Необходимость многоуровневого планирования объясняется тем, что не- которые процессы, заложенные при стратегическом планировании, оказыва- ются сложными в управлении. Для них разрабатываются резервные варианты. В процессе полета могут изменяться условия, проводятся новые эксперименты и пр., и все это учитывается при разработке циклограммы полета. Примером стратегического планирования краткосрочной космической экспедиции может служить экспериментальный полет ТКА «Союз — Апол- лон», выполненный по международной программе экспериментального полета «Аполлон — Союз» (ЭПАС). На рис. 1.6 приведен пример оформления схемы этого полета, содержащей ключевые этапы миссии, показанные на графике зависимости высоты полета ТКА от времени [7]. Детальный план полета, разрабатываемый на сутки, представляет собой развернутую во времени циклограмму деятельности экипажа, работы борто- вых систем, обмена информацией между космическим аппаратом и Центром управления полетом. Циклограмма выполнения полетной операции содержит перечень действий по контролю режима работы бортовых систем, а также указания по изменению циклограммы деятельности при возникновении не- штатных ситуаций. Планирование является средством повышения эффективности работы системы экипаж — космический аппарат. Оптимизация профессиональной деятельности экипажа должна проводиться также с учетом многообразия эргономических факторов, влияющих на поддержание работоспособности и роста профессиональной продуктивности. Один из таких факторов — су- точный распорядок, обеспечивающий организацию режима труда и отдыха, который является элементом общего плана полета, и в его разработке участ- вует экипаж. Режим труда и отдыха космонавта в полете регламентируется специально разработанным в России «Положением» и ГОСТ Р 50804—95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате», определяющим требо- вания к содержанию, планированию и контролю режима труда и отдыха. В соответствии с «Положением», основными элементами суточного распоряд- ка жизнедеятельности космонавта являются рабочая и бытовая зоны, а также зона ночного отдыха (сна). В табл. 1.1 приведена типовая схема распределе- ния ресурса времени суток между этими элементами на борту космического корабля, из которой следует, что космонавт в полете основную массу времени (8,5 ч) уделяет деятельности в рабочей зоне. В качестве примера в табл. 1.2 приведен перечень работ, выполняе- мых космонавтами в полете (среднестатистические данные в экспедициях № 5—9 МКС), и затраченное на это время [8]. На рис. 1.7 нарастающим итогом по времени приведены затраты рабочего времени экипажа на экс- плуатацию функционально-грузового блока (ФГБ) «Заря» МКС. который является центральным блоком станции. Ниже приведен перечень работ, про- водимых при его эксплуатации [9]: • расконсервация ФГБ «Заря» после выведения на орбиту; • ремонтно-восстановительные работы по замене оборудования;
Рис. 1.6. Схема экспериментального полета «Аполлон—Союз»: 1 — старт и выведение корабля «Союз»; 2 — маневр формирования орбиты; 3 — старт и выведение корабля «Аполлон»; 4 — перестроение отсеков корабля «Аполлон»; 5 — переход на круговую орбиту; 6 — момент формирования монтажной орбиты; 7 — фазирование и коррекция орбиты; 8 — переход на коэллиптическую орбиту; 9 — торможение, снижение и стыковка корабля «Аполлон»; 10—13 — первый, второй, тре- тий, четвертый переходы экипажей; 14 — первая расстыковка; 15 — тестовая стыковка; 16 — окончательная расстыковка; 17 — сход с орбиты корабля «Союз»; 18 — посадка корабля «Союз»; 19 — расстыковка корабля «Аполлон» со служебным модулем; 20 — сход с орбиты корабля «Аполлон»; 21 — посадка корабля «Аполлон»; 22 — сон экипажа корабля «Союз»; 23 — полетное время; 24 — московское время
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 47 Таблица 1.1 Типовая схема распределения времени суток между основными элементами режима труда и отдыха космонавтов в полете Суточный распорядок Затраты времени В рабочей зоне Ежедневные операции по осмотру ОС, техническому обслужива- нию, связи, визуальным наблюдениям, подготовке суточного рациона и пр.; 3 ч 45 мин Основные операции, включая подготовительные работы, экспе- рименты, работы с экспедициями посещения, вне корабельную деятельность, разгрузку транспортных кораблей «Прогресс» ремонт, маневрирование и пр. Общее время 4 ч 45 мин 8 ч 30 мин В бытовой зоне Утренний туалет 30 мин Прием пищи 2 ч 00 мин Физические тренировки 2 ч 30 мин Личное время Общее время 1 ч 30 мин 6 ч 30 мин Ночной отдых (сон) 9 ч Итого 24 ч Таблица 1.2 Распределение рабочего времени по видам деятельности Вид деятельности Время, затраченное за месяц полета, чел.-ч/мес. Техническое обслуживание, ремонт систем и оборудова- ния, перегрузка программного оборудования, дооснаще- ние станции, инвентаризация 140 Связь с Землей 10 Работы, связанные с совместными операциями станции и кораблей «Союз», «Прогресс», Space Shuttle и модулей МКС 50 Подготовка к выполнению ВКД 40 Научные эксперименты и исследования 65 Документирование полета, кинофотосъемка, ТВ-репорта- жи о полете, связь с общественностью 20 Управление полетом станции 30 Медицинское обслуживание и профилактические проверки членов экипажа численностью п человек 15,5 п Подготовка к предстоящим ответственным работам и опе- рациям, действиям в анормальных ситуациях, тренировка 5 п Ежедневная подготовка к работе, разработка отчета, ознакомление с планом полета 32,5 п
48 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 1.7. Затраты рабочего времени экипажа МКС на эксплуатацию блока ФГБ «Заря» по годам Таблица 1.3. Режим дня космонавтов, работающих на разных ОС Название ОС Сон Гигиена Прием пищи Работа Упражнения и отдых Apollo 4 ч, прерыви- стый 1 ч в день 1 ч в день 18 ч на лунной поверхности Нагрузки в течение полета «Салют 1-3» 8 ч, плановый 1 ч в день 1,5-2 ч в день 8 ч Упражнения и отдых 2 ч ежедневно «Салют 6-7» 9 ч, плановый 1 ч в день 4,5 ч в день Эксперименты 8,5 ч, из них 1-1,5 ч в контакте с Землей Упражнения и отдых 2 ч ежедневно Skylab 9 ч 1 ч в день 2 ч в день 7 ч 2 ч упражне- ний ежедневно, 2 ч отдыха Space Shuttle 8 ч 1 ч в день 3 раза по 1 ч в день(по графику) 10 ч Упражнения 30 мин еже- дневно, 1 ч отдыха «Мир» 9 ч по графику 1 ч в день 3 раза 8,5 ч 2 ч упражне- ний ежедневно и отдых МКС 8,5 ч Утром и вечером 3 раза 6,5 ч 1,5 ч 2,5 ч упражне- НИЯ и отдых
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 49 • осмотр внутренних объемов модуля с целью оценки состояния его конструкции, отбор проб микробиологической обстановки и обработка по- верхностей конструкций бактерицидным раствором; • дооснащение приборной зоны для создания дополнительных хранилищ оборудования и грузов, снижения уровня шумов и проведения других работ. Суточный режим космонавта во время полета на орбитальной станции практически не отличается от режима работы на Земле, он строится таким образом, чтобы сохранялся 24-часовой цикл. Однако ему свойственны особен- ности, обусловленные пребыванием человека в космическом пространстве, — сон, личная гигиена, работа, прием пищи, упражнения и отдых проходят по графику, и они строго регламентированы по времени, поскольку на борту станции могут проходить эксперименты, требующие непрерывного участия космонавта, т. е. один из членов экипажа должен находиться на рабочем месте. В табл. 1.3 для сравнения приведен распорядок дня на различных российских и американских ОС. На рис. 1.8 представлена подробная циклограмма работы экипажа орби- тальной станции Skylab [10]. Время (по Гринвичу) Часы 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.00 23.00 Командир ЛГ । ПП ПЭ 1 ОЭ 1,5 1 1 ПЭ 1 1 ПЭ лг 1 ПЭ Второй пилот лг ПП ПЭ Я1п| ПЭ ОЭ 1,5 ПЭ лг ПЭ Врач- космонавт ЛГ 0,5 ПП 1,0 ПЭ ПЭ 0,5 лг ПЭ Часы 23.00 24.00 01.00 02.00 03.00 04.00 05.00 07.00 08.00 09.00 10.00 11.00 ___________J______________I____________________I______I______I_______I______I______I______I______ Командир ЛГ с по лг С Сон Второй пилот лг ф с 'ПО\ лг ф с Сон Врач- космонавт ЛГ1,0 ф с ;св^ лг 0,5 ф с Сон 8,0 Рис. 1.8. Типичный распорядок дня членов экипажа ОС Skylab: ЛГ — личная гигиена; ПП — прием пищи; ПЭ — проведение экспериментов; ОЭ — опе- рации по эксплуатации станции; СВ — свободное время; ПО — планирование операций; — одновременно принимают пищу только два члена экипажа; [ • ' • ] — в операции занят только один человек, чтобы увеличить время для астрономических наблюдений Параметры космической программы существенно влияют на компонов- ку ПКА, в частности, длительность полета определяет величину потребных объемов отсеков для жизнедеятельности космонавтов, а также потребность в ТКА для снабжении с Земли.
50 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 1.4. Логистика космической программы пилотируемых полетов 1.4.1. Организация снабжения пилотируемого космического аппарата Логистика — наука о планировании, управлении и контроле движения материальных, информационных и финансовых ресурсов в различных си- стемах. Логистика направлена на оптимизацию издержек и рационализацию процессов производства, сбыта и сопутствующего сервиса в рамках как одного предприятия, так и их группы. Логистику можно рассматривать как стратеги- ческое управление материальными потоками в процессе снабжения (закупки, перевозки, продажи и хранения материалов, деталей и готовых продуктов). На практике логистикой часто называют некое объединение складских и транспортных операций, управление которыми сводится к управлению: • складскими сооружениями; • запасами (объемом, местом нахождения); • транспортировкой (вид транспорта, сроки, вид тары и т. д.); • комплектацией и упаковкой; • связью (возможностью получения как конечной, так и промежуточной информации в процессе движения материалов). Компоновка ПКА связана с решением задач логистики, поскольку определение необходимых объемов для хранения запасов, схемы размеще- ния складских зон, параметров тары, а также проектирование безопасных и эффективных путей движения различных грузов определяются на основе расчета грузопотоков и параметров элементов транспортной инфраструктуры. Если при кратковременных полетах (несколько недель) жизнедеятель- ность экипажа можно поддерживать за счет запасов, находящихся на борту ПКА, то обеспечить длительный полет с использованием запасов, доставля- емых с экипажем, практически невозможно по двум причинам: во-первых, пищевые продукты и вода имеют ограниченный срок хране- ния; даже если использовать специальные методы консервации, потребная масса продуктов и воды для длительного полета может превысить возмож- ности средств выведения; во-вторых, для выполнения программы полета требуются топливо для системы стабилизации и ориентации ОС и расходные материалы. В состав бортового оборудования входят как незаменяемые, так и заменяемые прибо- ры и блоки оборудования, которые необходимо менять по мере выполнения экспериментов. В ряде случаев целесообразно проводить эксперименты на научной аппаратуре, размещаемой на грузовом корабле, а не на станции. Проектирование и выбор незаменяемого оборудования проводятся ис- ходя из сроков существования ОС с учетом располагаемого рабочего ресур- са, прогноза о расходовании ресурса в результате эксплуатации, а также об изменении условий эксплуатации, статистических данных, полученных в результате эксплуатации ОС (прототипов). Ремонт элементов незаменяемого оборудования и частей конструк- ции проводится в исключительных случаях (при нештатных ситуациях).
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 51 Оборудование заменяется в двух случаях: во-первых, при его отказе, когда необходимо перейти на резервное оборудование, во-вторых, при оконча- нии срока его эксплуатации или при выработке ресурса. Как правило, это критичные элементы: поглотительные фильтры СЖО, датчики и др. Для их замены необходима регулярная доставка подобных расходных материалов на борт ОС. Восстановление обслуживающих систем в соответствии с гра- фиком регламентных работ следует проводить достаточно часто. Увеличение времени безотказного функционирования требует повышения надежности обслуживающих систем, но это приводит к увеличению их массы (например, вследствие резервирования), что возможно только путем уменьшения массы целевого оборудования. Таким образом, при продолжительных полетах возникает задача снабже- ния ПКА. Например, в течение первых трех основных экспедиций на стан- цию «Салют-6» было доставлено около 12 т грузов, из них 25 % — жидкости и газы, размещенные в специальных баках и баллонах, из которых они были перекачаны в емкости станции, а 75 % — сухие грузы, которые были достав- лены в герметичных отсеках грузовых ТКА, а затем перенесены в отсеки станции. Масса доставленного оборудования по принадлежности к системам распределялась в таком соотношении: система управления бортовым ком- плексом (СУБК) — 0,39 %; система управления движением (СУД), система исполнительных органов (СИО), двигательная установка (ДУ), система сты- ковки — 0,57 %; радиотехнический комплекс (РТК), система телеметриче- ской информации (СТИ) — 1,37 %; система энергопитания (СЭП) — 1,97 %; система терморегулирования (СТР), система жизнеобеспечения (СЖО), ме- дицинская аппаратура и бытовые принадлежности — 95,7 %. В настоящее время на МКС за год доставляется свыше 13 т. Всего среднее по годам коли- чество расходуемого топлива для станции составляет 7...8 т в год. Масса (в тоннах) составляющих грузопотока в год приведена ниже [11]. Топливо двигательной установки....................4,0 Ресурсное оборудование............................1,4 Научное оборудование..............................0,5 Газ атмосферы.....................................0,3 Вода..............................................2,2 Продукты питания..................................2,4 Средства личной гигиены, одежда и пр..............2,6 Средства внекорабельной деятельности..............0,22 Итого.............................................13,6 Следует отметить, что масса и объем сухих грузов значительно превы- шают массу и объем жидкостей и газов, а в будущем эта разница, видимо, будет увеличиваться. Поэтому грузовые корабли должны иметь достаточно большие объемы для сухих грузов, а их габариты и суммарные объемы для сухих грузов в свою очередь накладывают существенные ограничения на си- стемы и конфигурацию станции. С целью экономии объемов в ряде случаев целесообразно доставлять жидкости и газы в специальных емкостях, размещаемых вне герметичных отсеков грузовых кораблей, с перекачкой их затем в емкости станции, даже если это приведет к увеличению массы станции и грузового корабля.
52 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата На борту ПКА выделяются объемы, чтобы организовать склады для хра- нения грузов. На базовом модуле МКС — ФГБ «Заря» впервые в практике эксплуатации ОС была реализована программа по демонтажу неиспользуемого оборудования и созданию объемов для хранения грузов, доставляемых ТКА. Характеристики модуля ФГБ в начале работы приведены ниже. Масса модуля на орбите, кг.......................20 040 Длина без обтекателя и промежуточного отсека, м .12,62 Максимальный диаметр, м..........................4,35 Объем, м3: внутренний с оборудованием....................75 внутренний для обитания экипажа................46,7 начальный для хранения грузов.................6,7 На рис. 1.9 показано изменение с течением времени объемов, использу- емых для хранения грузов на ФГБ [9]. Видно, что объем, предназначенный для хранения грузов, увеличился более чем в 2 раза. Политика управления запасами на ОС зависит от плана полета, в кото- ром сформулировано, какие грузы доставлять, когда, в каких объемах и на каких транспортных системах. Именно от плана полета зависит выбор модели управления запасами. Рис. 1.9. Изменение с течением времени внутреннего объема зон хранения грузов в модуле ФГБ
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 53 Плановая модель предполагает доставку необходимых расходных мате- риалов и оборудования по определенному графику в соответствии с планом полета. «Реактивная» модель позволяет строить управление запасами как реакцию на проведение конкретных работ, выполняемых на ОС. Иными словами, это модель «вытягивания» запасов из текущих нужд. Контроль за состоянием запасов — техническое средство реализации политики управления материальными запасами. В процедуру контроля за- пасов входят учет запасов и регулярное отслеживание приходов и расходов. Эти операции могут особенно эффективно выполняться с использованием автоматизированных информационных систем управления производствен- ными и материальными запасами (ERP-систем). Например, ФГБ «Заря» за время существования (до 2008 г.) принял и выдал 12 т топлива. Запасы топлива ФГБ обеспечивают потребности МКС в топливе, необходимом для управления движением, в том числе при нештатных ситуациях, вызванных задержкой его доставки. На рис. 1.10 приведен график изменения во времени топлива в баках ФГБ начиная с момента вывода на орбиту до апреля 2008 г. [9]. Функционирование складов подчиняется законам складской логистики, обеспечивающей оптимизацию процессов приемки, обработки и хранения грузов. Складская логистика определяет правила организации складского хо- зяйства, процедуры работы с грузом и соответствующие им процессы управ- ления ресурсами по следующим наиболее распространенным методикам: 01.11.1998 31.10.2000 31.10.2002 30.10.2004 30.10.2006 01Л1Л999 31.10.2001 31.10.2003 30.10.2005 30.10.2007 Рис. 1.10. Изменение запасов топлива в баках ФГБ с 01.11.1998 по 01.04.2008
54 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата • FIFO-очередь («первый пришел — первый ушел») — методика осно- вана на допущении, что запасы поступают на производственный процесс или реализуются в том порядке, в котором они прибыли на предприятие, т. е. они должны использоваться в хронологическом порядке их поступления; • LIFO-стек («последний пришел — первый ушел») — методика, в со- ответствии с которой запасы, поставленные последними, используются первыми; • FPFO — в случае использования данного метода при ротации грузов на складе учитывается дата выпуска продукции, более старая применяется в первую очередь; • BBD — при данном методе в процессе ротации грузов на складе учи- тывается рекомендуемый срок хранения груза (не путать со сроком годности груза), указанный в обозначении груза. Склад обрабатывает материальные потоки трех видов: входной, выходной, внутренний. Операции входного потока — разгрузка транспорта и проверка груза. На борт ОС доставляется большой ассортимент грузов, которые требу- ют размещения в определенных местах на борту станции. Каждый из грузов должен иметь машиночитаемый код, например штрих-код, выполненный в соответствии с ГОСТ 14192—96 «Маркировка грузов», с помощью которого определяются характеристики груза и способ складирования. Операции вы- ходного потока — разделение грузов на возвращаемые на Землю и на ути- лизируемые, погрузка с обеспечением заданной центровки ТКА. Операции внутреннего потока — перемещение груза внутри ОС для использования. Информационно-техническую поддержку описанных операций обеспе- чивают автоматизированные системы управлением складскими запасами. Задачу снабжения МКС материалами, необходимыми для ее существования, успешно решают РКК «Энергия» и НПК «Разумные решения», создавшая «Мультиагентную систему интерактивного построения программы полета, грузопотока и расчета ресурсов российского сегмента Международной кос- мической станции» [12]. 1.4.2. Тара и размещение грузов При перемещении и складировании грузов необходимо соблюдать опре- деленные правила. Чтобы грузы стали компактнее и было удобнее работать с ними, следует использовать тару, которая обеспечивает сохранность продук- ции в процессе ее транспортировки и хранения. Тара в переводе (итал. tara от араб, «тарха») означает «то, что отброшено» — она не используется при функционировании изделия и должна быть утилизирована или возвраще- на для повторного применения. Как и все элементы космической техники, тара должна выполнять предназначенные ей функции при минимальном весе. Укладка грузов в таре должна быть рациональной, чтобы она имела минимально необходимый объем. Утилизация тары не должна приводить к значительным затратам ресурсов. Важным аспектом является обеспечение чистоты доставляемых грузов и тары, для того чтобы исключить загрязнение элементов ПКА. Важно, чтобы
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 55 на доставляемых грузе и таре отсутствовали микробиологические загрязнения, для чего они проходят процедуру санитарной обработки. Размещение и крепление грузов в отсеке ТКА должны обеспечивать: • заданную центровку и инерционно-массовые характеристики грузовых отсеков; • универсальность конструктивной схемы размещения и крепления, позволяющей в широком диапазоне изменять номенклатуру и количество доставляемых грузов; • возможность крепления в грузовом корабле отработанного оборудова- ния в процессе или после разгрузки корабля; • минимальную трудоемкость погрузочно-разгрузочных работ. Грузовые корабли желательно оборудовать холодильными или моро- зильными установками для хранения доставляемых скоропортящихся про- дуктов и биологических материалов. Грузы в отсеках российских ТКА компонуются с обеспечением требо- ваний и ограничений корабля и самих грузов, что отражается в проектной до- кументации по кораблю. На рис. 1.11 приведен чертеж грузового отсека ТКА «Прогресс» с указанием зон размеще- ния грузов [2]. Установка грузов на борт корабля проводится по чертежно-конструктор- ской и эксплуатационной докумен- тации РКК «Энергия» при наличии сертификатов на транспортировку и эксплуатацию и отражается в бортовой документации по кораблю. Все грузы должны иметь маркировку в соответ- ствии с ГОСТ 14192—96. Для того чтобы определить, можно ли размещать грузы на борту ТКА «Прог- ресс», к ним должны быть приложены: • габаритно-установочный чертеж; • пакет данных по безопасности на транспортировку; • сопроводительная документа- ция. Габаритно-установочный чертеж груза — это его чертеж в транспортном положении, где должны быть приведе- ны следующие данные: • наименование; • чертежный номер; • масса; Рис. 1.11. Грузовой отсек транспортно- го корабля «Прогресс»: 1 — технологический люк; 2 — стыковочный агрегат; 3 — зона отметания крышки стыко- вочного агрегата; 4 — контейнеры полезного груза; 5 — загрузочный люк
56 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата • координаты центра масс (с допусками); • моменты инерции (с допусками); • чертеж-облик блока; • габариты (с допусками) груза с указанием размеров всех выступающих элементов; • указания мест расположения разъемов, панелей управления или кон- троля, тумблеров; • координаты мест крепления блока и размеры отверстий под крепеж (для грузов массой более 8... 10 кг); • указание об ориентации блока при транспортировке на корабле отно- сительно направления полета и перегрузки (если такое ограничение имеется); • указание о возможности доставки блока в контейнере корабля или размещения по месту; • специальные требования по условиям транспортировки на корабле, если это необходимо; • такелажные точки (для грузов массой более 20 кг); • место расположения штрих-кода. Если при транспортировке на корабле груз находится в упаковке или на нем имеются защитные технологические элементы (кожухи), то габаритно- установочный чертеж должен быть выдан для груза в упаковке или с защит- ными кожухами. Габаритно-установочные чертежи грузов согласовываются со специали- стами по кораблю. При повторной или многократной доставке груза, ранее уже доставлявшегося на корабле того же типа, не требуется согласования габаритно-установочного чертежа. Работы по интеграции грузов на борту ТК «Прогресс» проводятся в три этапа: • рассмотрение и согласование пакета документов на грузы; • инженерный анализ и разработка компоновочной схемы размещения грузов в отсеке с обеспечением требуемых массовых, центровочных, инер- ционных характеристик корабля и условий доставки груза (закрепление, ориентация в полете и т. д.); • физическая интеграция — формирование укладок, размещение и фик- сация грузов в отсеке корабля. Все операции по обслуживанию и подготовке доставляемых грузов на техническом комплексе проводятся только при наличии соответствующих инструкций, согласованных с РКК «Энергия», и под контролем ее ответ- ственных представителей [2]. Владелец (куратор) груза должен учитывать, что к доставляемому на станцию грузу после укладки в корабль не будет доступа до разгрузки его на станции. Длительность указанного периода зависит от условий размещения и установки грузов на корабле. Доставляемые грузы размещаются в предусмотренных для них кон- тейнерах и свободных зонах грузового отсека. Зоны размещения грузов на ТКА «Прогресс» и чертежи контейнеров приведены на рис. 1.12 [2]. При отсутствии специальных требований по транспортировке грузы массой до 8... 10 кг укладываются в контейнеры корабля. Грузы массой свыше 10 кг устанавливаются на специальных транспортировочных рамах, для чего на
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 57 доставляемом блоке должны быть предусмотрены элементы его крепления. В этом случае при заключении договоров и контрактов отдельно оговарива- ется необходимость разработки специальной тары для амортизации, тепло- и влагоизоляции груза. На рис 1.13 приведены схема размещения грузов и чертеж контейнера для размещения грузов в бытовом отсеке транспорт- ного космического аппарата (ТКА) «Союз-ТМА» [2]. Грузы массой до 5 кг укладываются в контейнеры ТКА, а свыше 5 кг устанавливаются на специ- альных транспортировочных рамах. Возвращаемые грузы в спускаемом аппарате размещаются в контейнере, расположенном под средним креслом, в случае двухместного варианта ТКА — в специальном контейнере, который устанавливается на правое кресло. Воз- вращаемые грузы должны свободно проходить через крышку контейнера размерами 170 х 470 мм [2]. Для доставки грузов на МКС в США были разработаны унифицированные ящики, которые можно использовать на любом ТКА, кроме ТК «Прогресс». Поскольку грузы имеют различные габа- риты и массу, разработан ряд типоразме- ров ящиков: половинный, одиночный, двойной. Каждый из ящиков имеет за- стежку и съемную сетку, удерживающую груз. На рис. 1.14 приведены габариты ящиков, а в табл. 1.4 даны их характе- ристики [13]. Рис. 1.14. Ящики для упаковки грузов (размеры указаны в дюймах) Таблица 1.4 Тара (США) для доставки грузов на МКС Обозначе- ние тары Число в стойке Объем, дюйм2 Габариты, дюймы Масса груза, кг (фунт) S-10 2 0,98 5,2 х 16,5 х 8,75 6,76 (14,9) S-17 3 2,52 5,2 х 16,5 х 15,7 13,8 (30,4) S-30 1 1,5 5,2 х 16,5 х 28,7 11,62 (25,6) S-34 1 1,7 5,2 х 16,5 х 32,7 23,7 (52,2) D-10 2 2,00 10,5 х 16,5 х 8,75 35,73 (78,7) D-17 1 1,72 10,5 х 16,5 х 15,7 20,66 (45,5) D-30 2 6,11 10,5 х 16,5 х 28,7 42,09 (92,7) D-34 1 3,46 10,5 х 16,5 х 32,7 63,51 (139,9) Т-17 1 2,6 15,7 х 16,5 х 15,7 23,47 (51,7) Т-30 2 4,64 15,7 х 16,5x28,7 47,76 (105,2 ) Т-34 2 10,52 15,7 х 16,5x32,7 72,02 (158,7) Всего 17 37,47 — 361(795,5)
Рис. 1.12. Размещение контейнеров в грузовом отсеке транспортного корабля «Прогресс»: а — схема размещения грузов; б — контейнеры ярусов I, II и III для грузов Контейнеры яруса III Контейнеры яруса II (№ Ш-I, Ш-2, Ш-3, Ш-4) (№ П-1, П-2, П-3) б
Рис. 1.13. Размещение грузов в БО корабля «Союз-ТМА»: а — контейнер и места размещения грузов в (контейнерах № 1, 5, 7, 9 доставляемый груз размещается в дополнение к штат- ному оборудованию); б — чертеж контейнера
60 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 1.15 Модульный шкаф (размеры в дюймах): 1 — крышка; 2 — замок; 3 — шарнир с трением Для транспортировки аппарату- ры был спроектирован специальный модульный шкаф (рис. 1.15), внутри выложенный специальной амортизи- рующей пеной, предохраняющей груз от вибраций и перегрузок на участке выведения ТК на орбиту. Плотность укладки в модульном шкафу — от 30 до 10 фунт/дюйм3. Его внутренний объем — 2 фут3. В табл. 1.5 приведены типоразмеры модульных шкафов [13]. Крышка шкафа может открываться на 90°, что в некоторых случаях облегча- ет выгрузку содержимого. Если необхо- димо, она может быть открыта на 180°. Крышка снабжена петлями с трением, что облегчает эксплуатацию в условиях Таблица 1.5 Характеристики модульных шкафов (США) Тип модуля Максимальная масса груза, кг (фунт) Внутренний объем, м3 (фут3) Размеры, м (дюймы) Эквивалент грузовой емкости М01 136,2 (300) 0,368 (13) 0,87 x 0,52 x 0,81 (34,25 х 20,5 х 31,78) 6 М02 90,8 (200) 0,227 (8) 0,87 x 0,52 x 0,5 (34,25 х 20,5 х 19,5) 4 невесомости, а также магнитной защелкой для временного закрытия крышки. В модуль можно установить одну большую емкость или две средних размеров. Тара размещается в складских стойках, имеющих такой же корпус, как у стандартной стойки американского сегмента МКС, в который вставлен каркас с установленными на него ящиками с грузом. В корпусе есть двери, в закрытом состоянии фиксирующие ящики с грузом. На рис. 1.16 представлена А-А Рис. 1.16. Размещение грузов в транспортиро- вочной стойке (размеры в дюймах)
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 61 схема сборки стойки с грузом [13]. Одна стойка может вместить груз объемом 1,062 м3 (37,5 фут3) и массой 297,8 кг (656 фунтов). Ящики устанавливаются в транспортировочную стойку, и содержимое легко выгружается в соответству- ющий модуль ОС, если стойка используется только в транспортных целях. Упаковка и замок двери на рис. 1.16 не показаны. При погрузочно-разгрузочных работах складская стойка может быть це- ликом перенесена к месту хранения. На АС МКС габариты люков допускают перемещение стандартных стоек. Для того чтобы перемещать пустую стойку через люки меньшего размера, предусмотрен разборный и складной каркас (рис. 1.17), проходящий в отсек ОС через люк любой величины [13]. Для транспортировки грузов, которые не требуют перемещения стой- ки, а перегружаются индивидуально, используется платформа снабжения, показанная на рис. 1.18 [13]. Здесь каркас для тары крепится на раме непо- средственно к корпусу отсека. В этом случае масса груза может достигать 227 кг (500 фунтов), включая массу емкостей и крепления. Максимальная масса конструкции платформы составляет 80,8 кг (178 фунтов). а Рис. 1.17. Разборная стойка для грузов, которую можно переносить через люки российского сег- мента МКС Рис. 1.18. Платформа снаб- жения, укомплектованная для полета Стойки и платформы снабжены маркировкой, на ящиках имеются на- клейки, информирующие о хранящихся в них грузах. В дверях платформы сделаны вырезы для просмотра и контроля содержимого. При хранении в условиях невесомости грузы укладываются в специальные стойки, представляющие собой легкие конструкции из складного каркаса и тканевых вставок. Стойки отделяются от других конструкций двумя щитами толщиной 1,3 см (0,5 дюйма), сделанными из вспененного материала. Собствен- ная масса стойки — 11,35 кг (25 фунтов). На ней допустимо размещать грузы объемом 1,21 м3 (42,8 футов3), без ограничений по массе. В оболочку можно вста- вить емкости четырех типоразмеров. Оболочка стойки приобретает свою форму после установки на МКС. Характеристики вставок приведены в табл. 1.6 [13].
62 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Таблица 1.6 Емкости (США) для доставки грузов на МКС Тип емкости Вместимость Подразделение Количество и тип емкостей с грузом Тип А 1 объем 4x0,125 объема 2x0,25 объема 10 одиночных и 10 половинных ем- костей (вмещаются любые емкости (кроме 34-дюймовых) Тип В 1 объем 1 объем, разде- ленный внизу 12 одиночных и 12 половинных ем- костей (кроме 34-дюймовых) Тип С 0,5 объема 6x0,083 объема 6 одиночных и 6 половинных емко- стей (кроме 34-дюймовых) Тип D 0,5 объема 1x0,5 объема Груз в виде больших предметов Загряз- ненный элемент 0,5 объема 0,25 объема (контейнеры для пищевых продуктов), большие мешки для мусо- ра, твердые контейнеры для мусора и бывшей в употреблении одежды Хотя такие стойки не предназначены для перевозки грузов при запуске и при посадке, они способны выдерживать нагрузки, равные их весу 1.4.3. Транспортные космические системы Для снабжения пилотируемого космического аппарата (ПКА) исполь- зуется одна или несколько транспортных космических систем, с помощью которых организуются входной и выходной материальные потоки. Транспорт (от лат. trans — через и portare — нести) — совокупность средств, объектов транспортировки, а также окружающей среды, обеспечивающих процесс пе- ремещения людей и грузов различного назначения из одного места в другое. Средства космической транспортной системы: • транспортные КА различных классов; • ракеты-носители или иные средства выведения с соответствующей наземной инфраструктурой; • места базирования ТКА на обслуживаемом ПКА; • комплекс средств приземления для возвращаемых ТКА. Космические транспортные средства могут быть одноразовыми, а также частично или полностью многоразовыми. В зависимости от объектов транспортировки транспортные системы под- разделяются на пилотируемые, перевозящие экипаж и груз, и беспилотные, перевозящие только грузы. Также объектами транспортировки считаются модули дооснащения и другие элементы конструкций обслуживаемого ПКА. К грузам относятся и удаляемые материалы: отходы жизнедеятельности, ко- торые не пошли в переработку, отработавшие свой срок заменяемые блоки приборов и оборудования, модули ОС после завершения их эксплуатации и др. По характеру работы с окружающей средой транспортная космическая система может быть аэрокосмической, транспортные средства которой
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 63 совершают полет в атмосфере, межорбитальной, транспортные средства которой совершают перелеты в околоземном космическом пространстве, и межпланетной, обеспечивающей перелеты в системе Земля — Луна или в Солнечной системе. Для примера рассмотрим характеристики транспортных систем, обеспе- чивающих работу МКС. Российская транспортная система среднего класса — старейшая и наибо- лее надежная из эксплуатируемых систем: с 1967 г. выполнено 128 пилотиру- емых полетов (из них две катастрофы и два аварийных пуска) и 140 полетов для доставки грузов (из них три аварийных). Средства российской транспортной системы — модификации одноразовых пилотируемого и грузового ТКА, построенные на платформе ТКА «Союз», которая регулярно модернизируется. На рис. 1.19 представлена компоновка аппарата «Союз-ТМА-М» [14], а ниже дана его техническая характеристика. Рис. 1.19. Транспортный корабль «Союз-ТМА-М»: 1 — стыковочный агрегат; 2 — спускаемый аппарат; 3 — переходный отсек; 4 — приборный отсек; 5 — агрегатный отсек; 6 — оптический визир пилота; 7 — посадочный люк; 8 — бы- товой отсек Характеристика ТКА «Союз-ТМА-М» Максимальная масса, кг............................ 7220 Экипаж, чел.....................................3 Масса груза, кг: доставляемого.................................100 возвращаемого.................................60 Диаметр жилых отсеков, м..........................2,2 Максимальный диаметр, м ..........................2,72 Размах панелей солнечных батарей, м ...........10,7 Общий герметизированный объем, м3..............10,3 Время существования на орбите (в составе ОС), сут.200 Длина, м..........................................6,98
64 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата В настоящее время в качестве пилотируемого ТКА используется моди- фикация «Союз-МС», отличающаяся наличием нескольких модернизиро- ванных систем. Компоновочная схема грузового ТКА «Прогресс» показана на рис. 1.20 [15]. Для снабжения МКС использовались две модификации: «Прогресс М-М» — для доставки большего количества грузов в герметичном отсеке и «Прог- ресс М1» — для доставки большего количества топлива. Ниже приведены сравнительные характеристики этих модификаций ТКА. Рис. 1.20. Компоновочная схема транспортного космического корабля «Прогресс»: 1 — стыковочный узел; 2 — антенны системы «Курс»; 3 — антенна приема команд; 4 — сол- нечная батарея; 5 — двигательная установка; 6 — сканирующая антенна; 7 — УКВ-антенна; 8 — антенна «Курс»; 9 — стыковочный адаптер PH; 10 — двигатели ориентации; 11 — герме- тичный приборный отсек; 12 — бак с водой; 13 — модуль дозаправки; 14 — грузовой модуль Характеристики «Прогресс М-М» «Прогресс М1» Масса, кг: стартовая ............................ без груза.......................... Максимальная масса полезной нагрузки, кг Максимальна масса сухих грузов, кг... Максимальная масса топлива, кг....... Масса удаляемых отходов, кг.......... Длина, м............................. Максимальный диаметр, м.............. Максимальный герметичный объем, м3... Максимальное время полета, сут....... ..7450 7150 .5050 4740 .2500 2350 .. 1800 1800 .. 1200 1950 .. 1000-1600 1000-1600 ..7,23 7,2 ..2,72 2,72 .. 6,6 6,6 .. 180 180
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 65 В настоящее время в качестве грузового ТКА используется модификация «Прогресс-МС». Средством выведения служит ракета-носитель (PH) типа «Союз» среднего класса грузоподъемности. Запуск производится с космодро- ма Байконур. Место базирования — четыре стыковочных узла PC МКС, оснащенных системой типа «Курс», позволяющей выполнять стыковку в автоматическом, ручном и телеоператорном режиме. Средство возвращения грузов — спускаемый аппарат капсульного типа в составе пилотируемого ТКА «Союз», который совершает посадку в штатном варианте на сушу на парашюте. Если потребуется, можно увеличить объем возвращаемого груза за счет уменьшения числа членов экипажа (вплоть до беспилотного варианта с массой возвращаемого груза 550 кг). Способ утилизации грузов — после разгрузки ТКА «Прогресс» запол- няется отходами, которые вместе с ним при завершении полета сгорают в плотных слоях атмосферы. Объекты транспортировки — сменные экипажи МКС (антропометри- ческие параметры членов экипажа начиная с модификации «Союз-ТМА» приведены далее), компоненты топлива, грузы в герметичном отсеке, грузы в специально доработанном негерметичном отсеке (вместо топлива), а также малые модули дооснащения ОС при использовании модификации «Прогресс ГТК». Транспортные космические аппараты данной системы способны нести науч- ное оборудование, и их можно использовать как автономные исследователь- ские модули, а также как платформу для запуска малых КА. Антропометрические параметры членов экипажа кораблей «Союз» Рост, см: в положении стоя min/max .................150/190 в положении сидя max ..................99 Обхват груди, см.........................Не ограничивается Масса тела min/max, кг ..................50/95 Максимальная длина ступни, см ...........29,5 Российская транспортная система тяжелого класса построена на базе пилотируемой космической системы орбитальная пилотируемая станция — транспортный корабль снабжения (ОПС — ТКС), разработанной по про- грамме «Алмаз». Средства транспортной системы — ТКА «Транспортный корабль снабже- ния» (ТКС), автономно совершивший в 1976—1985 гг. четыре успешных полета в беспилотном режиме, в том числе к ОС «Салют-6» и «Салют-7». В частности, ТКС-3 — «Космос-1443» — в 1983 г. доставил 2700 кг грузов (в том числе до- полнительные солнечные батареи) и 3800 кг топлива на станцию «Салют-7», где проработал 6,5 мес. как модуль дооснащения ОС. Его спускаемый ап- парат совершил мягкую посадку, доставив на Землю около 350 кг грузов и результатов экспериментов. Общий вид ТКС различных модификаций будет подробно представлен в гл. 4, а характеристики ТКА ТКС приведены ниже.
66 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Характеристика ТКА «Транспортный корабль снабжения» Состав экипажа, чел.............................До 3 Стартовая масса, кг ............................21 620 Масса, кг: груза, доставляемого на ОПС................... 5200 доставляемого топлива......................... 3800 Длина, м........................................13,2 Объем внутренних отсеков, м3 .................49,88 Длительность полета в составе ОПС, сут .........90 Глубоко переработанная модификация модуля ОПС используется на МКС в качестве модуля «Звезда», а модификации транспортного корабля снабжения ТКС в виде модулей ФГБ «Заря» и многофункционального лабораторного модуля (МЛМ) «Наука». Средства выведения — PH типа «Протон» тяжелого класса грузоподъем- ности. Запуск осуществляется с космодрома Байконур. Элементы транспортной системы, являются базовыми модулями МКС. Средства возвращения грузов — пилотируемый ТКС имел в своем составе многоразовый возвращаемый аппарат капсульного типа, осуществлявший в штатном режиме посадку на сушу. Объекты транспортировки — тяжелые модули дооснащения ОС. Американская многоразовая транспортная система Space Shuttle в тече- ние 30 лет служила основой пилотируемых космических программ в США. С 1981 по 2011 гг. были выполнены 135 пилотируемых полетов (из них два закончились катастрофой). В настоящее время она выведена из эксплуатации из-за нерентабельности и низкой надежности. Средства транспортной системы — ее основой были пять многоразовых транспортных орбитальных ракетопланов — космических челноков (МТКА); максимальное число полетов одного МТКА составило 39. Общий вид такого МТКА показан на рис. 1.21 [16], а его характеристика МТКА приведена ниже. Характеристика МТКА Space Shuttle Состав экипажа, чел............................ 2—8 Максимальная масса, кг: полезного груза, доставляемого к МКС........ 16 050 груза, возвращаемого с орбиты................ До 14 400 Объем кабины экипажа, м3....................... 71,5 Максимальный объем грузового отсека, м3 ....... 300,2 Длина, м ...................................... 37,2 Размах крыльев, м.............................. 23,8 Высота, м...................................... 17,3 Размеры грузового отсека (длина х ширина х высота), м .................. 18,3x4,6x4,8 Для выведения МТКА на орбиту были использованы два многоразовых твердотопливных ускорителя и одноразовый подвесной топливный бак. За- пуск осуществлялся с космодрома на мысе Канаверал. Для стыковки МТКА на АС МКС были предназначены два стыковочных адаптера РМА (англ. Pressurized Mating Adapter).
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 67 Рис. 1.21. МТКА Space Shuttle (размеры в м) Средства возвращения грузов — МТКА, выполняющий горизонтальную посадку, мог возвращать значительные по массе грузы как в грузовом отсеке, так и в кабине экипажа. Объекты транспортировки — экипаж максимальной численностью во- семь человек и КА различного назначения. В рамках программы SpaceLab в грузовом отсеке МТКА был помещен герметичный лабораторный модуль, по программе МКС доставлялись сменные экипажи и широкая номенклатура грузов, размещаемых на негерметичных платформах и в герметичных модулях снабжения, модули дооснащения МКС и научные инструменты. В грузовом отсеке Space Shuttle доставлялся модуль космический логисти- ки STS MPLM, который стыковался с МКС. После разгрузки с помощью ма- нипулятора модуль устанавливался в грузовой отсек и возвращался на Землю. Модули логистики грузов классифицируются как активный или пассивный в зависимости от укладки грузов. Активный модуль имеет встроенный холо- дильник/морозильник, активную систему терморегулирования и телеметрию грузовых стоек. В пассивном модуле нет системы терморегулирования гру- зовых стоек. В модуль логистики можно установить 16 транспортировочных стоек (табл. 1.7) [13]. Каждая стойка (с учетом конструкции) имела массу 804 кг (1773 фунта). Максимальная масса доставляемых и возвращаемых грузов составляла 9072 кг (20 000 фунтов). Для доставки грузов употребляется герметичный двойной логистиче- ский модуль (LDM), который способен перевозить до 4086 кг (9000 фунтов) груза. Он пригоден для перевозки всех видов груза как в герметичном, так и
68 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Таблица. 1.7 Характеристики грузов транспортного корабля Space Shuttle Места укладки груза Размещение груза Грузы Модуль RSR (стойки для хранения пополняемых запасов) Емкости Расходные материалы, оборудование, материа- лы для экспериментов, средства гигиены Пассивный RSP (платформа в модуле MPLM Raffaello для хранения пополняемых запасов) Емкости Возвращаемое оборудо- вание Пассивный IS PR (международная стандартная стойка для полезных грузов) — — Активный (пассивный в MPLM) К/А-стойки — Стойки с продуктами, принадлежностями Активные Melfi (морозильники) — Научное оборудование, образцы Активный (пассивный в MPLM) Система стоек Лотки Научное оборудование Активный ISPR Лотки — Активный (пассивный в MPLM) Express-стойка Стойка с ящиками Научная аппаратура Активный (пассивный в MPLM) в негерметичном исполнении. Грузы также могут быть закреплены на плос- кой крышке модуля. Кроме того, в модуль допустимо устанавливать одно- и двухместные стойки, ящики, мягкие стойки укладки, мягкие сумки. На рис. 1.22 приведен модуль со стандартной укладкой [13]. Рис. 1.22. Герметичный двой- ной логистический модуль
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 69 Европейская транспортная система — экспериментальная, она разрабо- тана для снабжения МКС европейским космическим агентством при участии РКК «Энергия». С 2008 по 2015 гг. были выполнены пять полетов ТКА. Средства транспортной системы. Автоматический беспилотный ТКА ATV имеет модульную структуру (рис. 1.23) [17]; он состоит из герметичного мо- дуля для сухих грузов и негерметичного агрегатного отсека, где размещаются наряду с прочим емкости для доставляемых на МКС воды и газа. Характе- ристики ATV приведены ниже. Рис. 1.23. Общий вид (а) автоматического транспортного корабля ATV и его ком- поновочная схема (б): 1,3 — топливные баки; 2 — бак наддува; 4 — шкафы с грузом; 5 — стыковочный узел; 6 — экран противометеоритной защиты; 7 — газовые и водяные баки; 8 — система автоматики; 9 — солнечная батарея; 10 — блок двигателей стабилизации; // — двигатели а
70 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Характеристика транспортного корабля ATV Масса, кг: стартовая ........................................ 20 750 доставляемого воздуха........................... 100 доставляемой воды...............................855 доставляемого топлива...........................860 Максимальная масса, кг: доставляемых сухих грузов...................... 5500 удаляемых отходов .............................. 6500 Длина, м........................................... 10,2 Максимальный диаметр, м...........................4,48 Максимальный полезный герметичный объем, м3.......45,0 Время полета в составе МКС, сут...................До 190 Средства выведения — PH типа «Ариан-5» тяжелого класса грузоподъ- емности. Запуск производится с космодромов Байконур и Куру. Стыковка осуществлялась к кормовому узлу модуля «Звезда» PC МКС. ТКА ATV после разгрузки заполняется отходами, которые вместе с ним при завершении полета сгорают в плотных слоях атмосферы. Объекты транспортировки — грузовые стойки МКС, вода, газы, компо- ненты топлива. Японская транспортная система используется для снабжения японского сегмента МКС. С 2009 г. выполнены пять полетов ТКА. До 2020 г. заплани- ровано девять полетов. Средства транспортной системы. Автоматический беспилотный ТКА HTV Kounotori («Белый аист») [18] предназначен для доставки на японский сегмент МКС грузов и для удаления отработавшего оборудования и отходов (рис. 1.24). Его характеристика приведена ниже. Рис. 1.24. Транспортный корабль HTV Kounotori: / — герметичный отсек; 2 — негерметичный отсек; 3 — модуль системы управления; 4 — двигательный модуль; 5 — достав- ляемый блок
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 71 Характеристика транспортного корабля HTV Kounotori Стартовая масса, кг ............................... 16 500 Максимальная масса, кг: доставляемых грузов............................. 6000 доставляемых грузов, в герметичном отсеке ....... 5200 доставляемых грузов, в негерметичном отсеке ..... 1500 удаляемых отходов ............................... 6000 Длина, м ..........................................9,8 Максимальный диаметр, м ...........................4,4 Максимальный полезный объем, м3: герметичный .................................... 14,0 негерметичный ................................... 15 Время полета в составе МКС, сут ...................45 Средства выведения — PH типа Н-П тяжелого класса грузоподъемности. Запуск производится с космодрома космического центра Танэгасима. Место базирования — ТКА не имеет автономной системы стыковки и швартуется к узловому модулю АС МКС с помощью дистанционной управ- ляемого манипулятора. После разгрузки ТКА Kounotori заполняется отходами, которые вместе с ним при завершении полета сгорают в плотных слоях атмосферы. Доставляемая аппаратура на ТКА HTV может размещаться в герметич- ном отсеке в складских стойках и в негерметичном отсеке на специальных платформах. Компоновка грузовых отсеков показана на рис. 1.25 [18]. Вид платформы с негерметичными грузами приведен на рис. 1.26 [19], а узлы кре- пления контейнеров с негерметичными грузами представлены на рис. 1.27 [19]. Коммерческая транспортная система SpaceX— частично многоразовая, среднего класса грузоподъемности, разработана коммерческой фирмой SpaceX Рис. 1.25. Размещение грузов в отсе- ке для полезного груза транспортного корабля HTV: / — герметичный отсек (8 шкафов + перед- няя упаковка); 2 — негерметичный сегмент (два погрузочных места) Рис. 1.26. Схема установки контейнеров на платформе негерметичного отсека HTV: / — модуль полезной нагрузки; 2 — узел за- хвата манипулятором; 3 — блок интерфейса с полезной нагрузкой; 4 — узел крепления груза
72 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 1.27. Конфигурация и размеры контейнера с негерметичными грузами для япон- ского модуля МКС JEM-EF (а) и активный узел крепления груза (б): 1 — узел захвата манипулятором; 2 — контейнер; 3 — узел крепления груза; 4 — стыковочный узел для снабжения американского сегмента МКС после прекращения полетов системы Space Shuttle. С 2010 г. осуществлены 11 полетов ТКА (из них одна авария), до 2020 г. запланировано 22 полета. Средства транспортной системы — автоматический беспилотный ТКА Dragon [20], состоящий из многоразового возвращаемого аппарата капсульного типа, оснащенного двигательной установкой, и одноразового негерметичного грузового контейнера (рис. 1.28) [21]. Его характеристика приведена ниже. Характеристика транспортного корабля Dragon Длина, м.................................................. 6,1 Стартовая масса, кг....................................... 7510 Максимальная масса доставляемых грузов (распределяется в любой пропорции между негерметичным и герметичным отсеками), кг................ 3310 Максимальная масса возвращаемых грузов, кг.............. 2500 Максимальный диаметр, м................................... 3,7 Максимальный полезный герметичный объем, м3 .............. 11,0 Полезный негерметичный объем (два варианта), м3.......... 14,0; 34,0 Время полета в составе МКС, сут ..........................До 730 В настоящее время проектируется пилотируемый вариант ТКА DragonV2. Средства выведения — PH типа Falcon-9 среднего класса грузоподъемно- сти. Запуск производится с космодрома на мысе Канаверал. Первая ступень носителя спроектирована многоразовой, она проходит летные испытания. Место базирования — ТКА не имеет автономной системы стыковки и швартуется к узловому модулю американского сегмента МКС с помощью дистанционно управляемого манипулятора.
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 73 Рис. 1.28. Транспортный корабль Dragon: / — пассивный стыковочный узел; 2 — крышка люка; 3 — солнеч- ные батареи; 4 — антенны; 5 — негерметичный отсек; 6 — радиатор; 7 — герметичный отсек Средства возвращения грузов — многоразовый возвращаемый аппарат ТКА Dragon в штатном варианте, он совершает посадку на воду на парашюте. Предназначен для доставки на МКС расходных материалов и инструментов для научных исследований, элементов дооснащения в негерметичном отсеке (рис. 1.29) [22], а также для доставки на Землю результатов научных исследова- ний, полученных на МКС. Коммерческая транспортная система OrbitalАТК— частично многоразовая, среднего класса грузоподъемности, разработана коммерческой фирмой Orbital Sciences Corporation (с 2015 г. — Orbital АТК) для снабжения американского сегмента МКС после прекращения полетов системы Space Shuttle. С 2013 г. совершено шесть полетов ТКА (из них — одна авария). До 2019 г. заплани- ровано И полетов. Средства транспортной системы — автоматический беспилотный ТКА Cygnus [23] предназначен для доставки на американский сегмент МКС гру- зов и для удаления отработавшего оборудования и отходов (рис. 1.30) [24]. Используются две модификации ТКА: стандартная и расширенная, их ха- рактеристики приведены ниже. Характеристики транспортного космического корабля Cygnus Стандартная модификация Расширенная модификация Стартовая масса, кг 3500 5300 Максимальная масса, кг доставляемых грузов 2000 3500 удаляемых отходов 1200 2000 Длина, м 5,14 6,25 Максимальный диаметр, м.... 3,07 3,07 Максимальный полезный герметичный объем, м3 18,9 27,0 Время полета в составе МКС , сут....730 730
74 Часть L Исходные^ данные^ для компоновки^ пилотируемого космического аппарата Рис. 1.30. Транспортный корабль Cygnus: 1 — герметичный грузовой модуль; 2 — слу- жебный модуль; 3 — панели солнечных батарей 2 3 4 5 Рис. 1.29. Компоновка и габариты отсеков ТКА Dragon (размеры в м): 1 — верхний люк; 2 — герметичный отсек; 3 — агрегатный отсек; 4 — слу- жебный отсек; 5 — негерметичный отсек Средства выведения — PH типа Antares или AtlasV среднего класса грузоподъем- ности. Запуск производится с коммерче- ского космодрома Mid-Atlantic Regional Spaceport или космодрома на мысе Кана- верал соответственно. ТКА не имеет автономной системы стыковки и швартуется к узловому мо- дулю американского сегмента МКС с помощью дистанционного управляемого манипулятора. Средства утилизации грузов — ТКА после разгрузки заполняется отходами, которые при завершении полета вместе с ним сгорают в плотных слоях атмосферы. Объекты транспортировки — грузы и расходные материалы в таре АС МКС. Перспективные пилотируемые транспортные космические системы нового поколения активно разрабатывают в России и США. Ведутся работы по соз- данию систем, имеющих возможность размещать увеличенное число членов экипажа и совершать полеты за пределы низкой околоземной орбиты — к астероидам и Луне. Общая концепция таких ТКА повторяет идеи, реализованные в транспорт- ном корабле ТКС: многоразовый возвращаемый аппарат капсульного типа и одноразовый агрегатный отсек. Многие технические решения этих систем еще находятся в стадии проработки. Ниже приведены основные характеристики (по состоянию на 2016 г.) двух систем, разрабатываемых национальными космическими агентствами, — российского ПТК НП «Федерация» и американского многоцелевого пилоти- руемого ПКА MPCV Orion, создаваемого при участии ЕКА.
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 75 Внешняя компоновка ТКА «Федерация» показана на рис. 1.31 [25], а внешняя компоновка ТКА MPCV Orion — на рис. 1.32 [26]. Характеристики перспективных ТКА ПТК НП «Федерация» Состав экипажа, чел......................До 6 Стартовая масса (орбита МКС/орбита Луны), т.............. 12,0/16,5 Масса доставляемых грузов, кг: на МКС пилотируемый......................500 на МКС беспилотный..................... 2000 к Луне................................. 100 Масса возвращаемых с МКС грузов (в пилотируемом варианте), кг............500 Длина, м ................................6,1 Максимальный диаметр, м..................4,5 Объем герметичного отсека, м3............ 18,0 Объем жилого пространства, м3............8,0 Число циклов использования возвращаемого аппарата.................. 10 Время полета, сут: в составе МКС............................365 автономного............................30 MPCV Orion 4-6 15/25,8 500 100 8,0 5,03 19,56 9,0 10 730 21 Рис. 1.31. Общий вид транспортного космического аппарата «Федерация»: 1 — пассивный стыковочный узел; 2 — солнечные батареи; 3 — агрегат- ный отсек; 4 — парашютный контейнер; 5 — многоразовый возвраща- емый аппарат
76 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 1.32. MPCVOroin: / — многоразовый возвращаемый аппарат (отсек для экипажа); 2 — служебный модуль (разработанный ЕКА); 3— панели солнечных батарей; 4 — стыковочный узел В настоящее время имеется также большое количество проектов коммерческих пилотируемых ТКА для доставки экипажей численно- стью до семи человек на низкую околоземную орбиту, находящихся на различных этапах реализации: CTS100 Starliner фирмы Boeing, Dragon V2 фирмы SpaceX, DreamChaser фирмы SpaceDev. Насколько востребованы и кон- курентоспособны окажутся указан- ные системы, покажет время. 7.4.4. Планирование транспортных операций От параметров грузопотока существенно зависят объем и масса грузов, хранящихся на складе ПКА. Планирование транспортных операций на ОС определяется числом и грузоподъемностью имеющихся в распоряжении ТКА (рис. 1.33). Количество полетов и длительность нахождения ТКА в составе ОС рассчитываются с учетом числа доступных стыковочных узлов. На рис. 1.34 показано расположение шести стыковочных узлов для ТКА различных транспортных систем. Рис. 1.33. Факторы, влияющие на количество ТКА, необходимых для обеспечения снабжения орбитальной станции
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 77 Союз ТМА-20 Рис. 1.34. Расположение стыковочных узлов различных транспортных систем на МКС (конфигурация МКС 26.02.2011) Типовой план снабжения МКС, разработанный в 2000 г., предусматри- вал 14 полетов, выполняемых четырьмя транспортными системами. Со- гласно этому графику, на ОС в течение года планировались два полета ТКА «Союз», четыре полета ТКА «Прогресс», пять полетов МТКА Space Shuttle, а также один-два полета ATV и HTV в год. Как видно из графика полетов, различные ТКА снабжают МКС с разными интервалами. Корабли «Союз» (два полета в год) и Space Shuttle (пять полетов в год) доставляют на станцию сменные экипажи и экспедиции посещения, Space Shuttle также доставля- ет крупногабаритные тяжелые грузы. Корабль «Прогресс» (четыре полета в год) и ATV (один полет в год) доставляют расходные материалы и топливо, Таблица 1.8 График полетов ТКА к МКС в 2014 г. ТКА Янв. Фев. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сен. Окт. Ноябрь Дек. «Союз» О О О О О О О «Союз» О О О О О О О «Союз» О О О 0> «Союз» О 0> «Прогресс» О О О «Прогресс» О О О О О «Прогресс» О О О О О «Прогресс» О О 0> Dragon О О Dragon О О ATV О О О О О 0> Cygnus О О Cygnus О О Cygnus * — аварийны] л залу ск; О - - время полек i; > — I полет пр одолже] -I в еле; 1ующе О* М ГОД)
Высота орбиты Рис. 1.35. Циклограмма снабжения ОС с учетом снижения ее орбиты: В КД — внекорабельная деятельность; ПК — пилотируемый корабль; ГК — грузовой корабль; Гци — время целевого исследования; /тор — время технического обслуживания и ремонта (ТОР); Тг — время восстановления
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 79 а также поднимают орбиту МКС, корабли HTV (два полета за год) доставляют расходные материалы и негерметичное оборудование. С прекращением полетов Space Shuttle основная нагрузка по доставке экипажей легла на корабли «Союз», число полетов которых увеличилось в 2 раза. Для доставки грузов были введены в эксплуатацию две новые американ- ские коммерческие транспортные системы. При этом общее число полетов в год сохранилось на уровне 14—15. График полетов ТКА к МКС в 2014 г. представлен в табл. 1.8. Наряду с доставкой грузов ТК выполняют коррекцию параметров орби- ты ОС. Доставляемое на ОС топливо тратится на приращение импульса ОС. Значит, можно считать, что ТКА снабжают низкоорбитальные ОС прираще- нием импульса, необходимым для преодоления сопротивления атмосферы. При планировании операций снабжения низкоорбитальных ОС требуется соотносить период снижения орбиты ОС под действием аэродинамического торможения с периодом транспортных операций. Пример графика снабжения ОС с учетом высоты ее орбиты приведен на рис. 1.35 [27]. При планировании транспортных операций следует учитывать нештатные ситуации, связанные с авариями ТКА. Как показывает практика, эксплуа- тации МКС в течение года могут возникнуть одна-две подобные ситуации. В этом случае запасов жизненно необходимых ресурсов должно хватать для преодоления возникшего перерыва в снабжении. Использование нескольких транспортных систем позволяет надежно резервировать средства доставки. Контрольные вопросы к главе 1 I. Назовите факторы, влияющие на перспективы использования орбитальных станций. 2. Какими международными и российскими документами регламентируется кос- мическая деятельность? 3. Что представляет собой космическая программа? 4. Расскажите о структуре логистики орбитальной станции. 5. В чем заключается различие размещения грузов в отсеках транспортных ко- раблей «Союз-ТМА» и «Прогресс»? 6. Что представляет собой космическая транспортная система? Литература к главе 1 I. Творческое наследие Сергея Павловича Королёва. Избранные труды и доку- менты. М.: Наука, 1980. 591 с. 2. Российский сегмент МКС. Справочник пользователя. URL: http://knts.tsniimash. ru/ru/src/Center!nfRes/iss_rs_guide.pdf (дата обращения l7.0l.20l9). 3. Пилотируемая орбитальная станция «Мир». URL: http://ursa-tm.ru/forum/index. php?/topic/4300-pilotiruemaia-orbitalnaia-stantciia-mir/ (дата обращения 17.01.2019).
80 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 4. Корунов С.С., Белова Г.Н., Гудкова Г.И. Проблемы и перспективы коммерциа- лизации российского сегмента международной космической станции (МКС) // Труды МАИ. 2011. № 43. 11 с. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=24738 (дата обраще- ния 17.01.2019). 5. Соловьев В.А., Любинский В.Е., Жук Е.И. Текущее состояние и перспективы развития системы управления полетами космических аппаратов // Пилотируемые полеты в космос. 2011. №1 (1). С. 27—37. 6. Соловьев В.А. Проведение научных исследований на космических кораблях и орбитальных станциях. URL: http://mfk.msu.ru/attachment/! 14/lection7.pdf (дата обра- щения 17.01.2019). 7. Безопасность космических полетов / Г.Т Береговой, А.А. Тищенко, Г.Д. Ши- банов, В.Я. Ярополов. М.: Машиностроение, 1977. 263 с. 8. Соловьев В. А., Лысенко Л.Н., Любинский В.Е. Управление космическими поле- тами: учебное пособие. Ч. 1. М.: Из-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 476 с. 9. Обеспечение заданных характеристик и совершенствование конструкции функционально-грузового блока «Заря» в процессе полета в составе Международной космической станции / А.Ф. Вагонов, А.А. Горбань и др. // Научно-технические раз- работки КБ «Салют». М.: Машиностроение, 2010. 398 с. 10. Принципиальные черты программы «Скайлэб». URL: http://epizodsspace.no-ip.org/ bibl/skylab/03.html (дата обращения 17.01.2019). 11. Пугаченко СЕ. Проектирование орбитальных станций: учебное пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 93 с. 12. Практические результаты внедрения интерактивной мультиагентной системы построения программы полета, грузопотока и расчета ресурсов Российского сегмента МКС / А.Г. Бидеев, Н.В. Горбова, В.В. Кузьмин, Г.Н. Капорцева и др. //Космическая техника и технологии. 2016. № 2 (13) С. 5—13. 13. International Space Station Evolution Data Book. Vol. I. Rev. 1 / Editor C.A. Jorgensen NASA/SP-2000-6109. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi= 10.1.1.32.4499&rep=repl&type=pdf (дата обращения 17.01.2019). 14. Транспортный пилотируемый корабль новой серии «Союз ТМА-М». Общие сведения. URL: http://www.energia.ru/ru/iss/soyuz-tma-m/soyuz-tma-m.html (дата обра- щения 17.01.2019). 15. Reference guide to the space station ISS. Utilization edition 2015. URL: http://www. nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/np-2015-05-022-jsc_iss_utilization_guide_2015-508c.pdf (дата обращения 17.01.2019). 16. Baker D. NASA Space Shuttle Owners’ Workshop Manual. Minneapolis: Zenith Press, 2011. 160 p. 17. Automated Transfer Vehicle. URL: http://spaceflightl01.com/spacecraft/atv/ (дата обращения 17.01.2019). 18. HTV-1 Mission Press Kit. URL: http://www.nasa.gov/pdf/384523main_htv_press_kit.pdf (дата обращения 17.01.2019). 19. Kibo Exposed Facility User Handbook. URL: http://iss.jaxa.jp/kibo/library/fact/ data/JFE_HDBK_all_E.pdf (дата обращения 17.01.2019). 20. Новые космические корабли США и России. URL: http://pahapct.livejournaL com/20096.html (дата обращения 17.01.2019). 21. Компания SpaceX осуществляет успешный запуск ракеты Falcon 9 и выводит на орбиту космический корабль Dragon // Военное обозрение. URL: https://topwar.ru (дата обращения 17.01.2019). 22. Dragon. SpaceX. URL: http://www.spacex.com/dragon (дата обращения 17.01.2019).
Глава 1. Организация пилотируемого космического полета 23. Orbital АТК. URL: http://www.orbitalatk.com/space-systems/human-space- advanced-systems/commercial-resupply-services/ (дата обращения 17.01.2019). 24. New Private Space Freighter Has Solid Backing. URL: http://www.space.com/ 8046-private-space-freighter-solid-backing.html 25. Карпенко А.В. Перспективный пилотируемый космический корабль «Федера- ция» («Русь») // ВТС «Невский бастион». URL: http://nevskii-bastion.ru/rus-ka/ (дата обращения 17.01.2019). 26. Orion spacecraft. URL: http://www.lockheedmartin.com/us/ssc/orion-eftl.html (дата обращения 17.01.2019). 27. Радченко Э.Т., Пугаченко С.Е. Орбитальные станции: использование опыта проектирования и эксплуатации при математическом моделировании перспективных космических систем // Научно-технические разработки ОКБ-23 - КБ - «Салют». М.: Воздушный транспорт, 2006. 720 с.
ГЛАВА 2. ЧЕЛОВЕК В КОСМИЧЕСКОМ ПОЛЕТЕ 2.1. Геометрия тела человека 2.1.1. Антропометрические характеристики человека Для успешного освоения космического пространства необходимо создать подходящие условия для жизни человека в экстремальных условиях космоса. Конструкция обитаемого отсека должна обеспечить длительную и продук- тивную работу Поэтому космическое жилище должно не только защищать человека и оборудование, но и быть многоцелевой системой, рабочим местом, где люди могли бы удовлетворять свои психологические и физиологические потребности. При проектировании помещений и машин, предназначенных для работы в них человека, следует руководствоваться ГОСТ Р ЕН 547-3—2009 «Безопасность машин. Размеры тела человека. Часть 3. Антропометрические данные». Этот стандарт был разработан в соответствии с европейским стандартом ЕН 547-3:1996 и основными требованиями безопасности Директив Европейского Союза и связанными с ними нормами Европейской организации свободной торговли (EFTA). Ниже приведены среднестатистические антропометрические данные человека, полученные на основе европейских исследований (размеры в мм). Высота тела человека (рост) (Р95)*.................... 1881 Высота тела человека (рост) (Р99) .......................1944 Высота лодыжки (щиколотки) ..............................96 Ширина тела в локтях (Р95) .............................545 Ширина тела в локтях (Р99) .............................576 Ширина кисти с большим пальцем (Р95) ...................120 Ширина кисти без большого пальца (Р95)...................97 Диаметр указательного пальца (Р95) ......................23 Ширина стопы (Р95) ......................................113 Толщина тела человека (Р95).............................342 Размах рук перед рабочим по оси захвата (Р5) ...........615 Размах рук перед рабочим по оси захвата (Р95)............820 Размах рук перед рабочим по оси захвата (Р99)............845 Толщина кисти в ладони (Р95) ............................30 Толщина кисти у большого пальца (Р95) ...................35 Длина бедра (Р95).......................................687 Длина бедра (Р99).......................................725
Глава 2. Человек в космическом полете 83 Длина стопы (Р5) .........................................211 Длина стопы (Р95).........................................285 Длина стопы (Р99).........................................295 Длина головы от затылка до кончика носа (Р95).............240 Диаметр верхней части руки (выше локтя) (Р95) ............121 Диаметр нижней части руки (до локтя) (Р95) ...............120 Диаметр кулака (Р95) ......................................120 Расстояние досягаемости для всей руки (функциональная длина руки) (Р5)..........................340 Расстояние досягаемости для руки до локтя (Р5) ...........170 Расстояние досягаемости руки в сторону (Р5) ..............495 Длина кисти (Р5) .........................................152 Длина кисти до большого пальца (Р5)........................88 Длина указательного пальца (Р5) ...........................59 *Р — процентиль, т. е. процентная доля индивидов из выборки стантартизации, первичный результат которых ниже данного первичного показателя. В зависимости от этих размеров следует проектировать рабочие места и жилые отсеки ПКА. 2.1.2. Антропометрические характеристики человека в условиях невесомости В полете космонавт испытывает перегрузки, изменяющиеся от значитель- ных во время старта и приземления до невесомости в орбитальном полете. Кратковременное воздействие невесомости вызывает тошноту, возникающую вследствие нарушения работы вестибулярной системы. Длительное воздей- ствие вызывает многочисленные проблемы со здоровьем, и одна из наиболее серьезных — потеря костной и мышечной массы (костной до 1,5 % в месяц и мышечной до 20 % за 5—10 дней пребывания в условиях невесомости). Не- весомость также приводит к перераспределению жидкости. Тело человека на 60 % состоит из воды, большая часть которой сосредоточена в кровеносной и клеточной частях организма. В табл. 2.1 приведены антропометрические изменения, вызываемые невесомостью [1]. На рис. 2.1 показана схема пере- распределения жидкости в теле и соответствующее изменение фигуры чело- века, находящегося в условиях невесомости [2]. Под влиянием микрогравитации в организме человека происходят сдвиги, представляющие собой сочетание специфических изменений, обусловленных физической природой микро гравитации и вторичных проявлений, связанных с развитием приспособительных реакций. Исходя из физической сущности невесомости, основным триггерным фактором (причинным компонентом) в механизмах ее влияния на физиоло- гические системы организма является устранение веса тела и, как следствие, гравитационно-зависимых деформаций и механического напряжения структур тела, в том числе ведущих гравирецепторов. Изменения в деятельности ука- занных структур приводят к атонии антигравитационных мышц и нарушениям
84 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Таблица 2.1 Антропометрические изменения фигуры человека Параметр Полет короткий (1-14 дней) Полет длительный во время полета после приземления Рост Легкое увеличение во время первой недели (1,3 см). Рост возвраща- ется в норму после приземления. Увеличе- ние вызвано удлинением позвоночника Увеличение во время первых двух недель, затем стабилизация на уровне примерно 3% от предполет- ного уровня Возвращение к норме в первый день прилета Окруж- ность Изменения окружности грудной клетки, пояса и конечностей, обусловленные в основном сдвигом жидкости Масса Потеря веса после полета составляет в среднем 3-4 %; около 2/3 этих потерь обусловлено поте- рей воды, остальное — потерями массы мышц и жира. Центр масс сдвига- ется к голове примерно на 3-4 см Потеря веса составляет в среднем 3—4 % за первые пять дней. Во время дальней- шего полета вес постепенно уменьшается. Его первоначальное уменьшение обусловлено выведением жидкости, потом потери являются метаболическими Быстрый набор веса в течение первых пяти дней после полета главным образом за счет восстановления жидкости; замедление этого процесса наблюдается на вторы- е-третьи сутки после посадки или в течение трех недель Объем конечно- стей Во время первых дней после полета объем ноги уменьшается экспонен- циально, затем скорость уменьшается и достигает плато через три-пять дней. Сразу после полета объем ноги снижен на 1 %, а после посадки он быстро увеличивается в течение первых дней, а затем медленно возвра- щается к предполетному уровню В начале полета изменения анало- гичны изменениям в коротком полете. Объем ноги может и дальше снижать- ся. Объем руки снижается незна- чительно. Быстрый рост объема ноги после приземле- ния, далее он медлен- но возвращается к предполетному значению Положе- ние тела Быстрый переход в нейтральное положение тела при отсутствии силы тяжести Быстрый переход в нейтральное поло- жение тела при отсутствии силы тяжести Быстрый возврат к предполетной позе
Глава 2. Человек в космическом полете 85 Рис. 2.1. Перераспределения жидкости при воздействии микрогравитации: а — на Земле при g = 9,8 м/с; б — в начале космического полета; в — после адаптации к условиям полета; г — после возвращения на Землю Рис. 2.2. Причинно-следственные связи при воздействии невесомости на организм человека
86 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата в деятельности других механизмов и систем, вызывающих потерю отоскопи- ческой устойчивости, перераспределение жидких сред в организме и др. На рис. 2.2 показаны доминирующие причинно-следственные связи в развитии реакции организма на невесомость [3]. В условиях невесомости тело человека занимает особое нейтральное поло- жение, которое возникает в результате перехода мышц и суставов в состояние минимальных затрат энергии. Чтобы принять другое положение, необходимо приложить усилие. Если другое положение сохраняется в течение длительного времени, это вызывает утомление и приводит к дискомфорту, поэтому для любого рабочего места важно выбрать правильную позу (рис. 2.3). Изменение позы человека под действием невесомости необходимо учи- тывать при проектировании рабочих мест космонавтов: • фиксаторы ног должны быть наклонными и находиться перед тулови- щем, а также иметь возможность регулировки угла наклона; Рис. 2.3. Фигура человека: а — на Земле; б — в условиях невесомости нейтральное положение тела при действии мик- рогравитации: 7 — вертикальная ось; 2 — горизонтальная ось; 3 — линия зрения на Земле; 4 — линия зрения под действием невесомости
Глава 2. Человек в космическом полете 87 • рабочие поверхности должны быть выше, чем при 1 g, так как эффек- тивная высота космонавта находится между высотой в положении сидя и высотой стоя на Земле, а плечи и руки должны быть изогнуты сильнее, чем на Земле; • главные дисплеи и приборные панели должны располагаться ниже, чем на Земле, поскольку голова сдвинута вперед и вниз, что занижает направле- ние взгляда. 2.2. Функционирование человека в космическом полете 2.2.1. Ограничения подвижности Для нормального функционирования организма человека необходи- ма достаточная активность скелетных мышц. Работа мышечного аппарата способствует развитию и установлению межцентральных и межсенсорных взаимосвязей. Двигательная деятельность повышает энергопродукцию и образование тепла, улучшает работу дыхательной, сердечно-сосудистой и других систем организма. В условиях длительного космического полета на опорно-двигательный аппарат космонавта действует не только невесомость — существенное влияние оказывает и необходимость находиться в ограниченном замкнутом объеме, что приводит к снижению естественной двигательной активности, а длительное поддержание неудобной статической позы вызывает после возвращения на Землю появление особых состояний — гипокинезии* и гиподинамии**. Об- следование показало, что после 1,5 месяцев пребывания в замкнутом объеме сила мышц туловища и конечностей уменьшилась на 20...40 % от исходной, а после 4 месяцев — на 40...50 %. Наблюдались и другие нарушения. Отсутствие мышечной нагрузки снижает интенсивность энергетического обмена, что отрицательно сказывается на скелетных и сердечной мышцах. Кроме того, малое количество нервных импульсов, идущих от работающих мышц, снижает тонус нервной системы, утрачиваются приобретенные ранее навыки и не образуются новые. Все это самым отрицательным образом сказывается на здоровье, но особенно сильно от неподвижности или малой подвижности конечностей страдают суставы. Характер движения в суставе определен его строением. В коленном су- ставе ногу можно только сгибать и разгибать, а в тазобедренном суставе дви- жения могут совершаться во всех направлениях. Однако амплитуда движений * Гипокинезия — пониженная двигательная активность. Она может быть связана с физио- логической незрелостью организма, с особыми условиями работы в ограниченном пространстве, с некоторыми заболеваниями и другими причинами. В отдельных случаях (гипсовая повязка, постельный режим) может иметь место полное отсутствие движений, или акинезия, переноси- мая организмом еще тяжелее. **Гиподинамия — уменьшение мышечных усилий, когда движения осуществляются, но при крайне малых нагрузках на мышечный аппарат. При этом скелетные мышцы нагружены ми- нимально. Возникает огромный дефицит биологической потребности в движениях, что резко снижает функциональное состояние и работоспособность организма.
88 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата зависит от тренировки. При недостаточной подвижности связки теряют эластичность. В полость сустава при движении выделяется недостаточное количество суставной жидкости, играющей роль смазки, что затрудняет ра- боту сустава. Недостаточная нагрузка влияет и на кровообращение в суставе. В результате питание костной ткани нарушается, формирование суставного хряща, покрывающего головку и суставную впадину сочленяющихся костей, да и самой кости идет неправильно, что вызывает различные заболевания. На- рушение кровообращения может приводить к неравномерному росту костной ткани, вследствие чего возникает разрыхление одних участков и уплотнение других. Форма костей в результате этого может стать неправильной, а сустав потерять подвижность. Эффективным средством борьбы с явлениями гипокинезии и гиподина- мии является физкультура, но тренировочный эффект будет проявляться не всегда. Слишком малая нагрузка не вызовет такого распада веществ, который смог бы стимулировать синтез новых, а слишком напряженная работа может привести к преобладанию распада над синтезом и к дальнейшему истощению организма. Тренировочный эффект дает лишь та нагрузка, при которой син- тез белков обгоняет их распад. Вот почему для успешной тренировки важно рассчитывать затрачиваемые усилия — они должны быть достаточными, но не чрезмерными. Другое важное правило состоит в том, что после работы нужно обязательно отдохнуть. 2.2.2. Питание космонавтов во время полета Условия жизнедеятельности на борту космического объекта (состояние невесомости, эмоционально-психическое напряжение, ограниченный объем кабины корабля) требуют особого подхода к рациону питания космонавтов. Обязательные требования космического питания: • сбалансированность рациона по основным незаменимым факторам в соответствии с теорией рационального питания; • высокая норма энергетической ценности при минимальных массе и объеме; • стойкость к климатическим и механическим воздействиям; • сохранение доброкачественности в течение длительного срока. К особенностям организации питания космонавтов следует отнести: • вследствие перегрузок повышенные требования к прочности тары и упаковки продуктов; • невозможность применения в условиях невесомости традиционной посуды (тарелок, чашек, стаканов); • ограничение содержания в продуктах жидкой фазы (при этом продук- ты не должны быть только сухими, брикетированными или виде таблеток); • максимальное приближение по свойствам к продуктам, потребляемым в земных условиях; • особые требования к продуктам, которые крошатся, поскольку они опасны для здоровья космонавтов (например, попадание крошек в горло в условиях невесомости, загрязнение кабины и др.);
Глава 2. Человек в космическом полете 89 • длительность сроков хранения, полноценность продуктов по составу, ограничение по массе и объему, отсутствие несъедобной части [4]. Перечисленные факторы рациона должны быть основными при подборе продуктов для космонавтов. Рацион питания космонавта и требования к его составу зависят от времени пребывания человека в космосе. Основные требования к системе питания космонавта при кратковремен- ных полетах можно сформулировать следующим образом: • рацион питания должен быть адекватен энергозатратам космонавтов и полноценен по составу пищевых веществ, необходимых для обеспечения обменных процессов в организме на оптимальном уровне; • продукты, из которых состоит рацион, должны обладать соответству- ющими пищевыми качествами; • рацион должен комплектоваться из продуктов, готовых к употреблению без дополнительной обработки, нарезки и, по возможности, без подогрева в полете; • неусвояемые вещества должны содержаться в продуктах в незначи- тельных количествах; • объем и вес продуктов должны быть минимальными; • пища должна оставаться доброкачественной на протяжении всего полета; • удобство приема пищи в условиях невесомости должно быть обеспечено. Система питания на кораблях для непродолжительных полетов включала следующие элементы: • набор продуктов на полет или набор суточных рационов питания; • контейнер для хранения продуктов; • приспособления, облегчающие прием пищи; • контейнер для сбора и хранения пищевых остатков и освободившейся упаковки. Очевидно, что такая система питания при продолжительных полетах имеет ряд недостатков, прежде всего касающихся ограниченных сроков хра- нения (5—6 дней в охлажденном виде) на Земле, при транспортировке и в полете без холодильников. Для длительных полетов требовался совершенно другой рацион. Были разработаны биотехнология системы питания экипажа космиче- ского корабля при продолжительности полета 30 сут и более, включающая организацию и технологию питания с применением продуктов, консервиро- ванных тепловым способом и сублимированием, биотехнология пищевого и питьевого водообеспечения на основе консервированной воды, а также бортовая инструкция по питанию и водообеспечению космонавтов в поле- те и методика оценки системы питания и водообеспечения космонавтов в полете [4]. Для обеспечения качественного питания космонавтов в длительном полете целесообразно комплектовать кабину ПКА холодильниками и СВЧ-печками.
90 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 223. Метаболизм Человек в процессе дыхания и питания потребляет из окружающей среды некоторые компоненты и выделяет отходы жизнедеятельности через специа- лизированные органы с мочой, калом, потом и т. п. Количественная характе- ристика обмена зависит от пола, возраста, размеров и массы тела, энергозатрат, микроклиматических условий окружающей среды и т. д. Поэтому для оценки массообмена используют параметры условного человека в возрасте 20...30 лет: для мужчин — рост 170 см, масса 70 кг, уровень энергозатрат 145 Вт. Всего в установившемся режиме человек потребляет из окружающей среды 4 кг ве- щества в сутки и примерно столько же выделяет в окружающую среду [5, 6]. Основной газообмен происходит через легкие (98...99 %), незначительный — через кожу и желудочно-кишечный тракт. В общей сложности, человек вы- деляет в окружающую среду около 400 наименований веществ, некоторые из которых приведены в табл. 2.2 [5]. Основным (по массе) является углекислый газ. В атмосферу поступают летучие вещества пота, мочи, кала и т. д. Таблица 2.2 Вещества, выделяемые человеком в атмосферу Вещество Выделение, мг/сут/чел. Вещество Выделение, мг/сут/чел. Ацетальдегид 0,08 Индол 35 Ацетон 0,13 Метиловый спирт 1,4 Аммиак 250 Метан 600 Бутиловый спирт 1,3 Метил меркантан 0,8 Окись углерода 33 Пронилмеркантан 0,8 Каприловая кислота 0,2 Пронилмеркантановая кислота 210 Этиловый спирт 4 Скатол 25 Этилмеркантан 0,8 Валериановый альдегид 0,8 Водород 59 Валериановая кислота 0,8 Сероводород 0,08 Двуокись углерода 1 180 999 (макс.) 990 000 (норма) 910 000 (мин.) Космонавты потребляют воду в виде питьевой воды или напитков (0,8... 1,2 л), а также в продуктах питания. Выделяемое количество воды превышает ее потребленное количество примерно на 0,4 л. Эта избыточная вода обра- зуется (наряду с углекислым газом) как продукт окисления компонентов пищи и называется метаболической. Из общего количества выделившейся воды в окружающую среду поступает в виде пара 1,5 л и в виде жидкости 1,4 л. Причем примерно 0,4 л пара выделяется при дыхании, а 0,9 л испа- ряется с поверхности тела. Вода в жидкой фазе выводится с мочой (1,25 л) и с плотными отходами. Моча содержит 95 % воды и 5 % растворенных в ней минеральных и органических соединений (в общем перечне 180 наименований). Среди
Глава 2. Человек в космическом полете 91 минеральных соединений основную массу (до 18 г/л) составляет соль NaCl. Органическое соединение — мочевина CO(NH2)2 — выделяется в количестве 35 г/л. Основную массу плотных отходов составляют сухой кал и сухой остаток мочи в виде указанных выше солей минеральных соединений и органики. В незначительных количествах удаляются волосы лица, головы и тела, ногти и т. д. Часть выделений удаляется с бельем и при санитарно-гигиенических процедурах. Помимо непосредственного массообмена, следует учитывать массу сопут- ствующих компонентов, которые в том или ином количестве может исполь- зовать экипаж. В первую очередь это санитарно-гигиеническая вода. Расход воды для умывания и мытья рук — около 3 л/сут. Душевая процедура может быть запланирована 1 раз в неделю. Продолжительность душевой процедуры 3...10 мин, соответствующий расход воды составляет 3...10 л. Использованная санитарно-гигиеническая вода будет содержать механическую и растворенную примеси. Бихроматная окисляемость такой воды доходит до 5000 мг О2/л. В ней находятся моющее вещество 250... 1000 мг/л, микроорганизмы 106... 108 л-1 и много других примесей. Пищевые отходы будут складываться из упаков- ки и остатков содержавшейся в ней пищи, масса которой составляет 2...3 % массы рациона. В табл. 2.3 приведен номинальный баланс обмена веществ у одного члена экипажа при деятельности внутри космического корабля [5]. Таблица 2.3 Номинальный баланс обмена веществ одного члена экипажа при деятельности внутри корабля Вещество Потребление Выделения** Вид Количество кг/чел- день* Вид Количество кг/чел-день* Твердое Пища 0,62 Отходы Моча Фекалии Пот 0,11 0 0,03 0,02 Жидкое (вода) Питье с готовой пищей в полу- фабрикате 1,61 0,76 1,15 Моча Пот и дыхание Вода с фекалиями 1,5 2,27 0,06 Газ Кислород 0,83 Углекислый газ 1 *Среднее максимальное значение метоболизма человека — 2700 кал/день, дыхательный ко- эффициент 0,87. ** При окислении пищи, потребляемой одним членом экипажа, выделяется 0,347 кг/день метаболической воды и 1 кг/день углекислого газа. Здесь показаны потребляемые и выделяемые человеком количества твердых продуктов, жидкостей и газов. Отклонения от номинального уров- ня могут иметь место при изменении уровня нагрузок и содержания воды в продуктах питания.
92 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 2.2.4. Заболевания экипажа Существующая система отбора, контроль здоровья, а также комплекс про- филактических тренировок и мероприятий призваны гарантировать здоровье и высокую степень резистентности по отношению к космическим условиям. Однако по отношению к некоторым категориям особо ценных специалистов приходится снижать жесткие рамки отбора по здоровью. В связи с этим возникает опасность возникновения в ходе космического полета функциональных и соматических расстройств, связанных с невыяв- ленными отклонениями в исходном уровне здоровья, а также трансформации под влиянием неблагоприятных факторов космических условий частичной недостаточности здоровья в патологические состояния. У космонавта могут появиться утомление, раздражительность, эмоцио- нальная лабильность, нарушения сна, снижение работоспособности, а также возможно развитие вегетососудистых нарушений. В табл. 2.4 и 2.5 приведен перечень заболеваний, зафиксированных у космонавтов, работавших на ОС «Мир» и американских космических кораблях [7]. Таблица 2.4 Заболевания и повреждения у космонавтов, работавших на ОС «Мир» Заболевание или повреждение Число случаев Нарушение сна или усталость 7 Утомление и боли в мышцах после внекарабельной деятельности 6 Нарушения сердечного ритма 5 Тяжесть в голове, головные боли 5 Мелкие повреждения кожи 3 Конъюктивная экзема глаз при ультрафиолетовом облучении 3 Растяжение мышц 1 Поверхностный ожог 1 Изменение микрофлоры желудочно-кишечного тракта 1 Изменение конечной части желудочкового комплекса ЭКГ 1 Кариозная полость зуба 1 Катаральный ларингит 1 Таблица 2.5 Заболевания членов экипажей американских космических кораблей Заболевание Число случаев Высотные боли 2 Заболевание верхних дыхательных путей 8 Вирусная кишечно-желудочная инфекция 3 Раздражение слизистой оболочки глаз и кожи стекловолокном 3 Кожная инфекция 2 Травма 1
Глава 2. Человек в космическом полете 93 Окончание табл. 2.5 Заболевание Число случаев Инфекция мочевого тракта 1 Контактный дерматит 2 Аритмия (в полете) 2 Аритмия (после полета) 2 Серозный отит 1 Повреждения глаз и пальцев 1 Ячмень 1 Нарыв 1 Растяжение мышц спины 1 Сыпь 1 Переутомление 3 Токсическая пневмония 3 Анализ данных, приведенных в табл. 2.4 и 2.5, показывает, что основные виды недомогания космонавтов — переутомление и усталость (13 — у эки- пажей ОС «Мир», 3 — у космонавтов США). Как будет показано ниже, это стало следствием нарушения режима труда и отдыха (см. 12.3.2). Остальные заболевания имели единичный характер и не были вызваны условиями кос- мического полета. Большое количество заболеваний верхних дыхательных путей у астронавтов США, очевидно, объясняется недостаточным контролем состояния их здоровья перед полетом. 2.2.5. Физическая нагрузка В космическом полете на космонавта действуют разнообразные физиче- ские нагрузки. Так, на участке выведения это будут перегрузка, вибрация и акустические нагрузки. После выхода на орбиту они не оказывают существен- ного влияния на организм космонавта, но возникает другое воздействие — невесомость. Известно, что первые космонавты, находившиеся длительное время в невесомости, после возвращения на Землю не могли не только ходить, но и стоять. Объясняется это тем, что нервно-мышечный аппарат, обеспечивающий вертикальное положение тела и двигательную активность, не имел на протяже- нии длительного времени достаточной физической нагрузки, в связи с чем утра- тил свои функции. Тоже самое происходит и с другими органами и системами — отсутствие достаточной физической нагрузки приводит к сбоям в работе ор- ганизма, что проявляется в виде различных болезней. Гиподинамия в первую очередь сказывается на работе сердечно-сосудистой и дыхательной систем, что приводит к нарушению обмена веществ в организме, а это в свою очередь становится причиной многих заболеваний. Кроме того, снижается иммунитет,
94 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата а значит, увеличивается риск простудных и инфекционных заболеваний, ко- торые уменьшают и без того малую физическую активность, стимулирующую деятельность всех систем организма. Активность космонавта в длительных (около 1 года) полетах для основ- ных видов ПКА определяется в общем случае среднесуточными энерготра- тами (11,304 + 0,419) МДж/сут/чел. или (2700 + 100) ккал/сут/чел. без учета работы космонавта в скафандре. При расчете расхода энергии космонавтом за сутки следует учитывать интенсивность энерготрат при выполнении работ различной категории тяжести (табл. 2.6) [8, 9]. Таблица. 2.6 Интенсивность затрат при выполнении работы Вид деятельности Интенсивность энерготрат, МДж/ч (ккал/ч) Диапазон Среднее значение Покой 0,324-0,378 (77,4-90,3) 0,346 (82,5) Легкая работа 0,432-0,626 (103-149,6) 0,522 (124,7) Работа средней тяжести 0,630-1,044 (150,5-249,3) 0,828 (197,8) Тяжелая работа 1,044-1,872 (249,3-447,0) 1,512 (361) Работа в скафандре во время внекорабельной деятельности 1,089+0,586 (260+140) — Физическая тренировка* 1,465-2,428 (350-580) — *Энергетическая стоимость одного занятия — 250—300 ккал за 45 мин занятия и 15 мин под- готовки. В процессе внекорабельной деятельности на космонавта наряду с нагруз- ками, связанными с выполнением какой-либо работы, действуют значитель- ные радиационные нагрузки. Было отмечено, что интенсивность радиаци- онных нагрузок на различные участки тела космонавта при его ориентации, например, лицом на запад и лицом на восток различна. 2.2.6. Психологические и социальные аспекты нахождения человека в космическом пространстве В отличие от многих других профессий, деятельность космонавтов про- текает в условиях достаточно высокой степени риска погибнуть в результате аварий, катастроф и несчастных случаев. В основе определения степени риска лежит допущение, что каждый вид человеческой деятельности влечет за собой какую-то вероятность аварий и катастроф. Чем ближе к старту космического
Глава 2. Человек в космическом полете 95 корабля, тем сильнее психическое напряжение космонавтов. Сразу же после старта эмоциональное напряжение начинает спадать. На психологию космонавта в космическом полете в основном влияют следующие факторы: изоляция и стресс, вызванный возможностью возник- новения аварийной ситуации. Изоляция — обособление человека или группы людей (групповая изо- ляция) от привычных условий жизни и общения с другими людьми в усло- виях космического полета [10, И]. В рамках подготовки космонавтов были проведены эксперименты со «строгой» изоляцией («выключение» зрения, слуха, осязания с помощью специальных технических приемов или путем погружения в иммерсионную среду) и изоляцией в замкнутых кабинах малого объема. Они выявили такие изменения в состоянии человека, как склонность к дремоте, апатия, потеря представлений о времени, расстройства памяти, неспособность к продуктивному мышлению и даже к решению простых задач. В подобных ситуациях наблюдались повышенная раздражительность, иллюзии восприятия и галлюцинации. В результате этих исследований было предложено понятие «сенсорный голод», означающее недостаточность при- тока внешних воздействий. Изоляцию стали обозначать также терминами «сенсорная депривация», «сенсорная изоляция». С проблемой изоляции тесно связана проблема гипокинезии (ограниченной подвижности) в каби- нах малого объема. Анализ экспериментальных данных, изучение опыта полетов человека в самолетах и космических кораблях позволили разработать ряд мероприятий по восполнению дефицита во внешних воздействиях и в профилактике реак- тивных нервно-психических состояний (например, клаустрофобии — боязни замкнутого пространства). Изоляция нескольких людей (членов экипажа) изучается в таком разделе психологии, как социальная психология групп. При изучении взаимодействия человека с окружающей средой необходимо учитывать всю систему его сенсорных входов и всю систему как внешних, так и внутренних воздействий. В условиях частичной изоляции особенно сильно начинает проявляться влияние так называемых сверхслабых или неспецифических раздражителей. Задача изучения и влияния сенсорной изоляции сводится к оценке состояния организма как функции величины потока информации в случае уменьшения этого потока до минимального значения. Наиболее эффективными средства- ми борьбы с сенсорной изоляцией являются нормирование потока инфор- мации, воздействующего на космонавта, и поддержание его на постоянном уровне по тем каналам, которые не могут быть изолированными, а также обеспечение контроля параметров среды. Для того чтобы сформулировать условия сенсорной изоляции, требуется оценить количество поступающей информации (с учетом всех возможных каналов восприятия) как до изоляции, так и во время изоляции еще на этапе подготовки экипажей, и только тогда можно будет судить о степени готов- ности космонавтов к полету. Длительная изоляция — основной этнологический фактор психических нарушений. Степень выраженности психических нарушений и характер их клинической картины определяются главным образом личностными
96 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата особенностями испытуемых, что важно учитывать при отборе лиц для работы в условиях длительного космического полета. Стресс — состояние психического напряжения, возникающее у челове- ка при деятельности в трудных условиях как в повседневной жизни, так и в специфических обстоятельствах, например во время космического полета. На психику космонавта существенное влияние оказывают как этап подготовки и ожидания полета, так и сам полет. В период подготовки к полету космо- навту требуется интенсивная теоретическая, практическая (на тренажерах) и физическая подготовка. Одновременно с этим на него действует фактор конкурентной борьбы за место в экипаже, поскольку проводится жесткий отбор по целому ряду критериев [12]. Как правило, до определенного време- ни кандидат не знает, на какой из полетов его включат в состав экипажа, не возникнут ли непреодолимые препятствия, например проблемы со здоровьем, из-за которых могут пропасть несколько лет подготовки. После включения в состав экипажа на космонавта начинают действовать оба вида стресса. Успех операции выведения КА на орбиту целиком зависит от работы ракеты-носителя, ее систем, двигателей, автоматики. Чем меньше времени остается до старта космического корабля, тем сильнее нарастает психическое напряжение космонавтов, вызываемое осознанием того, что ракета-носитель представляет собой источник опасности. На участке орбитального полета наступает другой период: проведение на- учных исследований и экспериментов, обслуживание КА, ремонтно-профилак- тические работы. Но и при этом космонавта не покидает чувство опасности, например, ему кажется, что тонкая оболочка корабля может быть пробита ме- теоритом или фрагментом разрушившегося спутника (космическим мусором) или может возникнуть нештатная ситуация, вызванная отказом одной из систем ПКА. Длительное пребывание в замкнутом ограниченном пространстве с ис- кусственными атмосферой и освещением, температурой и влажностью, пита- нием, гигиеной, необычная смена дня и ночи и т. п. также приводят к стрессу. Существенным отрицательным фактором может оказаться и психологическая несовместимость членов экипажа, но это исключительно редкий случай: дан- ному вопросу уделяется большое внимание в период формирования экипажа. Экстремальным психическим воздействием следует считать выход в открытый космос. Сложная процедура подготовки к выходу и облачение в скафандр, стесняющий движения, — все эти действия требуют концентрации внимания, поскольку ошибки недопустимы. Кроме того, необходимо стра- ховать себя при перемещении по станции, перенося инструменты и обору- дование, необходимые для выполнения работы. При всем этом необычная обстановка («наедине со звездами»), ощущение слабой защищенности от внешней агрессивной среды (практически абсолютный вакуум) и различных опасных ситуаций, осознание того, что безопасность во многом зависит только от самого себя, естественно, увеличивают нагрузку на психику космонавта. Спуск экипажа с орбиты на Землю — сложная, экстремальная операция. Психологическое состояние космонавтов здесь зависит от их личных качеств, от степени доверия к системам корабля, а также от того, насколько успешно выполняются этапы этой операции.
Таблица. 2.7 Стресс и его воздействие на человека Причины стресса Контрмеры против стресса Характеристики деградации Контрмеры против ошибок Опасность Ошибки в планиро- вании, перегрузка одного из членов экипажа Ct Плановая ротация экипажа пресс, вызванный удаленное Ошибки планирования тью от Земли Ежедневное планирова- ние, встречи с экипажем Отсутствие координации в выполнении работ, недоразумения Семейные проблемы Взаимодействие в семье Анормальное поведение, депрессия Дисциплина, консульта- ции психолога Преднамеренный кон- фликт, неспособность работать Разногласия с Землей, контроль Автономия от Земли Противоречие Изменения в миссии Нарушение безопасности полета Ограниченная территория Доступность/ недоступность Конфликты между членами экипажа Переговоры, консульта- ции психолога Неправильные действия экипажа Несовместимость Подбор экипажа Несовместимость Групповое обучение, консультации психолога Отсутствие сотрудниче- ства Недостаточность объема кабины Ct Рациональная организация использования объема станции, оформление пресс, вызванный условиями Клаустрофобия г обитаемости Защита или эвакуация Раздражительность; паранойя Вибрация Выявление источ- ников вибрации и их устранение Нарушения сна, ухудшение взаимоотно- шений Наушники, гарнитуры, коммуникации устройства Невыполнение задания, нарушения координации Уборка помещения Обучение процеду- рам уборки и обеспечение техникой Ухудшение качества среды обитания Распределение обязан- ностей, составление графика дежурства, работа в команде Нарушения в работе системы жизнеобеспече- ния
Продолжение табл. 2.7 Причины стресса Контрмеры против стресса Характеристики деградации Контрмеры против ошибок Опасность Гигиена Обучение Дискомфорт, болезнь Группы и стандарты Заболевание, неспособность выполнить задачи Тепловые нагрузки, влажность, замкну- тая атмосфера Управление окружающей средой Дискомфорт, раздражительность Вентиляция, регулировка газового состава, управле- ние температурой и влажностью, их контроль Повышенная тревож- ность; снижение работо- способности Длительная изоляция Переговоры с семьей и друзьями, экспеди- ции посещения, информация о происходящих событиях, отдых, организация пространства Одиночество, угнетен- ное состояние, ухудшение восприятия, стресс, клаустрофобия Подбор экипажа, меро- приятия по обеспечению информацией, хобби, учет персональных интересов, цвет помещений, освещение Срывы в поведении, ошибки в работе, ослаб- ленное восприятие информации, ошибочные действия, паранойя Искусственное освещение Дизайн освещения, создание «естест- вен н го света» Усталость, раздражительность, затуманенное зрение Разработка специального назначения освещения Ошибочное восприятие информации Проблемы в произ- водственной среде Стрес Совершенствование конструкции станции :с, вызванный выполнением i Усталостные факторы работы на орбите Соответствующие дизайн рабочего места и интерьера станции Ошибки в работе Слабые руководство и организация работы Совершенствование руководства, обучение, поиск консенсуса Конфликты с руководством Разрешение конфликтов Противоречивые действия Назначение на выполнение задач Выбор задач Однообразие Ротация выполняемых работ Отсутствие внимания
Физические недостатки Выбор экипажа, физическое воспитание Недостаточная выносли- вость, слабость Обязательные физические упражнения, режим дня Физическая невозмож- ность выполнять постав- ленные задачи Ошибки в планиро- вании и координа- ции работы, кон- фликты Мероприятия и встречи для измене- ния положения Низкая мораль и мотивация Проверки и ротация экипажа Отсутствие эффективных действий, а также взаимодействия Космические болезни, газовые пузырьки в воде Cmpei Проверка и регули- ровка системы водоснабжения ~с, вызванный нетрудоспоса Падение производитель- ности, страдания бностью экипажа Лечение, улучшение системы водообеспечения Недостаточное реагирова- ние экипажа Болезнь Обследование, профилактика болезней Кратковременная потеря трудоспособности Лечение Инфекция Травма Обеспечение травматической безопасности Долговременная потеря трудоспособности Возвращение на Землю, стабилизация на орбите Отвлечение других членов экипажа Эмоциональные или психические проблемы Подбор и обучение экипажа Отсутствие доверия и сотрудничества Освобождение от работы Ненормальное поведение, вредоносные действия Система поддержки в трудной жизнен- ной ситуации Размещение в общем модуле Повышение вероятности получения травмы при работе Замена на другого члена экипажа Отстранение от ответ- ственной работы Смерть члена экипажа, члена семьи или одного из друзей Консультации психолога Травма члена экипажа, срыв работы в команде Консультация психолога Неспособность работать
Окончание табл. 2.7 Причины стресса Контрмеры против стресса Характеристики деградации Контрмеры против ошибок Опасность Непревычные кухня, режим питания, диета, (необходимость привыкать к другому столу) С Общее жилье, индивидуальное питание, учет предпо- чтений членов экипажа тресс, вызванный особенное Раздражение, депрессия тью личности Обучение Запахи, дегазация Индивидуальное имущество (ограни- чения) Учет индивидуаль- ных интересов при комплектации экипажа Персональная автономия, низкий моральный дух Мониторинг и контроль Потеря работоспособно- сти, конфликты Скука, однообразие Развлечения, подбор экипажа, разнообразие деятельности Отсутствие бдительности Проведение мероприятий, планирование, примене- ние скрытой фотокамеры Отвлечение, несчастные случаи Одежда Учет предпочтений в одежде, прачечная Дискомфорт, ограниче- ние личной свободы Чистая и удобная одежда Загрязнение, пожар
Глава 2. Человек в космическом полете 101 Положительным фактором, конечно, будет осознание того, что это за- вершающий этап полета и скоро предстоит возвращение к земной жизни. Специалисты США, провели анализ возможных ситуаций, вызывающих стресс, предложили меры по его предупреждению, рассмотрели последствия стресса, порекомендовали контрмеры по его снижению и выявили его по- следствия (табл. 2.7) [13]. Источники стрессовой ситуации были разделены на группы: 1 — удаленность от Земли; 2 — условия обитаемости; 3 — проблемы во время работы; 4 — трудоспособность экипажа; 5 — особенности личности. Согласно информационной теории эмоций, разработанной П.В. Симо- новым, отрицательные переживания возникают в условиях дефицита инфор- мации. Знак эмоции изменяется, когда объем поступающей информации на- чинает превышать прогностически необходимый. При преодолении барьера, отделяющего обычные условия жизни от экстремальных, человек оказывается избыточно информированным, что и вызывает положительное эмоциональ- ное состояние. Однако эмоцию нельзя объяснить только информационными процессами, не учитывая физиологического механизма. 2.3. Воздействие космической среды на человека во время полета 2.3.1. Воздействие внешней среды Газовая среда кабины должна быть приближена к газовой среде Земли, состоящей из трех основных газов: кислорода (О2) — 21 %, углекислого газа (СО2) — 0,03 % и азота (N2) — 78 %. Они определяют основные свойства атмосферы: газообмен, конвективный теплообмен, теплопередачу, частоту звуковых колебаний, т. е. восприятие человеком аудиоинформации. Но самое главное — это наличие кислорода в атмосфере, который дает возможность человеку существовать на Земле [14]. Давление сухого воздуха на уровне моря по стандартной атмосфере при- нято считать равным 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Максимальное давление, при котором может существовать человек, — 250 кПа (1900 мм рт. ст.), ли- митирующим условием является парциальное давление кислорода, которое становится равным 50,5 кПа (400 мм рт. ст.). За пределами этого значения проявляются его токсические свойства. Нижняя граница давления для трени- рованного человека — 54 кПа (720 мм рт. ст.), что соответствует высоте 5 км, для нетренированного человека — 79 кПа (737 мм рт. ст.), что соответствует высоте 2 км. Летальный исход может наступить при давлении ниже 36,6 кПа (275 мм рт. ст.), что соответствует высоте 7,8 км. При длительных космических полетах рекомендуется применять азотно-кис- лородную газовую смесь под давлением 101,3 ± 13,3 кПа (760 ± 100 мм рт. ст.), с парциальным давлением кислорода= 18,7...26,7 кПа (140...200 мм рт. ст.)
102 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата и парциальным давлением углекислого газарСо2 не более 0,79 кПа (6 мм рт. ст.). На орбитальном комплексе «Мир» нормальным считалось парциальное дав- ление углекислого газа рСо2 = 0,5 кПа (3,7 мм рт. ст.). В космических скафандрах, предназначенных для длительной работы (до 7 ч) в открытом космосе, газовая среда — чистый кислород или азотно-кис- лородная смесь под давлением не выше 54,9 кПа (400 мм рт. ст.). Важным фактором является и ионационный состав атмосферы. На ионы диссоциируют молекулы кислорода и воды, а полярность молекул воды приводит к образованию гидратированных комплексов. Коэффициент уни- полярности, характеризующий соотношение положительно и отрицательно заряженных ионов, рекомендуется поддерживать в отсеке на уровне менее 1. В газовой среде он может изменяться в пределах 0,6...5. Повышение его значения приводит к ухудшению самочувствия и бактериологической загряз- ненности атмосферы отсека. При проектировании систем жизнеобеспечения (СЖО) необходимо учитывать диапазоны физиологически допустимых отклонений давления и состава газовой среды от номинальных: • при парциальном давлении кислорода 21,3 кПа (160 мм рт. ст.) общее давление в КА может изменяться в пределах 40,9... 133,3 кПа (300,7... 1000 мм рт. ст.); • снижение парциального давления кислорода до 16 кПа (120 мм рт. ст.) возможно на один период не более суток; повторное снижение парциального давления кислорода до 16 кПа допустимо только после двух суток пребывания в атмосфере с нормальным (21,3 кПа) парциальным давлением кислорода; • недопустим длительный рост парциального давления кислорода выше 46,7 кПа (350 мм рт. ст.), повышение парциального давления углекислого газа до 3,3 кПа (25 мм рт. ст.) допустимо не более 4 ч за каждые сутки полета и до 2 кПа (15 мм рт. ст.) допустимо не более 12 ч. В газовой среде отсека выявлено около 400 наименований различных при- месей, поступающих туда как отходы жизнедеятельности человека, а также в результате сублимации клея, красок и различных синтетических материалов из облицовки и бортовой аппаратуры. Необходимо защитить экипаж от не- благоприятных химических воздействий, ухудшающих здоровье, самочувствие и работоспособность экипажа на всех этапах космического полета. Состав газовой среды кабины накладывает жесткие ограничения на ме- тоды и стратегию защиты экипажа: • приборное обеспечение, предназначенное для определения вредных примесей, должно иметь минимальные габариты, массу и энергоемкость; • средства спасения и медицинского обеспечения должны иметь мини- мальную массу и занимать ограниченное пространство; • при микрогравитации отсутствуют условия для сидементации (осажде- ния) крупных частиц, что требует их искусственного удаления; • высокий уровень радиации вдали от Земли может повлиять на хими- ческий состав воздуха в кабине, вызвав образование более токсичных форм. Каждый из этих факторов должен быть учтен при проектировании гер- мокабины космического аппарата.
Глава 2. Человек в космическом полете 103 Микроклимат — это комплекс метеорологических условий в помещении: температуры, относительной влажности, количества аэроионов, воздухообме- на, скорости движения воздуха, содержания в воздухе твердых частиц (пыли), наличия приятных запахов (ароматерапия) и др. [15]. Тепловое состояние человека складывается под воздействием внешних и внутренних факторов. К внешним относятся температура окружающей среды, относительная влажность, подвижность окружающей газовой среды, температура конструкции и лучистый поток, попадающий через иллюмина- торы в отсек. К внутренним факторам относятся теплопродукция организма человека, зависящая от физической нагрузки, и тепло, выделяемое при работе бортовой аппаратуры. Главную роль в тепловом балансе организма играет интенсивность тепло- продукции. Для удобства ее принято разделять на интенсивность основного метаболизма, необходимого для поддержания минимума активности орга- низма, и интенсивность активного метаболизма, обеспечивающего энергию сверх основного уровня вплоть до уровня максимума аэробной работы. Для поддержания теплового баланса организма необходимо, чтобы ко- личество продуцируемого тепла было сбалансировано с теплоотдачей и тем самым была достигнута средняя температура тела, которая будет комфортной или переносимой. Механизмы потери тепла или его поступления из окружа- ющей среды — конвекция, излучение, теплопроводность и испарение. Особенностью человеческого организма является способность адапти- роваться к температуре окружающей среды. Когда человек подвергается воздействию жары или холода в течение нескольких дней или недель, то его система терморегулирования претерпевает изменения, приводящие к изменению производительности. Акклиматизация в жаркой среде приводит к обильному потоотделению при заданной температуре тела. Выполнение физической работы, даже в термонейтральной среде, значительно увеличи- вает метаболическую теплопродукцию в организме. Более сложно выглядит адаптация человека к холоду, как правило, такое воздействие исключается поведенческим терморегулированием, которое включает в себя сознательные действия человека, направленные на максимальное сохранение тепла. Оно заключается в принятии различных поз, уменьшающих или увеличивающих площадь поверхности теплоотдачи в окружающую среду, или в разработке способов повышения температуры. Особенности космического полета, в частности невесомость, приводят к изменениям в тепловом балансе организма. При невесомости отсутствует свободная, или естественная, конвекция, что приводит к изменению физи- ческих механизмов терморегуляции. Естественная конвекция представляет собой движение воздуха, обусловленное различием влияния гравитации на плотный холодный и менее плотный теплый газ. В замкнутом объеме она происходит тогда, когда в нем имеются поверхности или объекты с различ- ными температурами. Особенность космического корабля — неравномерный нагрев поверхности аппарата, поскольку он с циклической последователь- ностью входит и выходит из теневой зоны, что приводит к изменению тем- пературы корпуса.
104 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Для обеспечения комфортных условий в замкнутом объеме используют принудительную конвекцию, которая преобладает над естественной при скоростях движения среды 4,5...9,0 м/мин, а при скоростях менее 4,5 м/мин преобладать будет естественная конвекция. Отсутствие гравитации влияет также на потоотделение, являющееся одним из механизмов терморегуляции организма в жаркой среде. В обычных условиях выделяемый пот либо испаряется, либо собирается в области пото- вых желез. В условиях невесомости пот накапливается на поверхности тела в виде сплошных пленок, что создает дискомфорт и ухудшает потоотделение. Термические характеристики газа-разбавителя в атмосфере космического корабля также влияют на тепловой баланс. В настоящее время используются два состава атмосферы: 100%-ный кислород или смесь кислорода с азотом, а в качестве разбавителя можно применять гелий, неон или аргон. Наибольшее влияние на тепловой баланс оказывает гелий, который существенно повышает конвективную теплопередачу. Геометрические размеры космического аппарата и его собственная те- плоемкость также влияют на тепловой баланс. У небольших космических аппаратов («Восток», «Меркурий», Gemini) температура стенки варьирует от одного участка к другому и существенно зависит от положения аппарата на орбите. Температура внутри этих кораблей не бывает стабильной и одно- родной, и они должны иметь систему терморегулирования, действующую в широких пределах. Теплоемкость космических кораблей и орбитальных станций, имеющих значительные размеры, способствует стабильному поддержанию температу- ры. В этом случае большое значение имеют количество и схема размещения средств, предназначенных для охлаждения электрических, электронных и механических систем. Системы, продуцирующие значительное количество теплоты, следует охлаждать локально, чтобы они не отдавали теплоту в оби- таемый объем. Большое значение имеет размещение датчиков температуры внутри от- секов. Схема их установки отрабатывается на тепловом макете космического корабля или орбитальной станции. За сутки средняя расчетная мощность выделения теплоты организмом космонавта составляет 145 Вт. Она выделяется в окружающую среду путем излучения, конвекции и испарения. Предел тепловой выносливости организма человека ограничен вследствие нарушения равновесия биохимических реакций и биофизических процессов, происходящих в организме. При температуре 42...43 °C возможен летальный исход. Предельно допустимыми считаются внешние регистрируемые пока- затели теплового состояния организма: ректальная температура 38...39 °C и частота пульса 140... 170 уд./мин. Повышение температуры приводит к интенсивному потоотделению, при котором из организма с водой выводятся соли, что приводит к нарушению водно-соляного обмена, замедляющему реакцию и повышающему вероят- ность принятия ошибочного решения при работе с приборами, уменьшающе- му переносимость перегрузок и т. п., а также возможен даже летальный исход.
Глава 2. Человек в космическом полете 105 Тепловое состояние человека в условиях низких температур регулируется за счет теплоизолирующих свойств одежды. Физиологически нейтральными считаются условия, при которых температура газовой среды находится в диа- пазоне 18...23 °C, относительная влажность воздуха — 40...60 %, подвижность газовой среды — 0,05...0,13 м/с, а температура окружающей среды отличается от температуры газовой среды не более чем на 3 °C. 2.3.2. Внешние силовые воздействия Воздействие невесомости и микрогравитации. Невесомость — состояние, при котором отсутствует сила взаимодействия тела с опорой (вес тела), воз- никающая под действием гравитационного притяжения и других массовых сил, в частности силы инерции, вызванной ускоренным движением тела. Невесомость оказывает наиболее сильное влияние на организм космо- навта, приводя к снятию силовых напряжений с антигравитационной му- скулатуры, деформации опорно-двигательного аппарата, а также к измене- ниям гидростатического давления в жидких средах организма. Невесомость проявляется сразу же после выключения двигательной установки последней ступени ракеты-носителя и воздействует на экипаж практически в течение всего космического полета вплоть до входа СА в плотные слои атмосферы при его спуске с орбиты. Воздействие невесомости на космонавта весьма разнообразно: • болезнь движения — космонавты связывают ее появление с резкими движениями головы и перемещениями, однако по мере пребывания в усло- виях невесомости организм адаптируется к этому состоянию, как показывает практика, на седьмые—десятые сутки неприятные ощущения исчезают; • появление пространственных иллюзий, выражающихся в неспособно- сти космонавта ориентировать свое тело в пространстве, что сказывается на работоспособности и перемещениях в кабине; • чувство прилива крови к голове, явление, которое возникает в начале полета, а затем проходит, однако иногда оно сохраняется на протяжении всего полета, но существенного влияния на работоспособность не оказывает; • нарушение координации движения наблюдаются в первые часы и сутки полета, особенно при движениях, не требующих визуального контроля, ко- ординация восстанавливается на вторые-третьи сутки полета; • изменения в сердечнососудистой системе — снижение нагрузки в связи с уменьшением потребления кислорода, а также артериального давления, падение тонуса сосудов большого круга кровообращения, накопление крови в венозном русле, повышение внутричерепного давления, увеличение вну- тригрудного объема крови. Также невесомость сказывается на состоянии анализаторных систем ор- ганизма, например ухудшаются функции зрительного анализатора. Микрогравитация оказывает наиболее существенное влияние на организм человека в условиях невесомости на орбитальных станциях больших размеров, имеющих атмосферу, близкую к земной, что показали исследования, прове- денные в космических полетах. Под микрогравитацией понимают состояние,
106 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата в котором ускорение, вызванное гравитацией, крайне незначительно, а сама сила гравитации не изменяется. Например, на МКС все тела находятся в состоянии микрогравитации, потому что неоднородность гравитационного поля Земли и другие явления создают ускорения, достигающие 10-3... 10-1 g. Состояния чистой невесомости, когда вес тела (при отсутствии перегруз- ки) равен нулю, трудно достигнуть, потому что сложно компенсировать такие явления, как удары микрометеоритов, перемещения воздуха и топлива внутри космического корабля, неоднородное притяжение самого корабля, работу бортовых систем. На рис. 2.4. приведены внешние и внутренние факторы, вызывающие микрогравитацию [16]. Значения постоянно действующей микрогравитации зависит от кон- фигурации станции, высоты орбиты, угла наклонения Солнца, состояния атмосферы Земли (геомагнитного индекса) и других факторов. На орбитах высотой до 1000 км основные постоянные источники ускорений: • гравитационный градиент; • маневры корабля при движении по орбите, например при ориентации в орбитальной системе координат; Рис. 2.4. Микродинамические воздействия на космический аппарат
Глава 2. Человек в космическом полете 107 • аэродинамическое торможение; • низкочастотные колебания относительно центра масс. На ПКА значительных размеров микрогравитация зависит от его местопо- ложения. На рис. 2.5 приведены зоны микрогравитации орбитальной станции. Рис. 2.5. Зоны микрогравитации орбитальной станции К квазистационарным возмущениям относятся возмущения, не менее 95 % мощности которых приходится на частоты ниже 0,01 Гц. На рис. 2.6 приведен профиль микро гравитации вибрационных источников возмущений, действующих на МКС [17]. Определены восемь основных бортовых источ- ников возмущений. К ним относятся вентиляторы служебного модуля (СМ) (значение pg около 0,0026), вентилятор СО2 лабораторного модуля США (pg = 0,031), трение вращения в механизмах разворота солнечных батарей (СБ) и радиаторов, пусковой режим вращения бегущей дорожки, плазменный прерыватель, перемещения космонавтов. Микрогравитация порождается деятельностью экипажа и оборудова- ния. Вибрирующую окружающую среду и остаточные ускорения следует принимать во внимание при работе с инструментами во время наблюдений, особенно тогда, когда собственные частоты аппаратуры близки к частотам микрогравитации. Под влиянием микрогравитации в организме человека происходят сдвиги, представляющие собой сочетание специфических изменений, обусловленных физической природой микрогравитации, и вторичных проявлений, связанных с развитием приспособительных реакций. Воздействие сил инерции. Стартовая тяга двигателей ракеты-носителя превышает вес ракеты примерно на 50 %, поэтому вертикальное ускорение на старте составляет приблизительно половину ускорения свободного па- дения. Вследствие работы двигателей и связанного с этим расхода топлива масса ракеты уменьшается и к моменту выгорания топлива в первой ступени составляет примерно 26 % стартовой. Ускорение по мере выгорания топлива увеличивается до 5 g. Затем следует короткий период свободного полета, когда отделяется первая ступень, после чего включаются двигатели второй ступени
108 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 2.6. Профили микрогравитации и процесс повторяется. Общая продолжительность действия перегрузок при выводе ПКА на орбиту составляет примерно 6... 10 мин. При возникновении аварийных ситуаций на участке выведения значи- тельные перегрузки возникают при срабатывании системы аварийного спа- сения (САС), они могут достигать значений до 8 g. При спуске по крутым траекориям (аварийном спуске) значения перегрузок доходят до (20...25) g. Перегрузка — отношение абсолютной величины линейного ускорения, вызванного негравитационными силами, к ускорению свободного падения на поверхность Земли, поэтому она является безразмерной величиной [17]. Перегрузки, действующие на космонавта на участке выведения косми- ческого корабля на орбиту, могут вызывать нарушение координации, уве- личивать время реакции на сенсорные раздражители, снижать восприятие зрительной информации. По механическому воздействию на организм кос- монавта различают длительно действующие и ударные перегрузки. Длительно действующие перегрузки приводят к нарушению функционирования систе- мы кровообращения и дыхания, а ударные при определенных значениях — к механическому разрушению тканей (переломам). По характеру переме- щения тела в пространстве под действием перегрузок различают перегрузки линейные и вращательные.
Глава 2. Человек в космическом полете 109 Основным фактором, влияю- щим на предельные значения ли- нейных перегрузок, является их направление относительно системы координат, связанной с человеком (рис. 2.7). Главные оси головы и тела, определенные какх,у, г, опи- сывают декартову систему коорди- нат. Линейные ускорения: +az — вверх; -az — вниз; —ау — вправо; +ау - влево; +ах — вперед; -ах — назад; 7 - рыскание (повороты вправо-влево); 2 — крен (наклоны туловища в бок); 3 — тангаж (на- клоны вперед-назад). Степень опасности длительно действующих поперечных перегру- зок зависит от их продолжительно- сти и угла приложения (рис. 2.8) [5]. Опасными являются продоль- ные перегрузки, воздействующие на систему кровообращения. При Рис. 2.7. Система координат, связанная с телом человека положительной продольной перегрузке происходит отлив крови от головы, что приводит к нарушению снабжения головного мозга кислородом. Можно повысить ее переносимость, задержав отлив крови от головы, механически пережимая кровеносные сосуды, по которым происходит отлив крови. Это реализуется благодаря специальным противоперегрузочным костюмам или жилетам, которые применяются в авиации. Продольные отрицательные перегрузки, приводящие к приливу крови к голове, являются наиболее опасными. Предел их переносимости нельзя Рис. 2.8. Переносимость длительно действующей перегрузки п
110 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата повысить никакими механическими способами. При |+aj = 2g человек может потерять зрение, при |+aj = 4g он теряет сознание, а перегрузка |+aj = 5-6g приводит к летальному исходу [18]. Более высокий уровень перегрузки космонавт выдерживает в попереч- ном направлении. Человека, сидящего в кресле, положительная перегрузка «вдавливает» в него, при этом становится трудно дышать, происходит отлив крови, что приводит к появлению серой пелены перед глазами и временной потере зрения. Для повышения переносимости длительно действующих перегрузок их воздействие перераспределяют между системами дыхания и кровообращения. Наилучшая переносимость перегрузки достигается тогда, когда направление между позвоночником и направлением веса тела составляет 75°...78°, что не- обходимо учитывать при размещении кресла космонавта в кабине на участке выведения и в спускаемом аппарате. Ударные перегрузки возникают, если скорость деформации тканей будет меньше или близка к скорости распространения возмущений, возникающих под действием поверхностных сил, т. е. от производной dn/dT (п — перегруз- ка; т — время). Скорость распространения деформации примерно равна скорости звука. В результате могут возникнуть механические разрушения костной ткани. Внутренние органы тела человека (печень, легкие и др.) можно рассматривать как коллоидные системы, заключенные в оболочку, поэтому при dn/dT > 2000 с-1 и определенных значениях перегрузки возможен их разрыв. Вращательные перегрузки бывают двух видов: при вращении тела отно- сительно осей, проходящих через тело (рис. 2.9, а), и при вращении относи- тельно оси, находящейся вне тела (рис. 2.9, б) [5]. В первом случае при рав- номерном вращении возникают центростремительные ускорения, а при ускорении и их замедлении на тело действуют тангенциальные ускорения. Вращение вокруг оси z с угловой скоростью сог = Зя с-1 приводит к голово- кружению и тошноте, а при скорости ок =5,5л с-1 через 10... 12 с человек теряет сознание. Аналогичный результат получается при вращении относи- тельно оси у. Оу Ь-гМ а б Рис. 2.9. Схема возникновения пере- грузок при вращении: а — оси вращения проходят через тело че- ловека; б — ось вращения расположена вне тела человека При вращении относительно оси, находящейся вне тела, возникает цен- тробежная сила Fn, действующая на него, уравновешенная реакцией опоры, которую создает центростремительное ускорение: Fn =та„, где т — масса тела; ап — центростре- мительное ускорение. Центростремительное ускорение можно записать в следующем виде: V2 со2/?2 2 а= — = = аг л, R R
Глава 2. Человек в космическом полете 111 где v — линейная скорость; R — радиус вращения; о — угловая скорость вращения. Тогда тап со2 Л п ——- =-----. mg g Перегрузка п = 0,3 считается минимально допустимой для жизни чело- века вне Земли. Угловая скорость вращения ограничивается возникающим при перемещении головы ускорением Кориолиса, которое, воздействуя на вестибулярный аппарат человека, вызовет эффект укачивания или движения. Рекомендуемая угловая скорость вращения содоп =0,2 с-1, следовательно, радиус вращения составляет не менее 75 м. Воздействие вибраций. При выведении ПКА на орбиту по корпусу раке- ты-носителя от двигателей распространяется интенсивная вибрация, которая передается отсеку с экипажем. Аэродинамические нагрузки, возникающие при прохождении атмосферы, быстрое движение масс жидкого топлива, а также функционирование системы управления вызывают низкочастотные колебания. По мере расходования топлива значения вибраций изменяются. Вибрации можно рассматривать как механические колебания, сотрясе- ния и толчки, передающиеся космонавту через кресло или пол. При этом происходят резкие смещения тела, аналогичные возникающим при ударных перегрузках, что приводит к смещениям как всего тела, так и отдельных его частей. Требования по защите космонавта от воздействия вибраций сфор- мулированы в ГОСТ 12.1.012. ССБТ «Вибрационная безопасность. Общие требования». С точки зрения механики тело человека можно представить в виде совокупности масс, соединенных упругими связями и демпферами (рис. 2.10), каждая из которых имеет собственную частоту колебаний. Кроме того и само тело, и все его части имеют частоты вынужденных колебаний, что сказывается на работоспособности космо- навта (табл. 2.8) [18]. Совпадение внешних частот с резо- нансной частотой всего тела или его частей Рис. 2.10. Механическая модель человека (сидящего или стоящего) и собственные ча- стоты разных частей его тела: 1 — глазные яблоки (30...90 Гц); 2 — голова, вдоль оси (25 Гц); 3 — плечевой пояс (4...5 Гц); 4 — груд- ная клетка (60 Гц); 5 — полость легких (4...6 Гц); 6 — позвоночник вдоль оси (10... 12 Гц); 7 — брюш- ная полость (4...8 Гц); 8 — ноги при согнутых ко- ленях (от 2 Гц), при напряженной позе (до 20 Гц); 9 — точка приложения вибрации в положении стоя; 10 — точка приложения вибрации в положении сидя
112 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Таблица. 2.8 Частоты колебаний частей человеческого тела Реакция Действие* Частота, Гц Амплитуда, мм Управление дыханием 3,5-6,0 19 — 4,0-8,0 3,5-15 Дрожание тела + 40,0 1,6 + 70,0 0,75 Дрожание рук + 20,0 0,37-0,8 + 25,0 0,8-1,3 + 30-300 0,5-5,0 + 1000 0,02 Прицельные движения 15 1,8-3,0 — 25 0,37-0,8 — 35 0,3-0,7 Координация движений рук — 2,5-3,5 12 Постоянство давления ступни — 2,5-3,5 12 Время реакции кисти + 2,5-3,5 12 Острота зрения — 1,0-24,0 0,6-1,5 — 35,0 0,75-1,2 — 40,0 1,6 — 70,0 0,8 — 2,5-3,5 12 Слежение — 1,0-50,0 1,25-4,5 — 2,5-3,5 12 Внимание — 2,5-3,5 12 * «+» — возрастание (улучшение); < :< — » — уменьш 30-300 ение (ухудшение). 0,5-5,0 приводит к возникновению их колебаний с амплитудой большей, чем у ви- брирующей опоры и у других, не вошедших в резонанс частей тела. Существуют две важные для проектантов границы. Частота менее 1 Гц воспринимается как качка, т. е. тело перемещается в пространстве как целое. Частота более 90 Гц не вызывает колебаний всего тела. Длительное воздействие вибрации приводит к серьезным нарушениям в организме человека (рис. 2.11) [19]. Механизм воздействия вибраций на космонавта заключается в том, что изменяются значение и направление как скорости движения, так и ускорения, вызванного реакцией опоры, т. е. действуют обычные перегрузки. Однако эти перегрузки непрерывно меняют направление, что приводит к внутрен- ним болезненным ощущениям и нарушениям в работе отдельных органов и
Глава 2. Человек в космическом полете 113 систем организма. При наличии вибраций у космонавтов могут возникать нарушение функции дыхания, сердечно-сосудистой системы, пищеварения, а также опорно-двигательного аппарата. Основные симптомы — появление дискомфорта, тошноты, страха, усиление раздражительности. При опреде- ленных значениях частоты и амплитуды колебаний опоры могут наступить глухота, потеря зрения, изменение артериального давления и т. д. Колебания с наиболее значительной амплитудой возникают на участке выведения КА на орбиту, но они находятся в области низких частот. При вы- ведении космического корабля «Аполлон» в момент запуска ракеты-носителя «Сатурн-5» частота колебаний составляла 4,5 Гц, после отделения первой сту- пени — 6 Гц, второй — 9 Гц. Во время орбитального полета вибрации возника- ют при включении и в процессе работы различного бортового оборудования. Общий характер воздействия вибраций на организм космонавта зависит от частоты и амплитуды колебаний (рис. 2.12) [6]. Акустическое воздействие. Кроме появления перегрузок и вибраций уча- сток выведения сопровождается сильным акустическим воздействием. Бес- порядочное сочетание звуков различных частот называется шумом. Рис. 2.11. Влияние вибраций на организм человека
114 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 2.12. Характер воздействия — амплитуды А и частоты f вибрации на организм космонавта: 1 — не ощущается; 2 — ощущается; 3 — беспокоит; 4 — вызывает боль Энергетическими показателями зву- ковой волны являются интенсивность звуков и звуковое давление. Интен- сивность звука характеризует энергию, переносимую в единицу времени через единицу поверхности, расположенной нормально направлению распростране- ния звуковой волны (/, Вт/м2). Звуковое давление характеризует разность давле- ний в возмущенной и в невозмущенной среде (р, Па). На практике применяют единицу, равную логарифму относитель- ной интенсивности звука, Дб: £z=101g(7/70) или pf = 101g(p/p0), где Iwp — текущие значения интенсив- ности звука и звукового давления; /0 = = 1000 Гц ир0 = 210-5 — пороговые зна- чения интенсивности звука и звукового давления. Акустическое воздействие окружающей среды на человека является обязательным условием его существования. Он привык жить в мире звуков, создаваемых природой, и абсолютная тишина действует на него угнетающе. Различают природные и искусственные источники шума. Природные создают звуковые колебания с частотой около 1000 Гц и невысокой интенсивностью. В этом же диапазоне частот находятся звуки, издаваемые человеком, и разго- ворная речь на расстоянии 1 м от источника звука (70 дБ). Шум работающего реактивного двигателя создает звуковые колебания частотой 140... 160 дБ. При взлете ракеты шум, создаваемый реактивной струей, отражается от Земли и воздействует на внешнюю оболочку космического аппарата, вызывая интенсивную вибрацию конструкций. В результате генерируется шум такого уровня, при котором звуковое давление быстро достигает больших значений (на образование акустического поля затрачивается до 1 % кинетической энергии струи реактивного двигателя). Зависимость уровня шумов от высоты и времени полета (с момента запуска) на этапе выведения ПКА на орбиту приведена на рис. 2.13 и 2.14 [18]. Шум в кабину космонавтов передается как воздушным путем, так и через элементы конструкции. Потери при передаче значительные — от 150 дБ до 120... 125 дБ. Звуковой уровень, достигающий уха космонавта, составляет 120 дБ на низких частотах и до 90 дБ на частотах выше 2000 Гц. По мере уда- ления от Земли уровень шума двигателя уменьшается, а аэродинамического шума увеличивается.
Глава 2. Человек в космическом полете 115 Рис. 2.13. Зависимость уровня шума от времени после запуска двигателя для различных зон ПКА: 1 — снаружи ПКА; 2 — внутри кабины ПКА; 3 — на уровне уха космонавта 140 - 150 Общий уровень на внешней оболочке,_____________ Внешний шум^------ 130 - 120 90 3 ПО - 100 - Полетные данные Общий уровень Внутри корабля Частота середины октавной полосы, Гц Рис. 2.14. График изменения уровня шума в кабине экипажа корабля Space Shuttle В кабине корабля Apollo уровень шумов достигал 120... 125 дБ. Защи- тить экипаж от них на этом участке полета можно только с помощью шлема космического скафандра специальной конструкции. По мере удаления от поверхности Земли шум двигателей снижается, но повышается аэродина- мический шум, который через 60 с после старта достигает уровня 120 дБ. После 110 с полета уровень шума уменьшается до сравнительно низкого (ниже 100 дБ), и при этом преобладают шумы бортовых систем. В орбитальной фазе полета шумовая среда в кабине корабля создается бортовыми системами жизнеобеспечения (работающими научными прибо- рами, вентиляционными системами, двигательными установками системы жизнеобеспечения, двигателями ориентации и др.), уровень шума которых равен 50...70 дБ, что недопустимо при длительных полетах. Чтобы снизить уровень шума, периодически выключают наиболее шумные системы. Амплитудно-частотная характе- ристика шумов от бортовых систем показана на рис. 2.15 [18]. Для снижения интенсивности шума проводят комплексное аку- стическое проектирование систем, содержащих подвижные элементы, а также осуществляют общее или ло- кальное подавление шума. Общее по- давление основано на использовании звукопоглощающих материалов. Доля поглощенной энергии является по- казателем их качества. Резонансные или акустические поглотители осно- ваны на интерференции акустических Рис. 2.15. Уровень Л и частотный спектр f шумов от бортовых систем в орбиталь- ной фазе полета
116 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата волн. В таких глушителях шума отражатели звука направляют звуковые волны обратно к источнику в противофазе. Локальные методы защиты основаны на персональной защите оператора от шумового воздействия, с помощью, например, наушников, однако при общем уровне шума 120... 130 дБ они неэффективны, поскольку существует костная проводимость звука. В этом случае применяют шумопоглощающие шлемы. Шумы большой интенсивности и длительности (на участке выведения) приводят к нарушению функционального состояния центральной нервной системы, прежде всего, слухового аппарата. Воздействие инфразвука. Наряду с шумом в кабине ПКА генерируются низкочастотные звуковые колебания (инфразвук) — звуковые волны, имею- щие частоту ниже частот, воспринимаемых человеческим ухом. Верхняя гра- ница инфразвука равна 16 Гц, нижняя — 0,001 Гц. Инфразвук характеризуется: • гораздо большими амплитудами колебаний, чем равномощный слы- шимый человеком звук; • большей дальностью распространения в воздухе, поскольку поглощение инфразвука атмосферой незначительно; • явлением дифракции, вследствие чего инфразвук легко проникает в помещения и огибает преграды, задерживающие слышимые звуки; • резонансной вибрацией крупных объектов. Источниками инфразвука на борту ПКА являются турбулентные потоки жидкости и газа, ударное возбуждение конструкций, вентиляторы СЖО, ви- броплощадки (беговая дорожка), реактивные двигатели и др. Человеческий организм высокочувствителен к инфразвуку, который воздействует не только через слуховой анализатор, но и через механорецепторы кожи. Возникающие при этом нервные импульсы нарушают согласованную работу различных от- делов нервной системы, что может проявляться головокружением, болями в животе, тошнотой, затрудненным дыханием, чувством страха, а при более интенсивном и продолжительном воздействии — кашлем, удушьем, наруше- нием психики. Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения. Наиболее эффективное и практически единственное средством борь- бы с инфразвуком — снижение его в источнике. При выборе конструкций предпочтение следует отдавать малогабаритным машинам большой жестко- сти, так как в конструкциях с плоскими поверхностями большой площади и малой жесткости создаются условия для генерации инфразвука. Борьбу с ним в источнике возникновения необходимо вести путем изменения режима работы технологического оборудования — увеличения его быстроходности (например, повышения скорости вращения вентиляторов, снижения скорости потоков жидкости и газа в трубопроводах, чтобы основная частота следова- ния силовых импульсов лежала за пределами инфразвукового диапазона). В борьбе с инфразвуком на путях его распространения, обычно при наличии дискретных составляющих в спектре инфразвука, определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа. Выполненное в последнее время теоретическое обоснование течения нелинейных процессов
Глава 2. Человек в космическом полете 117 в поглотителях резонансного типа открывает возможности конструирования звукопоглощающих панелей и кожухов, эффективных в области низких частот. В качестве индивидуальных средств защиты рекомендуется применять наушники, вкладыши, защищающие ухо от неблагоприятного воздействия сопутствующего шума. К мерам профилактики организационного плана сле- дует отнести соблюдение режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ. При контакте с инфразвуком в течение более 50 % рабочего времени рекомендуются перерывы продолжительностью 15 мин после каждых 1,5 ч ра- боты. Значительный эффект дает комплекс физиотерапевтических процедур. 2.3.3. Воздействие электромагнитных полей Электромагнитное излучение. Диапазон частот электромагнитных излуче- ний в космическом пространстве можно разделить на ряд областей (табл. 2.9). Излучения с частотой колебаний (0...3)1012 Гц являются неионизирую- щими, свыше указанного диапазона частот — ионизирующими. Таблица 2.9 Диапазоны электромагнитных излучений Диапазон Длина волны,X | Частоты, v Источники Радиоволны*: сверхдлинные длинные средние короткие ультракороткие Более 10 км 10 км—1 км 1 км—100 м 100 м—10 м 10 м—1 мм Менее 30 кГц 30-300 кГц 300 кГц- 3 МГц 3-30 МГц 30 МГЦ - 300 ГГц Атмосферные явления; переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры) Излучение: инфракрасное видимое оптическое ультрафиолетовое рентгеновское гамма-излучение * Ультракороткие радиовол! миллиметровые и субмиллр принято называть микрово 1 мм—780 нм 789 мм—380 мм 380 нм—10 нм 10 нм—5 пм Менее 5 пм зы принято разделять 1метровые (микромет •лнами, или волнами 300— 420 ГГц 429- 750 ГГц 7,5-1014 — ЗЮ16 Гц 31016- 61019 Гц Более 6-1019 Гц > на метровые, децш ровые). Волны дли} сверхвысоких част< Излучения молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях Излучения атомов под воздействием уско- ренных электронов Атомные процессы при воздействии уско- ренных заряженных частиц Ядерные и космиче- ские процессы, радиоактивный распад летровые, сантиметровые, зой X < 1 м (v > 300 МГц) эт (СВЧ).
118 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Электромагнитное поле характеризуется плотностью потока энергии (Вт/м2). Воздействие электромагнитного поля на организм человека зависит от его параметров и времени облучения. Оно может вызывать морфологические и функциональные изменения. Энергия электромагнитного поля поглощается тканями организма, что приводит к нагреву органов и тканей. Показатель удельного поглощения (Вт/кг) зависит от частоты излучения (например, морфологическое изменение — катаракта глаз — возникает при облучении от источника поля с длиной волны 1 ...20 см). Функциональные изменения возникают при малых плотностях потока энергии излучения. Возможно по- явление головной боли, слабости, повышенной утомляемости, неврастении. Защита от электромагнитного излучения выполняется экранированием, максимальным удалением источников излучения и сокращением времени пребывания человека в зоне электромагнитного излучения. Ионизирующее излучение включает как электромагнитное излучение, так и корпускулярное излучение заряженных или нейтральных частиц, вы- зывающих ионизацию среды, с которой взаимодействует излучение. Мерой интенсивности фотонного излучения, оценивающей его ионизирующую способность, является экспозиционная доза, которая показывает, какой ио- низационный заряд образуется в воздухе. Еще одной характеристикой может быть поглощенная доза — энергия, переданная излучением единице массы вещества при его облучении, изме- ряемая в греях, 1 Гр = 1 Дж/кг или 1 Гр = 100 рад. Энергия, поглощенная веществом при его облучении, зависит от времени облучения и состава об- лучающего вещества. С увеличением продолжительности облучения погло- щаемая доза растет. Эквивалентная доза излучения смешанного вида определяется как сумма доз каждого из п видов излучения (рентгеновского — у-, P-излучения, протонов, нейтронов и ос-излучения). Обладающие значительной энергией ос-частицы (ядра гелия) из-за большой ионизирующей способности быстро теряют свою энергию. Это означает, что они обладают малой проницательной способностью. Немного большей проницательной способностью обладают Р-частицы (электроны), они наиболее высокоэнергетические и могут пробивать пластину алюминия толщи- ной до 5 мм. Нейтроны обладают наибольшей проникающей способностью. Основу галактического космического излучения составляет корпускуляр- ное излучение плотностью 2,5 част/(см2 • с). Основное количество в потоке составляют протоны (85 %) и ос-частицы (13 %), а остальная доля приходится на ядра тяжелых элементов. Солнечное космическое излучение можно представить как постоянный поток (солнечный ветер) протонов в районе Земли плотностью 2 част/(см2 • с), а энергия этих частиц равна 100 кэВ. Вспышки на Солнце приводят к локальному выбросу плазмы в околосол- нечное пространство. Плотность потока может доходить до 2-106 1/(см2 • с), а энергия частиц составляет 1...50 ГэВ, а скорость распространения потока достигает 1000 км/с. Около Земли плотность потока достигает 109 1/(см2 • с), а энергия протонов — 10...500 МэВ. Поглощенная доза в момент вспышки на Солнце смертельна для живого организма.
Глава 2. Человек в космическом полете 119 Система радиационной безопасности космических кораблей на около- земных орбитах достаточно надежна, она гарантирует космонавту защиту от воздействия ионизирующего излучения. Нарушение радиационной защиты и возникновение нештатных ситуаций могут сопровождаться развитием ра- диационных поражений различной степени тяжести. Видимый свет. Свет (видимое излучение) — единственный раздражи- тель глаз, вызывающий зрительные ощущения, обеспечивающие зрительное восприятия мира. Видимый свет оказывает также влияние на иммунные и аллергические реакции и на различные показатели обмена, изменяет уровень аскорбиновой кислоты в крови, надпочечных железах и мозге. Он действует и на сердечно-сосудистую систему. Освещение для человека выполняет две функции: обеспечение воспри- ятия зрительной обстановки и фотобиологическую, вызывающую прямую и косвенную физиологическую и биологическую реакции. В космическом полете в кабине ПКА есть как естественное освещение (солнечный свет, проходящий через иллюминаторы), так и искусственное. В связи с этим человек подвергается воздействию естественных и искусствен- ных источников лучистой энергии с различной спектральной характеристикой и чрезвычайно обширным диапазоном интенсивности. Исследования искусственного освещения показали, что для человека полезно соответствие внутреннего искусственного освещения естественному. Также было выявлено, что физическая работоспособность и поддержание психофизиологического состояния, зрительная бдительность, комфортная обстановка для глаз и меньшая степень их утомления достигаются тогда, когда источник искусственного света продуцирует весь диапазон спектра ви- димого и сбалансированного ультрафиолетового излучения Солнца. У людей, не получающих ультрафиолета в достаточном объеме, снижается утилизация кальция в организме, что может привести к деминерализации костей в ус- ловиях длительного космического полета. Используя искусственное освеще- ние, эквивалентное солнечному излучению в диапазоне волн 270... 1500 мм, с минимальной интенсивностью около 2600 лк, в космическом полете можно воздействовать на эти физиологические и биологические реакции организма. Тепловое излучение. Космический аппарат, находящийся на орбите ИСЗ, подвергается сложному тепловому нагружению. С одной стороны орбиты, освещенной Солнцем, он интенсивно нагревается, с другой, обращенной в космос, — охлаждается. Если солнечные батареи не имеют механизма разворо- та, это вынуждает ориентировать КА перпендикулярно солнечным лучам, что приводит к нагреву практически одной стороны аппарата [20]. На рис. 2.16. представлена схема радиационных тепловых потоков, действующих на КА в полете. В космическом пространстве теплообмен КА с окружающим простран- ством в основном происходит путем излучения. Главная составляющая внеш- него теплоподвода — солнечное излучение, плотность которого (солнечная постоянная) обратно пропорциональна расстоянию до Солнца. Отраженное от Земли солнечное излучение не превышает 20 % излучения Солнца. Соб- ственное излучение Земли составляет около 15 % излучения Солнца (для околоземных орбит высотой 200...300 км). Равновесная температура тела
120 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 2.16. Схема тепловых потоков, дей- ствующих на КА на околоземной орбите: 1 — Земля; 2 — космический аппарат на кру- говой околоземной орбите (с теневой зоной); 3 — теневая зона орбиты; 4 — солнечная орбита; Qc — солнечное излучение; Qu — собственное из- лучение Земли; Qo — отраженное от Земли солнеч- ное излучение; Qlt — тепловой поток, излучаемый поверхностью космического аппарата в космическом пространстве зависит от свойств поверхности и удаленности от Солнца (сфера из полированного алюминия имеет температуру 150 °C (423 К), для той же сферы, окрашенной белой краской, она составит 89 °C (184 К)). При нарушении функционирования системы обеспечения теплового режима (СОТР) возможно воздействие на космонавта высоких или низких температур. Небольшое снижение температуры в сочетании с повышен- ной влажностью вызывает ощущение дискомфорта. В космическом полете, когда ограничена мышечная активность, эти ощущения бывают достаточно выраженными. Охлаждение отдельных участков тела (вентилятором) способно приве- сти к возникновению простудных заболеваний, воспалительных процессов периферической нервной системы в мышцах. Значительное повышение температуры в кабине влечет за собой общий перегрев, а контактное взаимодействие высоких температур, связанное с нарушениями правил техники безопасности при ремонтных работах, при выполнении технологических операций или в случае возникновения пожара, может сопровождаться термическим поражением различной тяжести. 23.4. Потоки частиц Микрометеоры. Спорадические метеорные тела и частицы при опреде- ленных условиях представляют для ПКА серьезную угрозу. При соударении с поверхностью КА кинетическая энергия относительного движения переходит в основном в энергию разрушения материала оболочки корабля. Результат взаимодействия с метеорной частицей зависит от скорости ее движения, массы и плотности вещества [21].Твердые метеорные частицы с поперечным размером менее 1 мм воздействуют на ПКА практически непрерывно, и их
Глава 2. Человек в космическом полете 121 воздействие на КА определяется плот- ностью потока. Число метеорных частиц, сталкива- ющихся с поверхностью ПКА, зависит от того, в какой области космическо- го пространства находится ПКА. Для аппарата, вращающегося на геоцен- трической орбите, среднее число спо- радических частиц массой т, г, стал- кивающихся с 1 м2 поверхности за 1 с, N, 1/(м2 • с) определяется по формуле N = 1014ш12. Сравнение экспериментальных дан- ных и теоретически рассчитанной плот- ности частиц показано на рис. 2.17 [21]. При полете на низких орбитах сказы- вается экранирующее влияние Земли, поэтому количество метеоров значи- тельно уменьшается. Коэффициент экранирования рас- считывается по формуле Рис. 2.17. Зависимость плотности по- тока N метеорных частиц от их массы т (заштрихованная область экспери- ментальные и расчетные данных) где R — средний радиус Земли; h — высота полета. Плотность вещества метеорных частиц, имеющих каменную или желез- ную природу образования, колеблется в диапазоне (2...8) 103 кг/м3. Космический мусор. Выделяют четыре вида техногенного засорения кос- мического пространства: механическое, химическое, радиоактивное и элек- тронное (табл. 2.10) [22—24]. Механический космический мусор — это отработавшие свой срок КА, отделившиеся и отстреленные от них элементы конструкций, крупные и мелкие осколки, образовавшиеся в результате разрушений или взрывов космических аппаратов и т. п. (рис. 2.18). В их число входят также упаков- ки, пищевые и другие отходы, частицы металла и даже тонкие слои краски. В настоящее время в ближнем космосе, а точнее, в околоземном простран- стве находятся сотни тысяч объектов искусственного происхождения разной величины, которые подпадают под категорию космического мусора. Общая масса космического мусора составляет приблизительно 3000...3500 т. Различают наблюдаемый и ненаблюдаемый космический мусор. Наблюда- емый контролируется различными методами. Контроль, проводимый в рамках дистанционного зондирования космического мусора, в целом подразделяются на две категории: радиолокационный и оптический. Первый, как правило, используются относительно низкой околоземной орбиты (НОО), а второй — высокой околоземной орбиты (ВОО).
122 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Таблица 2.10 Классификация космического мусора Тип загрязнения Источники Последствия Механическое Фрагменты КА и ракет, частицы покрытий КА, твердые частицы выхлопа реактивных двигателей на твердом топливе Повреждения КА, помехи астрономическим наблюде- ниям Химическое Ракетные двигатели, электрора- кетные двигатели, наземные источники Ионосферные дыры, нару- шение радиосвязи, разруше- ние озонового слоя Радиоактивное Бортовые ядерные энергетиче- ские устройства Опасность загрязнения атмосферы и поверхности Земли при разрушении ядер- ной энергетической установ- ки (ЯЭУ) Электронное Бортовые передатчики, назем- ные высоко- и низкочастотные передатчики Возмущения атмосферы и ионосферы, высыпание заряженных частиц, помехи радиосвязи Фрагменты взрывного разрушения Спутники активные Спутники пассивные (12%) Рис. 2.18. Состав каталогизированных объектов на низких околоземных орбитах Количество запускаемых космиче- ских аппаратов непрерывно растет, что сопровождается увеличением косми- ческого мусора. На рис 2.19 показана динамика нарастания объема косми- ческого мусора с классификацией его происхождения [24]. Мусор нерав- номерно распределяется по высоте, что объясняется существованием об- ластей, которые интенсивно исполь- зуются для построения космических систем и запуска научных спутников. На рис. 2.20 приведен график распределения количества фрагмен- тов космического мусора по высоте орбиты. Как видно из графика, мак- симальная плотность мусора сосредо- точена в интервале высот 200...5000 км, т. е. в той области, где работают большинство КА. Вторая зона — это район, в котором работают геостационарные спутники. Ситуация усугубляется так называемым эффектом Кесслера, названного в честь консультанта Национального управления по воздухоплаванию и ис- следованию космического пространства США (НАСА) Дональда Кесслера, впервые описавшего эту проблему как «эффект домино»: столкновения объ- ектов космического мусора с мусором порождают новые фрагменты, которые также сталкиваются и порождают фрагменты фрагментов. Так, уничтожение
Глава 2. Человек в космическом полете 123 Годы Рис. 2.19. Динамика нарастания по годам количества каталогизированных орбитальных объектов с классификацией по способу образования: ----— общее число;--— фрагменты;------— космические аппараты;----— опе- рационный мусор;----— ракеты 2012 Высота, км Рис. 2.20. Пространственная плотность распределения наблюдаемых объектов в околоземном космическом пространстве
124 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата китайского спутника «Фень-юнь» привело к появлению более 2000 новых фрагментов, а степень засоренности космоса возросла сразу на 22 %. По подсчетам исследователей из Космического центра им. Линдона Джонсона в Хьюстоне, к 2055 г. объем размножившегося столкновением мусора будет превышать объем мусора, падающего и сгорающего в атмосфере. В НАСА считают, что наиболее сложная ситуация сложилась в диапазо- не высот 900... 1000 км. Именно там происходят 60 % всех столкновений и именно там базируются спутники связи и навигации. По мнению доктора Цзер-Чи Лю из Космического центра им. Линдона Джонсона, появление новых обломков не предотвратит даже прекращение запуска КА. Уже имею- щегося их количества вполне достаточно для того, чтобы реакция приобрела необратимый характер и стала цепной. При существующем темпе запусков космических объектов количество космического мусора на орбитах, наблюдаемых наземными средствами сле- жения, увеличивается в среднем на 5 % в год. Неконтролируемый рост косми- ческого мусора вызывает серьезную озабоченность за будущую безопасность космических станций и пилотируемых полетов. Растущее засорение космоса может значительно ограничить возможности космической деятельности и даже вообще затруднить доступ человека в космос. На рис. 2.21 приведено распределение фрагментов космического мусора по высотам и углам наклонении плоскости орбиты. Вероятность столкновения ПКА с объектами искусственного происхож- дения (ОИП) PA = \-e~FA^ -£Дд/<0,1, где F — поток ОИП, приходящийся на единицу площади космического про- странства; As — миделевое сечение ПКА; А/ — отрезок времени. Средние значения скорости столкновения и угла встречи ПКА и ОИП как функций высоты орбиты h и угла ее наклонения / приведены на рис. 2.22 и 2.23 [21]. Рис. 2.21. Зависимость величины потока фрагментов объектов искусственного про- исхождения F от высоты орбиты Н и угла ее наклонения I: 1 —i = 0°; 2 — i = 45°; 3- i = 90°; 4- i = 135°
Глава 2. Человек в космическом полете 125 Среднее значение относительной скорости соударения составляет 11 км/с, а на более низких и экваториальных орбитах она равна 8... 10 км/с. Среднее значение угла встречи 0 = 90°, что указывает на тенденцию встречи в попе- речном направлении. Рис. 2.22. Зависимость вероятной скорости VR соударения КА с микро- частицей от угла наклона i плоскости орбиты и высоты полета Н\ 1 —I = 0°; 2 - i = 45°; 3 - i = 90°; 4 - i= 135° Рис. 2.23. Зависимость среднего значения угла встречи 0 ПКА и ОНП от высоты орбиты Н и угла ее наклонения /: / —/ = 0°; 2 - / = 45°; 3 - i = 90°; 4 - i = 135° Заряженные частицы и атомы. Радиационная опасность космических полетов связана с возможностью поражения экипажа, повреждения аппара- туры и элементов конструкции КА при облучении корпускулярным и элек- тромагнитным излучением. Во время космического полета с человеком на борту рассматривают три основных источника корпускулярного излучения, влияющего на биологические объекты (человека) и на бортовую аппарату- ру: радиационный пояс Земли (РПЗ), галактическое космическое излучение (ГКИ) и солнечное космическое излучение (СКИ). Земля имеет три радиационных пояса: • внутренний, который охватывает земной шар вдоль геомагнитного экватора. Этот пояс, как и порождающее его магнитное поле, расположен несимметрично: в западном полушарии его нижняя граница находится на высоте 600 км, в восточном — 1600 км; • внешний пояс радиации, расположенный на высоте в диапазоне 9000...45 000 км, распространяется относительно экватора на 50° к северу и на 50° к югу; • пояс радиации проходит на высоте от 45 000 до 80 000 км. Радиационный пояс Земли состоит в основном из электронов и протонов. Уровни доз, создаваемые излучением РПЗ, зависят от времени и траектории полета КА через пояс и толщины защиты. Поглощенные дозы от излучения внутреннего РПЗ в основном обусловлены протонами высоких энергий.
126 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рекомендуемый коэффициент качества Кк, учитывающий относительную биологическую эффективность излучения по сравнению с биологической эффективностью стандартного рентгеновского излучения, которая условно принята равной единице, составляет Кк = 1,0...1,4. В табл. 2.11 приведены значения эквивалента дозы протонов внутреннего РПЗ для круговых орбит при эффективной толщине защиты КА 1 г/см2. Таблица 2.11 Мощность эквивалентной дозы протонов для круговых орбит, бэр/сут Высота орбиты, км Угол наклона плоскости орбиты 0° 30° 60° 445 — 1,4 0,8 2780 800 390 195 5550 125 55 28 8350 20 8,3 4,2 И 100 0,41 0,14 0,08 В центральной зоне внутреннего РПЗ мощность эквивалента дозы исклю- чительно высока, и полет ПКА в ней без специальной защиты невозможен. Допускается кратковременное пересечение РПЗ, если траектория полета КА минует его центральную зону или если экипаж в момент пересечения РПЗ будет находиться в более защищенном отсеке. При снижении высоты кру- говой орбиты до 445 км мощность эквивалента дозы резко уменьшается и допустимая продолжительность полетов пилотируемых КА без специальной защиты соответственно увеличивается. Дальнейшее уменьшение высоты до 200...300 км приводит к снижению мощности эквивалента дозы протонов почти на порядок. В состав галактического космического излучения входят протоны и ядра химических элементов. Оно действует постоянно в течение всего полета, и его биологический эффект определяется максимальной поглощенной дозой. Присутствие тяжелых ядер в составе ГКИ заметно увеличивает относи- тельную биологическую эффективность этого излучения. Рекомендуемый коэффициент качества излучения Кк = 4...7. В результате взаимодействия ядер ГКИ с веществом защиты образуются вторичные частицы, вклад которых в суммарную поглощенную дозу может достигать 50... 100 %. Распределение поглощенной дозы ГКИ в теле принято считать равномерным. Дозы ГКИ вблизи Земли значительно меньше, чем в свободном простран- стве, что обусловлено влиянием магнитного поля (уменьшает плотность потока ГКИ в 3-10 раз) и экранирующим влиянием («тенью») Земли (снижает плот- ность потока ГКИ примерно в 2 раза). Доза ГКИ на сравнительно небольшой высоте, зависит от наклонения орбиты. Например, при высоте 200...600 км на экваториальной орбите она будет примерно в 5 раз ниже, чем на поляр- ной, причем с увеличением высоты эта разница постепенно уменьшается. По данным измерений на КА среднесуточная доза на орбитах высотой до 350 км с наклонением 65° за защитой (3 г/см2) весьма постоянна — она составляет 9 мрад ± 1 мрад.
Глава 2. Человек в космическом полете 127 Солнечное космическое излучение, состоящее из протонов и ионов хи- мических элементов, сопровождающее отдельные солнечные вспышки, может представлять значительную радиационную опасность при полетах человека в свободном космическом пространстве. Рекомендуется выбирать коэффици- ент качества такого излучения Кк = 1,0. Вследствие экранирующего действия самой Земли и ее магнитного поля поглощенные дозы излучения солнечных вспышек на околоземных орбитах значительно меньше, чем в свободном про- странстве. Они зависят от наклонения орбиты и геомагнитной обстановки: с увеличением наклонения орбиты, а также при возникновении магнитных возмущений экранирующий эффект геомагнитного поля уменьшается, что приводит к соответствующему увеличению доз. На рис. 2.24 приведены энергетические спектры частиц различных излу- чений для геостационарной и для низкой круговой орбиты. Рис. 2.24. Пример энергетических спектров частиц на орбитах КК: а — геостационарная орбита высотой 36 000 км с наклонением 0°, 10 лет полета; б — круговая орбита высотой 800 км, с наклонением 98°, 10 лет полета;-протоны ГКИ;--------- протоны СКИ;--------— протоны РПЗ;--------— электроны РПЗ Вследствие влияния радиации на технические системы возникают ради- ационные аномалии, источниками которых являются терморегулирующие, полимерные, оптические покрытия, солнечные элементы и изделия микро- и оптоэлектроники. Радиационные эффекты возникают в результате передачи кинетической энергии от налетающих частиц вещества (первичный процесс). Эффекты, вызванные взаимодействием материалов и электронной техники с потоками заряженных частиц, показаны на рис. 2.25. Радиационные условия на борту КА зависят от траектории (орбиты) и времени полета, а также от формы конструкции, которая служит естественной защитой космонавтов и технических средств от радиационного облучения. Наряду с прямым воздействием радиационного излучения существует и вторичное (ионизационное) излучение. Оно образуется в результате взаимо- действия частиц первичного космического излучения с ядрами нуклидов, вхо- дящих в состав воздуха, и состоит практически из всех известных в настоящее время элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, фотонов и др.).
128 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Ионизационные эффекты Структурные нарушения Неравновесные электроны и дырки Разорванные атомные связи Вакансии и междоузлия Разупорядоченные области Эффекты термостабилизации и электронейтрализации (релаксационные процессы) Рекомбинация Образование объемного заряда Радио- люминисценция Генерация тока Латентные треки Свободные химические радикалы Рекомбинация Уход на стоки (примесные дефекты) Объединение в комплексы (собственные дефекты) Образование объемных дефектов (кластеры) Рис. 2.25. Эффекты, вызванные взаимодействием материалов с потоками заряженных частиц Вторичное излучение подразделяется два вида: • наведенная радиоактивность — многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превраща- ются в нестабильные изотопы. Вследствие этого стабильное вещество стано- вится радиоактивным, причем тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от типа первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения; • цепочка ядерных превращений, когда в процессе ядерного распада или синтеза возникают новые нуклиды, которые также могут быть нестабильны, в связи с чем появляется цепочка ядерных превращений. Каждое превращение имеет свою вероятность и свой набор ионизирующих излучений. В результате интенсивность и характер излучений радиоактивного источника со временем могут значительно изменяться. Ионизационное излучение обладает следующими свойствами: • при взаимодействии излучения с веществом возникают потоки заря- женных частиц и косвенно-ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов); • энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от не- скольких сотен электрон-вольт (рентгеновское излучение, P-излучение не- которых радионуклидов) до 10,5...2020 эВ и выше (протоны космического излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии). Ионизационное излучение оказывает сильное влияние на конструкци- онные материалы, приводя к изменению их механических и физических характеристик. Особенно чувствительны к облучению полупроводники, у которых серьезно изменяются рабочие характеристики.
Глава 2. Человек в космическом полете 129 Контрольные вопросы к главе 2 1. Как изменяются антропометрические характеристики человека в процессе космического полета? 2. Что такое метаболизм и каковы его проявления в космическом полете? 3. Какие психологические факторы влияют на работоспособность космонавта в полете? 4. Укажите параметры газового состава искусственной атмосферы ПКА. 5. Как микроклимат кабины влияет на работоспособность космонавта? 6. Что такое микрогравитация и как она влияет на космонавта? 7. Какие перегрузки действуют на космонавта в полете? Литература к главе 2 1. Пернер КД., Лендгок В.А. Планировка и оформление обитаемых помещений // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 208-238. 2. When Space Makes You Dizzy. NASA. URL: http://science.nasa.gov/headlines/ y2002/25mar_dizzy.htm (дата обращения 15.01.2019). 3. Оганнов B.C., Шнайдер В.С. Микрогравитационные механизмы и модели // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 3. Кн.1. Человек в космическом полете. М.: Наука, 1997. С. 421-459. 4. Попов И.Г., Бычков В.Б. Питание космонавтов // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 313-336. 5. Рожнов В.Ф. Космические системы жизнеобеспечения: учебное пособие. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 344 с. 6. Джеймс Дж.Т., Коулман М.Е. Токсическое действие газообразных примесей и аэрозолей // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космиче- ских летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 66—99. 7. Гончаров И.Б., Ковачевич И.В., Жернавков А.Ф. Анализ заболеваемости в кос- мическом полете // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 4. Здоровье, работо- способность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001. С. 145—164. 8. Григорьев А.И., Козловская И.Б., Дитлайн Л.Ф., Соуин Ч.Ф. Профилактические мероприятия в кратковременных и длительных полетах // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 4. Здоровье, работоспособность, безопасность космических эки- пажей. М.: Наука, 2001. С. 252-309. 9. Гузенберг А.С., Романов С.Ю., Телегин А.А., ЮргинА.В. Разработка международ- ного стандарта по системам обеспечения жизнедеятельности в космическом полете // Космическая техника и технология. 2013. № 1. С. 68—80. 10. Мир психологии. Изоляция. URL: http://www.persev.ru/izolyaciya (дата обра- щения 15.01.2019). 11. Мир психологии. Космическая психология. URL: http://www.persev.ru/ kosmicheskaya-psihologiya (дата обращения 15.01.2019). 12. Соловьёв В.А. Психологическое воздействие факторов космического полета на деятельность космонавта и руководителя полета // Новости космонавтики. 2013. № 1 (360). С. 14-18.
130 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 13. Мир психологии. Стресс. URL: http://www.persev.ru/stress (дата обращения 15.01.2019). 14. Малкин В.Б. Барометрическое давление, газовый состав // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 9-65. 15. Валигора Дж. Тепловой баланс человека в космическом полете // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 100-126. 16. Пугаченко С.Б. Развитие технологии материалов в условиях космоса // Науч- но-технические разработки ОКБ-23 — КБ «Салют». М.: Воздушный транспорт, 2006. С. 105-113. 17. Решке М.Ф., Корнилова Л.Н., Харм Д.Л., Блумберг Дж.Дж., Элоски В.Х. Ней- росенсорные и сенсомоторные функции // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 3. Кн. 1. Человек в космическом полете. М.: Наука, 1997. С. 233—327. 18. Видрайт Ч.Д., Ленгл Р.К. мл., Корос А.С. Шум, Вибрация, освещенность // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 152—184. 19. Вибрационные воздействия и их влияние на человека // Вибрации в техни- ке / под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. Т. 6. 456 с. 20. Гузенберг А.С. Обеспечение теплового режима // Космическая биология и медицина: в 5 т. Т. 2. Обитаемость космических летательных аппаратов. М.: Наука, 1994. С. 296-312. 21. Справочник по безопасности космических полетов / Г.Т. Береговой, В.Я. Ярополов, И.И. Баранецкий, и др. М.: Машиностроение, 1989. 336 с. 22. Новиков Л.С. Основы экологии околоземного космического пространства: учебное пособие. М.: Университетская книга, 2006. 84 с. 23. Смирнов Н.Н. Эволюция «космического мусора» в околоземном космическом пространстве // Успехи механики. 2002. Т. 1. № 2. С. 37—104. 24. Космический мусор. Кн. 1: Методы наблюдения и модели космического мусора / под ред. Г.Г. Райкунова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. 244 с.
ГЛАВА 3. КУЛЬТУРНЫЕ ОСНОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПИЛОТИРУЕМЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 3.1. Процесс освоения космоса в контексте развития мировой культуры Цель настоящей главы ввести будущего проектировщика ПКА в контекст не только давно признанных, но и малоизвестных основ общечеловеческой культуры и показать те природные и культурные основания, из которых ис- ходит построение пространства жизнедеятельности человека и общества, будь то на Земле или в космосе*. Человек осваивал земное пространство в силу двух, как правило неосоз- нанных, психологических установок. 1. Человек — естественная, органичная часть природы. Такая установка присуща человеку изначально, иначе он как вид просто не выжил бы в зем- ных условиях. 2. Человек — особая часть природы — субъект, неосознанно или созна- тельно проектирующий себя в пространство природы. Такую установку можно с достаточной степенью условности назвать антропогенной, т. е. исходящей из природной особенности, из специфики устройства и функционирования самого человека. И эта, вторая установка особенно важна для тех, кто проектирует и об- устраивает пространство жизнедеятельности человека, будь то на Земле или в космосе. Задачи настоящей главы — предоставить возможность студентам, из- бравшим своей профессией проектирование пилотируемых космических аппаратов, принципиально расширить знание: • о мировых культурных традициях организации пространства; • о лежащих в их основе природных закономерностях; • о принципах и приемах организации пространства жизнедеятельности, которые выработал человек на протяжении всей своей истории — от глубокой архаики до новейшего времени. Освоение космоса с самого начала воспринимается человеком как про- никновение в неизвестное, как освоение и осмысление неизвестного. * О природном и культурном аспекте будущего освоения космоса с самого начала говори- ли основоположники космонавтики К.Э. Циолковский и Г. Оберт. Академик Б.В. Раушенбах писал о Германе Оберте: «Он держался того мнения, что если человек помещается в совершен- но непривычные для него условия, то задачей инженерного знания и техники является созда- ние искусственных условий, которые максимально соответствовали бы естественной натуре человека» [1].
132 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Казалось бы, для такого нетрадиционного процесса освоения все подходы и атрибуты должны быть нетрадиционными, чем-то в духе современного по- стмодернизма, где все неопределенно, деконструктивно, нарочито запутано, обесценено и нетрадиционно. Но на самом деле именно в освоении космоса все процессы и атрибуты должны быть строго определенными и достаточно четко детерминированны- ми, вплоть до предсказательности. В культурном контексте такое соотнесение двух позиций можно опреде- лить как нетрадиционный и традиционный подход. Казалось бы, освоение космоса в истории человечества является нетрадиционной процедурой и для ее проведения необходим некий нетрадиционный подход. На самом деле освоение космоса началось как его осмысление много тысяч лет назад. Подавляющее большинство открытий, теорий и конструкций, которые сегодня разрабатываются на строгой научной основе, многие тысячи лет фигурируют в человеческой культуре в качестве донаучных представле- ний, выраженных в самых различных видах пространственных построений, конструкций, изображений или вербальных образов. В человеческой культуре всякое новаторство становится по-настоящему актуальным только тогда, когда оно по-новому, в новых условиях и с помо- щью новых технологий представляет некие глубинные, часто давно забытые, общечеловеческие ценности и представления о мире. Осваивая землю, создавая свое особое пространство жизнедеятельности, человек проектировал себя, свой собственный смысл в окружающее про- странство природы. Осваивая космос, человек в принципе занимается тем же самым. Подхо- ды, построения и технологии, которые на первый взгляд кажутся абсолютно новыми и нетрадиционными, на самом деле рождаются и развиваются в лоне человеческой культуры. Именно при освоении космоса, как нигде, необходи- ма опора на традицию. И эта опора присутствует постоянно, хотя чаще всего неосознанно. Можно без особого труда привести тому десятки примеров. Наша задача — сделать опору на общечеловеческую традиционную куль- туру не только неосознанной, интуитивной или случайной, но осмысленной и системной. В любом активном пространственном действии человека присутствуют две компоненты: освоение и осмысление. В разных ситуациях они выступают в разных сочетаниях и в разной последовательности. Иногда, как в случае с открытием Америки Колумбом, освоение предшествует осмыслению. Иногда, как в случае с космосом, осмысление предшествует освоению. Освоение человеком пространства, и тем более созидательное освоение, можно рассматривать как своеобразную проекцию человека в пространство природы. В свою очередь, проекцию человека в пространство природы можно рассматривать по целому ряду аспектов. Великий русский ученый Павел Флоренский ввел термин «Органопроекция» [2]. Этим термином можно определить практически все технологическое развитие человечества. Палка — это всего лишь удлинение руки и увеличение силы удара. Микроскоп и телескоп — «удлинение» глаза, расширение его возможностей. Автомо- биль —«удлинение» ног, увеличение скорости передвижения и т. д. Компьютер —
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 133 попытка расширить и визуально предъявить отдельные оперативные воз- можности человеческого мозга. Человек проектирует вовне свои органы, увеличивает их мощность, расширяет их возможности. Этот фактор предстает перед нами как антропогенный аспект развития технологий. Есть и другой антропогенный аспект — проектирование пространства жизнедеятельности. Это уже не просто проекция какого-либо органа в виде конкретного технического устройства. Проектирование пространства предус- матривает множество его назначений, размещение в нем множества функций и множества технологий. Однако, проектирование пространства жизнедея- тельности должно предусматривать не только его утилитарное использование. Главным здесь выступает смысловое построение и смысловое восприятие создаваемого пространства. Можно сказать, что почти до XVIII века наука развивалась преимуще- ственно как натурфилософия, т. е. как эмпирический опыт в сочетании с обобщенным осмыслением всей реальности. С появлением в XVII веке слож- ных научных приборов развитие науки постепенно, все более и более стало определяться развитием технологий. Сегодня, в начале XXI века, технологии заняли в науке господствующее положение. Большинство современных научных открытий прямо определя- ется развитием так называемых высоких технологий, взять хотя бы адронный коллайдер или космический телескоп «Хаббл». Обобщение и осмысление отступили на задний план. Открытий ждут уже не столько от самих ученых, сколько от новейших технологий, которые они используют. Даже в такой, казалось бы абстрактной, науке, как математика, развитие самой науки сегодня в значительной мере определяется развитием ком- пьютерной технологии сложнейших расчетов и моделирования. Возможность проведения ранее невозможных, колоссальных по объему компьютерных расче- тов породила не только реальные достижения, но и великое множество матема- тических спекуляций, осмысление которых оказалось весьма затруднительным. Таким образом, помимо множества технических решений, необходимых для создания технологии, необходимо еще множество решений, относящихся к самым разным областям знания. В таком аспекте организация пространства жизнедеятельности оказывается задачей на несколько порядков более слож- ной, чем создание специализированного технического устройства. Проекция человека в окружающее пространство оказывается многофак- торной и далеко не однозначной. Именно в этой области находятся наши сегодняшние интересы. Нам важно понять закономерности такой проекции и постараться найти способы их продуктивного применения при проектиро- вании нового поколения пилотируемых космических аппаратов. Сегодня наша цивилизация вышла на очередной виток развития, на очередной виток исторической спирали. Этот новый этап принципиально отличен от всех предыдущих тем, что сфера реального освоения пространства даже на уровне околоземных орбит расширилась как минимум на порядок. Продуктивное освоение космического пространства, хотя бы на орби- тальном уровне, требует осмысления всего предыдущего общечеловеческо- го опыта освоения земного пространства и опыта построения пространства жизнедеятельности человека, общества и всей общечеловеческой культуры.
134 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата А для этого нужен выход на высокий, общекультурный уровень обобщения. И в этом отношении особенно важно, что современные ПКА проек- тируются уже не как локальные образования, запущенные в космос, а как развертывающиеся в пространстве сложные самоорганизующиеся системы. На каждом витке развития науки, в том числе и на современном научном уровне, человек-исследователь неизменно убеждается, что все фундамен- тальные установления человеческой культуры так или иначе имеют своим источником и основанием фундаментальные законы природы. Для этого принципа не являются исключением ни организация пространства, ни фор- мообразование материальных предметов. На всех этапах развития культуры человек наделял результаты проявления этого принципа своим собственным, так или иначе одухотворенным и нередко сакральным смыслом. Простой пример. Всем известно, что самой устойчивой конструкцией является конструкция с тремя опорами. Тренога оказывается и каркасом простейшего укрытия и простейшей конструкцией для подвески котелка над костром. В другом варианте устойчивость радиомачты, стоящей на одной точке опоры, обеспечивается тремя растяжками. В третьем варианте: веревка, трос, женская коса сплетается именно из трех волокон. Так обеспечивается и реальное, и смысловое, но неизменно устойчивое закрепление любого пред- мета по всем трем координатам в нашем трехмерном мире. Осознавая природную неизбежность этого закона, человек определил его как судьбу. И эта судьба с самого рождения человека персонифицировалась в виде трех божественных существ. По Платону, человеческая судьба спле- тается с помощью веретена тремя пряхами — богинями судьбы, мойрами. У римлян они известны как парки, у германцев как вёльвы, у славян как три девы, наделяющие новорожденного той или иной судьбой. Обращение к судь- бе, попытка проникнуть в будущее, определить устойчивость личной жизни, семьи, государства, этого мира в целом в большинстве традиций неизменно связаны с самой устойчивой конструктивной структурой — с гадательным треножником (рис. 3.1). Рис. 3.1. Три опоры — самая устойчивая конструкция: а — каркас простейшего укрытия; б — древнеегипетский иероглиф «рождение» — фронтальная развертка защитной схемы трех опор; в — современный защитный знак «ребенок машине» — фронтальная развертка схемы трех опор; г — судьбу человека определяют на гадательном тре- ножнике; д — судьба плетется из трех прядок, как коса русской девушки
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 135 Подобным образом можно проявить культурный, психологический, ре- лигиозный и иные аспекты смысла, придаваемого человеком большинству природных законов, а также оптимальных конструкций и схем, соотнося- щихся с различными аспектами мироустройства. При выходе в принципиально новую среду, каковой для человека на се- годня выступает космическое пространство, необходимо определить исход- ные позиции. Такие позиции на первый взгляд можно определить техноло- гическими возможностями и, конечно, физиологическими возможностями самого человека. Но это только поверхностный слой, который в условиях техногенной цивилизации выглядит как доминирующий. На самом деле для полноценного построения пространства ПКА необ- ходимо знакомство с более глубокими пластами знания, которые коренятся и в законах природы, и в человеческой культуре. Сегодня мы часто забываем о том, что человеческая культура во всех ее вариантах является и результатом реализации все тех же законов приро- ды применительно к человеку и человеческому сообществу и в то же время воплощением системы представлений об устройстве мира. С такой точки зрения и естественный язык человечества во всех его раз- новидностях, и любая творческая созидательная деятельность человека ока- зываются результатом прямой реализации самих законов нашего мира, нашей Вселенной и одновременно многообразной системой ее моделей, созданных человеком. Одним из таких средств описания и моделирования мира высту- пает и математика, которая на данном этапе развития человеческой культуры оказывается приоритетным языком для такого описания и моделирования. Здесь нам важно представить внешнюю по отношению к техническим дисциплинам, гуманитарную точку зрения. Хотя назвать ее внешней было бы некорректно. Ибо там, где присутствует человек лично или в виде своего продолжения созданного его интеллектом и его руками, гуманитарная со- ставляющая присутствует изначально, по определению. Любой проект, будь то проект жилого дома или космической станции, является результатом обобщения множества самых различных функциональ- ных, технических и человеческих — гуманитарных факторов. Поэтому, обращаясь к историческому опыту организации пространства жизнедеятельности человека и общества, вполне естественно прибегнуть к одному из основополагающих средств построения науки, которое В.И. Вер- надский определил как «эмпирическое обобщение»: «Значение этого обоб- щения и вообще значение эмпирических обобщений в науке часто упускается из виду, и под влиянием рутины и философских построений эмпирические обобщения отождествляются с научными гипотезами. Имея дело с явлениями жизни, осо- бенно необходимо избегать такой укоренившейся вредной привычки» [3, с. 50]. С нашей точки зрения, природные истоки этого научного средства коре- нятся в природе человеческого мышления, в его древнейшей, все еще малоиз- ученной функции правого полушария головного мозга, которая соотносится с пространственным мышлением и с творческим актом. С такой точки зрения архитектор и любой проектировщик обладает определенным гносеологиче- ским преимуществом. Профессиональная пропедевтика для архитектора и
136 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата любого проектанта, создающего пространственный и предметный мир че- ловека, — это профессиональное развитие пространственного мышления. С другой стороны, любое произведение архитектуры как таковое, осо- бенно если это значительное произведение культовой архитектуры, создается как модель мироздания. Такая архитектурная модель в законченном, мате- риализованном, наглядном виде часто представляет не только мироздание в целом, но и целый ряд присущих ему схем и законов [4]. Многие схемы и математические фигуры, формализованные в современной науке или только исследуемые ею как гипотезы, в результате эмпирического обобщения были интуитивно предвидены, по-своему осмыслены в традиционной культуре и представлены в архитектуре. Один из крупнейших отечественных архитекто- ров середины XX столетия говорил, что «архитектурный проект есть результат обобщения всего сущего». При таком подходе к проблеме само проектирование в любом его ва- рианте и, в частности, в нашем случае выступает как творческий акт, акт преобразования всего имеющегося знания и умения в проект некоей новой пространственной структуры, наделенной своим собственным смыслом и своей собственной пространственной организацией (рис. 3.2) [5]. Основным средством проектировщика сложных структур, работающего в любой области, будь то город или космическая система, выступает эм- пирическое обобщение всего множества самых разнообразных факторов, определяющих принципы и приемы построения такой сложной структуры. Рис. 3.2. Универсальная схема преобразования в традиционной архитектуре и в современной науке: а — Громовыми с карниза храма Покрова, что на рву, известного как собор Василия Блаженного; б — Преображение Христа. Георгиевский собор в Юрьеве-Польском; в — ваджра. Божественное оружие Индры, способное уничтожить старый неправедный мир и мгновенно развернуться в новый праведный мир; г — конусы Г. Минковского. Схема преобразования прошлого в будущее; д — флоп-перестройка с разрывом единого пространства и возникновением центра
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 137 При достаточно высоком уровне обобщения применительно к проблеме организации пространства жизнедеятельности человека и общества можно утверждать, что такое пространство строится по принципам зарождения, становления и развертывания самоорганизующихся систем. Большинством таких принципов пронизаны и традиционная общече- ловеческая культура, и выросшая из нее современная наука, и порожденные этой наукой технологии. Такие принципы, лежащие в основе построения общечеловеческой куль- туры, чаще всего бывают представлены именно в конструировании простран- ства жизнедеятельности самого разного уровня — от простейшего помещения до города — и в конструировании самых различных предметов жизненного обихода человека и общества, в том числе при конструировании приборов и технологических установок. Поэтому прежде чем приступить к проектированию ПКА, в том числе орбитальных станций нового поколения, нам необходимо выявить и опре- делить хотя бы некоторые из этих ключевых принципов. В этой главе представлен мировой общечеловеческий опыт организации пространства жизнедеятельности человека и общества на всех его уровнях — от простейшего жилища до глобальной инфраструктуры. Этот опыт основан на исследовании многотысячелетнего процесса, в течении которого происхо- дило развитие понимания, использования и интерпретации законов природы. При проектировании ПКА ряд таких законов можно прямо использовать как руководство к действию. Некоторая часть этих законов применялась осоз- нанно. Другие ощущались человеком на бессознательном уровне и реализо- вывались в построении пространства и формы. Ряд приведенных примеров можно использовать не прямо, а только как идею, как импульс для самосто- ятельного, принципиально нового проектного решения, принимаемого для новых, космических условий на новом этапе развития науки и технологий. Основоположник отечественной и мировой космонавтики К.Э. Ци- олковский известен большинству людей как изобретатель металлических дирижаблей и ракет. На самом деле изобретательство было лишь частью его огромной научной работы. К.Э. Циолковский был мыслитель. Предвидя ближайшие технические достижения человечества, он, как и все великие мыслители человечества начиная с глубокой древности, в новых научных и технических условиях осмысливал сам космос и место человечества в нем. «Мы живем жизнью кос- моса более, чем жизнью Земли, так как космос бесконечно значительнее Земли по своему объему, массе и времени» [6]. Эта глава дает не только ряд рекомендаций по проектированию ПКА. Она представляет очередной шаг на пути вступления человека в космос. И этот очередной шаг человека и человечества должен быть сделан вместе с осмысливаемым им опытом земного бытия и общечеловеческой культуры, вместе с содержащимися в этом опыте примерами осмысления и наглядного представления отношений человека и космоса.
138 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 3.2. Современный этап освоения космоса. Смена целевых установок при организации пространства КА Прежде чем приступить к рассмотрению научных оснований, принципов и приемов, необходимых при проектировании пространственной организации больших космических станций нового поколения, важно определить целевую установку для такого проектирования на современном этапе ее развития. Применительно к проблеме организации пространства ПКА можно вы- делить три предшествующие и четвертую, современную стадию освоения космоса. 1. Кратковременный орбитальный полет. 2. Непродолжительный орбитальный полет (недели). 3. Длительное пребывание на орбите небольшой группы людей. 4. Постоянное функционирование большой орбитальной станции со значительным по численности коллективом. На каждой последующей стадии изменяется состав экипажа ПКА и уро- вень подготовки космонавтов. 1. Специально отобранные и особо тренированные люди: летчики-испыта- тели. 2. Специально отобранные и особо тренированные люди: летчики-ис- пытатели, бортинженеры и космонавты исследователи. 3. Специально отобранные и особо тренированные люди: летчики-испы- татели, бортинженеры и космонавты-исследователи. Исследователи-ученые, прошедшие курс специальной тренировки. 4. Специально отобранные и особо тренированные люди: летчики-испы- татели, бортинженеры и космонавты-исследователи. Исследователи-ученые, прошедшие курс тренировки. Туристы, прошедшие минимально допустимый курс тренировки. На новом этапе экипаж, на который прямо возлагаются функции управ- ления аппаратом КС, составляет меньшинство. Основной контингент стан- ции составляют исследователи-ученые, специализирующиеся в различных областях знания. Для нас особенно важно зафиксировать на каждой стадии изменение главного смысла целевой установки организации пространства ПКА. 1. Обеспечение выживания человека. 2. Обеспечение краткосрочной (дни, недели) работоспособности человека. 3. Обеспечение длительной работоспособности человека и обустройство минимально необходимого комфорта. 4. Обеспечение полноценной жизнедеятельности человека и продуктив- ной творческой деятельности всего коллектива пилотируемой космической станции (ПКС). По мере перехода от одной стадии к другой в соответствии с изменением целевой установки изменялась — принципиально расширялась — преиму- щественная область принятия решений и соответственно вид параметров, определяющих принципы организации пространства ПКА. 1. Основные решения на стадии 1 — технические параметры. 2. Основные решения на стадии 2 — технические и биологические пара- метры.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 139 3. Основные решения на стадии 3 — технические, биологические, эрго- номические, психологические параметры. 4. Основные решения на новой стадии вытекают из нового класса задач по пространственной организации ПКС, связанных с обновлением целевой установки. В упрощенном виде можно сказать, что от эргономики, определяющей рациональную организацию рабочего места (греч. ergon — работа и nomos — закон), мы переходим к многофакторному пониманию организации про- странства жизнедеятельности, к его архитектуре. Новый класс задач связан с пространственной организацией сложной структуры, предназначенной для постоянного пребывания в космосе значи- тельной группы людей, ведущих интенсивную исследовательскую деятель- ность. Эта сложная структура определяется уже не как космический аппарат, а как космическая станция. Соответственно, принципиально расширяется сфера исследования и моделирования, необходимая при проектировании больших ПКС нового поколения. Иными словами, принципиально расширяется необходимая для проектирования научная база. На современной стадии, помимо технических, биологических, эргоно- мических, психологических параметров, вступает в силу целый ряд параме- тров, которые ранее не играли существенной роли. Необходимая научная база расширяется, развиваясь в сторону сферы естественных и гуманитарных наук, исследующих закономерности пространственного строения и развития самого человека, человеческого общества, человеческой культуры. Создавая большую космическую станцию, предназначенную для по- стоянного пребывания значительного по численности коллектива, человек в принципиально новых условиях по существу создает и свое «личное про- странство», и свой новый «космический дом», и «космическое поселение». Иными словами, человек проектирует в космос и самого себя, и человеческое сообщество, и свою культурную традицию. Человек должен проектировать ПКС с применением всего исторического опыта организации пространства для полноценной жизнедеятельности чело- века, общества, общечеловеческой культуры. И здесь, как всегда при проектировании пространства, создаваемого че- ловеком для человека, необходимо не упустить два главных аспекта такого проектирования. Первый аспект — закономерности становления и развертывания тради- ционного пространства человеческой культуры, в том числе закономерности освоения человеком пространства природы на планете Земля и закономерно- сти построения человеком в пространстве природы собственного культурного пространства. Второй аспект — закономерности восприятия и осмысления человеком и обществом окружающего природного и созданного человеком культурного пространства. Иными словами, при проектировании ПКС, предназначенных для пол- ноценной, созидательной жизнедеятельности некоего человеческого сообще- ства, необходимо выйти на обобщение: рассмотреть, осмыслить, освоить и
140 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата создать оптимальное сочетание основных положений морфологии природы и морфологии культуры. Термин «проектирование» происходит от латинского projectio — бросание вперед. Каждый проектировщик видит мир через призму своей профессии. Создавая здание, часы, каравеллу или космический корабль, он привлекает весь свой профессиональный опыт, все творческие способности, всю инту- ицию и проектирует целый мир. В последовательности своего развития человек проектировал весь этот мир сначала в пространство и на стены пещеры, затем в пространство и в конструкции: на стены, потолок и пол своего жилища, а затем и других зданий и сооружений. Для плавания по реке или в океане, по воде и под водой он проектировал на воду и под воду. Изобретая летательные аппараты, человек проектировал их в воздушное пространство. В таком аспекте, абсолютизируя само понятие «проектирование», мы можем сказать, что сегодня мы проек- тируем себя и свой мир в космос, в принципиально новую среду. Содержание этой проекции и ее конечный результат — пространственную организацию ИКС определяют: • некоторые закономерности строения земной природы; • некоторые закономерности строения самого человека; • некоторые закономерности возникновения, становления и разверты- вания пространства жизнедеятельности человека и общества; • и, наконец, некоторые закономерности восприятия самим человеком этого пространства и своего бытия в нем. Различные аспекты этих закономерностей мы рассмотрим применительно к задаче проектирования больших пилотируемых космических станций. 3.3. Морфология человека и некоторые особенности построения пространства жизнедеятельности человека и общества 3.3.1. Особенности морфологии человека. Человек — существо ортогональное Когда мы начинаем проектировать какой-либо объект: будь то город, жилой дом, автомобиль, прибор или космический аппарат, мы прежде всего разбиваем три ортогональные декартовы оси, необходимые для простран- ственного построения будущего объекта. Сегодня при определенном допущении можно сказать, что мы проек- тируем в космос весь опыт человечества, человеческую культуру и самого человека. При таком проектировании для начала важно понять, какова про- странственная структура самого человека как биологического вида и в целом как феномена природы. Начиная проектирование ПКА с разбивки осей, интересно узнать, по каким осям построен тот, для активной жизнедеятельности которого пред- назначен ПКА, т. е. сам человек.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 141 В окружающей нас природе на поверхности Земли мы ежедневно неосоз- нанно или целенаправленно выделяем четыре основных направления, опре- деляющих ориентацию по четырем сторонам света: восток и запад — восход и заход солнца, юг и север — полуденное солнце и неподвижная Полярная звезда на ночном небе. Кроме того, в природном пространстве существует еще одна координатная ось, определяемая направлениями верх и низ. Такой отсчет главных направлений каждый человек естественно, нео- сознанно производит от себя, от человека. В других случаях это происходит вполне осознанно. В научных или проектных целях человек сначала задает некую исходную точку — условный центр координат, от которой строит две или три ортогональные оси. Но, помимо более или менее очевидных природных факторов, указываю- щих на присутствие ортогональности, существуют факторы антропоморфные, проистекающие из устройства самого человеческого тела. Становление человека связано с четвертичным или антропогенным гео- логическим периодом до 4 млн. лет от нашего времени [7, с. 100—106]. По последним данным, в начале этого периода предки современного человека и некоторые другие виды приматов (например, австралопитеки) начали ос- ваивать прямохождение. По-видимому, этот процесс во многом определился сокращением площади лесных массивов и переселением в лесостепь, в са- ванну, где среди высокой травы верхний обзор местности лучше обеспечивал поиск пропитания (плодовые деревья, охота) и, конечно, безопасность от хищников. Возник феномен homo erectus — человек выпрямившийся. Человек стал единственным животным — существом, у которого продоль- ная ось тела совпала с вертикалью. В свою очередь, постепенное освобожде- ние рук от функций лазания по деревьям и передвижения на четвереньках позволило еще раньше начать освоение простейших орудий — камней и палок. Так возник homo habilis — человек умелый. В результате возник самый важный, осевой признак строения человече- ского тела — его доминирующая вертикальная ось. Почти у всех животных главная (продольная) ось тела параллельна поверхности земли. И только у человека главная ось тела (в бодрствующем состоянии) перпендикулярна поверхности, т. е. совпадает с радиусом планеты (рис. 3.3) [8]. Более трех миллионов лет понадобилось, чтобы существо, становящее- ся человеком, начало осознавать свое коренное пространственное отличие Цифры в скобках указывают период существования, миллионы лет назад человек прямоходящий австралопитек (homo ereefus) (2-0 1); африканский (ausrratopfthecL'S человек умелый j/ffcanusJ (homo habtfis) (3,1-2,5) (2,5-1.3) проконсул (20-15} австралопитек (austrafopithecus afarensis), ' ' --r «Люси» (4 1-3) Л ДК шимпанзе S3 few и горилла л л л неандерта- лец / homo sapiens oeantferta- fenszsj (0,12-0,03) человек разумный (homo sapiens) (0.1 до нашего времени) Рис. 3.3. Становление человека вертикального
142 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата от других обитателей Земли — наглядно выраженную вертикальность свое- го тела. Зримыми примерами и ориентирами подобной вертикальности ему служили небесные ориентиры: Солнце, Луна, звезды, их лучи, падающий сверху дождь, подымающийся кверху огонь костра, а в живой природе дере- вья, травы, тростник (рис. 3.4). Рис. 3.4. «Человек вертикальный» ищет в природе родственные ему вертикальные структуры и направления: а — человек вертикальный; б— в — деревья, солнечный луч и струи дождя во внешнем мире; г — сталактиты в пещере; д — огонь очага в жилище Наверное, эта их вертикальность — родственность человека и растений по линии вертикальной оси во многом предопределила очень раннее возник- новение культа деревьев и трав. Во многих фольклорных традициях деревья выступают друзьями и защитниками слабых и обиженных. Вертикальность оси тела как-то неосознанно объединила человека не с животными, а имен- но с деревьями. В современной фантастике, в эпизодах борьбы с темными «звериными» силами именно деревья встают на сторону человека, на сторону правого дела. У романтиков и в современной фантастике деревья признаются равными человеку обитателями Земли и даже наследниками человечества. У великого романтика серебряного века поэта Н.С. Гумилева: «Я знаю, что деревьям, а не нам Дано величье совершенной жизни. На ласковой земле — сестре звездам Мы — на чужбине, а они — в отчизне». В результате такого необычайно длительного по человеческим меркам «геологического» процесса самоосмысления вертикальность оказалась до- статочно ярко представлена во многих традиционных культурах: от просто- го вертикального шеста, жертвенного столба и статуи бога до современного небоскреба и телевизионной мачты (рис. 3.5). Возможность повернуть голову в вертикальной плоскости позволила человеку смотреть прямо вверх — обращаться к зенитному солнцу, к небу, к богу. Наверное, именно этой вертикальной направленности человек обязан своим устремлением вверх, в космос. Второй особый признак морфологии человека заключается в следующем. Тело человека в отличие от тела животных развернуто фронтально. Действи- тельно, на нашей планете у подавляющего большинства живых существ: мле- копитающих, птиц, земноводных, рыб, пресмыкающихся, насекомых — тело
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 143 Рис. 3.5. Человек помещает вертикаль в центр своего бытия: а — человек вертикальный; б — гномон — солнечные часы; в — храм в центре села Гаврилов- ского; г — собор в центре города Кенигсберг; д — небоскреб «Трансамерика» развернуто продольно в горизонтальном направлении. В целом можно ска- зать, что фронтальное развертывание тела преобладает только у приматов и только в тех случаях, когда они передвигаются не на четвереньках, а на двух задних конечностях. С такой позиции можно утверждать, что впервые на планете Земля появилось живое существо с преобладанием фронтального развертывания тела и черепа (рис. 3.6) [8]. Цифры соответствуют объему мозга в см- Рис. 3.6. Становление фронтально развернутого черепа В итоге человек оказался единственным на планете живым существом, построенным по ортогональным осям. Отсюда его естественная система ори- ентации в пространстве природы: вверх-вниз, вперед-назад, вправо-влево. От этого природного построения человеческого тела, очевидно, происходит и система его ориентации, и ортогональные декартовы координаты. Здесь можно заметить, что в вертикальном положении человек находится перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля Земли и по направ- лению распространения ее гравитации. В горизонтальном положении прин- ципиально другая ситуация — тело человека параллельно силовым линиям магнитного поля Земли и перпендикулярно распространению гравитации. Осмысливая эту морфологическую особенность человека и основанную на ней глубинную многотысячелетнюю культурную традицию, можно выйти на конкретный принцип пространственной организации ОС и ориентации в нем человеческого тела. Осознание своей вертикальности повлекло за собой развитие темы трехмерности пространства и построение трех соответствующих этой трех- мерности прямоугольных координат. Эти координаты генетически строятся от человека как от центра. Они естественно продолжают главные оси его пространственной структуры — продлевают его осевые направления в про- странстве: вверх и вниз, вперед и назад, вправо и влево. Позиционируя себя, свою особенность в окружающем пространстве, человек предъявляет свою ортогональность (рис. 3.7).
144 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 3.7. Человек представляет свою ортогональность в сакральных фигурах: а — человек ортогональный; б — неолит. Крест на днище ритуального сосуда; в — Индия. Вишва- ваджра. Схема развертывания Вселенной; г-д — Византия. Власть бога, простирающаяся на все четыре стороны света, представлена горизонтальным крестом на православной просфоре и шестиконечным крестом над храмом Уже египтяне эпохи Старого царства (III тысячелетие до н.э.) разбивали оси зданий и колоннад по прямоугольным координатам. При высекании ста- туй они наносили на грани каменного блока прямоугольную сетку и по ней делали прорись пяти проекций будущей статуи или сфинкса. Точно так же, по модульной сетке несущих конструкций современный архитектор проектирует здание: план, разрез, фасады. Принцип проектирования по осям, по сетке издавна и по сей день работает как универсальный принцип архитектурного и в целом всего технического проектирования (рис. 3.8). Рис. 3.8. Проектирование начинается с построения ортогональной сетки: а — человек ортогональный; б — Древний Египет. Генеральный план храма Монтухотепов; в — Индия. Гумбаога. План мечети; г — Россия. План типовой квартиры; д — Древний Китай. Схематический план города Так называемые декартовы координаты, три оси, представляющие трех- мерность пространства (X, Y, Z), сегодня видятся нам не просто средством его математического описания, но и следствием онтологического развития самого тела человека. Три координатные оси естественно проистекают из простран- ственной ориентации человеческого тела: вверх-вниз, вперед-назад, вправо-вле- во. Можно сказать, что, осваивая и осмысливая пространство природы, человек проектирует в него свою собственную осевую ортогональную трехмерность. В таком пространственном аспекте, важном для понимания его морфологи- ческой природы, человек предстает перед нами не просто как homo erectus — че- ловек выпрямившийся (буквально — вставший), но и как homo ortho-gonius — человек прямоугольный. Такая природная прямоугольность, правильность (orto) человека во многом объясняет специфику восприятия им окружающего мира и особенности конструирования собственного пространственного мира, пространства своей жизнедеятельности (рис. 3.9).
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 145 Рис. 3.9. По ортогональным осям человек проектирует и строит важнейшие куль- товые структуры: а — человек ортогональный; б — Древний Египет. Большой алтарь храма Солнца; в — Китай. Пекин. Алтарь Неба; г — культура майя. Чичен Итца. Пирамида; д — Мьянма. Паган. Храм Ананды; е — Италия. Ренессанс. Браманте. Проект собора Святого Петра е Осознание человеком своей прямоугольности протекало очень медлен- но. Человек постоянно неосознанно искал и до сих пор продолжает искать в природе подобные себе правильные, прямоугольные, ортогональные и просто геометрические формы: в кристаллах, горных образованиях, рисунке местно- сти и облаков. Ему неосознанно хочется найти в природе что-то родственное самому себе, своему собственному построению. И когда он находит нечто похожее на прямоугольное, правильное, им овладевает некая особая эйфория. Ему начинает казаться, что он нашел под- тверждение того, что он не одинок во Вселенной, что правильность формы присуща именно человеку, что правильные формы возникают как проявление человеческого разума, что задолго до его прихода существовали иные, великие цивилизации, или Землю посещали могущественные, но родственные ему по разуму, а еще лучше и по морфологии, пришельцы. Когда человек научился целенаправленно создавать нечто своими руками, он естественно начал проектировать себя в пространство природы: изобретать прямоугольные формы. Прямоугольные жилища из жердей и веток встречаются уже в палеоли- те. Но позднее, в неолите при переходе к оседлому образу жизни в домах, построенных из глины и даже из камня, все еще продолжает доминировать круглый план. В кочевой архитектуре круглый план жилища продолжает доминировать до нашего времени. Живя в пространстве природы, кочевой человек неосознанно уподобляет свой дом, свой закрытый пространственный мир миру видимому, ограниченному по кругу горизонтом*. Только при утверждении земледелия человек начал ощущать свою относи- тельную независимость от природы, от сбора и добычи пищи. С развитием про- изводящего хозяйства у человека появилась возможность делать запасы пищи. Систематическая обработка земли и необходимость создания запасов пищи про- диктовали необходимость перехода к оседлой жизни. Для хранения пищи, в первую очередь зерна, нужны стационарные хранилища. Осев на землю, человек начал активно осваивать окружающее про- странство. Теперь это было уже не пространство обитания, как у живот- ных, а пространство постоянной жизнедеятельности, формируемое самим человеком. Человек начал проектировать в осваиваемое им ближайшее * В греческом языке horison (horisontos) — разграничивающий. В русском языке близкое по значению слово «окоём» — то, что вмещает в себя око, описывает все видимое окружающее пространство, ограниченное горизонтом.
146 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата природное окружение, в пространство своей активной жизнедеятельности свою правильность, прямоугольность и постепенно перешел к квадратному или прямоугольному плану здания. Этот переход затянулся на несколько тысячелетий и донес до нас ряд переходных форм, позволяющих говорить о том, что прямоугольность исходила из центра круглого дома, от того места, где его хозяин — сам человек помещал сначала квадратный в плане очаг, а затем и квадратный алтарь для обращения вверх по вертикали, к небу, к богу И уже эта центральная прямоугольность, правильность проектировалась на внешние стены, постепенно преобразовывая их форму Прямолинейность и вертикальность диктовались и технологией строи- тельства, наиболее это выражено там, где для него использовался строевой лес. Один из вариантов последовательности перехода от круглого дома к прямоугольному мы можем наблюдать в неолитической архитектуре Ближ- него Востока. От плоского или наклонного перекрытия круглого дома к перекрытию с центральным столпом. По мере увеличения внутреннего про- странства, к центральному четырехстолпию, отмечающему в центре здания человеческую ортогональность, и уже от него к прямым наружным стенам и квадратному плану. Здесь же в центре или в фокусе очеловеченного про- странства встречается квадратный алтарь или очаг-алтарь, утверждающий на месте центрального столпа и вертикаль, и человеческую правильность. При переходе от кочевого образа жизни к оседлому такой же процесс постепенной трансформации круглого жилища в квадратное мы наблюдаем на примере традиционного якутского жилища — колымана. Но если на Ближ- нем Востоке этот процесс занял не одну тысячу лет, то в Якутии он прошел основные стадии за один XIX век (рис. 3.10, 3.11). Рис. 3.10. От кубического алтаря в центре круглого в плане здания к центральному четырехстолпию и далее к квадратному в плане дому: а—в — Кипр, VI-IV тысячелетия до н. э.; г — Хаджилар, IV тысячелетие до н. э. Рис. 3.11. От квадратного очага в центре круглого в плане колымана к центральному четырехстолпию и далее к квадратной в плане зимней юрте (а—г). Якутия, XIX век
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 147 Далее мы убедимся, что подобный постепенный переход от круга к ква- драту наблюдается и в процессе современного развития пространственной структуры космических аппаратов. 3.3.2. Круг и квадрат в построении пространство жизнедеятельности человека: в архитектуре и культуре Итак, мы вышли на проблему круга и квадрата. Этой проблемой были озабочены все великие умы начиная с глубокой древности и до нашего времени: Пифагор и китайские мудрецы, индийские и арабские математики Средневековья, основоположники европейской науки. Наконец давайте вспомним, что число п, определяющее соотношение круга и квадрата, не вычислено до сих пор. Оно принципиально не может быть вы- числено абсолютно точно, а только с той или иной степенью приближения. Число л — иррационально и в каком-то смысле входит в состав тех пример- но тридцати фундаментальных физических констант тех, самых постоянных чисел, которые, по современным научным представлениям, определяют устройство нашего варианта Вселенной. Мы заметили, что в архитектуре квадратное жилище возникает вместе с развитием производящего хозяйства и становлением оседлых человеческих поселений. Действительно, организовать в ограниченном пространстве осед- лого человеческого поселения и даже состыковать группу прямоугольных домов гораздо проще, чем группу домов круглых. Прямоугольный дом проще сориен- тировать на местности по странам света. Прямоугольный дом проще разделить на комнаты. В прямоугольном доме можно спать вдоль стен. В прямоугольном доме проще расставить мебель. В целом прямоугольное пространство, создан- ное для человека — существа прямоугольного, можно использовать гораздо экономичнее, эффективнее, рациональнее, технологичнее, чем пространство округлое. Человек воспринимает прямоугольное пространство как естествен- ное продолжение своей собственной прямоугольное™, правильности. Рационально поделить обрабатываемую землю на прямоугольные участки достаточно просто, а на круглые — невозможно. Круглый дом крайне сложно разделить на удобные комнаты. Круглые дома в отличие от прямоугольных сложно пристроить один к другому. Практические преимущества прямоуголь- ной формы в условиях земледелия и оседлого жилья очевидны. Утвердив приоритет квадратного над круглым, человек объявил прису- щий строению его тела угол 90° прямым, прямоугольным, ортогональным и просто правильным, в отличие от других, неправильных углов и форм. С тех пор свою прямоугольную природу человек почитает как единственно правиль- ную, а следовательно, считает ее достаточным основанием для того, чтобы изменять мир, строить его под себя, под свою правильность и даже править этим миром. Поэтому во многих языках слова «право», «правда», «править», «правило», «правитель», «правильный» происходят от общего корня. Но вернемся к проблеме квадратуры круга. Попытаемся понять: как мыслились, с чем из высоких природных и сакральных реалий соотносились круг и квадрат в архитектуре и в культуре?
148 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата На разных стадиях развития культуры, в контексте разных культурных традиций при исходной антропоморфной общности происхождения квадрата в его соотнесении с природными реалиями наблюдаются некоторые различия. У индоевропейских народов в эпоху бронзы, когда с появлением металли- ческого оружия человек ощутил свое господство над окружающей природой и над другим, не вооруженным металлом человеком, постепенно возникла и стала крепнуть идея антропоморфного божества. Эта эпоха оставила нам главные массивы героического эпоса: «Иллиаду» и «Одиссею», Махабхарату и Рамаяну, позднее у германцев Эдду и Беовульфа, другие, менее известные эпосы. В культурологии эта эпоха так и называется — эпической или геро- ической эпохой. Эпос утверждал божественное происхождение человека и даже его прямое родство с богами. Древнеегипетские фараоны почитались сыновьями Амона. В античной традиции Геракл был сыном Зевса. Ахилл — сыном морской бо- гини Фетиды, и т. д. В результате такого сакрального самоутверждения че- ловека новые антропоморфные боги низвергли старых зооморфных титанов. Именно эту эпоху можно соотнести с утверждением господства в архитектуре прямоугольных, правильных строений. На ранних стадиях развития культурных традиций весь мир, каждое су- щество, растение и даже каждый неживой предмет, каждое явление природы представлялись одухотворенными. Эту стадию принято называть анимизмом (греч. anima — душа). Непонятный человеку современного Запада секрет японской культуры и архитектуры во многом определяется именно этой одухотворенностью всего сущего, сохраненной японским народом в архаи- ческой традиции синто. В анимистической религии синто каждый живой и неживой предмет окружающего мира наделен ками — некоей сущностью, чем-то вроде души и потому требует соответствующего отношения и к себе, и к окружающему миру. В японской традиции природные и рукотворные предметы не просто расставляются и соответственно воспринимаются по необходимости или по композиции. Все предметы от гор до мелкого камешка, от здания и до чашки исполняются собственным смыслом, душой, особой собственной сущностью — ками и вступают в сложные и гармоничные, по-своему логичные простран- ственные и временные отношения [9]. На более поздних стадиях развития культурных традиций божества при- обретают конкретные природные формы, а еще позднее формы обожествлен- ных живых существ: рыб, змей, быков и других животных в зависимости от природного ареала распространения той или иной культурной традиции. Овладев металлическим бронзовым оружием, человек возомнил себя царем природы (видимо, впервые). С началом эпохи бронзы в III тысячелетии до н. э. появляются первые, не условные, как в палеолите, где главное, вни- мание уделялось изображению животных, а более или менее реалистические изображения человека. У человека возникло претенциозное желание объявить (сделать) богов похожими на человека — антропоморфными. Именно поэтому у всех индоевропейских народов, да и не только у них, центральным собы- тием мифологии оказалась борьба новых и старых богов. Старые боги были зооморфные — змееногие титаны в Греции, змееногий Вритра у ведических
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 149 ариев, змей у славян, германцев, балтов. В Месопотамии новый верховный бог Мардук борется с покрытым чешуей чудовищем — с владычицей водной бездны Тиамат (рис. 3.12). Новые антропоморфные боги, естественно, победили старых — зооморф- ных. Человек, вооруженный металлом, победил животный мир сначала на земле, а потом и на небе. Рис. 3.12. Борьба новых антропоморфных богов со старыми зооморфными: а — Греция. Зевс и змееногий Тифон; б — Вавилон. Мардук и владычица водной бездны Тиамат; в — в христианстве эта тема отразилась в легенде о Святом Георгии Но человек — существо квадратное, а на небе все круглое — сам не- босвод, Солнце, Луна, кольца Сатурна, орбиты планет, спиральные галак- тики. И человек вместе с антропоморфными богами устремляет в небо свою собственную «квадратность». У ведических ариев возникает ахавания-агни — квадратный алтарь неба* (рис. 3.13). У персов возникает загадочная небесная обитель «квадратная Вара». Позднее у христиан утверждается квадратный в плане и даже кубический Горний Иерусалим. Рис. 3.13. В эпоху бронзы после победы антропоморфных богов над зооморфными небо становится квадратным, ортогональным, правильным как сам человек: а — план ведической алтарной системы: слева — квадратный в плане алтарь неба, справа — круглый алтарь земли, в центре алтарь веди — алтарь познания. Ведать — знать. Познание — путь от земли к небу. Соотношение размеров алтаря неба и земли — 3/4, приближено к числу л: квадратное небо должно полностью покрывать и защищать круглую землю; б — идея квад- ратного неба проектируется за пределы существования «Этого Мира». Непал. В квадратном небесном океане на змее Шешу спит бог Вишну. Мир еще не родился * Алтарь неба (ахавания агни) — квадратный... Алтарь земли (гархапатья агни — алтарь домо- хозяина) — круглый, потому что этот мир — круглый (Шатапатха брахмана около III века до н. э.)
150 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Главное во всей этой идее то, что на небе, там, где обитают уже очело- веченные антропоморфные боги, все должно быть по-человечески правиль- ным, а значит квадратным. Даже в тех случаях, когда в той или иной форме сохраняется культ старых зооморфных богов, эти боги, уже встроенные в новый пантеон, помещаются на квадратное небо. Квадратное небо приобре- тает статус изначального. Так вишнуитская традиция индуизма представляет в архитектуре картину мира до рождения самого мира в небесном океане (см. рис. 3.13). Естественно, что при такой установке большинство алтарей в большин- стве религий приобрели квадратную или хотя бы прямоугольную в плане форму. Во многих случаях алтари стали кубическими. То же самое произошло со многими главными святынями: от ветхозаветного «жертвенника из дерева ситтим» до современного православного алтаря (престола). Кубические древ- неегипетские храмовые алтари и античные жертвенники. Главные святыни христианства Кувуклия и главная святыня ислама Кааба — кубические даже по своему названию. Человеческая правильность, некогда вознесенная на небо вместе с ан- тропоморфными богами, спроектировалась обратно — с неба на землю, (рис. 3.14, 3.15). Каждый раз, когда в той или иной религии, в той или иной стране тре- бовалось архитектурой утвердить категорию закона или категорию власти, а б в г д Рис. 3.14. Храмовые алтари многих религий имеют форму куба: а — Древний Египет. Алтарь храма Амона в Карнаке; б — Древний Рим. Алтарь на форуме; в — Индия. Алтарь линга-йони в святилище бога Шивы; г — Палестина. Ковчег Завета. Ре- конструкция по Торе; д — Православный храмовый алтарь (Престол) Рис. 3.15. Главные святыни многих религий имеют форму куба: а — Древняя Персия. Накш и Рустем. Храм Огня; б — Иерусалим. Храм Гроба Господня. Куву- клия; в — Мекка. Кааба
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 151 освященную небесной, квадратной правильностью, возникали кубоватые здания: простые кубоватые храмы на ранних стадиях развития различных религий, резиденции правителей и просто лиц, претендующих на власть. Квадратный фасад, кубоватая форма характерны для этих резиденций власти от Древнего Египта до современности (рис. 3.16). Рис. 3.16. На ранних стадиях принятия новой религии власть нового бога утвер- ждалась кубическими храмами: а — Древний Китай. Ранняя буддийская пагода; б — Сицилия. Ла Куба — раннехристианский храм; в — Россия. Великий Новгород. Георгиевский собор Каждый раз, когда правитель хотел подчеркнуть правильность и пра- вомочность, целостность и неколебимость, небесную освященность своей власти, он обращался к квадрату в плане. Незыблемость власти феодала утверждалась кубическим донжоном — жилой башней замка. Власть царя, епископа, буржуазной республики и банкирского дома утверждалась кубом дворца (рис. 3.17). Подчеркивая осененную небом вечность своей власти над Поднебесной, император Китая строил себе квадратный в плане дворец. Рис. 3.17. Кубические здания утверждают правильность, незыблемость земной власти: а — Италия. Власть феодала утверждается кубическим замком; б — Флоренция. Власть буржу- азной республики утверждается кубическим зданием палаццо Веккио; в — Флоренция. Власть банкирского дома утверждается кубическим палаццо; г — Россия. Москва. Кремль. Власть царя утверждается кубическим зданием Грановитой палаты; д — СССР. Власть коммунистической партии утверждается зданием Дворца Съездов Вознесенный на небо вместе с антропоморфными богами квадрат стал возвращаться на землю в качестве образца для подражания, в качестве бо- жественного указания и для жреца, и для царя, и для зодчего. Правильные
152 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата храмы, дворцы, крепости строились по образу и подобию» небесных дворцов богов. Упоминания о небесном образце какого-нибудь значительного здания сохранились во многих традициях. Эти упоминания служили законным, выс- шим, божественным обоснованием его структуры. Христиане в поисках пра- вильности, божественности своих строений ориентировались на кубический небесный, «Горний Иерусалим». В Кампучии сохранилось предание о том, что строители Ангкор-вата были отправлены царем в командировку на небо, чтобы изучить небесный дворец богов, и только потом они были допущены к строительству по его образу и подобию. У индоевропейцев, да и не только у них, традиционные архитектурные формы, различные изображения и даже фигуры орнаментов ориентировались квадратом в небо. Человек предъявлял Небу свою правильность и апелли- ровал к божественному источнику своей правильности. Круглая колонна неизменно завершалась квадратной капителью. Конечно, можно говорить о конструктивной необходимости, об удобстве опирания балок покрытия, но квадратное завершение присутствует и там, где опирания вовсе не требует- ся. Мы уже говорили о том, что в традиционных культурах конструктивная необходимость как-то счастливо совпадает с сакральным смыслом той или иной формы (рис. 3.18). Рис. 3.18. Обращаясь к небу человек представляет себя квадратными в плане архи- тектурными формами: а — Юго-восточная Европа. Энеолит. Семейный алтарик; б — Китай. Обсерватория; в — Индия. Вотивный ступа; г — капитель в буддийском храме; д — античная капитель Интересно, что, создавая в кровле дома отверстие не только для выхода дыма от очага, но и для общения с богом, человек исподволь строго учитывал логику круга и квадрата. Квадратным, по-человечески правильным отвер- стием открывалось в небо оседлое человеческое жилище. В одном из древ- нейших неолитических поселений Чатал Хуюке (VI—V тысячелетие до н. э.) входы в жилые дома были устроены в плоской кровле. Они были обраще- ны к небу квадратными отверстиями. Еще раз отметим сакральность такого конструктивного решения. В оседлом прямоугольном жилище, перекрытом по деревянным балкам, устроить квадратное отверстие гораздо проще, есте- ственнее, чем круглое. Много позднее в домах римского города Помпеи в главном помещении большого жилого дома — в атриуме под квадратным или прямоугольным отверстием в кровле (имплювием) находился прямоугольный плоский бассейн (комплювий) с непременным квадратным в плане главным домашним алтарем перед бассейном, а иногда и в его центре.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 153 В ранних храмах Античной Греции над статуей бога было устроено квадратное отверстие. С глубокой древности греки, как и другие народы, привыкли возносить жертвы и молитвы к небу на открытых небу алтарях, расположенных на территории святилищ. С появлением храмов и началом поклонения статуе бога греки, помимо возможности обращения к статуе бога в храме, сохранили возможность прямого обращения к богу на небе. Обращаясь квадратным отверстием в кровле снизу верх, к богу, человек предъявляет ему свою «квадратность», правильность (рис. 3.19). Рис. 3.19. Оседлое жилище человек раскрывает к небу квадратным проемом: а — Чаттал Хююк, VI тысячелетие до н. э.; б — Китай. Подземная деревня; в — Древний Рим. Помпеи. Атриум Отверстие в куполе римского храма всех богов Пантеона было круглое. Это открытое небу отверстие называлось oculus — око, глаз. Через него боги заглядывали в храм солнечным светом, дождем, звуками грома, отсветами молнии. В Восточной Римской империи — Византии — в IV веке н. э. христиан- ство было признано государственной религией. Со временем вместо кругло- го центрального отверстия в куполе храма появилось изображение Бога — Пантократора (Вседержителя), заглядывающего в храм строгим, а иногда и гневным взором. В своем доме, в храме Бог обращается к человеку сверху вниз. Бог — принадлежность космоса, и потому он предъявляется в круглом куполе, в округлом светящемся ореоле (в христианстве — мандорла), с круглым све- тящимся нимбом вокруг головы (рис. 3.20). Итак, в индоевропейской традиции начиная с эпохи бронзы небо пред- ставлялось квадратным, а земля круглой. Отсюда, казалось бы, чисто матема- тическая проблема определения числа л, т. е. численного соотношения рав- ных по площади круга и квадрата, оказывается глубочайшей содержательной проблемой определенного соотношения — вычисления формулы равенства площади квадратного неба и круглой Земли. Это была не только проблема соотнесения земли и неба — поиск маги- ческого числа или, по-современному, определяющей константы, лежащей в основе Вселенной. Это была и опосредованная проблема соотношения чело- века и Бога. Но это была и проблема защиты. Небо — купол — сень — защита.
154 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 3.20. Бог заглядывает в храм через круглый окулюс: а — Рим. Пантеон. Бог заглядывает в храм солнечным лучом, дождем, громом; б—в — Византия. Кахрие Джами. Христос-Вседержитель смотрит в храм из люнета купола Равен ли небосвод по площади поверхности земли? Способна ли небесная сень защитить землю? Этой проблемой человечество озабочено и сегодня. Китайская традиция также была крайне озабочена проблемой взаимо- действия неба и земли. В отношения между Землей и небом китайцы ввели надмирный, космический принцип возникновения и развития всей жизни Вселенной — дао. Что касается круга и квадрата, китайская традиция вполне признает са- кральность и квадрата, и круга. Квадрат выступает как санкционированный Небом идеал, обязательный для храмов, дворцов и квадратных (прямоуголь- ных) в плане городов. Но в этом признании китайская традиция, так же как и мы в нашем суждении, соотносит круг с природой, в том числе с природой космоса, а квадрат с человеческой культурой. Верхние ярусы Алтаря Неба обращены в небо, и потому они круглые. Нижний ярус обращен к земле, к человеку, и потому он квадратный в плане и ориентирован на все четыре стороны по ортогональным координатам. В Люйши чуньцю — энциклопе- дическом трактате III века до н. э. под глубиной подразумевается глубина человека и созданной им культуры: Есть великий Круг в вышине И великий квадрат в глубине; Ты, сумевший это взять образцом, Станешь матерью народа и отцом. Получается, что китайская традиция оказывается ближе других к совре- менному пониманию проблемы. И если божественное почитать как санкцио- нированную небом часть человеческой культуры, то квадрат также приходится признать божественным установлением (рис. 3.21) [10, с. 281—282]. Правильные, квадратные в плане города и во всяком случае города с двумя пересекающимися под прямым углом осями — главными улицами, с самого начала градостроительства, с IV тысячелетия до н. э. почитались как идеальные, как божественные предначертания. В европейской науке они назывались регулярными. Они создавались как крепости на чуждой, вновь осваиваемой или завоеванной территории, в колонизуемой местности
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 155 Рис. 3.21. Китай: а — идеальный, квадратный город состоит из квадратных кварталов; б — Пекин. Алтарь неба. Власть круглого Неба простирается на все четыре стороны света над квадратным алтарем, квад- ратным дворцом, квадратным городом, квадратной Срединной Империей; в — тема квадрата и круга на фасаде дворцовой часовни по единому, идеальному, правильному плану. И прежде всего на местности утверждалась новая точка отсчета бытия, новый центр завоеванного мира. От этого центра разбивались в плане две ортогональные правильные оси во- енного лагеря и будущего города. Можно сказать, что в чуждой, неправиль- ной местности завоеватели утверждали свои собственные, предписанные их богами представления о правильности, о правильном обустройстве земного бытия (рис. 3.22). Рис. 3.22. По ортогональным осям человек проектирует и строит новые, идеальные города: а — Древний Египет. Иероглиф «город»; б — Древняя Индия. Схема идеального города; в — Римский колониальный город Ламбезис построен по схеме военного лагеря; г — США. Город Филадельфия Здесь мы рассмотрели только города, построенные единовременно по единому ортогональному плану, утверждающему ортогональность, правиль- ность новой власти, пришедшей на новую территорию или завоевавшей ее и утверждающей новый порядок жизни. Такие правильные города можно назвать колониальными. Другие города, те, которые сотни и даже тысячи лет развивались на своей территории как природные организмы, в традиционной западноевро- пейской науке еще недавно пренебрежительно именовались нерегулярными, стихийными. В конце XX века в отечественной науке и практике их стали называть историческими городами. Сегодня вслед за крупнейшим русским градостроителем первой половины XX столетия В.Н. Семеновым такие го- рода, развивающиеся по своим особым, природным законам, мы называем
156 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата естественными городами [11]. Развитие этих намного более сложных, раз- вивающихся по иным природным законам градостроительных структур мы рассмотрим в другом разделе этой главы. 3.3.3. Круг и квадрат в пространственном построении КА Сегодня, когда человечество строит станции в космосе, на первом этапе, пока что только на околоземной орбите, хочется понять: насколько антро- поморфная «квадратность» может распространиться и в этом направлении? Насколько она необходима для создаваемого человеком в новых условиях, казалось бы, принципиально нового типа пространства жизнедеятельности? И здесь мы уже сегодня можем выявить общую закономерность. В про- цессе полувекового развития и усложнения космических аппаратов наблю- дается отчетливая тенденция постепенного перехода преобладания от ранних простейших круглых форм к более сложным прямоугольным и далее — к развертыванию больших орбитальных станций по трем ортогональным координатам. Осваивая Землю, человек, строивший сначала круглые в плане шалаши и жилища, постепенно ввел присущий ему принцип прямоугольности, ортого- нальности в свои постройки, а затем, обретя самоуверенность, спроектировал этот принцип на небо для вочеловеченных богов. Осваивая космос, человек начал опять-таки с округлой капсулы первого спутника. Но с самого начала круглая капсула была заполнена произведени- ями человека — ортогональными объемами приборов. Сегодня человек уже в полной мере приступил к проектированию себя, своей ортогональности в околоземное пространство. Характерно, что на этапе освоения космического пространства, следую- щем за этапом освоения пространства земного, процесс постепенного пере- хода от преобладания круглых форм к преобладанию форм прямоугольных, естественно, повторяется. Но повторяется он в темпе, ускоренном как минимум на два порядка. В ходе неолитической революции процесс перехода от круглого к квадратному жилищу занял тысячелетия. В ходе космической революции процесс перехода от преобладания круглых структур к преобладанию структур прямоугольных занял всего несколько десятилетий. Первые космические аппараты, еще не пилотируемые, еще не вочелове- ченные начинают свое развитие опять-таки со сферы. Мы уже заметили, что со времени первого появления человека на орбите постепенно изменилась установка для пребывания человека в космосе. Перво- начальная установка была направлена сначала на простое выживание, а затем на минимальное обеспечение условий для работы. Современная установка ориентирована на долговременную полноценную, продуктивную научную и творческую деятельность человека в условиях орбитальной станции. По мере нарастания присутствия человека и (или) его производных — помещений, механизмов, приборов в КА начинают доминировать прямо- угольные формы. Эта тенденция легко прослеживается на протяжении всей
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 157 цепочки их развития. Создаваемые человеком приборы строятся и компону- ются как прямоугольные структуры. В них проектируется и реализуется есте- ственная прямоугольность человека. Вспомним еще раз, что великий русский ученый Павел Флоренский определял все инструменты, приборы и всю тех- нологическую цивилизацию как развитие возможностей природных человече- ских органов, как «органо-проекцию» человека в окружающее пространство*. В современных беспилотных системах — там, где главной целью является достижение какой-либо планеты, преодоление атмосферы или ускоренное преодоление больших расстояний с использованием запасов топлива, а также там, где требуется герметичность, космические аппараты сохраняют рацио- нальное преобладание обтекаемых сферических форм. Беспилотные аппараты, предназначенные для работы в открытом космо- се, в случаях, когда не требуется герметичность, строятся в виде прямоуголь- ных, часто кубических структур. В них «квадратность» доминирует во всем, даже во внешнем абрисе. Их антенны и солнечные батареи простираются на все четыре стороны по декартовым прямоугольным координатам. Получает- ся, что и на орбите Земли, и в Солнечной системе, и в дальнем космосе они наглядно представляют главное морфологическое свойство человека — его осевую прямоугольность. В культурологическом смысле можно сказать, что в случае с архитектур- ным освоением космоса, мы в очередной раз возвращаемся к древнейшим обобщениям, к древнейшим представлениям о зарождении и развертыва- нии мира, жизни, любой развивающейся структуры АВ OVO — от яйца: от шара первого спутника к построенной по прямоугольной сетке внутренней структуры корабля и далее вплоть до сложных, развертывающихся по трем пространственным координатам, прямоугольных, вочеловеченных, пилоти- руемых космических станций. И здесь уже сегодня происходит определенное развитие и усложнение самой прямоугольной структуры. Орбитальная станция «Мир» развертывалась от стыковочных узлов потрем прямоугольным координатам. Следующий этап — МКС строится уже как ярусная прямоугольная решетка. Выходя на историческое обобщение, можно сказать, что при кочевом образе жизни и на земле, и в космосе человек обходился круглым в плане жилищем. При переходе к оседлости и на земле, и в космосе человек раз- вертывает в пространстве антропоморфные прямоугольные структуры (рис. 3.23, 3.24). 3.3.4. Естественные и искусственные системы мер В современном мире, в мире так называемого научно-технического про- гресса принято считать, что всякая наука начинается с измерения. Поэтому по традиции, выработанной за последние несколько столетий, прежде чем приступить к проектированию некоей пространственной структуры, мы должны оговорить системы мер, возможные и (или) необходимые для такого проектирования. Начнем с общеизвестного. * Этот процесс можно проследить в целом ряде публикаций [12, 13].
158 Часть /. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата г Рис. 3.23. В «круглый» космос отправляются первые круглые аппараты, постепенно при- спосабливаемые для человека. Двигательный и грузовой отсеки компонуются из сфер и цилиндров. Приборный отсек и помещения для человека компонуются ортогонально: а — первый спутник; б — грузовой корабль «Прогресс»; в — современный малый КА; г — ПКА «Алмаз» Рис. 3.24. Человек и поственные ИН ОС развертываются по ортогональным осям: а — человек ортогональный; б — орбитальная станция «Мир» развертывается по ортогональ- ным осям; в — МКС развертывается как ортогональная пространственная решетка в Сегодня метрическая система мер охватывает все сферы нашей жизни. Название метрической системы («метр» — французское metre) происходит от греческого metron — мера. Метр был введен в Париже в эпоху Французской революции 7 апреля 1795 года. За единицу измерения длины была принята рассчитанная еще в 1791 году, совершенно условная единица длины, равная одной десятимиллионной от 1/4 длины парижского меридиана*. Можно заметить, что такая искусственная единица измерения не имеет прямого отношения к метрике человека, который ее установил достаточно произвольно. * Сегодня точный размер эталонного метра исчисляется как длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 с.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 159 В большинстве традиционных культур, равно как в современной науке и практике, принята весьма удобная десятичная система счисления. В своих истоках десятичная система антропоморфна — она происходит от счета на пальцах рук. В некоторых архаичных традициях, в жарких странах, где люди ходили босиком, присутствовала двадцатеричная система счисления: 10 паль- цев на руках + 10 пальцев на ногах. Других столь очевидных оснований для десятичной системы в природе как будто не наблюдается. В природе присутствует основание и для другой наглядной системы счис- ления — двенадцатеричной. Это основание исходит от важнейшего зримого временного цикла — один оборот Земли вокруг Солнца примерно соответ- ствует 12 полным циклам оборота Луны вокруг Земли. В солнечном году 12 лунных месяцев. Ниспосланные свыше небесные законы и связанные с ними числа в древности почитались как божественные. Некоторое несоответствие годового солнечного и лунного циклов казались странными и неуместными для ми- рового порядка, но принимались как объективная, божественная данность. Древние цивилизации предпринимали огромные усилия для увязки солнеч- ного и лунного календарей. По-видимому, эта неувязка послужила одним из важнейших, божественных стимулов для развития математики. Десятичная, антропоморфная система счисления, по-видимому, преобла- дала в быту еще у первобытного человека из-за своей очевидной, физической реальности — 10 пальцев на руках. Древние традиции, в которых были развиты представления о небесных истоках жизни и небесных божествах, в сакральных целях пользовались пре- имущественно небесной, божественной двенадцатеричной системой счисле- ния. Течение жизни — время, которое древние почитали как божественную данность, мы и поныне измеряем в двенадцатиричной системе. Сутки делятся на 24 часа, из которых, как и в древности, 12 соотносятся с днем, а 12 — с ночью. Час делится на 60 (12x5) минут, минута на 60 (12x5) секунд. В метрике 1 английский фут (foot, букв. — ступня) равен 12 дюймам. По 12 штук — дюжинами до сих пор во многих странах продаются куриные яйца, олицетворяющие в традиционных культурах начало, семя, зародыш нового мира, новой жизни, нового жизненного цикла. Даже сегодня сугубо бытовые предметы: тарелки, чашки, ложки, ножи, вилки, некогда предназначавшиеся для ритуала торжественной трапезы, мы все еще считаем дюжинами. Следы этой древней сакральности числа 12 неизменно присутствуют во многих культурных традициях: 12 знаков зодиака в астрологии и астрономии, 12 зверей в китайской традиции летоисчислении, 12 апостолов в христианстве и т. п. Человек привык делить окружность видимого горизонта на 12 частей, а позднее на 360°, кратных числу 12. К этой теме мы еще когда-нибудь вернем- ся при рассмотрении проблемы внешнего обзора и визуальной ориентации в космическом пространстве. С развитием западной, антропоцентричной, техногенной цивилизации человечество с новым пиететом обратилось к преобладанию первобытной десятичной системы счисления. Сегодня в архитектуре, в строительных и инженерных технологиях внешне господствует метрическая система. Но при более пристальном рассмотрении
160 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата основных архитектурных размерностей можно убедиться, что на самом деле эти размерности проистекают из древних, традиционных антропоморфных мер. Не случайно Международная метрическая комиссия, утвердившая в 1872 году 1 метр как эталон длины, определила традиционные антропоморфные эта- лоны длины как естественные. Космическую станцию, равно как здания и сооружения на Земле, человек строит для себя, создает по своим меркам. Поэтому для нашей темы полезно учесть многотысячелетний земной опыт. Основополагающий земной строительный модуль равен 30 см = 1 футу*. Фут — размер мужской стопы — одна из древнейших единиц измерения длины**. В сборном железобетоне базовые размеры (в осях) плит перекры- тия, балок, ферм, колонн, перемычек, стеновых панелей кратны 30 см: 30-60-120-180-240-300-360-480-600-900-1200-1800—2400—3600—4800— 600-7200-9000-12 000... см. В кирпичной кладке расчетная высота ряда составляет 7,5 см (6,5 см + 1 см — сам кирпич + слой раствора) = 1/4 фута. Четыре ряда кладки дают расчетную высоту 30 см (1 фут). Стандартная ширина ступени (проступь) для жилых и общественных зда- ний принята равной 30 см (1 фут). Стандартная высота ступени (подступенок) — 15 см, или два ряда кирпичной кладки (1/2 фута). Соответственно, для стан- дартных лестниц жилых домов сумма размеров подступенок + проступь + подступенок составляет 15 + 30 + 15 = 60 см, т. е. опосредованную длину человеческого шага. При шаге на две ступени — для шага взрослого мужчи- ны. При шаге на одну ступень — для шага детей, женщин и пожилых людей. Эта же сумма размеров — 60 см = подступенок + проступь + подступенок установлена для нестандартных и специальных лестниц. Например, для по- логой парадной лестницы: 12 + 36 + 12 = 60 см = 2/; для крутой технической лестницы: 17,5 + 25 + 17,5 = 60 см = 2/ Вертикальная размерность кирпичной кладки и лестницы жестко связаны с высотой этажа (от пола до пола): 270, 330, 390, 450, ... см. Соответственно, высота помещения «в свету» (от пола до потолка) составляет 240, 300, 360, 420... см. Здесь высотный модуль равен преимущественно 2 футам: по 2 ступе- ни (1/) в каждом из двух соединяющих этажи лестничных маршей (рис. 3.25). В китайской и японской традиции размер жилого помещения и всего дома в целом определяется количеством циновок из рисовой соломы — единиц площади — модульных спальных мест, которые можно разместить в доме. Характерно, что размер стандартной циновки, сложившийся в китайской тра- диции в эпоху Чжоу (XII—III век до н. э.), составлял около 176 см (рис. 3.26). Для сравнения, в русской традиции размер мерной или маховой сажени составлял 176,4 см — расстояние размаха рук или роста среднего человека***. Размер стандартной избы (в осях) составляет около 600 см. Соответственно, внутренний размер избы «в свету» будет около 570 см, или несколько больше * Современный английский фут — 30,48 см. Здесь и далее приводится округленный ме- трический размер 1 фута — 30 см. ** Средний античный фут (греч — pus, лат. — pes) — 29,62 см. *** В дальнейших примерах для простоты запоминания размер русской сажени округлен от 176,4 до 176 см.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 161 а —| -120см =4 f —-| -180см = 6Г ----| - 240c« = 8f ------1 -300см- Юf -------1 - 360см- 12f -------—| -480см”18Г ------------1 -600 см- 20 f ---------------1 - 720 см - 24 f -----------------1 - 840 см-28 f -------------------1 - 900 см - 30 f -------------------------1 -1200 см-40 f --------------------------------------1 -1800cM = 60f ----------------------------------------------------1 - 2400cM = 80f в Рис. 3.25. Современное строительство построено на модуле 30 см = 1/: а — кирпичная кладка по высоте построена на модуле 30 см = 1/ 6,5 см кирпич + 1,0 см шов = 7,5 см, (7,5 х 4) см = 30 см = 1/; б — лестница построена на модуле 30 см = 1/. Размер проступи = 30 см = 1/. Размер подступенка = 15 см = 0,5/. Сумма размеров одной проступи и двух подступенков = 60 см = 2/. Соответственно лестнице с модулем = 60 см = 2/по 30 см на каждый из двух маршей построена высота этажа от пола до пола: 270 — 330 — 390 — 450 — ... см; в — номенклатура размеров современных сборных железобетонных изделий построена на модуле 30 см = 1/(в осях) Рис. 3.26. Китайский и японский дом строится по модулю циновки — спального места трех саженей (около 530 см). Это означает, что на лавке вдоль стены могли относительно свободно разместиться для сна три человека. Таким образом стандартный размер бревна при рубке избы (с учетом угловой перевязки и выпуска концов бревен) составляет 6,4 м. Этот перечень примеров можно было бы продолжить, но даже из при- веденных основных строительных размерностей очевидно, что современная метрическая система мер для нужд архитектуры, для создания пространства жизнедеятельности человека и общества адаптировала древнюю антропом- орфную систему размерностей. Традиционная антропоморфная размерность могла базироваться не толь- ко на размере стопы, но и на других параметрах человека. Очевидно, что
162 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата до появления массового многоэтажного строительства при горизонтальной разбивке плана здания на земле предпочтение отдавалось футу — размеру стопы. При разбивке вертикальной или объемной структуры в ряде традиций предпочтение нередко отдавалось локтю — ручной мере. В Древнем Египте одним из основных строительных модулей служил локоть. В русской строительной традиции основная строительная мера са- жень — средний рост человека. В древности и Средневековье размерность была иерархична. Одна систе- ма мер применялась для строительства обыденных зданий. Другая система, отмеченная именем царя, божественного правителя, — для храмового и двор- цового строительства. В Древнем Египте обычной мерой при строительстве жилья был локоть с пальцами, сжатыми в кулак (около 46,5 см)*. При соз- дании храмов, обелисков, статуй, сфинксов и других «памятников вечности» в качестве модуля применялся царский локоть с вытянутыми пальцами (егип. — тех = 52,3 см)**. В практической работе применялась система мерных жезлов — эталонов длины, по которым осуществлялась разбивка в натуре. В древности эталон- ные жезлы изготовлялись из твердого дерева: коэффициент продольного расширения дерева при изменениях температурно-влажностного режима очень незначителен (рис. 3.27). В 1799 году во Франции эталонный метр был изготовлен из платины, которая из всех ценных металлов имеет наименьший коэффициент линейного расширения. Сегодня, составляя план здания или разбивая его в натуре, мы прежде всего фиксируем ортогональную сетку осей. При разбивке здания древние египтяне использовали визирный инструмент и водяной уровень. Совре- менные геодезисты при разбивке осей пользуются теодолитом и нивелиром. Во многих традициях практиковалась разбивка с помощью натянутого шнура. В древнеегипетской и античной традиции засвидетельствована система разбивки модульной ортогональной сетки. В Древнем Египте при разбивке сетки на блоках, предназначенных для храмовых статуй, применялся модуль в 1 царский локоть***. В античных храмах — модуль разбивки 1 фут. В ряде западных практик разбивка сетки с модулем в 1 фут все еще со- храняется. При этом площадь помещения измеряется в квадратных футах. В итоге можно констатировать, что в современной метрической системе, когда она применяется при организации пространства, используется та же размерность, те же естественные модули, те же приемы в создании эталонов, те же способы разбивки зданий, что и в восходящей к глубокой древности антропоморфной системе мер. Входя в любое помещение, человек неосознанно соотносит свои размеры с размерами помещения и тем более жилого помещения, как бы примеривая его на себя. Если в габариты помещения укладываются целые модули размеров * На Руси локоть в XVI-XVII веках — 46 см. ** На Руси существовали обыденная — маховая, или мерная, сажень (176,4 см) и сакральные царская (186,4 см) и церковная сажень (197,4 см), применявшаяся при строительстве храмов. *** Модуль, используемый в сакральных сооружениях, естественно, обожествлялся: «Ты несешь небеса в ладони своей руки, Ты покрыл землю как место для твоей сандалии». Обра- щение к богу Осирису. Древний Египет. XXIV век до н. э.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 163 Рис. 3.27. Древнеегипетский зодчий с мерными жезлами и его рабочая линейка человека, он чувствует себя вполне комфортно. Этим во многом объясняет- ся та привлекательность, то неосознанное очарование, которое испытывает современный человек, попадая и в традиционную избу, и в конструктивист- скую, предельно компактную, но уютную квартиру В конце 20-х годов прошедшего столетия в России и Западной Европе шла интенсивная разработка модели нового социального жилища. Ставилась задача создания оптимально комфортного жилья при максимальной эко- номии площади и пространства. С этой точки зрения экспериментальные дома того времени предельно экономичны. Характерно, что модуль разбивки помещений в свету (от стены до стены) составлял 176 см — сажень, как и в традиционной русской избе. Этому способствовал и тот факт, что в России еще не был завершен полностью переход к метрической системе мер*. Современное развитие глубокой общечеловеческой традиции метрики жилого пространства оказалось на десятилетия заторможено консервативной, самодостаточной индустрией панельного домостроения. Положение начало медленно исправляться только в 1980-е годы с постепенным введением новых, улучшенных серий типового сборного жилья. Очевидно, что сегодня жилые помещения следует проектировать исходя из модуля 180 см и проистекающих от него кратных размеров: 360, 720, 1080 см и т. д. Такой модуль, во-первых, кратен действующему традиционному строительному модулю (30 см); во-вторых, модуль 180 см представляет тра- диционную русскую сажень (176,4 см), несущественно адаптированную к современному процессу акселерации. При необходимости в перспективе он может быть еще увеличен. Что касается вертикальной размерности жилого помещения, то на Земле она остается заданной модулем подъема лестницы — 30 см, или 1 футом. Ис- ходя из закономерностей построения лестницы с общим шагом по вертикали 60 см (4 ступени — 2 фута), высота этажа (от пола до пола) может варьировать: * В России применение метрической системы мер было рекомендовано законом от 4 июня 1899 года. Автор закона Д.И. Менделеев. В качестве обязательной она была введена декретом СНК РСФСР от 14 сентября 1918 года, а для СССР Постановлением СНК СССР от 21 июля 1925 года.
164 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 270, 330, 390 см и т. д. Соответственно, высота помещения в свету (от пола до потолка) — 240, 300, 360 см. При этом высота 240 см выступает как предельный минимум по сани- тарным и метрическим соображениям. Дело в том, что под потолком в слое 30—40 см скапливаются легкие фракции отработанного и загрязненного воз- духа: продукты дыхания, горения, летучие запахи и т. п. При высоте менее 240 см движение человека по комнате приводит к перемешиванию воздуха. В результате загрязненный воздух опускается в зону дыхания и попадает в легкие. С метрической точки зрения при расчетном росте 180 см расстояние от головы до потолка в 60 см воспринимается как минимально возможное, не угнетающее психику. Высоту в 240 см рекомендуется использовать в техниче- ских и служебных помещениях, связанных с временным, как правило крат- косрочным, пребыванием людей. В спальных и других жилых помещениях такая высота возможна в случае, если они раскрываются в более высокое и просторное общественное пространство жилья. Оптимальной высотой жилого помещения признается высота 300 см в свету — от пола до потолка. При расчетном росте человека 180 см такая высота помещения дает соотношение с ростом человека 5:3, которое близко к оптимальному*. Высота жилого помещения ни при каких обстоятельствах не может быть больше его ширины. В противном случае у человека возникает ощущение коридора и даже колодца. В таком аспекте высота 300 см при минимальной стандартной ширине комнаты 360 см (две сажени) дает соотношение 1:1,2, что близко к классической пропорции одной из важнейших функций золо- того сечения, так называемого живого квадрата — 1:1,118. Как ни странно, общечеловеческая, антропоморфная (футовая) размер- ность все еще достаточно отчетливо прослеживается и в проектировании, и в основе строительной индустрии. Ее реализация на современном уровне требует только некоторой коррекции — приведения в соответствие с совре- менным вариантом антропоморфной метрики. Сегодня, когда разрабатываются проекты больших орбитальных станций нового поколения, во весь рост встает проблема обеспечения в их пространстве не просто комфорта, но условий для полноценной, продуктивной жизнедеятель- ности человека в процессе орбитального полета. Один из важнейших аспектов этой проблемы — метрика внутреннего пространства космической станции. На поверхности земли, в условиях земного тяготения человек передви- гается на ногах. В этих условиях стопа и шаг служат средствами измерения и модульной разбивки пространства жизнедеятельности. В условиях космоса, при отсутствии земного тяготения, в невесомости главным средством не только всей работы, но и главным средством передви- жения в пространстве станции оказываются руки**. * Ср. 5:3 или 1:1,666... и золотое сечение 1,0:1,618... . О золотом сечении см. [14, с. 460-487, 15, с. 256-284]. ** Нет ничего зазорного в том, что в таком аспекте нам придется обратиться к эргономи- ческому опыту наших далеких предков, которые, по данным современной науки, миллионы лет назад жили на деревьях. Главным средством не только самой разнообразной деятельности, но и главным средством передвижения у них были руки. А ноги, сконструированные наподобие рук, служили дополнительным, но весьма важным инструментом передвижения и действия.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 165 И здесь, в космосе, из двух традиционных антропоморфных модульных систем «от стопы» и «от ладони», по-видимому, естественно предпочтение оказывается за «ручной» системой. В русском варианте эта система фигурирует с некоторыми определен- ными элементами кратности, вытекающими из природных пропорций че- ловеческого тела: • сажень мерная (маховая) — размах рук, средний рост человека при- мерно равен 40 вершкам ® 70 дюймам ® 176 см; • аршин — длина вытянутой вперед руки от плеча до кончика среднего пальца равна 16 вершкам = 28 дюймам = 71,12 см; • локоть ~ 10 вершкам ~ 18 дюймам ~ 46 см; • пядь (большая) — расстояние между пальцами развернутой ладони от конца большого пальца до конца мизинца ® 5 вершкам ® 9 дюймам ® 23 см; • пядь (малая) — расстояние между пальцами развернутой ладони от конца большого пальца до конца указательного ® 4 вершкам ® 7 дюймам ® 18 см; • вершок (кулака) — вторая фаланга большого пальца = 4,44 см; • дюйм — верхняя фаланга указательного пальца = 2,54 см. Некоторые незначительные невязки в кратности мер обусловлены го- сподствующей со времен Петра I тенденцией к переориентации русских мер с «ручной» системы на «ножную», главным образом на английский фут. Вместе с тем такая переориентация сделала русскую систему мер очень близкой к современной международной, также сориентированной на антропоморфный вариант англо-саксонской метрики (рис. 3.28). прямая сажень мерим сажень i| 41 11 Н Я Я 41 61 Я~ 3Z3E Uj 1«| 171 >»| 1>| i| половина великой сажени— 0 . .? 10 7 У ,*>9 Рис. 3.28. Традиционная русская метрика и рабочее мерило новгородского зодчего Теперь следует заметить, что антропоморфная модульная система заложе- на во многих видах современного конструирования. К примеру, диаметры труб измеряются в дюймах, в дюймах и пядях строится все, с чем работают руками: детали мебели, панели управления, приборы, клавиатура рояля, клавиатура и другие параметры компьютера и т. д. Стоит упомянуть и о том, что рабочие места, спальные места, душевые, проемы, мебель и т. п. проектируются на основе эргономики — науки о параметрах человека и максимально эконо- мичных движениях, а потому естественно (хотя, возможно, и неосознанно) оказываются созданными в системе традиционной антропоморфной метрики.
166 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Такая система в ее «ручном» варианте: дюйм, пядь, локоть — характер- на для всех традиционных культур, западных — Древнего Египта, Месопо- тамии, античной Греции и Рима, Европы и восточных — Индии и Китая. Расхождение присутствует только в размерности дюйма. На Западе дюйм соотносится с длиной фаланги пальца, а на Востоке — с ее шириной. Так что в рассматриваемом аспекте систему антропоморфной метрики можно признать международной (табл. 3.1). Остается только соотнести эту систему с глубинной общечеловеческой традицией: современную детализированную эргономику с традиционным опытом человеческой практики и высокого донаучного обобщения. Следует констатировать, что в условиях Земли, где главным средством передвижения выступают ноги, метрика «от ноги» (фут) используется для разбивки проектируемого пространства на поверхности земли и всех про- цессов, связанных с передвижением человека, в том числе и по вертикали (лестница). Метрика «от руки» (пядь, дюйм) используется для всей рукот- ворной деятельности человека. В нашем случае, в условиях невесомости при проектирования КА нога (стопа — фут) используется главным образом как средство фиксации тела на рабочем месте, а также в операциях, связанных с тренажерами, медицинскими обследованиями и личной гигиеной. В результате спектр применения метрики «от ноги» для ПКА принципиально сужается и ограничивается фиксацией отдельных положений тела. В свою очередь, спектр применения метрики «от руки» при проектировании ПКА принципиально расширяется и, поми- мо собственно рукотворной деятельности, распространяется на основные параметры, связанные с передвижением человека в условиях невесомости с помощью рук. В силу своей человеческой природы, в силу традиции и восходящих к этой традиции метрических стандартов современный архитектор и конструктор любой предназначенной для человека техники мыслит и проектирует (часто неосознанно) в традиционной, антропоморфной метрике. Однако важно, чтобы такое неявное мышление и проектирование на новом витке исторической спирали, на современном уровне развития техно- логии обратилось к традиции и стало сознательным и системным. Для реализации естественной, антропоморфной метрики в компьютерном проектировании необходимо всего лишь заложить в проектные программы антропоморфную модульность. В таком аспекте перед нами стоит чисто техническая задача — запро- граммировать компьютер на антропоморфную модульность проектирования, сохранив метрическую размерность как универсальную (условно математи- ческую) систему описания пространства и предметов. Антропоморфная модульность в такой двухъязыкой системе будет рабо- тать как логика диалога человека и компьютера в проектном процессе. Ме- трическая размерность будет выступать как логика общения компьютера с внешним миром, в первую очередь с умными машинами, изготавливающими и собирающими детали и узлы ПКА. Совершенно очевидно, что такая система изначально, уже при проек- тировании заложит принцип удобства «ручного» обслуживания и ремонта оборудования и конструкций в условиях орбитального полета.
Таблица 3.1 Антропоморфные меры длины в некоторых традиционных культурах Древний Египет Древняя Индия Англия Россия 1 палец = 1,87 см 1 ладонь = 4 пальцам = 7,5 см 1 пядь малая = 12 пальцам = 22,5 см 1 пядь большая = 14 пальцам = 26,25 см 1 стопа = 16 пальцам = 30 см 1 локоть малый = 24 пальцам = 45 см 1 локоть царский = 28 пальцам = 52,5 см1 1 ангула (палец) = 3/4 дюйма = 1,905 см2 1 витасти (пядь) = 12 ангул = 22,86 см 1 пада (стопа) = 14 ангул = 26,67 см 1 аратхи (локоть) = 24 ангул = 45,72 см 1 вьяма (сажень) = 84 ангул = 160,02 см 1 гархапатья = 108 ангул = 207,40 см3 1 дюйм (палец) = 2,54 см4 1 хенд (ладонь) = 4 дюймам =10,16 см5 1 фуг (стопа) = 12 дюймам = 30,48 см 1 ярд (рука) = 36 дюймам = 91,44 см6 1 дюйм (палец) = 2,54 см 1 вершок = 1 и 3/4 дюймам ® 4,45 см7 1 пядь малая = 7 дюймам ® 18,0 см8 1 пядь большая = 9 дюймам ® 23,0 см9 1 фут (стопа) = 12 дюймам = 30,48 см 1 локоть = 18 дюймам ® 46 см 1 аршин (рука) = 28 дюймам = 71,12 см10 1 сажень маховая = 176,4 см" 1 сажень церковная = 186,4 см 1 сажень царская = 197,4 см Очевидно, что в большинстве случаев использовалась мера «от руки». При разбивке на земле преимущество отдавалось мере «от ноги», а также росту или, что то же самое, размаху рук. 'Использовался для разбивки сакральных объектов. 2Ширина средней фаланги среднего пальца. ’Или «Лук Вишвакармана» — букв. Владыки Всех Форм — зодчего богов. Употреблялся для разбивки алтарей и святилищ (гархапатья-агни — алтарь домохозяина; гарбха-гри- ха — святилище храма). Длина фаланги указательного пальца. 5Имеется в виду полная ширина ладони. 6По преданию: длина от кончика носа до конца пальцев вытянутой вперед руки одного из английских королей. 7Вверх кулака — длина средней фаланги большого пальца. "Расстояние от конца большого до конца указательного пальца. ’Расстояние от конца большого пальца до конца мизинца. |0Длина руки от кончика среднего пальца до плеча (до подмышки). "Средний рост или размах рук.
168 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата «Размышлять» и проектировать вместе с конструктором компьютер будет в системе антропоморфной метрики, а выдавать описание результата — про- екта для его реализации в натуре в общепринятой, удобной для расчетов и технологий метрической десятичной системе. Процедурно такая задача может быть решена путем создания профессио- нальным проектировщиком технического задания на разработку или коррек- тировку такой двухъязыкой компьютерной программы для соответствующего вида проектирования. Здесь следует еще раз заметить, что в такой двойственной системе раз- мерности, охватывающей обе стадии процесса проектирования: конструи- рование и описание, нет никаких существенных противоречий. Наоборот, существует общность двух систем на глубинном уровне морфологии человека и человеческой культуры. Метрическая система в своем простейшем виде, в виде десятичной системы счисления по пальцам двух рук изначально также антропоморфна. 3.4. Организация пространства жизнедеятельности человека и общества 3.4.1. Пространство обитания и пространство жизнедеятельности В этом разделе мы рассмотрим основные виды пространства жизнедея- тельности человека и общества и основные законы, происходящие из при- роды и культуры и определяющие принципы и приемы такой организации. На очередном витке исторического развития земной цивилизации про- цесс освоения человеком пространства космоса в целом ряде своих аспектов повторяет процесс освоения пространства планеты Земля. При всех различиях благоприятной для развития человека земной среды и среды космоса, небла- гоприятной для пребывания человека, закономерности развития простран- ственных структур, создаваемых человеком для своей жизнедеятельности, имеют определенное сходство. На ранних стадиях становления человек, как и все земные животные, осваивал, вживался в окружающую среду — в пространство обитания. Чело- век приспосабливался к этой среде, встраивался в свою экологическую нишу. Как и все животные, человек использовал ресурсы природы естественными для всех животных способами: собирательством и охотой. Но в отличие от других животных человек в процессе своей эволюции совершенствовал естественные способы использования природных ресурсов. Он создавал орудия сначала для охоты, а затем и для труда. Он научился ис- пользовать огонь. Видимо, с этого времени, скорее всего сидя вокруг костра и задумчиво глядя в огонь, человек начал не только воспринимать, но и осмысливать пространство природы и свое место в нем. Для нас в этом процессе самое интересное то, что уже в эпоху палеолита человек начал проектировать. Свое
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 169 представление об окружающем мире он проектировал в пространство пещеры и фиксировал его на стенах, на потолке и полу в виде рисунков, росписи, рельефов и даже в виде своеобразной скульптуры. Параллельно, при создании постоянного или временного жилища (зем- лянки или шалаша), человек фиксировал эти представления в структуре соз- даваемого пространства, в конструкциях, в технических приемах, в декоре. С какого-то момента своей эволюции человек начал особенно активно преобразовывать часть пространства своего обитания, приспосабливать его для своих нужд. Этот момент обычно соотносится с периодом так называ- емой неолитической революции, с переходом к производящему хозяйству: к земледелию и скотоводству. Переход к производящему хозяйству привел к избыточному производству продуктов питания, к резкому росту населения и к необходимости создания хранилищ для гарантированного запаса пищи. Избыточное производство пищи позволило освободить часть населения от ее добычи и дало импульс для возникновения специализации — профессий, в первую очередь ремесленников. Вместе с тем избыток производства пищи и специализация деятельности дали толчок к постепенному социальному расслоению общества на служителей культа, управителей-воинов, обеспечи- вающих сохранность и распределение запасов, и торговцев, обеспечивающих товарообмен с ближними и дальними соседями. Именно с этим периодом соотносится процесс перехода человека к оседлому образу жизни. Осев на землю, человек приступил к построению в пространстве природы, в пространстве обитания многих живых существ принципиально нового типа пространства, искусственно созданного, пред- назначенного для своей постоянной активной жизнедеятельности*. Этот новый по смыслу и назначению вид пространства, созданный че- ловеком в пространстве обитания, в пространстве природы, на протяжении всей предыстории и истории человеческой цивилизации развивался по двум видам законов природы: по собственно законам организации природного пространства и по специфическим законам организации пространства, про- истекающим из природных особенностей человека: особенностей его морфо- логии, социальной организации и особенностей построения его культуры — восприятия и построения им окружающего его мира. Проецируя современный процесс освоения космического пространства на исторический процесс освоения человеком пространства Земли, можно выявить определенное сходство в протекании этих процессов. При опреде- ленном допущении можно сказать, что, в силу изменения преобладающей установки на освоение космоса, пространство, организованное в космосе на предыдущих стадиях для временного пребывания человека, можно расцени- вать преимущественно как пространство обитания, как техногенный вариант встраивания человека в новую для него среду. На новой, современной стадии человек стремится создать в космосе пространство активной и полноценной жизнедеятельности. * В 20-е годы прошедшего века профессор ВХУТЕМАСа Николай Александрович Ладовский определил архитектора как организатора пространства жизнедеятельности: «Пространство, а не камень есть материал архитектуры».
170 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 3.4.2. Два типа пространства жизнедеятельности человека и общества В процессе исторического развития исполняя, используя, осмысливая и интерпретируя в своих произведениях законы природы, человек постепен- но сформировал пространство своей жизнедеятельности. В одних случаях это пространство вписывается в природные пространственные структуры. В других формируется как новая — искусственная пространственная структура. Всю сложную, многоуровневую и многоплановую структуру пространства жизнедеятельности человека и общества можно разделить на два принципи- ально различных типа пространства. Первый тип — пространство созидания. Второй тип — пространство коммуникации. Пространство созидания трехмерно и центрично. Пространство коммуникации одномерно, линейно. В пространстве созидания происходит воспроизводство жизни, культу- ры — всего того материального и духовного, что производит человечество. В пространстве коммуникации (от точки к точке) происходит передви- жение людей, материальных ценностей и информации. Эти два пространства составляют неразделимое единство. При отмира- нии пространства созидания отпадает необходимость в путях сообщения и дороги зарастают травой. При отмирании пространства коммуникации пространство созидания и находящееся в нем сообщество оказываются изолированными от мира и впадают в гомеостаз. Их развитие на долгое время приостанавливается. Ни одна сложная структура не может существовать сколько-нибудь продук- тивно и длительно без гармоничного взаимодействия пространства созидания и пространства коммуникации. 3.4.3. Пространство созидания Мы привыкли начинать историю человеческого жилища с пещеры. Когда-то в борьбе за это постоянное природное укрытие человек стал конкурировать с крупными хищниками: пещерным медведем, львом, саблезубым тигром. Попытаемся представить себе, какова была естественная организация про- странства пещеры, отвоеванной у хищника и обжитой человеком. У входа в пещеру из подручных камней и ветвей сооружали защитную стенку от ветра, дождя и от нежелательных гостей. В случае ожидаемой опас- ности у стенки мог сидеть караульщик. В глубине пещеры в одном из углов женщины кормили младенцев и пестовали малышей. В другом углу старики обучали юношей. В середине, у костра мужчины кололи кремень, делали ору- дия труда и охоты, женщины готовили пищу, выделывали шкуры, сшивали из них одежду, плели циновки. Центром всего пространства был очаг. Он давал тепло и свет, на нем готовили пищу. Но главное — огонь, поднимающийся к своду, утверждал в центре пространства пещеры вертикальную ось, вокруг которой обращалось все бытие первобытного рода.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 171 Ночью, когда внешние вертикальные и горизонтальные ориентиры рас- творялись во тьме, именно эта вертикальная, живая, полная движения, ярко светящаяся ось была особенно важна для уверенного бытия человека и всего рода. Она становилась центром и смысловым средоточием его жизни. Много позднее латиняне стали называть подобную ось axis mundi — ось мировая. Со временем, по мере развития человеческого общества, каждое место, некогда естественно определившееся в пространстве пещеры для того или иного назначения, развернулось в отдельное общественное учреждение. Место караульного стало заставой, казармой, фортом. Место кормления младенцев стало яслями и детским садом. Место, где в пещере отлеживались больные и раненные на охоте, со временем стало больницей. Место общения стариков и юношей стало школой и университетом. Место приготовления пищи стало столовой и рестораном. Место изготовления орудий стало заводом. Место выделки шкур — фабрикой. А место костра, родового очага стало алтарем, храмом, святилищем. Специализация отдельных мест в пространстве пещеры имела и сакраль- ный характер. Под полом пещеры, иногда прямо под очагом хоронили ушед- ших, чтобы укрепить силу рода, его корень и общаться с предками, чтобы они могли прийти на помощь в трудную минуту. При этом уже на самых ранних стадиях полагалось, что предки (их души) уходили наверх и становились «не- бесными предками». Это направление указывал огонь в центре пещеры. Туда уходил дым от пищи, принесенной в жертву предкам на очаге. Священнодействие тоже разделилось на несколько видов. Так, ритуальное действо, с пением и плясками вокруг костра, помимо культовых структур, развилось в античный театр с его круглой орхестрой, по которой во время представления с пением и танцем вокруг алтаря кружился хор. От этого ри- туала до нас почти в неизменном виде дошли хороводы вокруг костра или вокруг новогодней елки. Помимо освоения природного убежища — пространства пещеры, чело- век начал обустраивать свое жилище в пространстве природы — создавать в нем свое собственное, рукотворное укрытие, то, что со временем стало его Домом. В этом длительном процессе изначальный принцип развертывания пространства от первоначального смыслового ядра — от сакрального очага и камня, на который клали или лили жертву «небесным предкам», продолжал развиваться. Характерно, что в своем развитии все специализированные общественные пространства стремились сохранить присущую пещере изначальную цент- рическую структуру с axis mundi, которая представляла средоточие смысла жилого пространства. В центре кочевых и ранних оседлых жилищ сохранился очаг. Со време- нем в оседлых жилищах очаг сместился в угол или на фронтальную стену. Тот, что сместился в угол, стал печью. Тот, что сместился на фронтальную, парадную стену, стал камином. Но в любом виде очаг неизменно сохранял свою организующую роль в пространстве жилища. В японской традиции в неотапливаемом доме в важ- ных случаях в центре комнаты ставится жаровня. В русской православной традиции, помимо традиционной русской печи, главным смысловым центром
172 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата оказывается киот с иконами и горящей лампадой в правом верхнем углу комнаты. В более поздних жилищах центральное место занял стол для еже- дневной и праздничной семейной трапезы, которая с первобытных времен сохранила свое значение важного ритуала (рис. 3.29). а Рис. 3.29. Очаг — средоточие смысла простого жилища: а—б — родовой очаг в центре пещеры и архаического жилища; в—г — печь и семейный стол под образами с лампадой в русской избе То же самое происходит с открытым частным и общественным простран- ством: двором, площадью. В развитом хозяйстве, во дворе открытом в южных регионах и перекрытом на севере обязательно присутствует особо отмеченный смысловой акцент, фиксирующий в каждом данном пространстве нижнее основание оси бытия — axis mundi. Таким объектом может быть семейный алтарь, очаг, печь, колодец или бассейн, священное дерево, памятный столб, камень, стела, барельеф, статуя (рис. 3.30). Рис. 3.30. В центре развитого дома — двор с сакральными родовыми объектами: колодцем, бассейном, очагом, алтарем: а — Вавилонское царство. Город Ларса. В каждом дворе колодец; б— в — Древний Рим. Помпеи. В центре атриумов и перистиля бассейн с алтарем; г — Япония. В центре традиционного дво- рика маленький бассейн, выдолбленный в камне, семейный алтарь-курильница и миниатюрная «роща»; д — Персия. В центре двора бассейн и два дерева; е — Россия. В центре крестьянского двора колодец; ж—и — Германия. Очаг на фронтальной стене крытого двора
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 173 В центре, в фокусе пространства всех античных общественных зданий, будь то святилище или храм, гимнасий или дом для приема почетных гостей, зал городского собрания или театр, устанавливался алтарь (рис. 3.31). Сакральный для данного пространства объект не обязательно находит- ся в геометрическом центре этого пространства. Он может находиться в его смысловом фокусе, он может сам отмечать или образовывать этот фокус. В качестве фокуса пространства может выступать его центр, центр его важ- нейшей части, а также проекция этого центра на фронтальную стену, реже на боковую стену в зависимости от логики развертывания самого пространства. Рис. 3.31. Античная Греция. Приена: а — Пританей. Дом ритуальных собраний отцов города. Во дворе колодец и алтарь для возжи- гания жертв богам города; б — гимнасий. У фронтальной колоннады двора алтарь бога покро- вителя спорта; в — Экклезиастерий, зал городского собрания. В центре амфитеатра — алтарь Афины, покровительницы города; г — театр. Алтарь в центре орхестры Даже сегодня мы можем убедиться, что двор городского многоквартир- ного дома, в центре пространства которого есть фонтан, цветочная клумба или просто декоративная ваза, живет относительно полноценной жизнью. Объект, находящийся в фокусе пространства двора, неосознанно сакрали- зуется, становится для людей, населяющих двор, центром притяжения, сво- еобразной нижней пятой все той же axis mundi, мировой осью локального, соседского бытия. Там, где люди начинают ходить через центральную клумбу, пространство двора выморачивается, двор как общественное пространство умирает (рис. 3.32). Рис. 3.32. Сакрализуемый объект в фокусе открытого общественного пространства: а — Россия. Великий Новгород. Городская слобода окружает площадь с храмом; б — Италия. Сиена. Площадь ориентирована на городские регалии у портала ратуши под колокольней; в — Россия. Конец 20-х годов XX века. Жилой комплекс с фонтаном и клумбой в центре
174 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата На открытых общественных пространствах: священных участках, площа- дях, агорах, форумах и т. п. — может возникать множество фокусов, отме- ченных сакральными объектами. В античной, а позднее и в средневековой традиции на агоре, форуме, на соборной или ратушной площади такими объектами могут быть общегородские и частные (вотивные) алтари*, статуи или другие изображения богов, святых, героев и почетных граждан, вотивные стелы, памятные доски (рис. 3.33). Рис. 3.33. Главная площадь с городскими святынями: а — Культура майя. Тикаль. Алтари на площади перед комплексом пирамид и храмов; б — Античная Греция. Приена. Агора. В центре пространства площади алтари, статуи, стелы; в — Россия. Москва. Красная площадь В фокусе пространства Собор Покрова и лобное место представляют Иерусалим и Голгофу. Перед стеной Кремля — мемориальные часовни Само собой разумеется, что в центре открытого пространства святилищ и культовых комплексов всегда находился алтарь, система алтарей, ритуаль- ный бассейн, священный источник, а позднее какая-либо монументальная форма (рис. 3.34). Рис. 3.34. В центре пространства культового комплекса алтарь или священный водоем: а — Древний Египет. Комплекс пирамиды Джосера. Система алтарей в центре главной риту- альной площади; б — Пакистан. Лахор. Священный водоем Зам-Зам в центре главной площади мечети; в — Россия. Троице-Сергиева лавра. Святой источник в центре соборной площади В реликтовых, традиционных культурах встречаются многоконфесси- ональные общественные пространства. Еще недавно, почти до последней трети XX века страна Непал считалась реликтовой страной. Горная долина Катхманду тысячи лет служила убежищем, куда с равнины Индостана при нашествии уходили адепты вытесненных религий. * От латинского votum — желание. Вотивные алтари, стелы, надписи, созданные по обету, данному во исполнение желания: победа в битве, спасение во время шторма, удачная поездка или торговая операция и т. п. На Руси ставили вотивные (обетные) кресты, часовни, храмы.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 175 В городке Бунгмати двор-площадь объединяет общины нескольких кон- фессий буддистов махаяны и индуистов: шиваитов и вишнуитов. Здесь есть и буддийские ступы, и шиваитский храм, и кришнаитский храм, и понятное всем на глубинном архаическом уровне священное дерево. Но главное, что объединяет в едином пространстве людей всех вариантов религий, это во- доем — бассейн с источником, оформленным в виде дракона — макара. Из этого источника все пьют и набирают воду для приготовления пищи. У него все моются, женщины моют посуду и стирают. Здесь же, у источника воды, резвятся дети (рис. 3.35). Рис. 3.35. Двор-площадь многоконфессиональной общины с храмами, ступами и общим для всех водоемом. Непал. Город Бунгмати Последний пример показывает, что проблема гармоничного проживания многонационального и многоконфессионального сообщества людей в ограни- ченном пространстве при определенных условиях решалась в традиционной культуре достаточно успешно. Очевидна сама логика построения такого пространства. У каждой груп- пы, входящей в сообщество, в общем пространстве жизнедеятельности есть своя четко представленная ценность. Никто не чувствует себя ущемленным. У всего сообщества в целом есть общее пространство жизнедеятельности и доминирующая, одинаково важная, сакральная для всех ценность — в данном случае источник воды, источник жизни*. * Принципиально иную позицию в отношении сходной многоконфессиональной и много- национальной ситуации в конце 80-х годов прошедшего столетия предъявил известный идео- лог постмодернизма в архитектуре Чарльз Дженкс. В то время в Сан Франциско, городе эми- грантов из Европы, Азии и Латинской Америки, городе многих конфессий и национальностей произошли серьезные этнические столкновения. Для снятия межнациональных конфликтов правительством штата было принято решение о строительстве культурных центров для всех национальных общин. Дженкс, которому была поручена идеологическая программа строитель- ства, решил отказаться от всех культурных традиций, создать постмодернистскую «свободную площадку для общения». Он декларировал и стимулировал создание таких культурных центров, в которых представитель каждой национальности не смог бы найти ничего напоминающего ему о культурной традиции его народа. Внутренние пространства новых культурных центров были по-постмодернистски перекошены. Все интерьеры, стены и потолки были обиты техни- ческим коричневым гофрированным картоном, используемым для упаковки холодильников. Грубо говоря, была последовательно и целенаправленно реализованы идея отказа от всех нацио- нальных и культурных традиций и старая большевистская доктрина: на помойке все равны.
176 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Пространство созидания, пространство человеческого творчества можно определить как пространство воспроизводства самого вида homo sapiens sapiens, как пространство воспроизводства материальных и духовных ценностей и в целом как пространство воспроизводства человеческого общества и его культуры. На всех своих уровнях: на уровне традиционного помещения, дома, двора, села, города — это пространство трехмерно и центрично, можно даже сказать, центростремительно. Естественные поселения и естественные горо- да всегда обладали единым центром — наглядной вертикалью — все той же axis mundi повседневного общего бытия. Так, в Москве в пределах Садового кольца (бывшего Земляного города), а по ряду направлений и за его пре- делами, из местных общественных центров всегда была видна колокольня Ивана Великого (рис. 3.36) Рис. 3.36. Естественное поселение ориентировано на центральное пространство с вертикальной доминантой: а — поселение Трипольской культуры, IV-III тысячелетие до н. э.; б — Русский Север, село Конецгорье (по Ю.С. Ушакову); в—г — из общественных центров отдельных районов города видна главная вертикальная ось города — колокольня Ивана Великого Выходя на более глубокий уровень, можно заметить, что и природное пространство в большинстве благоприятных для заселения ландшафтов как бы предуготовано для человека и строится по тому же принципу. В центре, в фокусе пространства, избранного родом или племенем для длительной осед- лой жизни, всегда присутствует место, способное служить естественным, а затем и наделенным особым, сакральным смыслом вертикальным акцентом. Это может быть холм, мысовой выступ высокого берега реки или озера. И, особенно характерный, мысовой выступ у слияния двух рек. На таком естественном возвышении всегда присутствует некий особый природный знак: одинокое большое дерево, роща, выразительная скала или моренный валун. Такой природный знак непременно сакрализуется человеком, и тогда вся населенная им местность приобретает особый смысл. Дерево и роща стано- вятся священными. Камень наделяется особыми свойствами и со временем превращается в алтарь-жертвенник. По мере развития поселения или группы поселений этот природный акцент приобретает роль общего святилища. Со временем он обносится валом и рвом и превращается в особо огражденное пространство — городище (рис. 3.37). Такое мысовое городище со временем становится ядром развертывания естественного русского города. Со временем городище, которое первоначаль- но служило и общим ориентиром, и культовым центром, становится местом,
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 177 Рис. 3.37. Городище — сакральное место, вокруг которого обращается вся окружа- ющая жизнь: а — городище, окруженное селищами; б — типичное для древних славян мысовое городище Вщиж; в — город Владимир развивался поэтапно от мысового городища где размещается духовная и светская власть. Городище обносится не только валом и рвом, но и защитными стенами. Возникает кремль — смысловое, духовное и властное ядро города и одновременно на случай войны убежище для населения самого города и окружающих сел. Дальнейшее развитие идет циклически. По мере того как город растет и богатеет, прорастание улиц, идущих от кремля дорогами в ближние и даль- ние города и села, сменяется кольцеванием защитных стен. Внутри нового кольца защитных стен происходит перестройка улиц и пригородов в город- ские структуры со своей собственной пространственной и функциональной организацией. Циклы шли столетиями один за другим. Прорастание улиц в пространство природы сменялось кольцеванием защитных стен. Разные города по мере сво- его развития, определявшегося самыми разными историческими причинами, сохранились до нашего времени на разных стадиях своего пространственного развертывания, как это показал Г.Я. Мокеев (рис. 3.38). Рис. 3.38. Естественный город, как и многие природные структуры, развер- тывается по спирали: а—б — естественный город развертывается в пространстве природы циклически, по спирали (по Г.Я. Мокееву); в—г — также по спирали развертываются раковина мол- люска и галактика
178 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата В классицистической, восходящей к XIX веку, композиционной теории градостроительства города делились на регулярные (построенные по единому плану) и нерегулярные, неупорядоченные (стихийно развивающиеся в течение сотен, иногда тысяч лет). Приведенный нами многовековой процесс разви- тия такого стихийного города не мог быть описан в рамках композиционной теории градостроительства, в которой определяющими критериями служили идеологический заказ и авторские формальные решения. К концу XX столетия термин «нерегулярный город» сменился более близким по смыслу термином «исторический город». Сегодня вслед за крупнейшим русским градостроителем первой половины XX столетия В.Н. Семеновым такие города, развивающиеся по своим особым, природным законам, мы называем естественными городами [11]. В таком историческом и смысловом контексте термин «естественный город», сформулированный им еще в 1912 году, более полно и точно указывает на сложность природного и культурного процесса многовекового развития человеческого поселения. Сегодня человечество выходит в космос уже не только своими техноло- гиями, но и как созидательное, творческое сообщество. Оно приступает к осмыслению и освоению космоса силами всей своей культуры. Поэтому для нас важны закономерности традиций проектирования и в целом закономер- ности антропного, человеческого, а в конечном счете природного, развер- тывания больших пространственных структур, которые человек создавал для жизнедеятельности человеческого общества на всех его уровнях. Заметим, что принцип центричности в развитии пространственных структур присутствует и на космическом, и на атомарном уровне. В центре Земли — ядро. Спутники кружат вокруг планет. В центре нашей планетной системы — Солнце. В центре галактики по современным данным находится черная дыра, в центре атома — ядро, и т. д. Итак, можно констатировать, что центричность построения пространства жизнедеятельности человека и общества имеет и природные, и культурные основания. Сборка русской бревенчатой избы начиналась с ритуала посадки малень- кой березки в ее центре — временного обозначения будущей оси бытия нового дома. Строительство любого храма начиналось с алтаря, с закладки камня на специально освященном месте, для него выбранном и предназначенном. От такого смыслового центра, от краеугольного камня начиналось развер- тывание всякого общественного пространства: здания, в том числе и храма, поселения и города. В зданиях такое развертывание шло преимущественно в процессе исто- рического развития самого типа здания, с течением времени — от одной постройки к другой. В поселении и городе стадии пространственного развер- тывания могут проявляться как процесс длительного циклического развития одного города. Но эти же стадии могут предстать как та или иная стадия, надолго зафиксировавшаяся в структуре каждого конкретного города. В этом эволюционном процессе наблюдаются два основных вида про- странственного развертывания.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 179 Первый вид — циклическое развертывание самой структуры. Пространственное развертывание дома, храма, человеческого поселения, города происходит циклически. В составе каждого цикла развертывания го- рода наблюдаются три основные стадии. Первая стадия — радиальное или ветвевое прорастание от центра во внешнее пространство, в пространство окружающей природы. Вторая стадия — кольцевание, замыкание освоенного пространства коль- цевыми стенами или кольцевыми коммуникациями. Третья стадия, характерная для естественного города, — упорядочение структуры внутри новой кольцевой границы: перераспределение функций, формирование новых локальных центров и организация новых территорий вокруг этих центров (рис. 3.39). Рис. 3.39. Каждый цикл исторического развития естественного русского города со- держит три стадии построения его пространственной структуры: а — ветвевое прорастание города во внешнее пространство; б — кольцевание — ограждение защитными стенами, а позднее кольцами коммуникаций; структурирование города внутри нового кольца стен: в — городская слобода у нового кольца стен; г — центр города. Сектор со своим общественным центром Второй вид. Развертывание через порождение новых, дочерних структур. В этом случае пространственное развертывание выступает как некоторая аналогия размножения. При таком развертывании из смыслового центра пространственной струк- туры выносится во внешнее пространство, в пространство природы один из аспектов ее смысла — семя смысла. И уже от этого семени начинается рост, развертывание новой, дочерней структуры. Подводя итог, следует заметить, что в общечеловеческой культурной тра- диции пространство жизнедеятельности строится как сложная многоуровне- вая структура. Развитие каждого элемента этой структуры определяется тем смыслом, который первоначально закладывается в него человеком. Каждая из структур первичного уровня имеет свое центральное простран- ство и свой центр, устанавливающий смысловой приоритет и консолидиру- ющий вокруг него конкретную группу индивидов, то или иное сообщество, объединенное по признаку родства, территориальной, профессиональной, национальной или религиозной общности.
180 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Структура более высокого уровня сложности имеет центральное про- странство, представляющее все структуры предшествующего уровня. Ее смыс- ловой центр может быть представлен либо как единое высокое обобщение смысловых центров предшествующего уровня, либо как то же обобщение, но в сопровождении указаний на смысловые центры пространственных структур предшествующего уровня. Современное общество потребления настраивает человека на эгоцентризм и так называемое самовыражение. С таким настроением человек непроиз- вольно или совершенно сознательно стремится оказаться в центре внимание, в центре события, в центре общественного пространства. В общечеловеческой культуре возможность нахождения человека в центре или в фокусе общественного пространства исключалась традиционной цен- тральной постановкой алтаря или другого сакрального объекта (рис. 3.30-3.32). В пространстве созидания человек не может и не должен находиться в цен- тре пространства. В центре пространства созидания может находиться только освященное традицией нижнее основание вертикальной оси этого пространства, соединя- ющей его с небом, с зенитом. Вокруг этой оси обращается все бытие данного человеческого сообщества. Очевидно, что еще в первобытную эпоху никому не приходило в голову заменить собой костер в центре пещеры. Человек может продуктивно, творчески фигурировать вокруг этого цен- тра, при нем. Он может даже обращаться и апеллировать к нему, как это происходит во всех религиозных традициях, но ни в коем случае не подме- нять его собою. Итак, мы определили основные закономерности развертывания главного вида пространства жизнедеятельности человека — пространства созидания. Его развертывание происходит на нескольких уровнях: уровень жилища, уровень общественного здания или открытого общественного пространства (к примеру, двора в городском квартале), уровень главного общественного пространства поселения. Исходя из природных и культурных закономерностей развертывания пространства жизнедеятельности человека и общества, можно прогнозиро- вать основные принципы развертывания больших космических станций на достаточно продолжительную перспективу. 1. Центрическое построение пространственной структуры, предназна- ченной для каждой группы космонавтов: исследовательского коллектива или иного сообщества. 2. Иерархическое построение общей структуры КС, при которой центри- ческие структуры для каждой группы объединяются вокруг общественного центра всей станции. 3. Циклическое развертывания пространства КС, при котором этапы ветвевого развертывания по основным координатам сменяются этапами кольцевания всей структуры КС. Циклический процесс общего пространственного развертывания и прин- ципы иерархической организации пространства КС с системой общественных центров были намечены уже в ранних работах К.Э. Циолковского [6].
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 181 3.4.4. Пространство коммуникации Пространство коммуникации принципиально отличается от простран- ства созидания. Пространство, в котором происходит созидание, трехмерно и центрично. Пространство, в котором протекают коммуникации, одномерно и линейно. Простейшая коммуникация — линия, соединяющая две точки. Сегодня, в эпоху техногенной потребительской цивилизации, простран- ство коммуникации подавляюще доминирует над пространством созидания. Не будем говорить о бессмысленной — для проведения времени массовой езде на автомобиле, о глобальных сетях связи и т. п. Достаточно заметить, что при вождении автомобиля у человека появля- ется ощущение занятости чем-то существенным. При разговоре по сотово- му телефону человек старается по возможности прохаживаться. И в том, и в другом случае он представляет свое нахождение в линейном пространстве коммуникации, как бы погружается в него. Мы остановимся на закономерностях пространственного развертывания коммуникаций, на их общей морфологии. В живой природе мы наблюдаем три формы коммуникаций: ветвь, петля, кольцо. Эти три формы присутствуют в каждом живом организме на разных уровнях — от уровня клетки до общей системы обмена веществ (рис. 3.40). Рис. 3.40. Три формы коммуникации в быту: а — ветвевая, петлевая и кольцевая формы; б — лист; в — схема кровоснабжения кишеч- ника; г — схема кровоснабжения тела человека В целом в природе мы наблюдаем множество циклических процессов, замкнутых в круговое движение: известный со школы круговорот воды в при- роде, пищевую цепочку от почвы к растениям — далее к животным и снова в почву. Такие процессы могут протекать в течение месяцев, годов или многих миллионов лет; например, круговорот углерода: из вулканов в атмосферу, из атмосферы в океан, из океана в осадочные породы — известняки на его дне. Всякую коммуникацию можно определить как линию движения, будь то движение каравана верблюдов или электрического тока в проводе. Поэтому для начала проследим развертывание линии движения человека.
182 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Приходя на работу, человек проходит от двери к своему рабочему месту — это простейший путь от точки до точки. Начальник общается с несколькими подчиненными — это уже ветвевая структура от одной точки до нескольких. Рассмотрим этапы развертывания коммуникации на разных стадиях раз- вития обыденного процесса приготовления пищи. Приходя в старую провинциальную гостиницу без удобств, уставший приезжий садится за стол, выпивает стакан чая и укладывается спать. Это одна линия — от двери до стола или койки. В современной гостинице эта линия приобретает ответвления: в туалет, к столу, к телевизору, к кровати. На домашней кухне, где семья собирается за столом (сегодня хотя бы за завтраком и ужином и по выходным), хозяйка движется от обеденного стола к холодильнику, от холодильника к мойке, от мойки к разделочному столу, от рабочего стола к плите, от плиты к рабочему столу и с него или прямо с плиты подает еду на обеденный стол. По сравнению с гостиницей интен- сивность коммуникации вырастает на порядок, и простая линия или ветвь трансформируется в петлю. На кухне студенческой столовой или ресторана по периметру варочного зала стоят различные агрегаты: электрические котлы, сковороды, разделоч- ные столы и т. п. В студенческой столовой с одной стороны зала скомпоно- ван фронт раздачи пищи. В центре варочного зала стоит секционная плита, вокруг которой происходит основное движение поваров. По сравнению с домашней кухней интенсивность коммуникации вырастает еще на порядок, и петля трансформируется в кольцо (рис. 3.41). Рис. 3.41. Три формы коммуникции в быту: а — ветвевая, петлевая и кольцевая формы; б — ветвевая схема в гостиничном номере; в — петлевая схема на домашней кухне; г — кольцевая схема на кухне столовой или ресторана То же явление можно обнаружить на примере жилого района. При пятиэтажной застройке там, где плотность застройки, а следовательно, и количество транспорта минимальны, автомобильные подъезды к дому, как правило, тупиковые. При двенадцатиэтажной застройке, т. е. при повыше- нии плотности движения, устраиваются петлевые структуры. Наконец, при еще более высокой плотности движения, при застройке в двадцать и более этажей возникают кольцевые проезды (рис. 3.42). В XIX веке и первой половине XX века с развитием промышленности и появлением железных дорог развертываются ветвевые, петлевые и на инфра- структурном уровне кольцевые коммуникации. Во второй половине XX века
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 183 а б в г Рис. 3.42. Три формы коммуникаций в жилых структурах: а — ветвевая схема подъездов при пятиэтажной застройке и малом количестве автомобилей в 1950—1960-е годы; б — петлевая схема при 12—16-этажной застройке и увеличении количе- ства автомобилей в 1970-е годы; в — кольцевая схема при 24-этажной застройке и массовой автомобилизации в 1980-е годы; г — петлевая и кольцевая схема в структуре жилого района с переходом на большегрузный автомобильный транспорт, обладающий боль- шей маневренностью, преобладают петлевые и кольцевые схемы. Так три основные формы коммуникации: линия, петля, кольцо — обна- руживаются в живой природе, в ежедневном бытовом движении человека, в построении транспортных систем (рис. 3.43). Рис. 3.43. Три формы коммуникаций в железнодорожной и позднее в автомобиль- ной инфраструктуре Москвы: а — ветвевой железнодорожный ввод на крупное предприятие; б — ветвевые и петлевые структуры в промышленной зоне; в — петлевая структура в системе железных дорог города. Конец XIX века; г — Московская окружная железная дорога в системе города. Конец XIX — начало XX века; д — Московская кольцевая автодорога в транспортной схеме Генплана 1971 года. Середина XX века В процессе освоения природной территории человек создает те же струк- туры, хотя бы в виде тропинок. Охотник, осваивая новый для него участок тайги, движется вверх по течению речки. Дойдя до впадения в нее ручья, он ставит шалаш или рубит избушку для зимовья, обозначая центр вновь осваиваемой территории. Двигаясь далее вверх по речке, знакомясь с новой местностью, охотник ставит капканы, силки, ловушки, а затем возвращается к своей стоянке. В следующий заход охотник идет вверх по долине ручья и опять возвращается к своему становищу. В третий заход он может пройти вниз по долине речки и опять-таки вернуться к становищу. Здесь налицо простая коммуникация — три линии от стоянки до крайней точки разведочного маршрута.
184 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата По мере освоения местности для рационализации своего движения при осмотре поставленных им капканов и ловушек охотник ищет путь в верховьях, через водораздел, от речки до ручья. Найдя такой путь, в своих регулярных обходах охотничьих угодий он начинает двигаться вверх по речке, затем через водораздел и далее вниз по ручью к исходной стоянке. При возрастающей регулярной эксплуатации охотничьих угодий возникает петлевая структура коммуникации. Освоив все возможные петлевые пути регулярных обходов, проложив тропы, охотник обходит освоенный им участок тайги по его периметру. Коль- цевой обход становится особенно важным в случае появления соседей и воз- никновения необходимости провести хотя бы условную границу (рис. 3.44). Рис. 3.44. В процессе освоения природной территории система коммуникаций раз- вивается от ветвевой схемы к петлевой и далее к кольцевой (а): б — схема освоения славянским племенем речной системы; в — схема освоения речных систем севера Великим Новгородом. Речные пути и волоки; г — схема построения системы общеевро- пейских речных путей, задуманная Карлом Великим в начале IX века и реализованная в XX веке Это явление широко распространено в живой природе. Так волк метит по периметру долину обитания своей семьи, устанавливает границы и дого- ворные отношения с соседями по лесу. Инстинкт владельца заставляет волка регулярно обегать освоенную территорию и освежать метки на ее границах. В результате нарастания регулярности и интенсивности использования тер- ритории возникают кольцевые коммуникации. На основании хотя бы трех приведенных примеров можно достаточно отчетливо сформулировать закономерность развития формы коммуникации. При нарастании интенсивности коммуникация изменяет свою форму: от линии к петле, от петли к кольцу. Эта закономерность характерна для многих природных, исторических и технологических процессов. Так, в технике три категории надежности инже- нерного обеспечения объекта, например электроснабжения, подразумевают его линейное, петлевое или кольцевое подключение к магистральным сетям. Три формы коммуникаций наблюдаются и в процессе циклического развертывания естественного города. На примере Москвы и других больших европейских городов можно убедиться, что в каждом таком цикле стадии развития радиальных ветвевых коммуникаций, связывающих город с внеш- ним миром, сменяются стадиями формирования кольцевых коммуникаций, объединяющих город в единую сбалансированную самоорганизующуюся коммуникативную структуру (рис. 3.45).
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 185 Рис. 3.45. Коммуникации устанавливают связи города с внешним миром и при ин- тенсивном развитии формируют кольца: а — изначальные связи Москвы с другими городами России. XI—XII веке; б — ветвисто-веер- ные и кольцевые структуры в теле города. XV—XX века (по Г.Я. Мокееву); в — коммуникации московской агломерации. Схема Б. Сакулина. 1918—1921 годы XX века; г — Москва в системе планируемых еврокоридоров. Начало XXI века Завоевание мира великими воителями (Александр Македонский, импе- раторы Древнего Рима, Чингисхан и др.) становилось успешным и обеспе- чивало стабильное существование нового гигантского государства только в случае установления стабильных форм коммуникаций. Новая структура с ветвевыми коммуникациями оставалась формой набега и существовала только на протяжении немногих десятилетий — на протяже- нии времени жизни своего создателя, например Александра Македонского. Структура с системой петлевых коммуникаций может существовать не- сколько столетий, например система сбора дани, установленная Батыем на основе имперских коммуникаций, заложенных его дедом Чингисханом. И только структуры, установившие в своей основе стабильную кольцевую коммуникацию, имеют шанс выжить в течение тысячелетий. Так, например, внутриконтинентальное Средиземное море, вне зависимости от того, кто до- минировал в его эксплуатации: критяне, ахейцы, греки, финикияне, римляне, византийцы, венецианцы, арабы, европейцы, многие тысячи лет существует как стабильная кольцевая коммуникативная структура (рис. 3.46). Обобщая, можно заметить, что радиально направленные коммуникации соотносятся с приоритетом отраслевого развития. Такие коммуникации сое- диняют город (регион, страну) с источниками сырья и товарными рынками. Кольцевые коммуникации соотносятся с приоритетом территориального развития, с установлением баланса между отраслями в рамках стабильной экономической системы. Применительно к России следует заметить, что еще со времен Ивана Грозного и уже систематически, начиная со времени царствования Петра I, Россия стремилась замкнуть свой периметр в кольцо коммуникаций с помо- щью Транссиба и Северного морского пути. С коммуникативной точки зрения современная проблема осознания этого фактора — это вопрос длительности жизни нашего государства (рис. 3.47). Мировой океан, простирающийся по всей поверхности земного шара, осваивался сначала линейными маршрутами: от одного географического пун- кта до другого и обратно. Затем возникли петлевые маршруты. Например,
186 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 3.46. Функционирование кольцевых коммуникаций в Средиземном море, несмотря на смену господствующих цивилизаций, обеспечило стабильное развитие региона в течение трех тысяч лет Рис. 3.47. Замыкание кольца коммуникаций в виде Транссибирской маги- страли и Северного морского пути обеспечит стабильное развитие России на многие сотни лет
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 187 Колумб, проплыв вдоль берегов вновь открытых земель, мог вернуться в Европу другим путем. И, наконец, земной шар был замкнут кольцом Ма- геллана (рис. 3.48). Рис. 3.48. Ветвевая, петлевая и коль- цевая схемы в процессе освоения ми- рового океана: а — линейный путь Васко да Гамы в Индию; б — петлевые пути плаваний Колумба в Америку; в — кругосветное путешествие Магеллана замкнуло кольцо коммуникаций вокруг земного шара в То же самое произошло и с освоением космоса. Сначала вертикальный пуск ракеты с ее возвратом примерно в ту же точку. Затем петлевая траекто- рия баллистической ракеты. Потом кольцо орбиты спутника. Отличие процесса освоения космоса от подобных предыдущих процес- сов освоения земного пространства в том, что предыдущие циклы освоения пространства протекали на поверхности Земли, можно сказать в одной пло- скости, а освоение космоса позволило создать пространственную, сфериче- скую систему кольцевых коммуникаций. Стабильность существования этой сферической глобальной коммуникативной структуры во многом определяет стабильность существования нашей, на сегодня преимущественно техноген- ной цивилизации (рис. 3.49). Рис. 3.49. Ветвевая, петлевая и кольцевая структуры на разных стадиях освоения космоса: а — траектория ракеты-фейерверка; б — траектория баллистической ракеты; в — траектория и орбита спутника; г — сферическая оболочка из орбит спутников Земли; д — самая устойчивая кольцевая структура коммуникаций — Солнечная система — существует более 4 миллиардов лет. Схема Коперника
188 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Исторический опыт пространственной организации жизни человеческого общества на всех его уровнях показывает, что общение людей по кругу, вокруг некоего центра, представляющего общую смысловую ценность, оказывает- ся наиболее продуктивным. Таким сообществом может выступать семья, племя, территориальная община: будь то малое поселение или город, про- фессиональная гильдия, государство и в целом мировое сообщество. Самые насущные, самые конфликтные проблемы даже на мировом уровне решаются по традиции за круглым столом. Именно круговое общение обеспечивает установление общего согласия, стабильность совместной жизни и устойчивое развитие каждого из таких сообществ (рис. 3.50). В итоге следует отметить важность установленной закономерности для понимания роли построения коммуникаций при решении конкретной про- блемы — проблемы проектирования орбитальных станций нового поколения. г Рис. 3.50. Наиболее устойчивая и продуктивная система общения — кольцо вокруг общего центра: а — русская крестьянская семья за обеденным столом; б — африканское племя вокруг костра; в — современный летний симпозиум. Русские и американские студенты вокруг костра; г — заседание Комитета Организации Объединенных Наций за круглым столом
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 189 Рис. 3.51. Ветвевые и петлевые структуры (а — «Мир»; б — МКС); кольцевые структуры (в — по К.Э. Циолковскому. Начало XX века; г — по В. Брауну. Вто- рая половина XX века) С точки зрения морфологии коммуникаций можно утверждать, что раз- витие больших космических станций по мере нарастания интенсивности их функционирования будет протекать по следующим стадиям: • ветвевые структуры — например, станция «Мир». • петлевые структуры — к структуре этого типа уже сейчас начинает тяготеть МКС; • кольцевые структуры — стабильные структуры недалекого будущего, предсказанные еще К.Э. Циолковским и другими провидцами науки (рис. 3.51). 3.4.5. Взаимодействие пространства созидания и пространства коммуникации Итак, пространство созидания и пространство коммуникации принци- пиально различны по своей природе. Пространство созидания трехмерно и центрично. Пространство коммуникации линейно и одномерно. При проектировании любой пространственной структуры от сотового телефона до города важно определить характер взаимодействия этих двух принципиально различных пространств. Еще раз можно констатировать, что со второй половины XX века со- временная эпоха демонстрирует самодовлеющее преобладание коммуника- тивного пространства. Сегодня декларируется господство так называемого информационного общества. При этом подразумевается, что информация не только передается, но и создается в информационных сетях. И это неко- торое преувеличение. На самом деле информация создается в рабочем кабинете, в лаборатории, хотя и с помощью компьютера, и только потом поступает в сеть*. Разделение функций пространства созидания и пространства коммуникации, функции создания чего-либо и функции передачи этого вновь созданного на некое расстояние сохраняется и в этой системе. Но обратимся к структуре реального бытового пространства, в котором постоянно живет, пребывает и передвигается человек. * Понятно, что в данном случае под создаваемой информацией понимается новое знание, а отнюдь не трансляция или интерпретация чего-то известного или малоизвестного.
190 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата В реальной городской жизни коммуникации и коммуникативное про- странство сегодня становятся самодовлеющими. Это ощущается уже на уров- не квартиры. В типовой квартире, как правило, отсутствует общая комната, комната для сбора и общения всей семьи. В 50-е годы, после Великой Оте- чественной войны, в самом начале массового индустриального строитель- ства реальная обеспеченность жильем была менее 3 м2 на человека. Норма заселения в новые дома в 1950-е годы стала сначала 6 м2, а позднее 9 м2 на человека. Поэтому вместо традиционной для благополучного Запада кварти- ры по схеме п + 1 — каждому по комнате и общая комната для семьи была принята вынужденно урезанная норма п — 1: в комнате могут жить двое, и общая комната может быть совмещена с чьей-то спальней. В результате из обихода исчезла никем не занятая для сна общая, семейная комната. Поэ- тому на месте общей комнаты, которая тысячелетия служила ядром жилого пространства, возник коридор. На месте трехмерного пространства созидания возникло одномерное пространство коммуникации (рис. 3.52) [16]. а б в Рис. 3.52. В перспективном жилище экономкласса 20—30-х годов XX веке в общей комнате с традиционной пространственной организацией за обеденным столом собирались все члены семьи. Новаторские квартиры экономкласса: а — в одном уровне. Германия; б — в двух уровнях. Россия; в — малометражная квартира. Рос- сия в 1960—1970-х годах. Все комнаты — спальни. Общая комната с традиционным семейным столом отсутствует. Вместо нее узкие коридоры-тамбуры Сегодня, выйдя из своей комнаты, человек уже в собственной квартире попадает в одномерное коммуникативное пространство коридора. Затем — в другой, общий поэтажный, коридор. За ним идет вертикальная шахта лифта или лестницы. Выйдя на улицу, человек движется в русле тротуара или в экипаже по строго отведенной трассе коммуникации. Спускаясь в метро, человек канализуется наклонным тоннелем эскалатора, а затем подземным тоннелем метро, где он пребывает в вагоне-капсуле, подобно объекту пнев- мопочты. Потом опять наклонный канал эскалатора, опять канал тротуара и, наконец, канал служебного коридора в институте или на работе. Только после этого человек попадает на свое на рабочее место, в помещение, которое весьма условно можно назвать пространством созидания. Коридорная система построения жилого, учебного, делового и обще- ственного пространства все еще господствует в структуре действующих и проектируемых зданий. Коридорная система восходит к XIX столетию, к эпохе промышленной революции, к казармам для рабочих и далее к баракам,
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 191 к заводским общежитиям, к коммунальным квартирам, к коридорным гости- ницам — ко всем тем пространствам, в которых не подразумевается активная созидательная деятельность человека. Даже громадные элитные квартиры сегодня все еще нередко проектируются и строятся на основе все того же коридора. В коридорной системе просто негде разместить и даже обозначить про- странственный и смысловой центр общего бытия. Пространство созидания по существу отсутствует, и людей просто негде объединить для реализации общей цели, будь то научное открытие или воспитание ребенка. В результате доминирования по горизонтали коридорной системы, а по вертикали — системы лифтов и лестниц принципиально снижаются сози- дательные возможности человека, семьи, общества. В коридорной системе человек лишается возможности реализовать свое главное назначение — свою творческую сущность. Такое построение пространства жизнедеятельности во многом определяет и деградацию семьи, и, как следствие, демографи- ческий спад, и снижение производительности труда, и отставание научных разработок. Подобный процесс протекает и на уровне города. В пространстве города все более доминируют самодовлеющие транспортные каналы. Эти каналы почти так же, как стены и рвы в эпоху Средневековья, жестко разрезают город на отдельные анклавы, связанные между собой только подземными щелями пешеходных переходов. Одновременно в угоду сиюминутной при- были уничтожаются общественные пешеходные пространства: традиционные дворы, скверы, площади и т. п. Между тем историческое развитие естественного города свидетельствует о том, что проблема взаимодействия пространства созидания и пространства коммуникации в процессе циклов их попеременного преобладания неодно- кратно разрешалась достаточно успешно для своего времени. В циклическом процессе эволюции городского пространства на каждом новом витке исторического развития в новых экономических, социальных и технических условиях характерны определенные повторы общей простран- ственной ситуации. Такие повторы предоставляют возможность установить общее направление развития процесса и закономерности трансформации го- родского пространства в результате взаимодействия пространства созидания и пространства коммуникации. В естественных поселениях: в селах и городах — на ранней стадии их становления улица была руслом коммуникации. Но гораздо важнее то, что улица (у-лица) вместе с деревенской площадью выполняла роль обществен- ного пространства. Деревенская улица была ядром общественной жизни. На ней крестьяне собирались для совместных работ: сева, покоса, жатвы и т. п. На ней собирали скот для коллективного выпаса. На улице играли дети, справляли свадьбы, проходили гулянья. Бабы собирались и обменивались новостями у колодца, мужики — у трактира. На улице проводились собра- ния для обсуждения общественно важных проблем — крестьянские сходы. В праздничные дни все собирались и общались у храма. Транзитные передвижения по деревенской улице: пешеходы, обозы, кареты, верховые — происходили медленно, появлялись достаточно редко
192 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата и обычно задерживались для отдыха на сельской улице-площади: у колод- ца — напоить лошадей, у трактира — принять пищу, у церкви. Возникало естественное общение с сельскими жителями. Такие транзиты не снижали, а, наоборот, повышали общественную роль деревенской улицы, наглядно связывая местное сообщество с жизнью региона, а иногда и всего государства. С появлением средневекового города картина принципиально измени- лась — городское пространство вывернулось, средоточие жизни сместилось внутрь отдельных городских образований. Русский средневековый город состоял из отдельных, во многом самостоятельных и самоуправляющихся анклавов: слобод, монастырей, боярских усадеб. Эти анклавы жили в созида- тельном пространстве своей собственной жизнью. В фокусе каждого такого пространства находился храм или часовня, и такой приходский храм, был виден из каждой избы. Обычное право Древней Руси (право по отцовскому и дедовскому обы- чаю), подкрепленное первой известной нам письменно оформленной гра- достроительной нормой — «Кормчей книгой», восходящей к византийскому кодексу Юстиниана (VI век н. э.), как и всякое традиционное градострои- тельное установление, можно свести к двум основным принципам. 1. «Никто не имеет права загородить соседу вид на море». 2. «Никто не имеет права загородить соседу вид на храм». Дороги существовали как отдельная система, размещенная за пределами этих анклавов. Они доходили только до ворот слободы, монастыря, усадьбы. В большинстве случаев это были грязные неблагоустроенные проселки. При уплотнении городской застройки в зажиточных кварталах дороги мостились*. Но в принципе это были такие же, как и сегодня, транспортные клоаки. Пе- ресечь такую клоаку без специальной обуви в Средневековье было во всяком случае затруднительно. В современном городе такое пересечение автомаги- страли опасно для жизни пешехода. В результате реформ Петра I пространство города опять вывернулось наизнанку. По указу императора «строить вдоль першпектив» улица вновь стала общественным пространством. К этому пространству по указу царя обратились дворцы вельмож, а вслед за ними магазины, рестораны, театры, клубы, парки и скверы. Улица наполнилась пешеходами и каретами. На улице встречались, знакомились, прогуливались, вели беседы, выясняли отношения. С приходом массового автомобиля городская улица вновь превратилась в транспортную клоаку и в значительной мере утратила свою роль обществен- ного пространства. Атам, где она стала автомагистралью, транспортной раз- вязкой, эта роль оказалась утраченной полностью. Городское пространство в очередной раз вывернулось. Улицы выделились из пространства города как отдельное коммуникационное явление — транспортная инфраструктура. И теперь уже общественное пространство стало смещаться обратно, внутрь городских кварталов. По существу структура современного городского пространства стала возвращаться к некогда естественному средневековому построению. Цикли- ческий процесс перестройки пространственной структуры естественного * К примеру, в Великом Новгороде в некоторых раскопах находили остатки более 10 слоев деревянных мостовых.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 193 русского города на новом этапе, в котором ведущую роль сыграло развитие транспорта, вступил в очередную фазу перестройки пространственной струк- туры города (рис. 3.53). В Западной Европе и в США, где автомобиль стал массовым средством передвижения еще в 30-е годы прошедшего столетия, транзитные автомаги- страли в большинстве случаев проложили в обход городов и селений. В России автомобиль начал становиться массовым только с 70-х годов прошедшего столетия. Автомобильные магистрали развивались постепенно на месте старых гужевых трактов, проходивших через города и деревни. Ред- кие объездные дороги начали строить только в конце 80-х годов В результате транзитный транспортный поток прошел через многие малые города и де- ревни и по существу уничтожил их общественное пространство. Деревенский житель утратил возможность перейти на другую сторону улицы к родителям, к брату, к свату, к теще, к бабушке. Через дорогу уже нельзя прогнать скот или пойти на работу. Взрослые утратили пространство совместной деятельности, общения и развлечения. Дети утратили игровое пространство, пространство общения и развития. Деревня из полноцен- ного созидательного сообщества превратилась в маргинальный придаток к магистрали. Естественно сформированное веками пространство созидания Рис. 3.53. На разных исторических стадиях развития улица выступает то как главное общественное пространство человеческого поселения, то как транспортный канал: а — улицы и центральная площадь — главное общественное пространство села. Русский Север. Село Конецгорье; б — площадь с храмами, водоемом и рынком — главное общественное про- странство торгового села. Западная Россия. Село Великое; в — общественное пространство городской слободы с храмом и погостом. Улица — внешняя дорога — транспортный канал. Город Владимир. Изображение с иконы начала XVII в.; г — общественное пространство го- рода — главная улица — Тверская. Москва. Середина XIX в.; д — главная улица — Тверская превратилась в непреодолимый для пешехода транспортный канал. Москва. Начало XXI века
194 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата оказалось вымороченным. Пронзенная транзитной магистралью деревня ли- шилась своего традиционного производственного, социального, культурного потенциала и стала вымирать. Между тем опасность уничтожения общественного пространства города транзитной магистралью была замечена очень давно. С глубокой древности транзитная магистраль никогда не проходила через центр города и тем более через кремль. Она всегда шла касательно к нему, через главное торжище или еще дальше — через ярмарочное поле, расположенное за стенами города. Так проясняется общая закономерность взаимодействия созидательного и коммуникативного пространства. В пространстве жизнедеятельности человека: в комнате, квартире, доме, дворе, квартале, городе — русло транзитной коммуникации не должно пере- секать пространства созидания, не должно затрагивать его ядро и ни в коем случае не проходить через центр. Рис. 3.54. Внешние транспортные магистрали строятся как кольца за пре- делами города: а — кольцо грузовых магистралей проходит за пределами городов-спутников. Схема Э. Говарда. Конец XIX века; б — кольцо окружной железной дороги строится за пределами города. Москва. Конец XIX — начало XX века; в — кольцевая автодорога (МКАД) строится за пределами города. Москва. Середина XX века По отношению к трехмерному пространству созидания одномерное, ли- нейное пространство коммуникации может и должно идти в обход его или через его периферию по касательной или, по дуге вокруг центра (рис. 3.54). Проблема гармоничного взаимодействия пространства созидания и про- странства коммуникации существует на всех уровнях пространства жизнеде- ятельности человека и общества от отдельного помещения до глобальных и космических структур.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 195 Тотальное доминирование пространства созидания в ущерб пространству коммуникации, в ущерб системе коммуникаций приводит к свертыванию культуры, к гомеостазу отдельных пространств созидания — к консервации, остановке развития. Тотальное доминирование пространства коммуникации в ущерб про- странству созидания приводит к упадку материального и духовного производ- ства, к деградации культуры и личности. Подобный этап в этом циклическом процессе развития мы переживаем в настоящее время. В любой продуктивно действующей структуре два типа пространства: пространство созидания и пространство коммуникации представляют еди- ную сбалансированную систему. В сотовом телефоне батарейка продуцирует ток, в чипах происходят различные преобразования, проводники (провода и спайки) выступают как средства коммуникации. Итак, любые продуктивные пространственные структуры построе- ны на гармоничном сочетании пространства созидания и пространства коммуникации. 3.4.6. Пространство созидания и пространство коммуникации в виртуальном мире С приходом компьютерных технологий во все сферы жизни в очередной раз на совершенно новом уровне возникла проблема взаимодействия человека и машины, или проблема интерфейса. Сегодня в подражание компьютерному миру в архитектуре, да и не толь- ко в ней, вошло в моду виртуальное пространство, которому по неведению приписываются самые разнообразные характеристики неопределенности: неправильность, деконструктивность, произвольность и, главным образом, некая коммуникативность и т. п. Современная модная архитектура деклари- рует такой подход, как необходимость следовать за развитием виртуального компьютерного мира. На самом деле развитие виртуального мира от точечного (байтового) к ли- нейному, от линейного к плоскостному, от плоскостного к пространственному свидетельствует о его нарастающем усложнении. Такое усложнение виртуального пространства можно проследить на простом примере развития компьютерных игр. Первые, представляющие движение, компьютерные игры (ходилки) были покадровыми (байтовыми). Затем появились игры, в которых движение про- текало линейно в плоскости экрана. Далее появились многоэтажные ходил- ки. Движение в плоскости экрана приобрело вертикальную составляющую, стало двумерным. Позднее движение на экране приобрело глубину: автомобильные трассы или глухие коридоры, тоннели с бесконечными поворотами. Постепенно в концах и на стыках коридоров начали появляться все более обширные пространства. Сначала это были просто прямоугольные бункеры. По мере нарастания мощности персональных компьютеров бункеры начали приоб- ретать все более и более сложный и причудливый абрис — характер пещеры. Виртуальное пространство становилось трехмерным.
196 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Со временем эти виртуальные пещеры стали приобретать архитектурный характер. Они все более и более походили на залы фантастических дворцов. Именно в таких залах происходили главные события игры — чаще всего драки и целые сражения. Но постепенно в это трехмерное виртуальное простран- ство стали проникать позитивные тенденции, например те, которые ранее в двухмерном варианте обозначили себя как игры типа стратегии развития. Став трехмерным, виртуальное пространство стало приобретать признаки пространства созидания. Такой же процесс последовательного перехода от точки (байта) к про- странственной структуре можно наблюдать в процессе проектирования любой структуры, будь то здание, промышленный агрегат или прибор. Первое, что делает проектировщик, — ставит точку, место отсчета, затем проводит линию. После этого разбивает двухмерную ортогональную сетку осей. По такой сетке он отстраивает несколько плоских проекций проектируемого объекта. И, на- конец, создает его трехмерный, пространственный вид. Эта последователь- ность в целом характерна и для традиционного проектирования на кульмане, и для современного компьютерного проектирования. Всякий новый уровень усложнения требует нового уровня упорядоченно- сти, нового уровня пространственной организации, требует своей собственной архитектуры, которая в чем-то сознательно, а в целом неосознанно строится по законам общечеловеческой культурной традиции освоения природного или создания рукотворного, архитектурного пространства. В середине XX столетия лидеры новых технологий говорили об архи- тектуре электронных машин. Затем они стали говорить об архитектуре ком- пьютерных программ. Сегодня речь идет о построении пространства, т. е. по существу об архитектуре сайтов. В конечном счете развитие новой, компью- терной технологии, породившей виртуальное пространство, пошло по пути, во многом сходном с развитием и усложнением пространства архитектурного. Сегодня можно утверждать, что в этом аспекте онтогенез новорожденного компьютерного мира во многом подобен филогенезу человеческой культуры. С такой точки зрения становится очевидным парадокс: виртуальный компьютерный мир в своем развитии следует по традиционному пути ар- хитектуры, стремится отстроить себя по ее законам, а модная виртуальная архитектура всего лишь повторяет давно пройденные, наименее упорядочен- ные, наименее отстроенные произвольные поиски давно прошедшей стадии развития виртуального компьютерного мира. В профессиональном отношении такой парадокс возникает в результате отставания в создании и освоении архитекторами новых (пространственных) компьютерных программ. Образовалась временная лакуна протяженностью примерно в пятнадцать лет, почти в целое архитектурное поколение. Возни- кает очередной разрыв в преемственности традиционного пространственного мышления архитектора. Разделение профессий здесь сыграло злую шутку со всеми проектировщи- ками. Составители проектных программ — профессиональные математики-про- граммисты изготавливали их по своему усмотрению, часто не давая себе труда осмыслить существо и механизмы самого проектирования. Такие программы
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 197 чаще работали как математическое описание, но не как собственно проектиро- вание. Смысл и механизм проектирования часто ускользали из таких программ. В сложном техническом проектировании, там, где проектировщики владе- ли математическим аппаратом и сами создавали программы проектирования, дело обстояло относительно благополучно. В архитектурном проектировании программа предлагалась, даже навя- зывалась извне. Профессиональный проектировщик оказывался не соучаст- ником, соавтором и даже не заказчиком создания программы, а только ее потребителем. Проектирование программ для проектирования и собственно проектирование оказались в двух разных областях деятельности. И здесь очевидно, что изготовление инструмента, тем более достаточно сложного, не может происходить без участия того, кто будет работать этим инструментом. Участие самого проектировщика в создании компьютерных программ для проектирования должно иметь свои четко определенные позиции для начала хотя бы в виде составления технического задания для разработки программ проектирования [17]. 3.5. Организация внутреннего пространства ПКС 3.5.7. Организация пространства созидания в составе структуры ПКС Пространственная структура ПКС, как и всякая пространственная струк- тура, предназначенная для жизнедеятельности человека и общества, состоит из пространства созидания и пространства коммуникации. Их соотношение в рамках сложной пространственной системы должно быть сбалансированным, обеспечивающим стабильный процесс самоорганизации и саморазвития. Для нормального, полноценного функционирования каждой из двух систем, составляющих взаимозависимый, взаимодополняющий и взаимо- обогащающий симбиоз, можно использовать целый комплекс принципов и приемов, составляющих многотысячелетний общечеловеческий опыт орга- низации пространства. Проектирование — сложный многоплановый и многокомпонентный процесс. Вспомним, что слово «проектирование» происходит от латинского proectio — бросание вперед. На практике и в архитектуре, и в технике в отношении проектирования обычно применяется термин «компоновка». Термин «компоновка» восходит к латинскому сот-ропо — складывать, собирать, суммировать. Таким обра- зом, и по существу, и по исходному значению слова компоновка — это всего лишь один из технических приемов проектирования. При реализации в на- туре той или иной компоновки его можно заменить уже чисто техническим термином «сборка». Собственно проектирование предшествует такой сборке и закладывает в проектируемую структуру целую палитру возможностей для последующей
198 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата компоновки. Ядро и главный, ключевой момент процесса проектирования — творческий акт. Природа самого творческого акта исследована все еще не- достаточно. Не вдаваясь подробно в существо и в механизм творчества, отметим только важнейшие компоненты проектирования: те объективные реалии, которые предшествуют творческому акту, создают для него основу и предоставляют возможности для реализации. 1. Целевая установка, определяющая основное направление творческого поиска. 2. Мировой опыт человеческой культуры в сфере организации простран- ства жизнедеятельности человека и общества и мировой опыт организации пространства жизнедеятельности космических аппаратов как современная часть всего опыта мировой культуры. 3. Приемы организации пространства как средство реализации всего этого опыта при создании проекта. 4. Эмпирическое обобщение, необходимое каждому проектировщику для учета всего множества самых разных факторов при создании итогового результата — проекта космической станции. В нашем случае целевая установка определена как создание пространства для полноценной, продуктивной жизнедеятельности человека и человече- ского сообщества в конкретной ситуации больших ПКС нового поколения. Основные позиции мирового опыта в процессе становления и развития (развертывания) пространства жизнедеятельности рассмотрены далее. Задачами данного раздела выступают следующие. 1. Определение основных направлений развития пространства ПКС. 2. Применение (адаптация) выявленных принципов и формирование палитры приемов, предоставляющих возможности для реализации целевой установки. Пространство ПКС развивается в рамках общей логики развертыва- ния пространства жизнедеятельности. Такова логика освоения природного пространства, логика развертывания архитектурного пространства, логика развертывания пространства города как долгоживущего природного и антро- погенного организма и, наконец, логика развертывания виртуального про- странства, которая моделирует и естественно во многом повторяет подобные процессы, протекающие в природе и в человеческой культуре. Осваивая пространство земной природы, первобытный человек находил- ся в постоянном движении. Он передвигался, приспосабливаясь к сезонам созревания плодоносящих растений, которыми он кормился, выходя на не- рест рыбы, следуя за сезонными откочевками стадных животных, на которых он охотился, приноравливаясь к изменениям климата, уходя от стихийных бедствий. Еще сегодня целый ряд реликтовых племен Азии и Африки, Америки, не прошедших стадию неолитической революции, стадию становления про- изводящего хозяйства, ведут подобный образ жизни. Но и на стадии произ- водящего хозяйства, в случаях, когда его основанием служит скотоводство, целые племенные группы продолжают жить подобным образом. В их жизни главное место занимает процесс передвижения с места на места: от стоянки к стоянке. Можно сказать, что у таких сообществ, как и у большинства наших
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 199 первобытных предков, приоритетную роль в пространстве жизнедеятельности играет пространство коммуникации. Первоначально человек передвигался пешком. Затем появились плот и лодка. На этой стадии средство передвижения, средство коммуникации в ряде природных ситуаций стало семейным жилищем, приобрело свойство пространства созидания. В некоторых культурных традициях, развивавших- ся на реках и озерах, такое положение сохранилось до нашего времени, и многотысячелетний опыт этих традиций может быть использован при про- ектировании ПКС. С приручением лошади было освоено новое средство передвижения: верховое, вьючное, а затем и колесное. И здесь так же, как и в предыдущем случае, у некоторых народов, например у монголов, на какой-то период юрта, поставленная на колеса, стала передвижным жилищем. С развитием техники появились сначала поезд и пароход, а затем и авто- мобиль, которые в ряде случаев используются как кочевое жилище. Система жилищ-трейлеров, широко практикующаяся в США, сохранила и развила в этой стране современный компонент кочевой традиции (рис. 3.55). Наконец, в качестве средства передвижения человек создал самолет и ракету. Для этого многотысячелетнего циклического процесса характерны несколько закономерностей. 1. На каждом историческом этапе увеличивалась скорость передвижения человека. 2. Соответственно, в каждом новом средстве передвижения возрастала изолированность человека от природы. Рис. 3.55. Мобильное жилище в традиционных культурах и в современности: а — тростниковый корабль шумеров. Реконструкция Т. Хейердала; б — китайская жилая лодка; в — ханская юрта монголов. В центре современного жилого пространства сохраняется стол для совместной трапезы: г — купе в поезде. Начало XX века; д — каюта на корабле. Начало XX века; е — современный жилой трейлер. США
200 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 3. В ряде случаев средство передвижения становилось человеческим жи- лищем, приобретало свойства пространства созидания. Подобный процесс мы наблюдаем и в развитии новейших средств пере- движения — в развитии пилотируемых космических аппаратов. В случае с ПКС при определенном допущении можно сказать, что сам орбитальный полет, включая корректировку орбиты, представляет собой осо- бую разновидность кочевой жизни. Здесь линия кольцевой или эллиптической орбиты оказывается одномерным пространством коммуникации. Но параллельно сам космический аппарат, помимо средства передвиже- ния, становится человеческим жилищем и местом продуктивной деятельно- сти, т. е. опять-таки приобретает основные свойства пространства созидания. Пространство первых космических кораблей было локальным, точечным. По мере развертывания космических аппаратов оно становилось все более протяженным. Сегодня пространство ПКС, состоящее из цилиндрических отсеков и компактных стыковочных узлов, по существу остается линейным, одномерным. Оно уже усложнилось до ветвевых структур, и очевидна тенден- ция перехода к решетчатым структурам. Но само по себе, внутри себя оно все еще линейно и по существу одномерно. Возможности организации в этих ли- нейных структурах полноценного пространства созидания крайне ограничены. Здесь требуются принципиально новые решения. В противном случае кризис тотального доминирования пространства коммуникации, который захватил наши квартиры, здания и города, может распространиться и на новые структуры в космосе. Законы пространственного развертывания, характерные и для природы, и для человеческой культуры, действительны и в космосе. Итак, ключевой, первоочередной задачей организации пространства больших ПКС нового поколения выступает проблема становления и раз- вертывание полноценного пространства созидания — принципиально новой структуры в развитии ПКС. Для ПКС нового поколения сегодня можно наметить три иерархических уровня, на которых формируется пространство созидания: • первый уровень — рабочее место индивида, которое может быть смен- ным местом для нескольких исследователей, а также личное пространство по месту проживания, которое может совмещать функции индивидуального рабочего места и места отдыха; • второй уровень — общее пространство для рабочей группы по отдельному направлению исследований — постоянного или временного исследовательского и творческого коллектива, а также общее пространство для совместного прожи- вания группы индивидов, которые могут объединиться по различным признакам; • третий уровень — общее пространство для всего коллектива ПКС. При всей общности принципов построения пространства всех трех уров- ней, каждое из них имеет свою специфику. 1. Пространство созидания первого уровня: личное рабочее место и место проживания. Пространство созидания в структуре ПКС начало зарождаться естествен- ным, функциональным путем. Каждое рабочее место уже по своему назна- чению в принципе выступает как первый уровень пространства созидания.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 201 Каждое рабочее место несет в себе созидательный смысл. Исходя из этого смысла, оно начинает формировать само себя. Каждое рабочее место естественно формирует себя как некое, так или иначе, реально или условно выделенное пространство. И здесь надо определить его естественные эрго- номические и психологические параметры. Но главное — нужно скоррек- тировать, а чаще просто вырастить, довести до максимально возможного оптимума его уже образовавшуюся структуру*. В каждом пространстве созидания первого уровня можно выявить место расположения его смыслового фокуса. Внимание исследователя или экспериментатора естественно сосредото- чено на предмете эксперимента, на приборе, группе приборов, группе ком- пьютерных экранов. В этом случае можно говорить о некоем специфическом виде диалога по схеме человек — экспериментальная установка, человек — прибор, человек — компьютер. Надо учесть, что любой диалог возникает только при наличии общей цели диалога, общей проблемы, общего интере- са. И здесь обозначением этой цели как центра общения может выступать смысловой фокус пространства, реально или условно присутствующий между исследователем и группой приборов. При этом следует учесть, что этот смысловой фокус пространства рабочего места не может находиться ни на фронте приборов, ни в зоне ближайшего, личного пространства человека. Только при таком расположении смысло- вой фокус пространства может выступать в качестве посредника, обеспечи- вающего продуктивный диалог человек — прибор, человек — компьютер. В случае работы с компьютером таким центром, посредником при общении выступают клавиатура, мышь, сенсорная панель. С помощью такого посредника происходит один из возможных видов преобразования информации от мысли человека через посредника к ее фик- сации на мониторе компьютера и в обратном направлении — от информации, отображенной на мониторе, к человеку, к отображению в его мыслях. В си- стеме человек — машина, в данном случае компьютер, схема преобразования информации аналогична универсальной схеме преобразования (см. рис. 3.2). Предварительно наметив оптимальное место смыслового фокуса простран- ства рабочего места, можно сформировать или скорректировать конфигурацию фронта приборов и общих параметров рабочего места. А затем, отметив его пространственные границы, определить реальные или условные, минимально необходимые средства его выделения в зависимости от его назначения и кон- кретных условий расположения рабочего места в пространстве ПКС. Не следует полагать, что последняя процедура является некоей новацией. На практике каждый космонавт и каждый человек вообще так или иначе, физически или условно, интуитивно выделяет и оформляет, хотя бы как-то обозначает пространство своего рабочего места. На современном этапе эту личную интуицию надо развить до осмыслен- ного, объективного структурирования полноценного пространства созидания, обладающего своими, пускай во многом условными, но обязательными ос- новами: смысловым центром и границами. * Именно так сегодня, пока что чисто эмпирически, поступает каждая новая смена эки- пажа космонавтов.
202 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Другой вид пространства первого уровня — личное пространство по месту проживания. Пространство для отдыха и сна может строиться в различных вариантах: в той или иной степени совмещенным с индивидуальным рабочим пространством или отдельным от него. В последнем случае, помимо общих эргономических параметров, важны личные пространственные предпочтения каждого конкретного субъекта и, конечно, дистанционные параметры, при- сущие той культурной традиции, представителем которой является данный субъект*. 2. Пространство созидания второго уровня. Пространство созидания второго уровня может образовываться на основе двух принципов общности: отраслевой и территориальной. Отраслевой принцип подразумевает общность профессиональных интере- сов. В случае ПКС это общее направление исследовательской деятельности, общая работа по налаживанию уникального производства и т. п. Такое пространство — центр общения творческого коллектива, работаю- щего над решением общей проблемы. Оно подразумевает групповой рабочий диалог и формируется как ядро, объединяющее группу рабочих мест. В ядре расположения группы индивидуальных рабочих мест это про- странство может быть выделено достаточно условно. В особых случаях это может быть отдельное помещение, в которое выходят и (или) на которое ориентированы помещения рабочих мест. В таком пространстве происходит постоянное обсуждение программы, стратегии, тактики и результатов общей работы, мозговой штурм для реше- ния назревшей проблемы, принятие коллегиальных решений. И здесь важен центрический принцип пространственной организации. Диалог двух индивидуумов или даже групповой диалог по схеме глаза в глаза пригоден в основном при установлении сугубо личных отношений. При совместной работе такой диалог стимулирует противостояние личностей, противостояние мнений, провоцирует спор, чреватый конфликтом, и потому, как правило, непродуктивен. Много интересных примеров предметной фиксации смыслового фокуса при диалоге можно найти в традиционных культурах. Любопытный прием налаживания диалога двух незнакомых людей бытует в адыгейской традиции. Жениха и невесту, сосватанных родителями заочно, еще в раннем детстве и никогда не видевших друг друга, сажают в свадеб- ную карету и кладут между ними специальную, особым образом вышитую и украшенную подушечку. Между стесняющимися при такой первой встрече молодыми людьми обозначается посредник. И в своем первом разговоре они обращаются не друг к другу, а к этой подушечке: «Эй чаканка-подушка...». Чтобы снять эту проблему, центр созидательного пространства второ- го уровня обязательно выделяется и фиксируется каким-либо предметом, способным непроизвольно сосредоточить на себе внимание окружающих его участников группового диалога. Он служит обозначением общей цели * К примеру, известно, что для культурных традиций, сложившихся на юге, в условиях теплого климата и высокой плотности населения характерна меньшая дистанция личного комфортного общения, нежели для культурных традиций, сложившихся в условиях севера с низкой плотностью населения.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 203 диалога. Этот центральный предмет как бы сакрализуется и потому должен стоять на некотором возвышении, но не препятствовать прямому визуаль- ному контакту. Вспомним костер в пещере, очаг в доме, круглый семейный стол на дачной террасе с обязательным букетом цветов в центре стола (см. рис. 3.30). Рачительная хозяйка, хранительница домашнего очага, интуитив- но ставит в центре стола какой-нибудь предмет, обозначающий общность, целостность семьи, объединяющий гостей: вазочку с цветами или фруктами, пирог, самовар, чайник и т. п. Если на уровне личного рабочего места такой посредник выполняет в про- цессе работы техническую функцию по схеме человек — машина, то на уровне общественного пространства он выполняет функцию по схеме человек — человек. И потому он наделяется неким смыслом общим для группы людей. Вспомним, что с такой же целью, с целью своего объединения в одном общем направлении, пускай и очень далеком и недостижимом, люди неког- да придумали Бога. Чтобы приблизить этот далекий общий ориентир, чтобы обозначить его в своем кругу, люди создали алтарь, жертвенник, к которому обращались и вокруг которого совершали ритуал. Очаг и алтарь в центре пространства служили свидетельством присутствия Бога на земле и центром объединения людей. Люди собирались у алтаря, чтобы принять важнейшие в своей жизни решения. Этот центральный объект, обозначающий общий для всех участников интерес, в зависимости от конкретной ситуации может как-то соотносить- ся с предметом общего для них исследования или быть далеким от него. Возникновение такого центра, обозначающего общий интерес группы, в зна- чительной мере снимает проблему прямого противостояния индивидуумов и настраивает их на общую продуктивную творческую работу. Пространство, основанное на территориальном принципе общения, может быть реализовано в нескольких вариантах. При расселении жителей ПКС по исследовательским группам в таком срединном пространстве могут присутствовать приемы построения простран- ства созидания творческого коллектива и пространства общечеловеческого общения. При расселении жителей ПКС по территориальному принципу: прин- ципу землячества, национальному или конфессиональному — могут быть приняты за основу общечеловеческие ценности, выраженные в специфике той или иной традиции. В специфических условиях отсека, предназначенного для космического туризма, люди разных национальностей и различных культурных и конфес- сиональных традиций в центральном пространстве туристического отсека могут знакомиться, общаться, обмениваться впечатлениями. Такое пространство, служащее привычным вариантом клубной гостиной, организуется по тому же центрическому принципу с общим центральным объектом, выступающим как обобщенное представление общечеловеческих культурных традиций. При этом по соседству или в окружении центрального, общего для всех объекта могут присутствовать объекты, соотносимые с куль- турной традицией каждого из представителей туристического контингента.
204 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата В этом варианте пространство созидания самой своей структурой ини- циирует и формирует общность людей. 3. Пространство созидания третьего уровня. Пространство созидания третьего уровня продуцирует общность людей на уровне всего контингента ПКС, постепенно превращая его в коллектив. И это главное его назначение. Оно может располагаться в фокусе про- странства всей станции. В таком варианте пространства созидания особенно важна его много- функциональность, или, точнее, отсутствие монофункциональности (специ- ализации) помещения, к которой мы привыкли за последнее время. В нем могут проходить любые общественные мероприятия: зрелищные, вплоть до голографических фильмов, концертные, выставочные, научные, религиоз- ные, организационные, самодеятельные, физкультурные и т. д. Но все эти мероприятия могут присутствовать в этом центральном пространстве ПКС только как эпизоды его многообразного использования. Это пространство должно быть центричным, с небольшим центральным возвышением, на котором может присутствовать предмет, соотносимый с важнейшими общечеловеческими ценностями. В зависимости от размеров самого пространства, от размеров и состава коллектива ПКС в нем могут присутствовать и местные фокусы, представля- ющие варианты общечеловеческих ценностей в интерпретации тех культурных традиций, представители которых составляют коллектив станции. Каждый член многообразной команды ПКС в такой ситуации будет, пускай даже не- осознанно, чувствовать, что и он сам, и культурная традиция, к которой он принадлежит, органично входят в нечто большее — в единое пространство общечеловеческой культуры. Примерно так чувствовал себя человек любой национальности и любой веры на главной площади позднего античного города, объединившего Сре- диземноморскую ойкумену в пространстве общей эллинистической культуры. Ту же картину мы наблюдаем на примере двора-площади многоконфессио- нальной общины в Непале (см. рис. 3.33, б и 3.35). Иерархическое, трехуровневое построение системы пространства сози- дания создает основополагающую пространственную структуру для форми- рования стройной системы самоорганизации на всех уровнях от индивида до общего, разнопланового и разностороннего контингента ПКС. 3.5.2. Организация пространства коммуникации в составе структуры ПКС Пространство коммуникации — это не просто система связок и техни- ческих переходов, каналов для движения. При всей его одномерной направ- ленности оно может формироваться в самых разнообразных смысловых и параметрических вариантах. В земных условиях, в традиционных культурах особым образом сформированное пространство коммуникации нередко выступает как проводник, как путеводитель, направляющий и организу- ющий движение, придающий ему не просто комфортный, но ощущаемый
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 205 неосознаваемый и осознанный смысл и поступательный, если не сказать познавательный, характер. С помощью специальных архитектурных приемов, в частности с помо- щью ритмических построений, протяженность пространства коммуникации может быть зрительно уменьшена или увеличена. Может быть изменена глубина его перспективы. Специальными приемами можно усилить эффект цельности простран- ства или создать ситуацию, формирующую этапы движения. При длительном движении к общему центру можно ускорить движение — снять утомление путем последовательного уменьшения длины этапов. В этом случае обратный путь с последовательным наращиванием дли- тельности этапов движения снимает утомление от длительного общения и, наращивая эффект удаления, уже по пути следования начинает удовлетворять потребность человека в уединении для индивидуальной работы или отдыха. Теми же архитектурными приемами можно зрительно расширять или су- жать пространство коммуникации и в зависимости от поставленной задачи де- лать его разнообразным, гармонично настроенным и насыщенным смыслом. В некоторых случая в пространстве коммуникации можно создать общую для всех ось движения. В случае необходимости интенсивного и быстрого движения (например, при эвакуации) в пространстве коммуникации в ус- ловиях невесомости целесообразно по оси пространства на всем его протя- жении установить стационарную или сделать автоматически выдвигающуюся штангу. Такая штанга способна обеспечить достаточно быстрое передвиже- ние с помощью рук значительного числа людей. Подобные штанги вот уже более ста лет устанавливаются в пожарных депо. По ним через проем в полу в случае тревоги пожарные мгновенно спускаются к машине из комнаты дежурной смены. Есть и еще один интересный аспект построения пространства коммуникации. Совместное движение в пространстве коммуникации к общему пункту назначения и даже в общем направлении неосознанно способствует непро- извольному знакомству и, казалось бы, неожиданному взаимному интересу людей. Заметим, как легко люди знакомятся в вагоне поезда, в кресле само- лета, в коридоре учреждения и даже в потоке толпы, текущей по тротуару. Многие идеи, споры, дискуссии зарождались в коридоре научного учреж- дения на подоконнике по пути в столовую. В такие моменты пространство коммуникации на мгновение приобретает качества пространства созидания. В полноценно сформированном пространстве коммуникации возникает особое ощущение хотя и линейного, но в целом поступательного движения. Эти потенциальные качества пространства коммуникации особенно важны в замкнутой, затесненной структуре ПКС. Контраст между статичным пространством созидания и динамичным пространством коммуникации обогащает восприятие мира, делает полно- ценным ощущение жизни, способствует продуктивной творческой жизне- деятельности.
206 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 3.5.3. Пространственная граница. Внутренние границы и переходные пространство В процессе освоения космоса начали проясняться смысловые различия в функциях человека и прибора. При определенном допущении приборами оказываются и робот, и управляющий им компьютер. За прибором закреплены функции измерения количественных показате- лей известных явлений и обнаружение ранее неизвестных явлений, оказав- шихся в диапазоне действия прибора. За человеком сохраняются функции создания прибора, определения его возможностей, создания программ его работы, сбор и анализ полученных результатов. Но главное — в любом случае за человеком остается осмысле- ние не только результатов и процесса исследования, но и самого феномена взаимодействия с космосом через посредство прибора. Прибор соотносится с космосом как объект с объектом. Человек соотно- сится с космосом не только как объект с объектом в техническом смысле и не только как субъект с объектом, что очевидно, но и как субъект с субъектом. Такое предположение может строиться на основании того, что отношения прибора с космосом преимущественно строятся по схеме известное — неиз- вестное. Отношения человека и космоса строятся по схеме неизвестное — неизвестное. Вряд ли кто осмелится утверждать, что человек изучен лучше, чем изучен космос, или что космос изучен лучше, чем изучен человек. И в таком смысле отношения человека и космоса видятся несколько более рав- ноправными и, наверное, более продуктивными. Именно это является не только научной, технической или иной целью, но прежде всего целью, направленной на формирование мировоззрения, определяющего взаимоотношения человечества и космоса. Этой проблеме еще девяносто лет назад посвятил свою книгу К.Э. Циолковский [6]. Взаимодействие известного прибора с неизвестным космосом может дать результат только в диапазоне, присущем прибору. Даже на уровне логической схемы очевидно, что взаимодействие неизвестного с неизвестным дает прин- ципиально, на порядки более широкую палитру возможностей. Здесь важно, что взаимодействие человека и космоса по схеме неизвестное — неизвестное может простираться не только в известной части всех возможных диапазонов, но и в безграничном поле диапазонов неизвестных. Именно в одной из точек, линий, струн, мембран, структур и мало ли чего еще, что, по современ- ным представлениям, описывает это неизвестное нам безграничное поле, может обозначиться и даже раскрыться ключевой момент взаимодействия в виде науч- ного открытия, понимания, предчувствия или какого-либо иного акта познания. Космос в целом несет в себе информацию о самом себе. Но сегодня есть достаточные основания говорить о том, что и каждая точка космического пространства несет в себе информацию обо всем космосе в целом. Человек выходит на взаимодействие с космосом как личность, как про- дукт и представитель культуры и как одно из производных биосферы Земли*. * Этот факт постепенно начинает осознаваться современными космологами. Ученые конца XIX — начала XX в. продолжали работать в контексте традиционной мировой культуры. Современные космо- логи, наверное, чрезмерно увлеклись результатами достижений новейших технологий и, конечно, ма- тематики. Сегодня уже есть свидетельства осознания этого факта [ 18, с. 364; 19, с. 371,372; 3, с. 9, 20—22].
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 207 Как представитель общечеловеческой культуры, как ее органичная частица, человек несет в себе содержание и свойства всей культуры в целом. Из этого возможного сходства следует, что человеческий индивидуум, вступающий во взаимодействие с космосом, должен не только неосознанно нести в себе признаки своей культуры. И автор проекта станции, и космо- навт-исследователь должны принципиально расширить для себя границы собственного понимания человеческой культуры хотя бы в аспекте ее про- странственной организации. Такое понимание может быть заложено в самого индивида в процессе обу- чения. Но особенно важно, что оно может активно присутствовать как среда, в которой живет, мыслит и действует человек. В данном случае как организация пространства, формирующая жизнь человека и общества и потому наглядно или условно представляющая собой смысл и содержание этой культуры. Одним из важнейших факторов, составляющих и формирующих орга- низацию пространства, выступает пространственная граница. Со смысловой точки зрения границы можно разделить на обозначающие, разделяющие и преобразующие. Пространственная граница — сложное многофакторное явление. В каждом конкретном случае для построения границы между двумя внутренними про- странствами ПКС может применяться весь необходимый набор этих факторов. Обозначающий вариант пространственной границы может быть отмечен знаком, изображением, смысловой деталью. В простейшем виде знак может быть представлен техническим или иным условным обозначением, преду- предительной надписью и т. п. В семиотике — науке о знаках — знак чаще всего считается явлением ус- ловным, договорным. Но по своему происхождению знак во многом восходит к изображению. Развитие письменности началось с изображения предметов. Эти изображения постепенно становились все более и более условными и в конце концов оформлялись как знаки, не имеющие ни малейшего сходства с изображаемым предметом. Этот процесс можно проследить на примере развития месопотамской клинописи. Вместе с тем в нашем быту сохранилось множество привычных для всех, очевидных знаков-изображений, над смыслом которых мы просто не задумы- ваемся. Вспомним известное всем по станциям метро изображение «выход» — прямоугольный контур, разорванный по длинной стороне с изображением черточки или стрелки в этом разрыве. В Древнем Египте именно так изобра- жался дом с указанием входа. Имя фараона заключалось в картуш — в под прямоугольный, иногда овальный замкнутый контур со специальным узлом по короткой стороне. Греческое определение верховного правителя Египта «фараон» восходит к египетской титулатуре «Пер-О» — «Великий Дом». Имя фараона изобра- жалось в картуше — в Его Доме, замкнутом священным узлом, закрытом и тайном для всех. В этих примерах так называемый знак представляет план простейшего дома. Изобразительная граница может быть отмечена простой линией, особым оформлением проема или каким-либо изображением на двери, стене, полу или потолке.
208 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Очевидно, что и знаковое, и изобразительное обозначение границы в многоязыком коллективе должно быть основано на наглядных общечелове- ческих пространственных представлениях. Такие представления в очевидном для всех варианте присутствовали на иероглифической стадии зарождения и становления письменности (рис. 3.56). Архитектурная деталь, фиксирующая границу, может быть ее контуром: порогом, карнизом, профильной раскладкой на стене. Шуиг* IV ;ыс *он.э. IF гы: дг и > и? -3 - КрСИВ 1 IbX.fti ->. г- “ ft ft & Sjfef ММ Л ж & а & № $ & Рис. 3.56. Письменный знак некогда был понятным всем, наглядным изображением: а — Месопотамия. Становление клинописи. От изображения к знаку. Изображения, по- нятные каждому человеку с глубокой древности, не требуют пояснений на разных языках; б — современный знак «вход» указывает направление прохода в следующее помещение; в — Древний Египет. Иероглиф рг — дом открытый для всех. План дома: дом открыт, вход указан; г — картуш с именем фараона рг-о — «Великий Дом». Дом сына бога закрыт для смертных; д — картуш в рельефе. Вход завязан священным узлом У разделяющей границы может быть множество вариантов в зависимости от характера разделения двух пространств. Такая граница может быть весьма условной. Например, световым лучом или пленкой, приборами, дезинфици- рующими, контролирующими состояние среды, движение или иные факторы. Граница может представлять собой и реальную пленочную мембрану, обе- спечивающую поддержание температурного, влажностного, биологического, светового, звукового или иного режима помещения. Граница может быть оформлена порталом со свободным проемом или с проемом, закрытым дверью или люком. В традиционных культурах, помимо физического разграничения пространства, портал и сама дверь представляют смысл и структуру того пространства, в которое предстоит перейти человеку. Над входом в традиционный жилой дом обязательно утверждался некий са- кральный предмет, демонстрирующий освященность внутреннего простран- ства или просто оберегающий его. Вспомним традицию вешать лошадиную подкову над входом в дом. В большинстве культурных традиций над порталом храма в его фронтоне или тимпане иконографическими средствами представляется главный смысл
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 209 храмового пространства — изображение бога, святого или божественного явления, которому посвящен храм: Рождество, Преображение, Успение и т. п. Сегодня в Москве на Красной площади можно убедиться, что священное пространство Московского Кремля представлено над порталами проездных башен Спасской и Никольской киотами с соответствующими иконами, изо- бражениями святых — покровителей и охранителей Кремля. В христианском храмовом зодчестве в готике и русской владимиро-суз- дальской традиции так называемый перспективный портал главного входа формируется как многослойная структура. Эта структура в сжатом, субли- мированном виде представляет структуру внутреннего пространства храма: количество опор и пролетов — продольных (нефов) и поперечных (травей) пролетов. Подобные приемы характерны и для других культурных традиций. Смысл храмового пространства проектируется из его центра на фасад храма как на внешний экран. Эти проекции представляют различные аспекты подразумеваемого содержания храмового пространства. Человек, входящий в храм, при переходе из одного пространства в другое неосознанно проходит через представленную в портале структуру его вну- треннего пространства и оказывается не просто очищенным, но и непро- извольно подготовленным к полноценному, многоаспектному восприятию смысла и характера этого пространства (рис. 3.57). Рис. 3.57. Портал храма или мавзолея представляет его религиозное содержание и структуру внутреннего пространства: а — Франция. Собор Богоматери в Лане. В перспективном портале представлены структура внутреннего пространства храма и скульптурные изображения, предъявляющие его религиозное содержание; б — Россия. Георгиевский собор в Юрьеве-Польском. Перспективный портал при- дела представляет структуру внутреннего пространства храма и рельефные изображения, предъ- являющие его религиозное содержание; в — Индия. Тадж-Махал. Портал мавзолея представляет структуру центрального пространства и его религиозное содержание в виде текстов Корана Граница перехода между двумя пространствами может быть оформлена в виде специально выделенного пространства. Это пространство может вы- полнять функции посредника между двумя более значительными по смыслу и (или) величине пространствами. Помимо изолирующей, защитной функ- ции, оно может быть предназначено для временной приостановки движения, психологической релаксации или, наоборот, для сосредоточения. Выделение такого пространства-посредника может содержать реальные и условные компоненты. Оформление порталов этого пространства-посредника
210 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата изнутри может представлять пространство, в которое предстоит перейти. Внешнее оформление порталов должно представлять то пространство, ко- торое предваряет портал, и тем самым подчеркнуто фиксировать границу этого пространства (рис. 3.58). в г Рис. 3.58. Переходное пространство предваряет вход в главное пространство: а — крытый приямок перед входом в землянку древних славян; б — входной тамбур перед входом в тибетский дом; в — сени перед входом в русскую избу; г — нартекс — галерея для очищения перед входом в христианский храм. Рим. Базилика Сан-Клименте С психологической точки зрения пространство-посредник предназначе- но для перенастройки и в каком-то смысле для преобразования состояния личности (см. рис. 3.2). Сходный с этим типом, но несколько иной тип границы, как перехо- да из одного пространства в другое, представляет специально выделенное, самостоятельное пространство, в котором происходят некие качественные изменения ситуации. В ранней христианской традиции роль такого предхрамового простран- ства выполнял нартекс — специальная галерея перед дверями храма, в которой кающийся или неофит проходил очистительный ритуал. В разных культурных традициях присутствует множество вариантов многоступенчатого очищения и преображения человека, приближающегося к святыне.
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 211 В случае ПКС к подобному типу пространства — пространству преоб- разования можно отнести тамбур или шлюз, необходимый для перехода в пространство с иными физическими или биологическими характеристиками, например шлюз для доступа в специальную лабораторию или для выхода в космос. В таком шлюзе преобразуется и вся среда, и сам человек, помещен- ный в особые условия скафандра. Отдельная тема при прохождении пространственной границы — дверь. У двери или люка должна быть центральная часть, размещенная в зоне опти- мального восприятия. Также в зоне оптимального восприятия должно быть размещено запорное устройство. И здесь вступают в силу правила эргономики, которые требуют отдельного специального рассмотрения. Для двери или люка важны не только их структура и оформление. Двери распашные и откатные могут быть правого и левого открывания, т. е. открываться правой или левой рукой. Большинство людей (около двух третей населения Земли) — праворукие. У них основные действия, будь то еда, работа с каким-либо инструментом, рисование и письмо, осуществля- ются правой рукой. Поэтому большинство дверей в жилых и общественных учреждениях при входе в помещение открываются правой рукой. Но в таком открывании есть и специальный смысл. Как было замечено ранее, человек и общество сформировались в Северном полушарии планеты. Их внимание естественно было обращено на юг, в сторону солнца, которое ос- вещало и обогревало их мир и всему давало жизнь. Ежедневное непроизвольное и осознанное слежение за движением солнца за сотни тысяч лет выработало привычку озирать окружающий мир по ходу солнца — слева направо, по часовой стрелке. Поэтому, открывая дверь правой рукой, распахивая или откатывая ее слева направо, человек непроизвольно осматривает новое для него простран- ство также слева направо. И эту специфику восприятия надо учитывать при построении пространства, в которое человек проникает через дверь или люк. В итоге можно констатировать, что у пространственной границы и специального переходного пространства может быть множество разновид- ностей в зависимости от конкретной ситуации. Каждый конкретный вари- ант зависит во-первых, от смысла, назначения, свойств и параметров двух или более пространств, которые предстоит разграничить и (или) объединить посредством перехода; во-вторых, от цели создания и характера самого пе- реходного пространства. 3.5.4. Внешние границы и пространственное развертываение ОС Внешние границы ПКС выступают прежде всего как замкнутая оболоч- ка, как система защиты от множества известных и неизвестных факторов не просто неблагоприятного, но агрессивного и в этом смысле враждебного воздействия ближнего и дальнего космоса. Внешняя граница физически образуется на трех уровнях: • внешняя поверхность скафандра; • внешняя поверхность отдельного модуля; • внешний контур все космической станции.
212 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата С точки зрения деятельности внешняя граница на всех трех уровнях не- сколько расширяется за счет оперативного рабочего поля вокруг скафандра, отдельного модуля и всего комплекса ПКС (см. гл. 9, рис. 9.17). Развитие и усложнение структуры орбитальных станций проходит в несколько этапов. Общую тенденцию в развертывании пространственной структуры ОС по мере ее усложнения можно охарактеризовать как постепенный переход от линей- ных структур к плоским ортогональным и далее к пространственным структурам. Интересно, что основные направления перспективного развития и те этапы, к которым только приближается современная космонавтика, были намечены еще в начале XX века ее основоположниками К.Э. Циолковским и Г. Обертом. Подобные перспективные варианты построения пространствен- ной структуры ОС продолжали разрабатываться в течение всего XX века. Современный этап пространственного развертывания ОС можно опреде- лить как переход от ортогональной ветвевой структуры «Мир» к построению ортогональной пространственной решетки (МКС). Очевидно, что на следующем этапе появятся замкнутые кольцевые структуры. Такие структуры могут развертываться в одной плоскости, как предсказывал еще К.Э. Циолковский. Но уже в ближайшей перспективе развертывание пойдет по направлению создания трехмерных замкнутых пространственных структур. Часть окружающего ОС космического пространства приобретет новое качество — окажется огороженной. Первоначально это чисто визуальное ограничение будет определяться линейным контуром из модулей, ферм и других элементов структуры ОС. Затем оно естественно будет тяготеть к за- мыканию и приобретет ограждение в виде замыкающих пространство между элементами контура решеток, сеток и других видов защиты. В этом случае в границах общей структуры ОС появится внутреннее космическое простран- ство ОС. Для нас важно, что это пространство будет восприниматься как свое, в определенном смысле обжитое*. В функциональном отношении такое внутреннее пространство ОС ста- нет новой безопасной зоной для работы в открытом космосе: для постановки приборов и проведения наблюдений, для размещения технических установок, обеспечивающих работу станции, для размещения технологий, требующих условий открытого космоса, для тренировки космонавтов, для посещения космических туристов. Это пространство окажется своеобразным подобием двора в развитом жилом доме, в городском квартале или подобием открытого общественного пространства в традиционном человеческом поселении (см. рис. 3.30, 3.32, 3.35). В процессе орбитального полета все небесные ориентиры: Земля, Солнце, Луна, звезды — изменяют свое расположение в течение нескольких минут. В такой ситуации ориентация по внешним космическим объектам и по окру- жающим двор отдельным структурам ОС окажется крайне затруднительной. * Циклический процесс развертывания пространственной структуры ОС, в котором про- растание ортогональный ветвевых структур в окружающее пространство сменяется кольцева- нием и замыканием вокруг общего центра, можно сравнить с циклическим процессом про- странственного развертывания естественного города (см. рис. 3.38, 3.39).
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 213 И потому, как это ни странно выглядит в космосе, в таком внутреннем косми- ческом дворе появится смысловой центр, представленный неким объектом — внутренним ориентиром, необходимым в процессе перемещения человека в пространстве условно замкнутого космического двора. Появление такого центра неизбежно, так же как появление колодца во дворе крестьянской усадьбы, фонтана в центре двора большого городского дома или монумента в центре городской площади. Человеческое сообщество при построении пространства жизнедеятельности на любом его уровне — от семьи до государства — всегда создает смысловой центр, вокруг которого обращается все его бытие. Законы природы действенны и для людей, и для космоса: плане- ты вращаются вокруг Солнца, а галактики — вокруг черной дыры (рис. 3.59). Рис. 3.59. Развертывание структуры ОС в пространстве двора: а — проект ОС с кольцевой фермой; б — Англия. Уэльс. Замок Кайрфиллд; в — Россия. Нов- город Великий. XII век. Двор художника Олеся Гречина Развертывание пространства жизнедеятельности человека и общества при освоении подземного и космического пространства от простейшего укрытия до города вне поверхности земли имеет немало соответствий в построении пространственных структур (рис. 3.60, 3.61). Рис. 3.60. Освоение подземного пространства: а — простейшее ямное укрытие; б — родовая пещера с центральным пространственным ядром; в — Каппадокия. Подземный город
214 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата Рис. 3.61 Освоение космического пространства: а — кабина Apollo. 1966 год; б — проект «Трансхаб» с центральным пространственным ядром; в — одна из схем компоновки МКС 3.5.5. Культурный контекст при проектировании ПКА Мир развивается по своим законам. На каждом этапе своего развития че- ловечество постепенно углубляет свое научное знание этих законов. Человек и человеческое общество также развивается по своим законам. Эти законы имеют много общего с законами развития нашего мира. То же самое происходит с законами развития культуры. Культура не про- сто отражает состояние развития общества. Она реализует осознанные (науч- ные) и неосознанные (донаучные) представления человечества о мире, о его устройстве и законах функционирования. Эти представления проявляются в материальном творчестве: в архитектуре, искусстве, в бытовых и культовых предметах, в текстах. Архитектура занимается организацией пространства жизнедеятельности человека и общества. Долгое время развитие архитектуры характеризовалось как развитие различных стилей, определяющих особенности построения ар- хитектурной формы. В XX веке архитектуру стали определять через влияние на нее природных, социальных, экономических, политических, технологи- ческих и иных факторов развития общества. Но у архитектуры, так же как у всего нашего мира, так же как у челове- ческого общества, так же как у всей культуры, есть свои собственные законы развития. И эти законы во многом отражают развитие нашего мира. Так же как наша Вселенная, архитектура развертывается в пространстве. Так же как во Вселенной, этот процесс имеет свои законы и происходит циклически. На каждой новой стадии развития, при появлении новых тех- нических и иных возможностей этот процесс в своей основе повторяет и развивает предыдущие стадии, но уже на уровне новых возможностей. Эта общность законов развития определяется единой, не осознаваемой большинством людей целью существования человечества, единым целевым процессом познания и созидания. В одном из рассказов Василия Шукшина случайно зашедший в деревню и поселивший в пустующей избе одинокий человек, умирая, говорит мужи- кам: «Я объяснил бы, я теперь знаю: человек — это... нечаянная, прекрасная, мучительная попытка природы осознать самое себя» (Василий Шукшин, рассказ «Залетный»).
Глава 3. Культурные основания пространственной организации ПКА 215 В те эпохи, когда доминирующей установкой общества становится сози- дание, эта цель обозначается более явно. В те эпохи, когда доминирующей установкой общества становится потребление, эта цель уходит на дальний смутный план. Но в любом случае, на любой стадии развития общества, культуры, науки, философии и любой познавательной и созидательной деятельности эта цель так или иначе продолжает фигурировать как осознаваемая, а чаще как нео- сознанная человеком единая целевая установка. Без такой целевой установки невозможно никакое развитие. На современном этапе цель массового сознания принципиально сужается до упования на технологические инновации, которые дадут возможность ма- териального благополучия. Обществу навязывается идеал неограниченного, избыточного потребления ради получения удовольствия. Но развитие технологий, автоматизация производства, свободный доступ каждого к неограниченному кругу информации имеют своей конечной целью отнюдь не общество потребления ради получения удовольствия. Освобожде- ние миллиардов людей от массового тяжелого механического труда позволяет им проявить себя в труде творческом. В каждой познавательной и созидательной деятельности, в том числе в инновационном проектировании ПКА, надо не просто отвечать на сиюми- нутные запросы общества. Особенно важно понимать, чувствовать или хотя бы ощущать единую, всегда далекую общечеловеческую цель — познание и созидание. На современной стадии развития цивилизации человек вышел в космос. И здесь, в космосе, и человек как личность, и группа людей как первичная ячейка человеческого общества, естественно, представляют все человечество со всей его культурой и многотысячелетним опытом познания и созидания. Об этом говорил еще К.Э. Циолковский. Весь этот опыт проявляется не только в самой личности человека, в его технических и научных достижениях. На этом новом этапе он неизбежно проявляется в общечеловеческой культуре, развивающейся теперь уже в условиях космоса, и в первую очередь в законах организации пространства жизнедеятельности человека и общества. Контрольные вопросы к главе 3 1. Как происходит смена целевой установки при организации пространства ОС нового поколения. 2. Что такое система СИ и традиционная антропоморфная метрика? 3. Ортогональное осевое построение человеческого тела и его роль в организа- ции традиционного пространства и пространства ПКА. 4. На какие два типа разделяется пространство жизнедеятельности человека и общества? Приведите их основные характеристики с примерами традиционного по- строения пространства созидания. 5. Приведите три основных морфотипа коммуникаций с примерами.
216 Часть I. Исходные данные для компоновки пилотируемого космического аппарата 6. Какие иерархические уровни пространства созидания при проектировании ПКС нового поколения вы знаете? Назовите их основные особенности. 7. Расскажите о традиционных системах ориентации и проблемах ориентации применительно к ПКС. 8. Приведите возможные варианты пространственного развертывания ПКС. Литература к главе 3 1. Раушенбах Б.В. Пристрастие. М.: АГРАФ, 2011. 484 с. 2. Органопроекция // Священник Павел Флоренский. Сочинения в 4 т. Т. 3 (1). М.: Мысль, 2000. С. 402-421. 3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Айрис-Пресс, 2009. 576 с. 4. Павлов Н.Л. Алтарь. Ступа. Храм. Архаическое мироздание в архитектуре индоевропейцев. М.: Олма-Пресс, 2001. 368 с. 5. Грин Б. Элегантная вселенная. М.: УРСС, 2005. 286 с. 6. Циолковский К.Э. Философия космической эпохи. М.: Академический проект; Трикста, 2014. 239 с. 7. Большая Советская Энциклопедия. 3-е издание. В 30 томах. Том 2. Ангола — Барзас. М.: Советская энциклопедия, 1970. 632 с. 8. Larousse. Всемирная иллюстрированная энциклопедия. М.: ACT, 2010. 1232 с. 9. Накорчевский А.А. Синто. СПб.: Азбука-классика, 2003. 448 с. 10. Ткаченко Г.А. Избранные труды. Китайская космология и антропология. М.: ООО «РАО Говорящая книга», 2008. 362 с. 11. Семёнов В.Н. Благоустройство городов. М.: Типография П.П. Рябушинского, 1912. 184 с. 12. Гордиенко Н.И. Космонавтика. Иллюстрированная энциклопедия. М.: ЭКСМО; Наше слово, 2011. 256 с. 13. Туманов А.В., Зеленцов В.В., Щеглов Г.А. Основы компоновки бортового обо- рудования космических аппаратов: учебное пособие. 3-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018. 576 с. 14. Смысл закона золотого сечения // Священник Павел Флоренский. Сочине- ния в 4 т. Т. 3 (1). М.: Мысль, 2000. С. 482-486. 15. Очинский В.В. К концепции золотой пропорции в естествознании // Мета- физика век XXI. Сб. трудов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. С. 256—284. 16. Гинзбург М.Я. «Жилище». Опыт пятилетней работы над проблемой жилища. М.: Госстройиздат, 1934. 192 с. 17. Павлов Н.Л. Архитектура. Введение в профессию. М.: Архитектура-С, 2018. 472 с. 18. Барроу Дж. Новые теории всего. В поисках окончательного объяснения. Минск: Попурри, 2012. 368 с. 19. Барышев Ю., Теерикорпи П. Фрактальная структура вселенной. Очерк разви- тия космологии. САО РАН. Нижний Архыз, 2005. 396 с. 20. Моисеев Н.П. Расставание с простотой. М.: АГРАФ, 1998. 480 с. 21. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни: Земля в объятиях Солнца. Гелио- тараксия. М.: Мысль, 1995. 768 с. 22. Налимов В.В. Облик науки. СПб.; М.: Издательство МБА, 2010. 368 с.
Часть II ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛИКА ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
ГЛАВА 4. БЛОЧНО-МОДУЛЬНАЯ КОМПОНОВКА ПИЛОТИРУЕМОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА 4.1. Компоновка пилотируемого космического аппарата Компоновку ПКА в значительной степени определяют параметры оби- таемого пространства, в котором работает экипаж. Оно включает в себя: • герметичный объем, где система жизнеобеспечения (СЖО) создает условия, приближенные к земным; • негерметичное пространство, где обеспечиваются условия для безопас- ной деятельности экипажа в открытом космосе. Параметры компоновки бортового оборудования ПКА, как обслужи- ваемого, так и необслуживаемого экипажем, являются вспомогательными. Облик ПКА формируется в условиях ограничений, важнейшие из которых: • технологические, возникающие в связи с необходимостью изготовления и испытания всех элементов ПКА в земных условиях; • экономические, связанные со требованиями снижения стоимости эле- ментов ПКА; • транспортные, обусловленные энергетическими возможностями средств выведения, — максимально допустимой выводимой массой и габаритами зоны полезного груза; • функциональные, появляющиеся при выполнении целевых задач, например, ограничения, связанные с аэротермодинамикой и прочностью конструкции СА или диктуемые требованиями безопасности полета экипажа. Эффективным подходом к определению облика ПКА, позволяющим удовлетворить указанные требования, является использование блочно-мо- дульной компоновки, в которой все элементы ПКА организованы в виде иерархической системы блоков и модулей. Блоком называется группа функционально объединенных элементов, предназначенных для выполнения определенной задачи. Как правило, блок — готовая, унифицированная часть изделия. В качестве блока можно выделить отсек ПКА, выполняющий специфическую задачу: агрегатный отсек, стыко- вочный и шлюзовой отсеки, а также спасаемый аппарат (СА). Блоки-отсеки компонуются в единый самостоятельный КА. Модулем называется законченный элемент, выполняющий самостоя- тельную функцию. Как правило, это самостоятельная (автономно управ- ляемая), независимая часть системы. В качестве модуля можно определить самостоятельный КА, выполняющий в составе ПКА определенную функцию:
220 Часть II. Определение облика пилотируемого космического аппарата исследовательский, жилой, шлюзовой, технологический. Транспортный ПКА, находящийся в составе орбитального ПКА, также может быть рассмотрен как один из модулей: модуль снабжения, двигательный модуль. Блочно-модульный принцип реализуется в случае, когда блоки достав- ляются к ПКА специализированными транспортными КА и собираются на орбите в единый комплекс, как, например, элементы фермы и солнечных батарей американского сегмента МКС. Согласно архитектурному определению модулем (лат. modulus) называ- ется мера — размер, кратным которому принимаются все другие размеры в проекте. Выбор базовых проектных параметров модулей ПКА, из которых формируются герметичный объем, негерметичное рабочее пространство и вспомогательные системы определяет архитектуру космического комплекса. Облик ПКА можно разделить на ряд автономных модулей-блоков, ко- торые разрабатывают одновременно несколько фирм-разработчиков. Блоч- но-модульное построение ПКА позволяет обеспечить решение широкого класса задач при серийном выпуске блоков и модулей ограниченной но- менклатуры и компоновке из них ПКА с заданными техническими параме- трами. Таким образом, блочно-модульная компоновка позволяет: • создать эффективную структуру целевых и вспомогательных объектов на всех уровнях системы; • выявить и правильно организовать все потоки информации, энергии, материальных средств; • осуществить правильное взаимодействие функций блоков на различных уровнях системы управления; • создать интегрированную систему выполнения целевых задач; • эффективно использовать методы научной организации труда; • упростить проектирование, монтаж и эксплуатацию ПКА; • повысить надежность — сократить стоимость резервирования и время восстановления работоспособности. Созданная на базе блочно-модульного подхода, иерархия ПКА составля- ет пилотируемую космическую инфраструктуру из отсеков, объединенных в специализированные модули транспортных и орбитальных ПКА. Такая ин- фраструктура позволяет эффективно строить ряды моделей и модификаций ПКА для каждой целевой задачи и, исходя из конкретного объема требований, комплектовать ПКА минимально необходимым числом блоков. Блочно-модульное разделение позволяет удовлетворить ограничениям средств выведения. Унификация блоков и модулей, а также интерфейсов для конструктивного, энергетического и информационного сопряжения модулей позволяет удовлетворить экономическим и технологическим ограничениям. Космическая инфраструктура дает возможность комплектовать орбиталь- ные ПКА функциональными модулями и блоками в соответствии с числом членов экипажа. Выделение периферийных и центральных блоков позволяет при увеличении численности экипажа одновременно наращивать целевое и вспомогательное оборудование. Тем самым обеспечивается минимизациия стоимости ПКА. В то же время, если потребуется, несложно будет наращи- вать функциональные возможности в процессе эксплуатации. Блочное по- строение ПКА дает возможность составлять различные схемы организации
Глава 4. Блочно-модульная компоновка пилотируемого космического аппарата 221 герметичного и негерметичного пространства путем различных комбинаций блоков, что создает благоприятные технические условия для перехода от ча- стичного освоения космического пространства к комплексному. Реализация блочно-модульного принципа построения ПКА достигается при выполне- нии условий физической, информационной и программной совместимости. Полученная на основе стандартизации интерфейсов открытая архитектура модулей позволяет модернизировать орбитальные комплексы путем замены отдельных модулей более совершенными без изменения остальных и всей структуры в целом. К недостаткам блочно-модульного подхода следует отнести некоторое снижение эффективности ПКА, например массовая эффективность снижается вследствие введения дополнительных соединительных элементов интерфейса. 4.2. Блочная компоновка пилотируемых космических аппаратов Блочная компоновка ПКА обусловливает его деление на отсеки. Каж- дый отсек предназначен для аппаратуры, решающей специфическую задачу. Например, задача обитаемого отсека заключается в обеспечении жизнедея- тельности экипажа, а задача агрегатного отсека — в управлении движением центра масс, в энергообеспечении и пр. Блочная компоновка позволяет унифицировать отсеки для различных ПКА, например, в пилотируемых и беспилотных транспортных кораблях серий «Союз» и «Прогресс», а также в первых ОС «Салют» был использован унифицированный агрегатный отсек. Также благодаря унификации обитаемых отсеков пилотируемого комплекса «Алмаз» удалось создать семейство моду- лей ОС «Салют», «Мир» и МКС. Унификация помогает не только снизить стоимость, но и повысить надежность пилотируемых аппаратов, поскольку любые изменения в конструкции могут быть сперва опробованы на беспи- лотных аппаратах. Как правило, компоновка отсеков ПКА строится вдоль одной оси: раз- личают вертикальную и горизонтальную компоновки отсеков. Вертикальная аналогична компоновке многоэтажного дома-башни, она включает в себя систему этажей и соединяющих их шахт. Горизонтальная подобна компоновке таких традиционных транспортных средств, как вагон поезда, фюзеляж само- лета, она содержит систему тамбуров, коридоров и купе. Понятия вертикали и горизонтали связаны с направлением силы тяжести, и их различия нужно учитывать при проектировании ТКА. В блочной компоновке транспортных КА капсульного типа обычно вы- деляется обитаемый отсек-кабина, который служит для выведения экипажа на орбиту, орбитального полета и возвращения на Землю. Форма и размеры кабины определяются прежде всего параметрами процесса посадки: траекто- рией спуска, аэродинамическими характеристиками, схемой тепловой защиты и т. п. Подобные кабины, как правило, имеют вертикальную компоновку, что обеспечивает удобство наземного обслуживания ТКА и наиболее эффектив- ное использование пространства при малом удлинении отсека. На рис. 4.1, а
222 Часть II. Определение облика пилотируемого космического аппарата представлен отсек экипажа ТКА «Аполлон». Единственный отсек-кабину большого объема наиболее эффективно использовать для многоразовых возвращаемых аппаратов типа ПТК «Федерация», Orion, Dragon, Starliner. б Рис. 4.1. Вертикальная компоновка кабины ТКА: а — одноэтажная компоновка командного модуля ТКА «Аполлон» ( / — среднее кресло в сложенном состоянии; 2 — пульт навигационных приборов; 3 — верхний люк; 4 — глав- ный пульт управления; 5 — кресло у пульта управления; 6 — койка); б — двухэтажная компоновка ТКА «Союз» ( / — агрегат стыковки с внутренними переходом; 2 — сервант; 3 — бытовой отсек; 4 — люк спускаемого аппарата; 5 — кресла экипажа; 6 — СА) В случае одноразового или частично многоразового ТКА кабина может быть разделена на два отсека: СА и орбитальный отсек. Такая компоновка использована на ТКА серии «Союз», ТКС и «Шэньчжоу». Орбитальный стыковочно-шлюзовой переходный отсек применялся также в составе КА «Аполлон» при стыковке с ТКА «Союз-19» в рамках программы ЭПАС. Как показано на рис. 4.1, б, обитаемый объем ТКА «Союз» имеет башенную, двухэтажную компоновку: первый этаж — СА, второй — бытовой отсек. Компоновка кабин многоразовых ТКА, совершающих посадку по-само- летному и строится соответственно, как компоновка фюзеляжа самолетов. Варианты таких кабин иллюстрирует рис. 4.2, где представлена эволюция компоновок проекта МТКА Hermes. Кабины тяжелых МТКА Space Shuttle и «Буран» с герметичной кабиной большого диаметра и малого удлине- ния имеют горизонтальную многоэтажную компоновку (рис. 4.3). Однако в отличие от кабин самолетов компоновка кабин МТКА, совершающих вертикальный старт, должна предусматривать две конфигурации: старто- вую (вертикальную) и посадочную (горизонтальную). Эти конфигурации
Глава 4. Блочно-модульная компоновка пилотируемого космического аппарата 223 Рис. 4.2. Варианты компоновок проекта МТКА Hermes: а — первоначальная компоновка с экипажем из двух—четырех человек; б — увеличенный вариант с экипажем из двух—пяти человек; в — вариант с кабиной и грузовым отсеком (1979); г — уве- личенный вариант с экипажем из шести человек и грузовым отсеком на 4,5 т ПН (1984—1985); д — вариант со шлюзовой камерой в грузовом отсеке (1985); е — вариант корабля снабжения ОС Columbus с герметичным модулем в грузовом отсеке, стыковочным узлом на шлюзовой камере и экипажем из трех человек (1987); ж — вариант без грузового отсека со стыковочным узлом на корме и экипажем из трех человек, размещаемым в отстреливаемой кабине (1987); з — вариант дополненный одноразовым орбитальным отсеком со стыковочным узлом, располо- женным под углом (1988); и — вариант с симметричной компоновкой орбитального отсека без стыковочного узла (1989); к — вариант без отстреливаемой кабины с катапультными креслами и стыковочным узлом на корме (1989) должны обеспечивать различное положение кресел космонавтов (рис. 4.4) [1], наличие дополнительных лестниц и трапов для перемещения экипажа перед стартом и пр. Герметичные грузовые отсеки тяжелых одноразовых транспортных ПКА снабжения, таких как функционально-грузовой блок ТКС, ATV, HTV, имеют горизонтальную компоновку, что позволяет эффективно организовать про- странство отсека большого удлинения в виде центрального коридора, окру- женного стеллажами с грузами. Примером может служить компоновка гру- зового отсека ТКА ATV, показанная на рис. 1.23, б (см. гл. 1). При построении компоновочных схем отсеков орбитальных ПКА, функ- ционирующих в условиях невесомости, в общем случае нет необходимости ориентироваться на направление силы тяжести. Для каждого рабочего места в отсеке может быть определено свое направление местной вертикали, которое
224 Часть II. Определение облика пилотируемого космического аппарата Рис. 4.3. Компоновка кабин