«Земля и Вселенная» 1997 №6

В мае 1946 г. советским правительством было принято решение о создании ракетостроительной промышленности. В ее структуру вошли организации, ответственные за разработку комплексов автоматически управляемых ракет, ракетных двигателей, систем радио— и автономного управления ракет, средств наземного оборудования и гироскопических систем. В ОКБ, возглавляемом СП. Королевым, параллельно с проектированием баллистической ракеты дальнего действия (БРДД), начавшимся в 1947 г., осваивалась технология производства и запуска трофейной немецкой ракеты А-4.

С 1947 по 1949 гг. на полигоне Капустин Яр состоялись шесть запусков ракет А-4. Для обработки технологии запуска ракет проводились исследования динамики и баллистики полета, измерялись параметры верхних слоев атмосферы (газовый состав, распределение метеорного вещества, температура).

В 1949 г. все работы по разработке первой отечественной БРДД Р-1 успешно завершились. На ракете Р-1 продолжилось изучение температурных и газодинамических условий полета, проверка баллистических и прочностных расчетов, отрабатывалась система управления в полете, организована технологическая и производственная база.

Сотрудники отдела № 1 Научно-исследовательского института авиационной медицины, готовившие эксперименты с животными (слева направо): А.Р. Котовская, О.Г. Газенко и В.Н. Ненахова (сидят), А.М. Генин, В.С. Георгиевский, А.А. Гюрджиан, Е.М. Юганов, А.Т. Серяпин и И.И. Касьян (стоят)

С появлением такой ракеты СП. Королев получил возможность реализовать давно захватившую его идею: применить ракеты для изучения околоземного пространства. Президиум АН СССР создал Комиссию по изучению верхних слоев атмосферы, объединившую и возглавившую работы в области научных ракетных исследований. Председателем Комиссии назначен директор ЦНИИ машиностроения академик А.А. Благонравов, крупный специалист в области баллистики. В довольно короткое время при активной поддержке президента АН СССР академика С.И. Вавилова и благодаря большим усилиям коллектива ученых и конструкторов во главе с С.П. Королевым создали различные модификации высотных ракет по изучению атмосферы. С мая 1949 г. начались экспериментальные исследования верхних слоев атмосферы с помощью ракет В-1А (модификация ракеты Р-1). Поскольку эти ракеты разрабатывались по заданию Академии наук СССР, их назвали "академическими" (или "геофизическими"). Комиссия по изучению верхних слоев атмосферы готовила программы и методики различных вариантов исследований, руководила изготовлением необходимой научной аппаратуры. Первоначальные задачи сводились к исследованию параметров верхних слоев атмосферы (изменения с высотой состава атмосферы, ее температуры и давления, плотности метеорной пыли), а также проведению исследований ионосферы и интенсивности первичного космического излучения.

Первые успешные запуски высотных ракет позволили приступить к решению ряда медико-биологических вопросов, связанных с подготовкой полета живых существ в верхние слои атмосферы.

К концу 1940-х гг. стали известны реакции организма человека и животных на перегрузки, вибрации, шум и другие факторы полета на самолетах. Однако не было эксперментальных данных о биологическом действии невесомости. По рекомендации выдающегося авиаконструктора А.Н. Туполева осенью 1947 г. Королев предложил возглавить исследования в этой области В.И. Яздовскому, заведующему лабораторией скафандров и герметических кабин (Научно-исследовательский институт авиационной медицины (НИИАМ) ВВС МО СССР). Активную поддержку Королеву оказали министр обороны СССР А.М. Василевский и президент АН СССР СИ. Вавилов. НИИАМ разработал программу исследований медико-биологических проблем полетов на ракетах в верхних слоях атмосферы. Обоснование возможности полета человека на ракетных летательных аппаратах и выработку комплекса мероприятий, обеспечивающих безопасность человека в полете, возложили на В.И. Яздовского и сотрудников его лаборатории (В.И. Попов, А.Д. Серяпин, Б.Г. Буйлов). В исследованиях принимали также участие А.В. Покровский, А.Г. Кузнецов, В.И. Спасский, В.Г. Миролюбив. В течение первого года велась работа над анализом доступных научных знаний в этой области, состоявших преимущественно из переводов статей американских исследователей (Г. Габер, О. Генри, Махер), начавших готовиться к полетам ракет "Aerobee" с мышами и крысами.

Исследователи решили разбить факторы полета на три группы:

— связанные с физическими характеристиками верхних слоев атмосферы и околоземного космического пространства (резкие колебания температуры, отсутствие молекулярного кислорода, наличие метеорного вещества и первичного космического излучения);

Спасаемая головная часть (массой 760 кг) ракеты Р-1Д с кабиной для двух собак

— обусловленные динамикой ракетного полета (ускорение, невесомость, вибрация, шум);

— вызванные помещением живых существ из привычной обстановки в экстремальные условия среды (стрессовые реакции, изменения условий питания, гигиены и др.). Это была первая в мире полная классификация факторов, действующих в космическом полете.

Исследователи с самого начала понимали, что человек и животные в условиях верхних слоев атмосферы и околоземного космического пространства без защитных устройств жить не смогут. Поэтому для будущих полетов необходимо создавать искусственную среду обитания и разрабатывать систему жизнеобеспечения. К тому времени уже было известно наиболее оптимальное направление действия ускорений — оно перпендикулярно магистральным кровеносным сосудам. По проблеме невесомости не только не было никакой информации, но и ясности в понимании самого термина. В результате дискуссий исследователи решили, что невесомость есть такое физическое состояние, когда равнодействующая всех сил, действующих на организм, равна нулю. Большинство факторов полета невозможно воспроизвести в наземных условиях, а защиты от условий космического пространства как таковой не существует. Было решено изучать данную проблему во время полетов и проводить комплексные работы по обеспечению безопасности, составлена поэтапная программа исследований на несколько лет вперед.

В 1949 г. состоялась выездная сессия АН и АМН СССР, на которой обсуждалась и принята программа исследований. В дискуссии приняли участие академики К.М. Быков, Л.С. Штерн, В.В.Парин, Н.Н. Аничков и другие. В 1950 г. в НИИАМ стала работать группа по изучению медико-биологических проблем полета на ракетах под руководством В.И. Яздовского. На геофизических ракетах устанавливались кабины с животными. Это давало возможность изучить влияние комплекса факторов суборбитального полета, прежде всего невесомости, на основные жизненные функции различных подопытных животных. Подготовкой и осуществлением научной программы руководили А.А. Благонравов, С.П. Королев и В.И. Яздовский.

Во время полетов геофизических ракет провели три серии экспериментов.

Первая серия экспериментов (1951 г.) предусматривала:

— выбор наиболее удобного биологического объекта для проведения исследований;

— разработка методов исследований физиологических функций животного, пригодных для применения в условиях полета на ракете;

— создание системы жизнеобеспечения животных в герметичной кабине малого объема для полета до высоты 100 км;

— изучение характера и степени влияния полета в верхние слои атмосферы на состояние физиологических функций организма и поведение животных;

— выяснение возможности использования отделяющейся кабины с целью спасения животных и аппаратуры при приземлении;

— испытание работы контрольно-регистрирующей аппаратуры в необычных условиях.

При выборе биологических объектов исследования исходили из условий минимального размера и веса лабораторных животных (мыши, крысы). Вследствие небольших размеров получение физиологической информации от них в полете затруднено. Высшие обезьяны как экспериментальный объект наилучшим образом моделируют физиологические и нервные функции человека. Однако обезьяны трудно поддаются дрессировке и научению, взрослые особи проявляют агрессивность и медленно привыкают к необычным условиям эксперимента. Кроме того, обезьяны были достаточно дорогим и редким объектом для исследований.

Одна из собак, летавшая в первой серии запусков

Иное дело собаки: они хорошо поддаются тренировке, быстро привыкают к необычным условиям, обладают большей выносливостью в среде с неблагоприятными факторами. Поэтому для полетов на ракетах выбрали собак.

Разрабатывалась специальная регистрирующая аппаратура для автоматического получения и передачи по телеметрическим каналам гигиенических показателей среды кабины и показателей основных физиологических функций организма. Аппаратура состояла из четырехканальных осциллографов, усилителей с комплектом малогабаритных датчиков, аэрокиносъемочного аппарата и акселерографа. Она позволяла регистрировать в полете температуру и давление воздуха в кабине, величину перегрузок, температуру кожи, частоту пульса и наблюдать поведение животных. До и после полетов у животных снимались показатели ЭКГ, делалась рентгенография органов грудной клетки, проверялись условно-пищевые рефлексы и регистрировалась масса тела. Перед полетом проводились наземные эксперименты в барокамере и самолете, пикирующем по параболе Кеплера, в макете ракеты с целью отбора наиболее устойчивых к воздействию необычных условий полета особей и их тренировке. Перед физиологами встало множество методических проблем: подготовка животных и выполнение ряда хирургических вмешательств (выводилась в кожный лоскут сонная артерия для определения артериального давления — под кожу вживлялись электроды для регистрации биотоков). Потребовалось разработать датчики и приборы для регистрации физиологических показателей во время космического полета.

В соответствии с задачами исследований состоялась пять полетов на ракетах с 9 собаками (из них три летали дважды). В герметичный отсек объемом 0,28 м³ помещали двух беспородных собак (до 10 кг каждая), укрепленных привязными ремнями на специальных лотках. Для поддержания необходимого газового состава атмосферы в кабине использовалась инжекторная система регенерации воздуха. Барометрическое давление в необходимых пределах в кабине поддерживалось регулятором давления.

Первая геофизическая ракета Р-1Б с собаками Дезик и Цыган, запущенная в июле 1951 г. с космодрома Капустин Яр, поднялась на высоту 100,8 км и успешно приземлилась. В США исследования с животными начались в июне 1948 г., но первое их успешное возвращение после полета на ракете произошло только 20 сентября 1951 г.

Скафандр из прорезиненной ткани для второй серии экспериментов

Перегрузки в полетах ракет этой серии не превышали 5,5g. На 177-й секунде полета (на высоте около 100 км) головная часть ракеты отделялась от корпуса и свободно падала. Затем на уровне 6-8 км раскрывался парашют. Общее время пребывания животных в полете составляло 20-30 мин. Исследования показали, что температура воздуха в кабине в период полета превышала расчетные величины, барометрическое давление не опускалось ниже 680 мм рт. ст., содержание О₂ в воздухе кабины составляло 21,5%, количество СО₂ не превышало 1,5%, относительная влажность — около 70%. Учащение пульса и дыхания наблюдались только в период вибрации на нисходящем участке траектории при вхождении кабины в плотные слои атмосферы. У животных, летавших дважды, не обнаруживалось каких-либо изменений. После проведения серии экспериментов пришли к выводу, что герметичная кабина с системой регенерации воздуха обеспечивает необходимые условия для двух собак в течение трех часов. Воздействие перегрузок, космического излучения, частичной невесомости и других факторов полета не повлияли на состояние ряда физиологических функций и поведение животных. Регистрирующая аппаратура давала возможность получать научную информацию в полете.

Во второй серии экспериментов (1954-56 гг.) ставились следующие основные задачи:

— разработать способы обеспечения безопасности животных при полете в скафандре в разгерметизированной кабине, во время свободного падения и парашютировании с больших высот;

— исследовать выживаемость и жизнедеятельность животных после катапультирования из кабины в верхних слоях атмосферы;

— изучить влияние невесомости и других факторов полета на живой организм;

— испытать работу регистрирующей аппаратуры на различных этапах полета, в том числе при катапультировании и свободном падении, парашютировании для обеспечения безопасного спуска и возвращении животных и приборов.

Катапультируемая тележка животного. Применялась при полете ракеты В-2

Безопасность животных в полетах с катапультированием и спуске на парашютах с больших высот обеспечивалась оборудованием, отличавшимся от использовавшегося на первом этапе экспериментов. В летной практике в аналогичных целях применялся вентиляционной скафандр с кислородной маской. Однако его использование сопряжено с риском: в процессе полета маска может быть смещена или просто сорвана собакой. Поэтому животные совершали полет в вентилируемом скафандре (без кислородной маски), укрепленном на выдвижном лотке и вставленном в специально сконструированную тележку.

Скафандр представлял собой герметический мешок из трехслойной прорезиненной ткани со шлемом и двумя глухими рукавами для передних лап собаки. Внутри и снаружи скафандра применялись ремни для фиксации животного. Система кислородного питания состояла из трех двухлитровых баллонов с кислородом (900 л) и рассчитана на 2,0-2,5 ч (при вентиляции скафандра 6 л/мин). В нижне-боковой части шлема находился клапан, автоматически открывавшийся при спуске на парашюте на высоте 4 км и дающий возможность животным дышать атмосферным воздухом.

В отсеке головной части ракеты В-1А размещалось по две катапультируемых тележки. На тележке крепились парашютная система, кислородная система скафандра и аппаратура для регистрации физиологических показателей в полете, включающая в себя и авиационный медицинский комплект. Он состоял из комплекта малогабаритных датчиков, соединенных с усилителем, и автомата дыхания и позволял регистрировать частоты дыхания и пульса, артериальное давление, температуру тела животного либо температуру среды в скафандре. Работа всего оборудования тщательно проверялась в специальных автономных испытаниях перед каждым пуском ракеты.

Для подавления реакции на непривычную обстановку каждое животное проходило тренировку на пребывание в скафандре с комплектом датчиков. Тренировка проводилась ежедневно в течение нескольких месяцев (постепенно увеличивалось время нахождения в скафандре). Для запусков отбирались те животные, которые в течение последних 7-10 дней перед испытаниями на полигоне спокойно переносили двухчасовое пребывание в скафандре.

За два-три дня перед полетом на полигоне Капустин Яр аппаратура испытывалась в наземных условиях, включающих пробное катапультирование тележек с животными из головного отсека ракеты. Отобранных собак за два часа до полета "одевали" в скафандры, прикрепляли набор датчиков и измеряли исходные показатели физиологических функций.

Ракеты В-2 поднимались до высоты 110 км, а исследования прошли на 12 собаках, причем шесть собак летало дважды. На высоте 75-86 км при скорости 565-728 м/с животное катапультировалось в тележке. После катапультирования тележка свободно падала в течение трех секунд, после чего включалась парашютная система (перегрузка в момент раскрытия парашюта составляла 7g). На высоте 39-46 км на скорости около 70 м/с катапультировалась левая тележка и на высоте 3,8 км раскрывался парашют. Барометрическое давление внутри скафандра во всех полетах поддерживалось в пределах 450-470 мм Hg. Температура воздуха внутри отсека была в пределах +22-28°С в летнее время, а температура воздуха у земли перед пуском — +18-22°С и -10-6°С в зимнее время при исходной температуре -12-11°С. Действие динамической невесомости продолжалось около 3,7 мин.

Старт геофизической ракеты В-2А

Результаты экспериментов показали, что разработанная и усовершенствованная в процессе запуска ракет аппаратура обеспечивала необходимые условия для полета животных в верхние слои атмосферы и их безопасный спуск. Поскольку влияние перегрузок, шума, вибрации и ряда других факторов полета на физиологические функции животных уже было в определенной степени изучено, наибольший интерес при проведении данной серии исследований представляло изучение влияния невесомости. По мнению многих ученых кратковременная невесомость не должна повлечь за собой каких-либо серьезных изменений в деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной систем организма. Единственная экспериментальная работа, проведенная в США группой Дж. Генри, выполнена на наркотизированных животных. Полученные в этой серии полетов данные свидетельствовали: физиологические параметры изменялись у разных животных по-разному и зависели скорее от индивидуальных особенностей собаки, чем от условий полета.

В период невесомости у животных отмечалась тенденция к снижению частоты пульса и артериального давления. Частота дыхания на активном участке полета в большинстве случаев не менялась. Отмечалось умеренное урежение дыхания в период невесомости, во время свободного падения дыхание умеренно учащалось и после раскрытия парашюта практически не изменялось. Эксперименты показали, что у животных в полете возникают умеренные изменения величин артериального давления, частоты пульса и дыхания по типу неспецифических вегетативных реакций, сопровождающих ориентировочный рефлекс на сильные и необычные раздражители внешней среды. Кинокадры зафиксировали, что от момента взлета и до момента катапультирования из ракеты поведение собак, как правило, изменялось мало. Обычно животные спокойно лежали в скафандрах и лишь в некоторые моменты инерционного движения ракеты начинали беспокоиться.

Удалось доказать, что в аварийной ситуации катапультирование и спуск на парашюте — это единственное надежное средство приземления. Разработанная и усовершенствованная в ходе пусков аппаратура обеспечила необходимые условия для жизни животных в процессе полетов на высоту до 110 км. Возникавшие на активном участке полета ракеты продольные и поперечные перегрузки лежали в физиологически допустимых пределах. Каких-либо изменений у животных после полетов не выявлено. Однако сделать обоснованное заключение о биологическом действии невесомости не было возможно, так как длительность полной и частичной невесомости в этих экспериментах составляла около 220 с. Чтобы продлить действие этого фактора, следовало увеличить высоту полета экспериментальных ракет.

В третьей серии опытов (1957-60 гг.) состоялось 14 запусков животных на геофизических ракетах Р-2А и Р-5В на высоты от 200 до 450 км. В экспериментах участвовало 14 собак. Некоторые из них летали по два и по три раза. Животных фиксировали на специально изготовленных лотках и попарно помещали в герметическую кабину. Головная часть отделялась от ракеты в верхней точке траектории полета. При спуске на высоте 4 км открывался тормозной парашют головной части, а на высоте 2 км включалась основная парашютная система. Состояние невесомости длилось уже 6-9 минут. В полете велись такие же физиологические измерения, что и во второй серии экспериментов. В некоторых полетах одна из собак была под наркозом с целью анализа механизмов сдвига физиологических функций. До и после полета проводились клинический анализ крови, измерение частоты дыхания и пульса, рентгенография органов грудной клетки, снятие ЭКГ, измерение температуры и веса тела.

Головная часть (масса 1350 кг) ракеты Р-5А, возвращаемая на Землю

Двигательная активность в условиях фиксации животных к лотку существенно не нарушалась. В состоянии невесомости не было отмечено изменений, которые дали бы основание считать, что этот необычный для живых организмов фактор вызывает значительное эмоциональное напряжение. После наступления невесомости двигательного возбуждения и оборонительной реакции у животных не отмечались, собаки спокойно лежали в лотках, живо реагируя на периодическое появление (вследствие вращения кабины) солнечного света в смотровом люке.

В ходе экспериментов установлено, что у животных, находящихся под наркозом, не наблюдалось выраженных изменений частоты пульса и артериального давления. Это обстоятельство позволило заключить, что наблюдавшиеся во время полета физиологические сдвиги опосредованы через общую реакцию организма животных на необычную ситуацию и неспецифичны для невесомости. Электрокардиограммы подопытных животных не выявили патологических изменений в полете.

После проведения этой серии экспериментов ученые пришли к следующим выводам:

— выбранная конструкция герметической кабины и ее оборудования обеспечивают необходимые условия жизни животным на высотах до 450 км;

— полет не вызывает резких расстройств в физиологических функциях животных; не было выявлено заметных изменений в их поведении и состоянии здоровья;

— невесомость не нарушает течение основных процессов жизнедеятельности.

После приземления возвращаемой части ракеты Р-5В

Всего на геофизических ракетах совершили полеты 48 собак, из них многие летали по два-три раза, а собака Пальма — четыре раза. Кроме собак, на геофизических ракетах летали и другие животные — кролики, белые крысы и мыши. Так, во время полета кролика определялся мышечный тонус прямых мышц глаза в условиях невесомости, проводилась киносъемка зрачка. На мышцы животного накладывались монографические электроды и снималась электромонограмма. Анализ полученного материала свидетельствовал о снижении мышечного тонуса в невесомости.

Четырехлетние наблюдения за летавшими животными не выявили каких-либо отдаленных неблагоприятных последствий в общем состоянии животных и в их поведении.

Успешное проведение вертикальных запусков ракет с животными позволило получить первые достоверные данные о влиянии кратковременной невесомости на живой организм, обосновать возможность проведения орбитальных полетов, а также накопить опыт, необходимый для полетов в космос человека.