Научное обоснование возможности космических полётов человека и их медико-биологическая подготовка


К исходу 1960 г. была полностью завершена программа медико-биологических исследований при запусках животных на одноступенчатых геофизических ракетах типа Р-1, Р-2А, Р-2 и Р-5 на высоты 110, 212 и 450 км с использованием герметизированных кабин с регенерацией газовой среды для животных и возвратом головных частей ракет с животными и всей регистрирующей и обеспечивающей аппаратуры. Кроме того, важным результатом исследований было решение вопросов обеспечения условий для жизнедеятельности животных с использованием безмасочных скафандров при полетах в негерметизированных кабинах и катапультировании с разных высот полета ракет. Научно-практическим итогом указанных исследований было заключение о принципиальной возможности полета человека на ракете с обеспечением необходимых условий жизнедеятельности в герметизированной кабине малого объема, а также безопасности полета и спасения в различного рода аварийных ситуациях . Однако было очевидным, что вертикальные полеты человека мало чем могут помочь в обосновании безопасности орбитальных полетов, а в экономическом плане они мало чем отличались от орбитальных: затраты были сопоставимыми .
Почти одновременно с медико-биологическими исследованиями при вертикальных пусках ракет было решено начать подготовку к запуску искусственных спутников Земли, в том числе и медико-биологических с полетом животных на борту космического корабля. В обобщенном виде все эти исследования, предшествовавшие первому космическому полету человека и по существу послужившие последним аргументом в пользу возможности и безопасности такого полета, представлены в табл. 2.
Естественно, что первые орбитальные полеты искусственных спутников Земли должны были проводиться без возвращения биологических объектов на Землю, так как вопросы возврата в этот период (1957—1958 гг.) еще не были решены.

Сотрудники группы В.И. Яздовского проверяют работоспособность элементов 
бортовой физиологической аппаратуры. Слева направо: Б.Г. Бундов, А. Пруцкой.
 

Таблица 2

Биологические эксперименты на искусственных спутниках Земли, предшествовавшие первому полету человека в космос
Дата запуска Наименование объекта Биообъекты Количество витков Завершение полета
03.11.1957 Второй искусственный спутник Земли Собака Лайка   Спутник не возвращен
19.08.1960 Второй космический корабль-спутник Собаки Белка и Стрелка и др. б/об. 18 Спуск по программе
01.12.1960 Третий космический корабль-спутник Собаки Пчелка и Мушка 17 Спутник не возвращен
09.03.1961 Четвертый космический корабль-спутник Собака Чернушка и др. б/об. 1 Спуск по программе
25.03.1961 Пятый космический корабль-спутник Собака Звездочка и др. б/об. 1 Спуск по программе



Сразу вслед за созданием в 1957 г. межконтинентальной баллистической ракеты и успешным запуском первого в истории человечества искусственного спутника Земли было принято решение, что вторым спутником Земли будет спутник с живым существом. В отличие от высотных ракет, которые обычно применяются для зондирования верхних слоев атмосферы и позволяют получить научные материалы по кратковременному пребыванию животных в полете, искусственные спутники дают возможность изучать состояние и поведение живых организмов в течение длительного времени движения спутника по орбите, т.е. при помощи искусственного спутника могут быть созданы условия, соответствующие, с биологической точки зрения, условиям космического полета . Подготовка к экспериментам проводилась с учетом ряда специфических требований. Проведение экспериментов в течение длительного времени требовало создания такого оборудования, которое было бы в состоянии автоматически поддерживать необходимые условия для жизни животного в полете, обеспечивать его необходимым количеством пищи и воды, удалять продукты жизнедеятельности и т. д. Исследовательская аппаратура должна была обеспечивать бесперебойную автоматическую регистрацию необходимых научных данных и их передачу на Землю. Наконец, необходимо было решить вопросы специальной подготовки и тренировки животных, в частности к действию ряда динамических факторов (шумы, вибрации, перегрузки), длительному пребыванию в фиксированном положении в кабине малого объема со специфическими особенностями питания, водообеспечения, отправления естественных нужд и т.п.
Усилия сотрудников института были направлены на решение этих и многих других специфических требований при подготовке к осуществлению медико-биологических исследований на искусственных спутниках в орбитальном полете .
Функциональные обязанности между старшими научными сотрудниками научно-исследовательского коллектива 8-го отдела Института к этому времени были распределены следующим образом:
Игорь Сергеевич Балаховский — организация работ, отработка методик и приборов, необходимых при исследованиях космической радиации, ультрафиолетового облучения (УФО), корпускулярного излучения; проведение исследований по этим вопросам; проведение необходимых биохимических и клинических анализов;
Олег Георгиевич Газенко — организация работ, отработка методик и приборов, необходимых при физиологических исследованиях на животных и человеке в полетах на изделиях; подготовка, тренировка животных и выработка у них необходимых условных связей; подготовка животных с необходимыми оперативными вмешательствами на них; подготовка регистрирующей аппаратуры к экспериментам;
Абрам Моисеевич Генин — организация работ по кислородному обеспечению животных и человека на объектах с применением скафандров; организация работ, необходимых для обеспечения надежного покидания животными и человеком объектов и спасения на больших высотах и скоростях; проведение необходимых исследований по этим вопросам в объеме тематики отдела;
Александр Дмитриевич Серяпин — организация работ по обеспечению жизненно-необходимых условий в отсеках и кабинах изделий; проведение необходимых исследований по этим вопросам в объемах тематики отдела;
Борис Георгиевич Буйлов — техническое обеспечение тематики отдела; заказ, приемка необходимой аппаратуры; монтаж аппаратуры на объектах и стендах; обеспечение надежной аппаратуры по регистрации необходимых физиологических, гигиенических, физических и химических параметров;
Евгений Михайлович Юганов — отработка методик и аппаратуры, необходимых при исследованиях влияния шумов, вибраций, трясок, ускорений и невесомости при полетах животных и человека на изделиях; проведение необходимых исследований по этим вопросам в объеме тематики отдела .
К моменту готовности к пуску второго (обитаемого) искусственного спутника Земли была полностью завершена подготовка и тренировка животных, длившаяся в общей сложности около года. Из десятка очень схожих между собой собак было отобрано три: Альбина, Лайка и Муха. Одна из них (Альбина) была уже опытным «космонавтом», дважды побывав в космическом полете при запусках геофизических ракет. Окончательный выбор пал на Лайку, Альбина была зачислена дублером на всякий случай, а собаку Муху было решено использовать в качестве «технологической» собаки для испытаний с ее участием измерительной аппаратуры и оборудования систем жизнеобеспечения кабины. Все животные были предварительно прооперированы В.И. Яздовским. Была выведена общая сонная артерия в кожный лоскут для измерения артериального кровяного давления, на грудной клетке были вживлены датчики для регистрации ЭКГ и частоты дыхательных движений грудной клетки. В подготовке к этому поистине историческому событию принимали участие многие сотрудники, однако, как пишет в своих воспоминаниях научный руководитель медико-биологической программы исследований В.И. Яздовский , собаку Лайку непосредственно готовили в полет О.Г. Газенко, A.M. Генин, А.Д. Серяпин, А.А. Гюрджиан, И.С. Балаховский, Н.Н. Казакова, Е.А. Петрова и др.
Тренировки собак продолжались и по прибытии на космодром. Вплоть до момента старта Лайка на несколько часов ежедневно помещалась в контейнер. Собака полностью освоилась с условиями тренировки, спокойно сидела, позволяла регистрировать показатели физиологических функций, охотно принимала пищу. Желеобразная консистенция пищевого рациона была предложена И.С. Балаховским . Этим решались вопросы обеспечения животного необходимым количеством воды в невесомости. Собаке не мешала довольно плотно облегающая одежда «лифчик», обеспечивающая фиксацию мочекалоприемника, точно подогнанного к телу животного. Фиксирующие цепочки крепили одежду к стенкам контейнера, ограничивая свободу движений, но позволяя животному стоять, сидеть, лежать и даже чуть передвигаться вперед и назад .
К решению технических вопросов при создании второго спутника Земли были привлечены многие научные и инженерно-конструкторские учреждения страны, успех запуска первого искусственного спутника позволял успешно преодолевать ведомственные барьеры .
Укрепленная на силовой раме герметичная кабина представляла собой цилиндрический контейнер диаметром 640 мм и длиной 800 мм, снабженный съемной крышкой со смотровым люком. На съемной крышке располагались герметические разъемы для ввода электрических проводов. Кабина для животного была выполнена из сплава алюминия. В контейнере весьма компактно располагались подопытное животное и необходимое оборудование. Последнее состояло из установок для регенерации воздуха и регулирования температуры воздуха в кабине, кормушки с запасом пищи, ассенизационного устройства и комплекта медицинской аппаратуры.
Установка для регенерации воздуха содержала регенерационное вещество, которое поглощало углекислоту и водяные пары и выделяло при этом необходимое количество кислорода. Запас регенерационного вещества обеспечивал потребности животного в кислороде в течение 7 суток. Для вентиляции регенерационной установки служили малогабаритные электромоторы. Работа установки регулировалась сильфонным барореле, которое при повышении давления воздуха свыше 765 мм рт.ст. выключало наиболее активную часть регенерационной установки .
Приспособление для регулирования температуры воздуха включало специальный теплоотводящий экран, на который подавался отводимый от животного воздух, и сдвоенное термореле, включающее вентилятор обдува при повышении температуры воздуха в кабине выше +15°С.
Работа указанных установок контролировалась во время полета потенциометрическим датчиком давления и датчиками температуры, расположенными внутри и на оболочках кабины .
Кормление и обеспечение животного водой производилось из металлического резервуара объемом 3 л, содержащего запас желеобразной массы, рассчитанной на полное обеспечение потребности животного в воде и пище в течение семи суток .
Ассенизационное устройство состояло из резинового мочекалоприемника, прилегающего к тазовой области, и фиксирующего его «лифчика», надеваемого на плечевой пояс собаки. Выделения животного отводились по резиновому патрубку в герметический резервуар.
Комплект медицинской аппаратуры включал в себя усилительно-коммутационный блок с двумя усилителями и набор датчиков. Программа исследований предусматривала регистрацию показателей, характеризующих состояние функции дыхания и кровообращения животного, а именно частоты сердечных сокращений по ЭКГ, частоты дыхательных движений по результатам измерения периметра грудной клетки, величины максимального артериального давления осцилляторным методом при периодическом пережатии выведенной в кожный лоскут общей сонной артерии. О двигательной активности животного судили по результатам использования метода актографии.
Предварительная подготовка и тренировка животных давала основание утверждать, что они вполне удовлетворительно переносят ожидаемые величины поперечнонаправленных перегрузок, шумов и вибраций, а также длительное (до 20 суток) пребывание в герметизированной кабине. В числе 10 животных, прошедших полную подготовку к эксперименту, была и выбранная для участия в летном эксперименте собака Лайка, самка в возрасте двух лет, массой 6000 г .
Анализ полученной информации со всей очевидностью показывал, что животное не только хорошо перенесло комплексное воздействие динамических факторов запуска, но и, самое главное, что условия космического полета переносятся животным вполне удовлетворительно . К сожалению, недостаточно эффективно работала система отвода тепла от кабины животного вследствие, кроме всего прочего, натекания тепла от неотстыкованной последней ступени ракеты . «Температура воздуха в кабине начала быстро расти, что незамедлительно сказалось на состоянии животного» . Гибель животного на втором искусственном спутнике Земли, очевидно, произошла от перегревания через 5—6 часов после начала интенсивного перегревания. Такое предположение было высказано О.Г. Газенко и А.Л. Гребневым на основании специально проведенных аналитических опытов на собаках в лабораторных условиях в 1958 г. Подробно результаты биологического эксперимента с собакой Лайкой на втором искусственном спутнике Земли изложены в первом томе труда «Проблемы космической биологии», часть III, а также в отчетах НИИАМ и многих научных статьях в различных научных журналах в России и за рубежом. Основной, принципиально значимый для того времени результат этого эксперимента состоял в получении объективных доказательств вполне удовлетворительной переносимости животным длительного пребывания в космическом полете. Кажущийся банальным с позиций сегодняшнего дня, этот вывод носил принципиальный характер и явился серьезным стимулом для продолжения исследований уже не по обоснованию возможности полета человека, а скорее по обеспечению его безопасности. Вопрос о возможности полета человека к тому времени был решен однозначно, предстояло лишь окончательно решить такую важнейшую задачу безопасности космического полета, как надежное возвращение с орбиты искусственного спутника на Землю. Работы в этом направлении интенсивно проводились в КБ С.П. Королева и других научно-производственных коллективах страны .
Коллектив научных сотрудников, готовящий и проводящий медико-биологические исследования, в этот период (1959) был существенно укреплен: 8-й отдел, руководимый В.И. Яздовским, был реорганизован в космическое направление, состоящее из трех научно-исследовательских отделов (физиологический отдел под руководством О.Г. Газенко, отдел разработки систем жизнеобеспечения под руководством A.M. Генина и отдел отбора и подготовки космонавтов под руководством Н.Н. Гуровского).
19 августа 1960 г. (см. табл. 2) был осуществлен успешный запуск второго космического корабля на орбиту спутника Земли. Масса корабля-спутника без последней ступени ракеты-носителя составила 4600 кг. Основной задачей этого запуска являлась дальнейшая отработка систем, обеспечивающих жизнедеятельность человека в орбитальном космическом полете, а также безопасность его полета и возвращения на Землю. В полете предусматривались проведение ряда медико-биологических экспериментов и программа научных исследований космического пространства. Для успешного полета второго космического корабля-спутника с живыми существами на борту и возвращения его на Землю потребовалось решение сложнейших научно-технических проблем, обеспечивающих:
управляемый полет корабля-спутника и спуск его на Землю с большой точностью в заданный пункт;
условия нормальной жизнедеятельности живых существ в космическом полете;
надежную радио- и телевизионную связь с космическим кораблем-спутником.
Второй космический корабль-спутник был выведен на близкую к круговой орбиту с апогеем 339 км и перигеем 306 км. Период обращения составлял 90,7 мин, наклон орбиты в плоскости экватора составил 64 град. и 57 мин. Корабль состоял из кабины и приборного отсека. В кабине были расположены аппаратура обеспечения жизнедеятельности животных, оборудование для биологических экспериментов, часть аппаратуры для научных исследований (фотоэмульсионные блоки и радиометр), часть аппаратуры системы ориентации, аппаратура регистрации ряда технических параметров (угловых скоростей, перегрузок, температур, шумов и т. д.), автоматические системы, обеспечивающие приземление, аппаратура для регистрации данных о работе приборов, а также физиологических параметров подопытных животных на участке спуска и катапультируемый контейнер с биообъектами. Кроме двух собак (Белка и Стрелка) в катапультируемом контейнере находились 12 мышей, насекомые, растения, грибковые культуры, семена кукурузы, пшеницы, гороха, лука, некоторые виды микробов и другие биообъекты. Кроме того, вне катапультируемого контейнера в кабине корабля были размешены еще 28 лабораторных мышей и 2 белые крысы .
В приборном отсеке размешались радиометрическая аппаратура, аппаратура управления полетом корабля, часть аппаратуры для научных исследований (приборы для изучения космических лучей и коротковолнового излучения Солнца), аппаратура терморегулирования и тормозная установка.
На наружной поверхности кабины корабля были расположены рулевые сопла и баллоны с запасом сжатого газа систем ориентации, датчики научной аппаратуры, антенны радиосистем, экспериментальные солнечные батареи. Поверхность кабины была покрыта термоизоляционным слоем для предотвращения ее сгорания на участке спуска. В стенках кабины располагались жаропрочные иллюминаторы и быстрооткрывающиеся люки.
Информация о состоянии подопытных животных, физических условиях в кабине и в приборном отсеке, о работе бортовой аппаратуры передавалась на наземные измерительные пункты с помощью радиотелеметрических систем. Последние работали в двух режимах: режиме непосредственной передачи телеметрической информации в моменты пролета корабля над наземными измерительными пунктами и в режиме накапливания информации с последующими воспроизведением и передачей ее. Для передачи изображений на борту была установлена телевизионная аппаратура .
Катапультируемый контейнер, в котором находились собаки и другие биообъекты, являлся одним из вариантов контейнера, разработанного для будущих полетов человека. Форма контейнера была выбрана с таким расчетом, чтобы после катапультирования обеспечить устойчивое и правильное положение оси контейнера относительно вектора скорости. В контейнере были расположены кабина для животных с лотком, автоматом кормления, ассенизационным устройством, системой вентиляции и т. п., катапультные и пиротехнические средства, радиопередатчики для пеленгации после приземления, телевизионные камеры с системой подсвета и зеркал, блоки с ядерными фотоэмульсиями. Внутри кабины крепились автомат для кормления, контейнеры для мелких биообъектов и микрофон для контроля за уровнем шума в кабине во время полета. Перед медико-биологическим экспериментом на данном корабле-спутнике ставились следующие основные задачи :
изучение особенностей жизнедеятельности различных животных и растительных организмов в условиях космического полета;
исследование биологического действия основных факторов космического полета на живые организмы (перегрузка, длительная невесомость, переход от перегрузок к невесомости и наоборот);
изучение действия космической радиации на животные и растительные организмы (на состояние их жизнедеятельности и наследственность);
исследование эффективности и особенности функционирования систем обеспечения жизнедеятельности в полете (система регенерации, терморегулирования, питания и водоснабжения, ассенизации и др.).
По объему проведенных исследований, характеру решаемых при этом задач биологический эксперимент на втором космическом корабле-спутнике явился весьма существенным вкладом в дело изучения и освоения космического пространства человеком .
Многочисленные биологические объекты, летавшие на корабле, вернулись на Землю живыми, в хорошем состоянии. В состоянии собак Белки и Стрелки, мышей, крыс и всех остальных биологических объектов при послеполетном детальном обследовании не было обнаружено заметных отклонений от нормы . Полученные результаты свидетельствовали о том, что разработанные отечественной наукой средства, обеспечивающие условия жизнедеятельности, безопасность полета и возвращение из космического полета, вполне себя оправдали.
Космический полет собак Белки и Стрелки, продолжавшийся более 25 часов, в течение которых корабль-спутник совершил 17 полных оборотов вокруг Земли, позволил получить уникальные научные данные о влиянии факторов космического полета на физиологические, биохимические, генетические и цитологические системы живых организмов . Так, А.А. Гюрджиан и соавт., проводя биохимические исследования крови и мочи у собак Белки и Стрелки, а также в последующем у собак Чернушки и Звездочки (четвертый и пятый космические корабли), пришли к однозначному заключению, что только суточный полет вызывал реакцию типа «стресс», которая проявлялась в кратковременном увеличении концентрации сывороточных мукоидов, альфа 2-глобулинов и снижением холинэстеразной активности. Однако после полета эти отклонения быстро возвращались к исходным значениям, что позволило сделать заключение о преходящем их характере. Одновитковый полет вообще не вызывал заметных сдвигов в обмене веществ. Эти данные еще раз убедили наших ученых в правильности основных направлений подготовки полета человека в космическое пространство и позволили наметить конкретные пути его осуществления . Однако достаточных оснований для длительного полета человека в тот период еще не было. Довольно трудно было прогнозировать влияние на человека состояния невесомости. Настораживали некоторые итоги полета второго космического корабля-спутника, в частности, некоторые особенности физиологического состояния собаки Белки . Животное было крайне беспокойным, билось, старалось освободиться от крепежных элементов. Собака лаяла, и по всему было видно, что она плохо себя чувствует. Особенно бурно вся эта симптоматика стала проявляться после четвертого витка полета. Сказанное приводило к выводу о необходимости осторожного подхода и планирования предстоящего полета человека вокруг Земли на корабле «Восток» только на один виток, т.е. минимально возможной продолжительности. Но и для обоснования возможности полета даже такой продолжительности было признано необходимым провести дополнительно ряд зачетных полетов животных по режиму одновиткового полета вокруг Земли.
1 декабря 1960 г. был запушен третий космический корабль-спутник с собаками Пчелкой и Мушкой и таким же набором биологических объектов на борту. Цель эксперимента состояла в накоплении научных данных о влиянии комплекса факторов космического полета на животных и другие биологические объекты. Анализ полученной по телеметрическим каналам информации показал, что реакции собак Пчелки и Мушки на комплексное воздействие факторов космического полета были аналогичны таковым у собак Белки и Стрелки. Из полета биообъекты возвращены не были, т. к. из-за недостаточно четкой работы системы ориентации при работе тормозной установки вместо снижения скорости полета корабля имели место прирост скорости и переход корабля на более высокую орбиту. Все научные данные были получены с корабля по системам телеметрии и телевидения .
Когда была принята программа полета человека на космическом летательном аппарате на один виток, было решено провести еще два зачетных научных эксперимента при полетах на один оборот вокруг Земли кораблей-спутников с живыми существами на борту.
Цель этих экспериментов состояла в испытаниях всей системы автоматики скафандра, катапультного сиденья и систем жизнеобеспечения. На корабле вне катапультного сиденья размещались собака, мыши, морские свинки, крысы и другие биологические объекты. На катапультном сиденьи был расположен манекен человека в скафандре со всей автоматикой и НАЗом. В грудной полости, полости живота, бедер и других частях манекена размещали мышей, морских свинок, микроорганизмы и другие биообъекты. На одном корабле-спутнике была размешена собака Чернушка, а на другом — Звездочка. Запуски кораблей-спутников были осуществлены 9 и 25 марта 1961 г. Завершение полетов предусматривало аварийный вариант посадки. Собаки и другие биообъекты размещались не на катапультном кресле, а непосредственно в сфере гермокабины головной части ракеты. Кроме собак в гермокабине каждой сферы размещались по 40 серых, 40 белых и 40 черных мышей, морские свинки, пресмыкающиеся, семена различных растений, элементы крови человека, раковые клетки человека, микроорганизмы, бактериофаги, ферменты и др. Результаты генетических исследований позволяли предположить, что условия космического полета могут вызвать наследственные изменения у отдельных организмов. Однако пока не представлялось возможным отмеченные эффекты точно адресовать к какому-либо определенному фактору полета . Многие ученые считали важным иметь убедительные строго научно обоснованные данные о степени радиационного риска при осуществлении космических полетов на кораблях-спутниках. Изучение этой проблемы осуществлялось с использованием разнообразных представителей органического мира, стоящих на разных ступенях развития и существенно отличающихся по своей чувствительности к радиационным воздействиям. К этим работам были привлечены сотрудники ряда академических учреждений и Минздрава СССР, что позволяло резко расширить объем методических приемов оценки действия радиационных факторов.
Анализ многочисленных физиологических, микробиологических, цитогенетических и других методов исследований материалов, полученных в полетах II—V космических кораблей-спутников, показал, что пребывание на использованных орбитах при имевшем место состоянии активности Солнца и сравнительно кратковременных сроках полетов не представляет радиационной опасности для человека .
При подведении итогов исследований, проведенных на ракетах и космических кораблях-спутниках, было сделано обоснованное заключение о том, что в условиях невесомости наблюдаются, как правило, адаптационно-компенсаторные реакции со стороны ряда физиологических систем. Так, у собак в течение первых 2 часов обнаруживались некоторые изменения интенсивности сердечных тонов, удлинение продолжительности первого тона, увеличение времени выбрасывания крови из сердца в крупные сосуды. Было установлено, что относительная неустойчивость ритма сердечных сокращений, хотя и менее выраженная, оставалась до конца пребывания в условиях невесомости. Заметной неравномерностью отличалась также глубина и частота дыхания .
В условиях невесомости наблюдалось изменение афферентации. Ярким подтверждением этого могут служить некоторые нарушения пространственного анализа и появление вестибулярных симптомов .

© Коршункова Мария