[Hisana Runryuu]

Разгружаю цитатник. like, again!

02.04.2015 в 19:31

Пишет  Lurker [reassigned]:

Сферический человек в вакууме
Фанфикшен - прекрасный способ узнавать новое. =) А научная фантастика - это вообще кладезь знаний, хоть читаемая, хоть выписываемая.

Статья, собравшая данные из различных учебников и экспериментов, написанная доступным и понятным несведущим языком, скопипащено отсюда. Спасибо автору Geoffrey A. Landis(-у) и переводчику Ozzeoz.

Можно ли выжить в вакууме

Чтобы полностью закрыть вопрос о том, что произойдёт с человеком, оказавшимся в вакууме без скафандра, я сделал перевод статьи Джефри Лэндиса «Воздействие вакуума на человека». Некоторые обороты речи я упростил, а также исключил несколько абзацев в конце статьи, описывающих математические расчёты, как представляющие узкоспециальный интерес.

Статья большая, поэтому убираю под кат.

Human Exposure to Vacuum

Насколько реалистичен эпизод из фильма «Космическая Одиссея 2001 года», в котором астронавт Боумэн перемещается в космическом пространстве без шлема? Как долго человек может находиться в вакууме? Взорвётся ли он? Выживет? Сколько времени он будет находиться в сознании?

Если кратко: Артур Кларк описал всё правильно в романе «Космическая Одиссея 2001 года». Человек может находиться в вакууме примерно девяносто секунд, он не взорвётся и будет оставаться в сознании около десяти секунд.


Можно ли выжить?

Самая интересная информация была обнаружена в “Bioastronautics Data Book” (Second edition, NASA SP-3006), в главе о последствиях барометрического давления. В этой главе рассматриваются опыты на животных при декомпрессии до состояния вакуума. В ней не приводятся никакие данные об опытах на людях.


стр. 5, (после общего обсуждения низких давлений и эбуллизма (эбуллизм, образование пузырьков в жидкостях тела при резком снижении внешнего давления)), автор приводит описание предполагаемых результатов вследствие воздействия вакуума:

«Некоторые уровень сознания, возможно, будет сохраняться в течение 9–11 секунд (см. главу 2 в Hypoxia). Вскоре после этого наступает паралич, сменяемый общими судорогами и затем снова наступает паралич. В это же время происходит быстрое образование водяного пара в мягких тканях и несколько медленнее — в венозной крови. Образование водяного пара будет отмечаться как распухание организма, возможно, в два раза по сравнению с нормальными объемами, если не предотвратить это с помощью противоперегрузочного костюма (pressure suit). (Было опытным путём установлено, что точно подогнанная эластичная одежда может полностью предотвратить эбуллизм при снижении давления до 15 мм ртутного столба [Webb, 1969, 1970].)

Сердечная деятельность сначала может увеличиться, но затем быстро снижается. Артериальное кровяное давление также падает в течение 30–60 секунд, а венозное давление повышается вследствие распирания венозной системы газом и паром. Венозное давление достигнет или превысит артериальное давление в течение одной минуты. Практически прекращается эффективная циркуляция крови. После первоначального истечения газа из легких во время декомпрессии, газ и водяной пар будут продолжать выходить через дыхательные пути. Это постоянное испарение воды будет охлаждать рот и нос почти до температуры замораживания; остальные части тела также будут охлаждаться, но более медленно.

«Кук и Банкрофт (Cook and Bancroft, 1966) сообщили о случаях гибели животных вследствие фибрилляции сердца в течение первых минут в околовакуумных условиях. Однако, животные, как правило, выживали, если рекомпрессии (восстановление давления) происходило в течение примерно 90 секунд. … После остановки сердца необратимо наступала смерть, несмотря на попытки реанимации ...

[после рекомпрессии] «дыхания обычно начинается спонтанно… Обычным явлением являются неврологические проблемы, включая слепоту и другие дефекты зрения (см. проблемы, связанные с изменением газа), но, как правило, они довольно быстро исчезают.

«Маловероятно, чтобы человек, оказавшийся внезапно в условиях вакуума, смог спастись самостоятельно в течение 5–10 секунд. Но если срочная помощь поспеет, то, несмотря на серьёзные внешние и внутренние повреждения, разумно предположить, что рекомпрессия до допустимого давления (200 мм ртутного столба, 3,8 psia) в течение 60–90 секунд может привести к выживанию, и, возможно, к довольно быстрому восстановлению основных функций».

Заметим, что в этом рассуждении рассматриваются только эффекты, связанные с воздействием вакуума. Декомпрессия сама по себе может иметь катастрофические последствия, если лицо, находящееся в условиях декомпрессии, сделает ошибку, попытавшись задержать дыхание. Это приведет к разрыву легких и почти неминуемой гибели. Именно поэтому такая декомпрессия называется «взрывной».


Сколь долго можно оставаться в сознании?

“Bioastronautics Data Book” так отвечает на этот вопрос: «Некоторые уровень сознания, возможно, будет сохраняться в течение 9–11 секунд. Но маловероятно, чтобы человек, оказавшийся внезапно в условиях вакуума, смог спастись самостоятельно в течение 5–10 секунд.

В авиационной медицине имеется большой объём информации о том, сколь долго человек может оставаться в сознании. В авиационной медицине есть определение «срока полезного сознания» (“time of useful consciousness”), т.е. того периода времени после декомпрессии, в течение которого пилот будет в состоянии предпринимать активные меры для спасения своей жизни. На высоте более 50000 футов (15 км), время полезного сознания составляет от 9 до 12 секунд, как цитируется в [Далее идут отсылки к графикам, см. оригинальную статью на англ. языке. — ОЗ]. График 2-3 показывает время 12 секунд полезного сознания на высотах выше 60000 футов (18 км) — есть предположение, что этот, более длительный, срок получается вследствие того, что летчики ВВС больше натренированы для высотных полётов, и благодаря этому имеют возможность использовать свое время более эффективно.

Линда Пендлтон добавляет к этому: «взрывная или быстрая декомпрессия сокращает это время в два раза в связи с испугом, а выброс адреналина ускоряет темп сжигания кислорода». Циркуляр 61-107 сообщает, что время полезного сознания на высоте свыше 50000 футов уменьшается от 9–12 секунд до 5 секунд в случае быстрой декомпрессии (предположительно в результате фактора испуга, как описано у Л. Пендлтон).

Ричард Хардинг в своей книге «Выживание в космосе» (Survival in Space by Richard Harding), перекликается с этим выводом: «На высотах более 45000 футов (13716 м), бессознательное состояние наступает течение 15–20 секунд, а смерть наступает через четыре минуты или позднее». И далее: «обезьяны и собаки успешно оправилась от кратких (до двух минут) периодов, будучи незащищенными от воздействия…»


Закипит ли кровь?

Нет

Кровь внутри организма находится под более высоким давлением, чем во внешней среде. Обычно кровяное давление составляет 75/120. «75» означает, что между ударами сердца, кровь находится под давлением 75 Torr (примерно 100 мбар) выше внешнего давления. Если внешнее давление падает до нуля, при кровяном давлении 75 Torr температура кипения воды составляет 46°С (115°F). Это значительно выше температуры тела 37°С (98,6°F). Кровь не закипит, потому что эластичное давление стенок кровеносных сосудах удержит давления достаточно высоким, так что температура тела будет ниже температуры кипения — по крайней мере, до тех пор, пока сердце не прекратит биться (а в этот момент вам придётся беспокоиться совсем о других вещах!). (Если быть совсем точными, кровяное давление изменяется в зависимости от того, в каком месте организма она измеряется, поэтому вышеприведенное заявление следует понимать как обобщение. Однако, в силу возникновения небольших очагов локализовавшегося пара давление там повышается. В тех местах, где кровяное давление ниже, давление пара будет расти до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. В результате общее давление будет одинаковым.)


Тело заморозится?

Нет.

В нескольких последних голливудских фильмах показано как люди, оказавшись в вакууме, мгновенно замораживаются. В одном из них, персонаж-ученый отмечает, что температура равна «минус 273 градуса» — то есть равна абсолютному нулю.

Но в практическом смысле, в космосе нет температуры — нельзя измерить температуру вакуума, потому что там её нет. Остаточных молекул вещества, находящихся в вакууме, недостаточно, чтобы проявился эффект температуры. Космос — не «холодный» и не «горячий», он «никакой».

Зато космос очень хороший изолятор. (По сути, вакуум — это то, что находится между стенками термоса). У космонавтов, как правило, возникает больше проблем с перегревом, чем с поддержанием необходимой температуры.

Если вы окажетесь в космосе без скафандра, ваша кожа ощутит лёгкую прохладу — вследствие того, что вода будет испаряться с поверхности кожи. Но вы не заморозитесь до твердого состояния!


Выжил ли кто-нибудь после воздействия вакуума?

Случаи с участием человека описан Ротом (Roth), в техническом докладе НАСА «Аварийные ситуации, связанные с быстрой (взрывной) декомпрессией с участием субъектов в скафандрах» (“Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects”). Основное внимание в докладе уделяется декомпрессии, а собственно воздействию вакуума, но тем не менее в документе есть много полезной информации, включая результаты случаев декомпрессии с участием людей.

Зафиксировано несколько случаев пребывания людей в вакууме без видимых последствий. В 1966 техник НАСА в Хьюстоне подвергся декомпрессии до состояния космического вакуума при аварии во время испытания скафандра. Этот случай упоминает Рот (см. ссылку выше). Техник потерял сознание через 12–15 секунд. Когда давление было восстановлено примерно через 30 секунд, он пришёл в сознание, без явного ущерба для организма.
Более подробные сведения приведены здесь (англ.).

Прежде чем сделать вывод, что пребывание в космосе безвредно, следует отметить, что в том же докладе Рот приводит отчёт о вскрытии жертвы взрывной декомпрессии: «Сразу после быстрой декомпрессии, было отмечено, что у него начался умеренный кашель. Вскоре после этого было замечено, что он начал терять сознание, дежурные врачи описывали, что пациент стал совершенно вялым, малоподвижным и не реагировал на раздражители в течение 2–3 минут [требовавшихся для восстановления в камере атмосферного давления].
...Немедленно была начата процедура искусственного дыхания... Пациент вдохнул спонтанно, при достижении атмосферного давления он сделал несколько вдохов. Они были крайне нерегулярны, в количестве двух или трёх…
В отчёте [о вскрытии] сообщается следующее: Основные патологические изменения, как указано выше, связаны с удушьем. Считается, что основной причиной смерти в этом случае может быть острая сердечно-сосудистая и дыхательная недостаточность, вторичной причиной — двусторонний пневмоторакс…»

В авиационной литературе отмечены многие другие случаи смерти вследствие декомпрессии, в том числе один космический инцидент вследствие декомпрессии капсулы спускаемого корабля «Союз-11» в 1971 году. Анализ этой аварии можно найти в книге D.J. Shayler “Disasters and Accidents in Manned Spaceflight”.

Что касается воздействия вакуума на части тела — здесь материалов значительно меньше. В 1960 году во время высотного парашютного прыжка с воздушного шара-зонда имел место инцидент с воздействием вакуума на часть тела, когда у Джо Киттингера (Joe Kittinger, Jr.) упало давление в правой перчатке во время подъема на 103000 футов (19,5 миль или 31,4 км) в негерметизированной гондоле. Несмотря на потерю давления, он продолжил полёт, хотя в руке появилась сильная боль и она потеряла подвижность. После того, как он вернулся на землю, состояние его руки нормализовалось.

Киттингер писал в National Geographic (ноябрь 1960 г.): «На высоте 43000 футов (13,1 км) я понял, что не так. Моя правая рука ведёт себя неправильно. Я проверил давление в перчатке; воздушного пузыря в ней не было. Перспектива подвернуть кисть руки почти полному вакууму на пике подъёма вызвала у меня определенное беспокойство. Из своего предыдущего опыта я знал, что рука будет раздуваться, тв ней почти прекратится кровообращение, возникнет сильнейшая боль… Я решил продолжить подъём, и не стал сообщать наземному управлению о моих трудностях».

На высоте 103000 футов (31,4 км) он пишет: «Кровообращение почти прекратилось в моей разгерметизированной правой руке, она стала жёсткой и болезненной».

И во время посадки: «Дик смотрит на мою распухшую руку с беспокойством. Тремя часами позже опухоль спала, не оставив никаких последствий».

Случай декомпрессии, происшедший с Киттингером, рассматривается в книге Шейлера «Бедствиях и авариях во время пилотируемых космических полётов» (Disasters and Accidents in Manned Spaceflight):
[Когда Киттингер достиг пика подъёма] «его правая рука в два раза превышала нормальный размер… Он пытался отключить некоторое оборудование ещё до посадки, но не смог, так как правая рука причиняла ужасную боль. Он приземлился в 13 мин 45. сек. покинув “Excelsior”. Через три часа после посадки его распухшая рука и кровообращение в ней вернулись в нормальное состояние».

См. также статью Леонарда Гордона в “Aviation Week” от 13 февраля 1996 года (Leonard Gordon, Aviation Week, February 13th 1996.)

Наконец, в конференции sci.space, Грегори Беннетт описывает реальный космический инцидент: «У нас был один случай с проколом в скафандре во время полетов «шаттлов». На STS-37, во время одного из моих летных экспериментов, одно из рёбер жёсткости на ладони перчатки одного из астронавтов разболталось в креплении, сместилось внутри перчатки и прокололо её между большим и и указательным пальцем. Не было взрывной декомпрессии, просто маленькое отверстие длиной 1/8 дюйма (около 3 мм), но это было весьма интересно, поскольку она была первой травмой, когда-либо произошедшей вследствие повреждения скафандра. Как ни удивительно, но астронавт даже не знал, что произошёл прокол! Он был настолько взвинчен адреналином, что только по возвращении из полёта заметил болезненный красный след на руке. Он думал, что перчатка просто натёрла ему руку и не беспокоился об этом… Что же случилось: когда металлическая пластина проколола перчатку, кожа руки астронавта частично запечатала отверстие. Он закровоточил в космос, и тут же его свернувшаяся кровь запечатала отверстие так, что осталась внутри дыры».


Взрывная декомпрессия

Обсуждение в этой статье сосредоточено исключительно на воздействии вакуума на человека. Однако в общем случае воздействие вакуума будет также включать в себя и быструю декомпрессию. Это событие обычно называют «взрывной декомпрессией», и, в отличие от простого воздействия вакуума на тело, явление взрывной декомпрессии само по себе весьма опасно. Как уже отмечалось, взрывная декомпрессия будет проявляться ещё сильнее, если субъект, подвергшийся декомпрессии, попытается задержать дыхание во время декомпрессии.

В «Справочнике лётного врача ВВС США» (“The USAF Flight Surgeon's Guide”) Фишер перечисляет следующие последствия, вызванные расширением газов во время декомпрессии.

1. Желудочно-кишечный тракт во время быстрой декомпрессии
Одной из наиболее вероятных проблем в ходе быстрой декомпрессии является расширение газов в полостях тела. Расстройство брюшной полости во время быстрой декомпрессии, как правило, не сильно отличаются от тех, которые могут произойти во время медленной декомпрессии. Тем не менее, расстройство в брюшной полости может повлечь за собой существенные последствия. Из-за расширяющегося газа, находящегося в желудке, диафрагма перемещается вверх что может воспрепятствовать дыхательным движениям. Расстройства органов брюшной полости также могут воздействовать на отростки блуждающего нерва, что может послужить причиной сердечно-сосудистой депрессии, а в самых серьёзных случаях — вызывать снижение артериального давления, потерю сознания и шок. Обычно, внутрибрюшное расстройство после быстрой декомпрессии исчезает как только выходит наружу избыточный газ.

2. Лёгкие в ходе быстрой декомпрессии
Из-за того, что в лёгких, как правило, содержится относительно большой объем воздуха и из-за деликатной структуры лёгочной ткани и наличия сложной альвеолярной системы для прохождения воздуха считается, что легкие являются потенциально наиболее уязвимой частью тела во время быстрого декомпрессии. При быстрой декомпрессии избыточное давление нарастает быстрее, чем легкие могут его компенсировать, вследствие чего давление в лёгких будет нарастать. Если пути выхода воздуха из легких заблокированы полностью или частично, то в случае внезапного падения давления в кабине существует опасность возникновения высокого давления, что может привести к чрезмерному раздутию лёгких и грудной клетки.

Если дыхательные пути открыты, никаких серьезных травм в результате быстрого декомпрессии не происходит, даже если надета кислородная маска, но последствия будут катастрофическим, вплоть до смертельного исхода, если легочного проходы заблокированы — например, если пилот постарается задержать дыхание с легкими, полными воздуха. В этом случае воздух в легких во время декомпрессии не может выйти наружу, поэтому легкие и грудная клетка сильно расширяются из-за чрезмерно высокого внутрилёгочного давления, что приводит к разрыву легочных тканей и капилляров. Находящийся внутри воздух, разрывая легкие, проникает в грудную клетку и через разрывы в стенках кровеносных сосудов попадает в систему кровообращения. Воздушные пузырьки в больших количествах разносятся по всему организму и оказываются в таких жизненно важные органах, как сердце и мозг.

Движение этих воздушных пузырьков похоже на воздушную эмболию, возникающую у аквалангистов и при аварийном спасении с подводной лодки, когда человек поднимается с глубины с задержкой дыхания. Человеческие лёгкие устроены таким образом, что кратковременная задержка дыхания (например, глотание или зевание) не создаёт в легких давления, превышающего их предела прочности на растяжение.

3. Декомпрессионная болезнь (кессонная болезнь)
Учитывая скорость подъёма на сравнительно большие высоты, увеличивается вероятность декомпрессионной болезни.

4. Гипоксия (Hypoxia, кислородное голодание)
После разгерметизации кабины находящиеся в ней сразу же подвергаются механическому воздействию быстрой декомпрессии, а угроза последующей гипоксии становится всё более серьёзной с увеличением высоты. Время до потери сознания после падения давления в кабине снижается из-за того, что кислород переходит из венозной крови в легкие. Гипоксия является самой большой проблемой после декомпрессии.


Наблюдаемые признаки быстрой декомпрессии
...
а) Резкий, «взрывоподобный» шум. При столкновении двух различных воздушных масс возникает громкий шум. Именно из-за этого взрывоподобного шума часто используется термин «взрывная декомпрессия» для описания быстрой декомпрессии.

б) Летающий мусор. Быстрое истечение воздуха из кабины самолёта во время декомпрессии столь велико, что незакреплённые предметы, находящиеся в кабине, силой давления будут затягиваться в образовавшееся отверстие. Например, карты, графики, полётный журнал и прочие подобные предметы будут вылетать наружу через отверстие. Грязь и пыль на несколько секунд ухудшают видимость.

в) Туман. Воздуха при любой температуре и давлении имеет способность удерживать некоторое количество водяного пара. Резкое изменение температуры или давления изменяют способность воздуха удерживать водяной пар. При быстрой декомпрессии температура и давление снижаются, при этом снижается и количество удерживаемого воздухом водяного пара. Водяной пар, не удерживаемый воздухом, становится заметен в виде тумана. Это туман быстро рассеивается (например, в кабине истребителя). Если это салон более крупного самолета, туман рассеивается медленнее.

г) Температура. Обычно во время полёта температура в кабине поддерживается на уровне комфортности, однако при подъёме температура за бортом снижается. В случае декомпрессии температура в салоне быстро падает. Если у пилота нет соответствующего защитного костюма, может произойти переохлаждение и обморожение.

д) Давление.


От чего зависит скорость декомпрессии?

Время декомпрессии зависит от размера пробоины. Для скорости оценки можно предположить, что воздух выходит через отверстие со скоростью звука. Так как давление падает по мере истечения воздуха через отверстие, скорость истечения воздуха составляет примерно 60% от скорости звука, или около 200 метров в секунду при комнатной температуре воздуха (см. уравнение Хиггинса):

P = Po exp[-(A/V)t*(200m/s)]


Это позволяет вывести очень простое (и весьма приблизительное) правило: в объёме в один кубический метр отверстие площадью в один квадратный сантиметр вызовет снижение давление в десять раз примерно за сто секунд.

Это очень приблизительный подсчёт. Время прямопорционально объёму и обратнопропорционально размеру отверстия. Например, в объёме три тысячи кубометров через отверстие в десять квадратных сантиметров давление снизится от 1 атмосферы до 0,01 атмосферы за 60 тысяч секунд, или семнадцать часов (при более точном расчёте обнаружим, что это будет 19 часов).

Исчерпывающей работой по этому вопросу является труд Деметриадеса (Demetriades, 1954) “On the Decompression of a Punctured Pressurized Cabin in Vacuum Flight”.

Справочно. Когда давление снижается примерно до 50% атмосферного человек оказывается в области «критической гипоксии», а когда давление падает примерно до 15% атмосферного, оставшееся время полезного сознания сокращается до 9–12 секунд в зависимости от свойств вакуума.

Upd. 20.10.2009
Полезная ссылка на научно-популярную брошюру из серии «Космонавтика, астрономия»:
Нусинов М. Д. Космический вакуум и надежность космической техники. — М.: Знание, 1986. — 64 с.

@темы: Полезности