CC BY
208
1
МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ИНТЕРЕСАХ ОСВОЕНИЯ «ДАЛЬНЕЕО» КОСМОСА
В.П. Катунцев1, Ю.Ю. Осипов 2, С.Н. Филипенков3, Г.Г. Тарасенков1, А.Н. Краснов4
Российский опыт медицинского обеспечения внекорабельной деятельности космонавтов, проведенной с борта Международной космической станции, в 2001-2015 гг.
1 НИИ космической медицины ФГБУ «Федеральный научно-клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий» ФМБА России, г. Москва 2 ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем» РАН, г. Москва 3 ОАО Научно-производственное предприятие «Звезда», г. Томилино, Московская обл. 4 ФГБУ «Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина», Звездный городок, Московская обл.
V.P. Katuntsev1, Yu.Yu. Osipov 2, S.N. Filipenkov3,
G.G. Tarasenkov1, A.N. Krasnov4
Russian Experience in the Medical Support of Extravehicular Activity Conducted from the International Space Station: 2001-2015
1 Research Institute for Space Medicine Federal Research Clinical Center of Specialized Types of Medical Care and Medical Technologies, Federal Biomedical Agency of Russia, Moscow 2 SSC —RF-Institute for Biomedical Problems of Russian Academy of Sciences, Moscow
3 Scientific & Production Enterprise "Zvezda", Tomilino, Moscow region
4 Gagarin Cosmonauts Training Center Zvezdniy Gorodok, Moscow region
Ключевые слова: медицинский контроль, космонавт, внекорабельная деятельность, космический полет, Международная космическая станция, скафандр, невесомость, высотная деком-прессионная болезнь, режим труда и отдыха.
Keywords: medical monitoring, cosmonaut, extravehicular activity, spaceflight, International Space Station, spacesuit, microgravity, altitude decompression sickness, work and rest schedule.
Статья посвящена обзору и анализу основных результатов медицинского обеспечения 48 сеансов внекорабельной деятельности (ВКД), проведенной с борта Международной космической станции (МКС) в скафандрах «Орлан», за 15-летний период ее эксплуатации — с июня 2001 по август 2015 г. Приводятся данные о составе участников ВКД, продолжительности работы космонавтов в открытом космосе. Подробно описаны российская система медицинского сопровождения подготовки и проведения ВКД, мероприятия по обеспечению декомпрессионной безопасности ВКД, особенности построения режима труда и отдыха космонавтов на этапе подготовки и проведения работ
This paper summarizes and analyses the principal results of medical support of 48 two-person sessions of extravehicular activities (EVAs) which were carried out from the Russian Segment of the International Space Station in "Orlan " spacesuits during the 15-year period between June 2001 and August 2015. The EVAs were participated by forty-two crew members and the maximum duration of a spacewalk was equal to 8 h 07 min. The research contains a detailed description of Russian EVAs medical support system and methods of monitoring cosmonauts' health status, approach to EVAs decompression safety, peculiarities of cosmonauts' work and rest schedules during EVAs training and
в открытом космосе, методы и результаты оперативного контроля за состоянием здоровья космонавтов во время выполнения операций ВКД. Все работы в открытым космосе, выполненные в скафандре «Орлан» с борта МКС, завершились благополучно. В практике отечественной ВКД отсутствовали случаи ее преждевременного завершения по медицинским показаниям. Оперативный контроль за динамикой физиологических показателей и анализ параметров системы жизнеобеспечения скафандра позволяли надежно контролировать состояние здоровья участников ВКД, прогнозировать и предупреждать развитие неблагоприятных изменений.
performance. All extravehicular activities performed in "Orlan" spacesuits from the ISS were completed successfully. Medical monitoring and analysis of spacesuit life support system parameters made it possible to reliably control cosmonauts' health status and predict and prevent negative developments.
Внекорабельная деятельность (ВКД) космонавтов является важным элементом программы пилотируемого космического полета. Для защиты от пагубного воздействия на организм человека экстремальных факторов открытого космического пространства работа космонавта вне кабины космического объекта выполняется в специальном индивидуальном снаряжении — скафандре ВКД. Он изолирует космонавта от окружающего вакуума и обеспечивает поддержание необходимых для его жизнедеятельности параметров автономной среды обитания. При реализации космических программ ВКД широко используется для проведения ремонтных и наладочных операций в открытом космосе, замены вышедших из строя узлов и агрегатов космических объектов, обслуживания спутников, монтажа крупных габаритных конструкций на внешней поверхности орбитальных станций, проведения научных экспериментов, испытаний новой космической техники. В 1969—1972 гг. ВКД успешно реализована при десантировании шести экипажей космических кораблей «Аполлон» (№ 11, № 12, № 14-17) на лунную поверхность с общим временем пребывания астронавтов на Луне 300,2 часа [7, 14, 22]. Современный период развития пилотируемой космонавтики характеризуется переходом от проведения орбитальных полетов к подготовке полетов в дальний космос. В проектах перспективных пилотируемых экспедиций к Луне и Марсу ВКД должна занимать центральное место [5].
Цель настоящей работы — сделать обзор российского опыта медицинского сопровождения ВКД, проведенной с бор-
та Международной космической станции (МКС), за 15-летний период ее эксплуатации (с июня 2001 по август 2015 г.) в качестве основы формирования принципов медицинской безопасности подобных операций в дальнем космосе.
Общие статистические сведения
Начиная с полета орбитальной станции «Салют-6», для работы экипажей в открытом космосе в нашей стране используются скафандры полужесткого типа «Орлан» с автономной системой обеспечения жизнедеятельности (АСОЖ), измерительным комплексом и костюмом водяного охлаждения (КВО), позволяющим поддерживать тепловой баланс организма человека практически при любом уровне физической активности [1]. При выполнении программы орбитальных полетов на МКС российские скафандры «Орлан» были использованы экипажами 29 основных экспедиций для проведения 48 выходов в открытый космос (табл. 1). В каждом выходе принимали участие два члена экипажа. Всего за 15-летний период эксплуатации МКС проведено 96 человеко-выходов. Возраст участников ВКД составил от 34 до 59 лет (средний возраст — 44,7±0,55 года). Среди участников ВКД были 29 российских космонавтов и 13 астронавтов NASA; всего 41 мужчина и 1 женщина.
В зависимости от задач конкретной ВКД продолжительность пребывания космонавтов в открытом космосе колебалась в широком диапазоне — от 20 мин работы, проведенной в июне 2001 г. космонавтом Ю.В. Усачевым и астронавтом Д. Воссом, до 8 час 07 мин работы, выполненной в дека-
Таблица 1 Сводные данные о количестве и продолжительности ВКД, проведенной в 2001—2015 гг. в скафандрах «Орлан»
Показатель Значение
Количество ВКД 48
Количество участников ВКД 42
Количество человеко-выходов 96
Количество космонавтов 29
Количество астронавтов NASA 13
Общая продолжительность ВКД (час:мин) 254:36
Общая продолжительность ВКД (человеко-час) 509,2
Средняя продолжительность одного сеанса ВКД (час:мин) 5:18
Максимальная продолжительность одного сеанса ВКД (час:мин) 8:07
Минимальная продолжительность одного сеанса ВКД (час:мин) 0:20
бре 2013 г. космонавтами О.В. Котовым и С.Н. Рязанским. Средняя продолжительность одного сеанса ВКД на Российском сегменте (РС) МКС, рассчитываемого как время работы членов экипажа в скафандрах от открытия до закрытия выходного люка, составила 5 час 18 мин (318,3±9,9 мин), что превысило среднее время выполнения работ в открытом космосе при полетах орбитальных станций (ОС) «Мир» (4 час 36 мин), «Салют-7» (3 час 35 мин) и «Салют-6» (1 час 14 мин). Максимальная продолжительность ВКД, выполненной с борта РС МКС (8 час 07 мин), также превысила максимальную длительность ВКД при реализации программы полетов на ОС «Мир» (7 час 14 мин), «Салют-7» (5 час 00 мин) и «Салют-6» (2 час 05 мин). Суммарно члены экипажей МКС в скафандрах «Орлан» провели в открытом космосе 254 час 36 мин (509,2 человеко-часа).
Частота выходов космонавтов в открытый космос в рассматриваемый период составляла от 1 до 6 в год, что зависело от специфики выполняемых экипажами заданий, определяемых научно-техническими программами космических полетов конкретных экспеди-
ций МКС (рис. 1). Как видно из представленных на рисунке 1 данных, в 2003 г. работы в открытом космосе в скафандрах «Орлан» не предусматривались и не проводились.
Самый ранний выход в открытый космос с борта РС МКС выполнен на 22-е сутки полета, а самый поздний — на 168-е сутки пребывания космонавтов на орбите. Наибольшее число ВКД проведено в течение 2—6 месяцев полета на этапе устойчивой адаптации космонавтов к условиям невесомости (рис. 2).
На этапе острого периода адаптации организма к невесомости ВКД с борта РС МКС в скафандрах «Орлан» не планировалась ввиду повышенного риска развития космической болезни движения. Имеющийся в нашей стране опыт медицинского сопровождения ВКД при реализации более ранних космических программ (ОС «Салют-6», «Салют-7», «Мир») свидетельствует о возможности успешного выполнения длительных работ в открытом космосе на 7—10-е сутки полета и спустя более полугода пребывания космонавтов на околоземной орбите [7]. В полетах по программе «Space Shuttle»
Рис. 1. Частота выполнения ВКД в скафандрах «Орлан» на РС МКС
эе
51-90
Сутки полета
Рис. 2. Частота выполнения ВКД в скафандрах «Орлан» на РС МКС на разных этапах длительного космического полета
с большим объемом ВКД в первую неделю пребывания в невесомости медицинские специалисты NASA активно использовали медикаментозные средства профилактики и купирования у астронавтов проявлений космической болезни движения [28].
Система медицинского сопровождения подготовки и выполнения космонавтами ВКД
В соответствии с Полетными правилами, действующими на МКС, при использовании для ВКД российского скафандра «Орлан» ответственными за подготовку, техническое и медицинское сопровождение ВКД являются российские специалисты, а функции ведущего Центра управления полетами (ЦУП) выполняет российский ЦУП.
В целях сохранения нормального состояния здоровья и поддержания высокого уровня работоспособности космонавтов при работе в открытом космосе в нашей стране была создана, успешно апробирована в длительных космических полетах на ОС «Салют-6» и «Салют-7» и с началом функционирования ОС «Мир» внедрена в практику многоэтапная система медицинского обеспечения ВКД [2; 24]. Эта система включает: медицинский контроль в процессе специальных тренировок с использованием скафандра в лаборатории гидроневесомости, вакуумных камерах и других стендах при подготовке космонавтов к полету; проведение в ходе полета углублен-
ного медико-психологического обследования экипажа для определения его исходного функционального состояния и работоспособности за 1,5—2 недели до предстоящей операции «Выход»; утренний медицинский контроль в сутки ВКД, по результатам которого решается вопрос о допуске экипажа к ВКД; оперативный медицинский контроль во время ВКД и краткое обследование участников ВКД после завершения операции «Выход» и снятия скафандров (табл. 2).
В период работы космонавтов в открытом космосе контроль за состоянием их здоровья осуществляется по результатам оперативного анализа поступающей в ЦУП медицинской информации (ЭКГ, температура тела, частота сердечных сокращений), информации, отражающей основные параметры функционирования АСОЖ скафандра, данных радиообмена и телевизионного наблюдения за поведением и деятельностью экипажа.
При работе в скафандре частота сердечных сокращений (ЧСС) у космонавтов рассчитывается по кривой ЭКГ, регистрируемой в отведении Б-Б. Температура тела контролируется термистором, укрепляемом на коже в заушной ямке участника ВКД. Мониторинг микроклимата скафандра предусматривает контроль давления газовой атмосферы, концентрации СО2, разности СО2 на входе/выходе поглотительного патрона, величины вентиляции скафандра, температуры жидкости на входе в КВО и на выходе).
Таблица 2 Этапы и методы контроля за состоянием здоровья космонавтов при подготовке и выполнении ВКД
Этапы медицинского обеспечения Содержание медицинского обеспечения
Медицинское сопровождение предполетной подготовки ВКД-тренировка в вакуумной барокамере. ВКД-тренировка в лаборатории гидроневесомости
Углубленное обследование в полете за 1,5—2 недели до ВКД. Подготовка медицинского заключения о готовности экипажа к выполнению ВКД Данные медицинского и психологического обследования. Оценка состояния мышечного аппарата рук и физической работоспособности с использованием специальных тестов на велоэргометре (МО-6 и МО-5)
Утренний медицинский контроль в сутки выполнения ВКД. Подготовка медицинского заключения о допуске экипажа к выполнению ВКД Доклад участников ВКД о самочувствии. Регистрация ЭКГ (Б-Б) и частоты сердечных сокращений. Измерение артериального давления. Измерение температуры тела, биохимический анализ мочи
Оперативный медицинский контроль во время ВКД Регистрация ЭКГ (Б-Б), температуры тела, частоты сердечных сокращений. Расчет уровня энерготрат, теплосъема и теплопродукции. Регистрация параметров системы жизнеобеспечения скафандра: уровня давления газовой среды, концентрации СО2, температуры жидкости на входе в костюм водяного охлаждения, давления кислорода в баллонах, величины вентиляции. Анализ данных радиопереговоров, докладов участников ВКД о самочувствии, телевизионных изображений
Краткое обследование после ВКД Анализ докладов участников ВКД о самочувствии, данных радиопереговоров и телевизионных изображений; биохимический анализ мочи
Разность СО2 и величина вентиляции являются основой для расчета уровня энерготрат и соответственно теплопродукции космонавта методом непрямой калориметрии. По разности температуры на входе в КВО и на выходе с учетом скорости циркуляции жидкости и перспираторных потерь рассчитывается теплосъем с поверхности тела космонавта.
Телеметрическая информация передается от измерительного комплекса скафандра на бортовую телеметрическую систему орбитальной станции, а затем в составе общего потока телеметрии транслируется в ЦУП, где обрабатывается и отображается на рабочих местах специалистов. Для приема, обработки, отображения и регистрации биомедицинских параметров во время ВКД в ЦУП используется программно-аппаратный комплекс «Комастра», который позволяет проводить оперативную обработку, отображение и ретроспективный анализ поступающей информации, а также ее архивирование на бумажном и магнитном носителях. Просмотр телевизионных изображений операций ВКД, передаваемых на Землю в реальном масштабе времени, позволяет контролировать характер локомоций космонавтов, их рабочую позу, распределение нагрузки между космонавтами, а после возвращения участников ВКД на станцию и снятия скафандров при необходимости проводить осмотр состояния их кожных покровов.
Согласно российскому протоколу на период работы экипажа в скафандрах «Орлан» приоритет управления медицинским обеспечением космического полета передается специальной межведомственной подгруппе — подгруппе медицинского обеспечения операции «Выход» (МОВ) Группы медицинского обеспечения Головной оперативной группы управления (ГМО ГОГУ) ЦУП. Деятельность подгруппы МОВ регламентируется пакетом документов, включающих Положение по медицинскому обеспечению ВКД, инструкции по оценке физической работоспособности членов экипажа для допуска к выполнению ВКД, объему медицинского обследования космонавтов в сутки ВКД, проведению оперативного медицинского контроля во время ВКД, оказанию неотложной медицинской помощи, так-
тике действий при возникновении нештатных ситуаций и т.д. [8]. С момента образования подгруппы МОВ в 1977 г. и вплоть до конца 2012 г. ее бессменным руководителем был начальник отдела ОАО НПП «Звезда» д.м.н., профессор А.С. Барер. В настоящее время в состав подгруппы МОВ входят специалисты четырех организаций: НИИ космической медицины ФНКЦ ФМБА России, ОАО НПП «Звезда», ГНЦ РФ ИМБП РАН и Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина. Участие в работе подгруппы МОВ медицинских специалистов, сопровождающих дополетную подготовку космонавтов к ВКД, позволяет, сопоставляя результаты медицинского контроля при тренировках с фактическими данными во время ВКД, получать более полную информацию о текущем функциональном состоянии и резервных возможностях космонавтов, работающих в открытом космосе, что, по нашему мнению, повышает медицинскую безопасность этих операций. При выполнении ВКД с участием иностранных членов экипажа к работе подгруппы МОВ привлекаются медицинские представители международных партнеров по МКС.
Обеспечение декомпрессионной безопасности ВКД
Одна из важных задач медицинского обеспечения ВКД — разработка и реализация мероприятий по надежной защите космонавтов от развития высотной декомпрессионной болезни (ВДБ). Это обусловлено тем обстоятельством, что для обеспечения удовлетворительной подвижности космонавта, облаченного в скафандр для ВКД, и снижения усилий, затрачиваемых им на выполнение операций в окружении космического вакуума, в скафандре поддерживается более низкое давление, чем в кабине космического корабля и (или) ОС. Следовательно, процедура перехода космонавта из атмосферы пилотируемого космического объекта на режим рабочего давления скафандра неизбежно связана с воздействием на организм декомпрессии и созданием условий для появления в крови и тканях газовых пузырьков, являющихся причиной возникновения ВДБ. Самыми частыми ее симптомами являются боли в конечностях
различной интенсивности [4], появление которых у космонавтов может стать причиной невыполнения заданий по ВКД. Однако в ряде случае возможно развитие у пострадавших тяжелых системных нарушений с поражением нервной системы, расстройствами зрения, дыхания, кровообращения [10; 18] и даже летальными исходами [19].
Основным компонентом образующихся при декомпрессии газовых пузырьков, как известно, является инертный компонент газовой среды обитания, следовательно, в случае воздушной среды газовые пузырьки преимущественно состоят из азота. Уровень риска В ДБ принято оценивать по величине коэффициента перенасыщения тканей инертным компонентом вдыхаемой газовой смеси [13], который рассчитывается как отношение исходной величины парциального давления инертного газа в тканях с периодом полунасыщения 360 минут к уровню окружающего давления после декомпрессии. Результаты ранее выполненных исследований привели физиологов к разработке процедуры предварительной деса-турации организма от азота путем дыхания чистым кислородом перед подъемом на высоту как эффективного метода предупреждения развития ВДБ у летчиков [20].
На МКС в качестве среды обитания используется нормобарическая газовая среда, близкая по своим параметрам к обычной воздушной атмосфере, а уровень рабочего давления скафандра «Орлан» составляет 40 кПа, что эквивалентно окружающему давлению на высоте порядка 7300 м. В качестве газовой среды в скафандре используется кислород, причем процентное содержание азота после продувки скафандра кислородом допускается не более 1—2%.
В целях защиты участников ВКД от ВДБ российский протокол подготовки космонавтов к операции «Выход» в скафандрах «Орлан» на РС МКС предусматривает 30-минутный период десатурации организма от азота в кислородной атмосфере скафандра при давлении 73 кПа [17]. В практике выполнения ВКД не было случаев сокращения этого периода. Однако в процессе подготовки к одной из операций «Выход» продолжительность десатурации по техническим причинам была увеличена до 1,2 часа. При работе в от-
крытом космосе ни у одного из 42 участников ВКД симптомы ВДБ не возникали.
Согласно общей полетной статистике все проведенные к настоящему времени 287 человеко-выходов из российских космических кораблей и орбитальных станций, в том числе 96 человеко-выходов с борта МКС, завершились без признаков возникновения ВДБ. По расчетам, сделанным ранее на основании общего числа реально проведенных ВКД и наземных исследований, выполненных по моделированию ВКД с использованием скафандра в вакуумной камере, российский протокол подготовки и проведения ВКД предотвращает возникновение ВКД у космонавтов с надежностью не ниже 0,995 при доверительном уровне вероятности 0,95 [16]. Особо необходимо подчеркнуть, что такой уровень безопасности достигнут на фоне весьма непродолжительной подготовки к ВКД, формально включающей лишь 30 минут целенаправленной де-сатурации организма от азота. При этом начальная величина коэффициента перенасыщения организма азотом составляла от 1,6 до 1,95 в зависимости от конкретного газового состава и давления в жилых отсеках космического объекта в день ВКД и конкретного давления в скафандре.
У астронавтов, выполнявших ВКД в американском скафандре EMU c давлением 30 кПа, также не было отмечено симптомов ВДБ [21; 29]. Однако в условиях наземного моделировании российского и американского протоколов обеспечения декомпрессионной безопасности ВКД без использования скафандра частота возникновения ВДБ составляет от 10 до 30% [4; 26]. Согласно современным представлениям высокая декомпрес-сионная безопасность реальной ВКД на фоне значительного риска возникновения ВДБ при моделировании ВКД в высотной камере без использования скафандра обусловлена инги-бирующим действием скафандра и невесомости на механизмы образования и скорости роста в тканях космонавтов патогенных газовых пузырьков как этиологического фактора ВДБ [15; 23; 27]. Однако отсутствие случаев возникновения ВДБ при реальной ВКД еще не означает, что проведение этих операций по принятым в России и США протоколам полностью безопасно. Имитация ВКД
в скафандре с уровнем рабочего давления 38—40 кПа не исключает возможности формирования в организме «немых» газовых пузырьков, которые в ряде случаев удается обнаружить в венозном кровотоке ультразвуковой доплеровской аппаратурой [9]. Еще более вероятным представляется возникновение ВДБ у космонавтов и астронавтов при ВКД в случае нарушения по каким-либо причинам штатного протокола ее проведения, как, например, при сокращении длительности предварительной десатурации организма от азота или при снижении давления в скафандре [3].
Рассматривая проблему обеспечения декомпрессионной безопасности ВКД, уместно также отметить, что существующие в пилотируемой космонавтике на сегодняшний день скафандры разработаны применительно к условиям орбитального полета и выполнения ВКД в невесомости. Однако при длительной работе в невесомости в современных скафандрах с давлением 30—40 кПа у членов экипажей нередко появляются признаки общего утомления и утомления мышечного аппарата рук. Развитие утомления следует расценивать как весьма неблагоприятное явление, негативно отражающееся на безопасности работы человека в открытом космосе. Использование индивидуального снаряжения с эргономическими характеристиками, близкими к характеристикам современных скафандров, в предстоя -щих межпланетных полетах представляется весьма проблематичным, особенно для условий лунной (1/6 g) и тем более марсианской (1/3 g) гравитации ввиду существенно возрастающей при этом дополнительной нагрузки на организм космонавта, обусловленной весом скафандра и собственным весом члена экипажа.
Теоретически самым действенным методом профилактики ВДБ при ВКД является поддержание в скафандре рабочего давления свыше 60 кПа. К сожалению, разработка подвижного скафандра с «высоким» уровнем давления представляет собой весьма сложную техническую проблему. Вместе с тем реализацию этой идеи следует рассматривать как одну из актуальных задач для перспектив пилотируемой космонавтики.
Другим из возможных путей решения этой проблемы (создания подвижного скафандра) может стать использование скафандра с низким уровнем рабочего давления, как это, например, имело место при реализации серии лунных экспедиций по программе «Аполлон» [22; 25]. Однако поддержание в скафандре низкого давления приводит к значительному повышению риска возникновения ВДБ при переходе экипажа из нор-мобарической атмосферы космического корабля, что подчеркивает потребность в проведении дальнейших исследований для обоснования оптимальных методов защиты экипажа от ВДБ при полетах в дальний космос с десантированием экипажа на поверхность небесных тел.
Особенности режима труда и отдыха космонавтов на этапе подготовки и проведения ВКД
Рациональное построение режима труда и отдыха (РТО) является важным средством поддержания оптимального уровня работоспособности экипажа в космических полетах большой продолжительности. Особенности РТО космонавтов на этапе подготовки и проведения ВКД подробно описаны в раннее опубликованных нами работах [6—8].
В сутки проведения ВКД рабочий день подчинен целям предстоящего выхода в открытый космос. В этот день деятельность космонавтов можно условно разделить на следующие этапы:
• проведение подготовительных операций ( осмотр станции, утренний медицинский контроль, закрытие люков станции, надевание снаряжения, прямое шлюзование с проверкой герметичности скафандров, процедурой десатурации организма от азота, открытием выходного люка);
• работа в открытом космосе;
• проведение заключительных операций (обратное шлюзование, выход из скафандров, медицинский контроль, расконсервация станции, сушка и замена сменных элементов скафандров).
Выполнение всего объема указанных операций требует увеличения продолжительности рабочей зоны космонавтов в сут-
ки ВКД (от подъема до отхода ко сну) до 19,5-20,5 часа.
При выполнении полетов на ОС «Салют-6», «Салют-7», «Мир», а также до октября 2010 г. на МКС РТО космонавтов в период подготовки и выполнения ВКД планировали на основе технических возможностей российских коммуникационных систем с учетом продолжительности зон передачи телеметрической информации и радиосвязи экипажа со специалистами ЦУП. Необходимость «привязки» начала ВКД к наиболее продолжительным зонам связи экипажа с ЦУП, а также к условиям освещенности на орбите часто приводила к заметному сдвигу суточного цикла деятельности экипажа, смещению привычного времени отхода ко сну на срок от 1,5 до 7 часов (как «вправо», так и «влево») накануне операции «Выход» и времени пробуждения экипажа на следующий день после завершения ВКД. Согласно такому подходу в большинстве случаев (60%) ВКД на РС МКС проводили в ночные и вечерние часы и только в 32% — в дневные [6]. В зависимости от полетной программы РТО инвертировали по усмотрению экипажа однократно или на 1—2 часа в сутки. В случае предстоящих ночных работ космонавтам после обеда предоставляли дополнительное личное время для отдыха. Однако не все космонавты могли использовать его для сна. У ряда из них отмечалось доминирование привычного суточного стереотипа. На следующий день после ВКД экипажу предоставлялись сутки отдыха, в течение которых, однако, им требовалось проводить регламентные работы со скафандром и операции по обслуживанию систем МКС.
Начиная с работы на орбите экипажа МКС-25, при техническом сопровождении работ в скафандрах «Орлан» на РС МКС стали использоваться телекоммуникационные каналы NASA, позволяющие поддерживать с космонавтами радиосвязь, осуществлять передачу параметров функционирования АСОЖ скафандра и данных оперативного медицинского контроля в режиме онлайн на протяжении всего периода ВКД. Это внедрение позволило проводить подготовку и выполнение плановых работ в открытом космосе в дневные часы. Тем не менее в сутки
ВКД ряд заключительных операций экипажу все-таки приходится выполнять в поздние вечерние и ночные часы и планировать отход ко сну только около 2—3 часов после полуночи.
Таким образом, можно заключить, что работа экипажей на этапе подготовки и осуществления ВКД сочеталась с нарушением привычного суточного распорядка, характеризовалась пролонгированным рабочим днем, ограниченностью времени для отдыха, выполнением рабочих операций в ночные часы. При обосновании рекомендаций на перспективу следует иметь в виду, что любые эпизоды работы в ночные часы выполняются в состоянии естественного снижения функциональных возможностей организма, обусловленного суточной ритмикой его активности, поэтому нагрузки на организм в ночные часы сопровождаются более высоким по сравнению с дневными часами напряжением его функциональных систем и повышенной вероятностью ошибочных решений и действий [11]. С этими представлениями хорошо согласуются наши данные, полученные при сравнении ЧСС у космонавтов в процессе проведения ВКД на ОС «Мир» в разное время суток. При выполнении одними и теми же космонавтами однотипных операций ЧСС в ночное время у них часто была выше, чем в дневное. Вероятно, особые психологические и физиологические трудности ночной работы, выполняемой на фоне естественного снижения работоспособности, приводили к формированию более высокого уровня психической напряженности космонавтов при выполнении ВКД в ночные часы по сравнению с дневными, что отразилось в ночном повышении ЧСС [12].
Основные данные оперативного медицинского контроля
Основные данные медицинского мониторинга во время ВКД на РС МКС приведены в таблице 3. В спокойные периоды уровень энерготрат составлял 1,2—2,5 ккал/мин при ЧСС 51—60 мин-1. В периоды максимальных нагрузок значения энерготрат могли на короткий период достигать 8—9,8 ккал/мин при ЧСС до 150—168 мин1.
При анализе вопроса о физиологической стоимости физических нагрузок следует принимать во внимание, что выполнение всех операций ВКД, включая перемещение космонавта по внешней поверхности орбитальной станции, осуществляется с преимущественной нагрузкой на мелкие группы мышц — мышцы верхних конечностей и плечевого пояса. Такой, регионарный, тип физической нагрузки может восприниматься как утомительная работа, приводящая к быстрому развитию мышечного утомления.
При выполнении типовых операций и хорошем самочувствии космонавтов уровень энерготрат у большинства участников ВКД находился в диапазоне от 3 до 6 ккал/мин при ЧСС от 75-80 до 112-115 мин1. Эти величины энерготрат и ЧСС следует расценивать в качестве базисных значений, соответствующих оптимальному функциональному состоянию космонавтов во время штатного выполнения программы ВКД. В период выполнения наиболее трудоемких работ с энерготратами более 6,0 ккал/мин ЧСС могла превышать 120-150 мин-1, что зависело от продолжительности этих операций и уровня психоэмоциональной напряженности космонавта. Как показывает опыт, в целях обеспечения безопасности ВКД выполнение рабочих операций с энерготратами, превышающими 6,0 ккал/мин, представляется допустимым лишь на короткий период (до 7-10 минут) , поскольку длительная работа с такой интенсивностью может приводить к резкому снижению физических возможностей космонавта и потребовать значительного времени для восстановления его работоспособности.
Исследование динамики массы тела участников ВКД проведено в 14 человеко-выходах. В 11 случаях обнаружено снижение массы тела. У 5 космонавтов оно составило от 1,3 до 2,5 кг, у других 6 космонавтов - от 0,1 до 0,6 кг. В остальных 3 случаях результаты измерения массы тела по-
сле завершения ВКД не отличались от исходных значений. Как следствие продолжительных и высоких нагрузок после завершения ВКД в отдельных случаях отмечено появление у космонавтов транзиторной проте-инурии и глюкозурии наряду с картиной общего умеренного утомления, мышечными болями, локальными потертостями кожи и наминами мягких тканей верхних конечностей. Появление протеинурии и глюкозурии обычно наблюдали у космонавтов с повышенными значениями ЧСС во время ВКД и снижением массы тела за период работы в скафандре более 2 кг. Обнаружение протеинурии и глюкозурии после ВКД нужно рассматривать как последствие напряженной физической нагрузки во время ВКД и с учетом этих данных строить РТО космонавтов на этапе восстановления экипажа после завершения операции «Выход» [6].
При выполнении операций ВКД в отдельных случаях на ЭКГ космонавтов наблюдали появление кратковременных эпизодов нарушения ритма сердечной деятельности по типу одиночных вентрикулярных и/или су-правентрикулярных экстрасистол. Тепловое состояние участников ВКД в целом характеризовалось как комфортное, хотя в переходных ситуациях могли появляться симптомы чаще холодового и реже теплового дискомфорта. Отмечена возможность появления у космонавтов признаков умеренного хо-лодового дискомфорта пальцев рук в результате длительного контакта с охлажденными металлическими предметами и оборудованием, расположенными на внешней поверхности МКС.
Применение в ряде выходов индивидуальных дозиметров показало, что за период работы в открытом космосе доза радиационного облучения космонавтов составляет 15-28 мрад, что находится в зоне допустимых значений [6].
Заключение
Все 48 выходов в открытый космос, выполненных в скафандре «Орлан» с борта РС МКС, завершились благополучно. Физиологические реакции участников ВКД были адекватны уровню физиологического и психоэмоционального напряжения.
Таблица 3 Основные данные оперативного медицинского контроля
Параметр Среднее значение Диапазон значений
ЧСС, мин-1 99,6 51-168
Энерготраты, ккал/мин 3,7 1,2-9,8
Температура тела, °С 36,1 34,7-37,7
Оперативный контроль за динамикой физиологических показателей и анализ параметров системы жизнеобеспечения скафандра позволяли надежно контролировать состояние здоровья участников ВКД, прогнозировать и предупреждать развитие неблагоприятных изменений. В практике отечественной ВКД отсутствовали случаи ее преждевременного завершения по медицинским показаниям.
В современных орбитальных полетах декомпрессионная безопасность ВКД обеспечивается за счет снижения оперативности подготовки к ВКД в результате необходимости проведения процедуры предварительной десатурации организма от азота и значительной дополнительной нагрузки на мышечную систему участников ВКД при выполнении операций в ригидных полужестких скафандрах с давлением 30—40 кПа. Для создания безопасных и комфортных условий работы космонавтов на поверхности Луны и Марса основные медико-биологические требования к планетарному скафандру должны включать среди прочих надежную защиту членов экипажа от ВДБ с очень коротким или нулевым периодом процедуры предварительной деса-турации организма от азота, высокую гибкость скафандра с оптимальной конструкцией сочленений для выполнения движений и низкую массу снаряжения.
Литература
1. Абрамов И.П., Дудник М.Н., Сверщек В.И. и др. Космические скафандры России. М.: ОАО НПП «Звезда», 2005.
2. Барер А.С., Вакар М.И., Филипенков С.Н. и др. Медицинское обеспечение космонавтов в открытом космическом пространстве // Физиологические проблемы невесомости / Ред. О.Г. Газенко, И.И. Касьян. М., 1990. С. 179-197.
3. Барер А.С., Филипенков С.Н. Работа космонавта в скафандре // Космическая биология и медицина / Под ред. О.Г. Газенко. М.: Наука, 1987. С. 146-176.
4. Граменицкий П.М. Декомпрессионные расстройства. Серия: Проблемы космической биологии / Под ред. В.Н. Черниговского. Т. 25. М.: Наука, 1974.
5. Григорьев А.И., Потапов А.Н., Джонс Дж.А. и др. Медицинское обеспечение межпланетных полетов // Космическая биология и медицина. Российско-американское сотрудничество в области космической биологии и медицины / Ред. И.Д. Пестов, Ч.Ф. Соуин, Н.Г. Чаус, С.И. Хансон. М.: Наука, 2009. С. 627-736.
6. Катунцев В.П., Осипов Ю.Ю., Барер А.С. и др. Медицинское обеспечение внекора-бельной деятельности // Международная космическая станция. Российский сегмент. Космическая биология и медицина. М.: ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2011. Т. 1. С. 196-213.
7. Катунцев В.П., Осипов Ю.Ю., Герн-хард М.Л. и др. Внекорабельная деятельность / / Космическая биология и медицина. Российско-американское сотрудничество в области космической биологии и медицины / Ред. И.Д. Пестов, Ч.Ф. Соуин, Н.Г. Чаус, С.И. Хансон. М.: Наука, 2009. С. 283-352.
8. Катунцев В.П., Осипов Ю.Ю., Гное-вая Н.К. и др. Медицинское обеспечение внекорабельной деятельности космонавтов / / Орбитальная станция «Мир». Космическая биология и медицина. М.: ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2001. Т. 1. С. 482-499.
9. Катунцев В.П., Филипенков С.Н., Аниси-мов О. И. Ультразвуковая локация газовых пузырьков в кровеносном русле у человека при работе в скафандре // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1992. Т. 26. № 3. С. 52-55.
10. Катунцев В.П., Щербакова М.А. Легочная форма декомпрессионной болезни: анализ 29 случаев возникновения у человека при подъемах в барокамере // Авиакосмическая и экологическая медицина. 1994. Т. 28. № 5. С. 28-33.
11. Комаров Ф.И., Захаров Л.В., Лисовский В.А. Суточный ритм физиологических функций у здорового и больного человека. Л., 1966.
12. Степанова С.И. Катунцев В. П., Осипов Ю.Ю., Галичий В.А. Частота сердечных сокращений и энерготраты при выполнении внекорабельной деятельности в
разное время суток / / Авиакосмическая и экологическая медицина. 2013. Т. 47. № 2. С. 9-13.
13. Холден Дж.С., Пристли Дж.Г. Дыхание / Пер. с англ.; ред. М.Е. Маршак. М.; Л., 1937.
14. Хорриган Д.Дж., Валигора Дж.М., Бек Б., Тревино Р.К. Внекорабельная деятельность // Космическая биология и медицина [Совместное российско-американское издание]: В 5 т. / Под ред. О.Г. Газенко, А.И. Григорьева (РФ), А.Е. Никогосяна, С.Р. Молера (США). Т. III. Кн. 2. Человек в космическом полете / Ред.: В.В. Антипов, А.И. Григорьев (РФ), К. Лич Хантун (США). М.: Наука, 1997. С. 448-468.
15. Barer A.S. EVA medical problems // Acta Astronautica. 1991. Vol. 23. P. 187-193.
16. Barer A.S. Physiological and medical aspects of the EVA. The Russian experience // SAE Technical Series No. 951591. 25th International Conference on Environmental Systems. San Diego, California, 1995.
17. Barer A.S., Filipenkov S.N. Decompression safety of EVA: soviet protocol // Acta Astronautica. 1994. Vol. 32 No. 1. P. 73-74.
18. Davis J.C., Sheffield P.J., Schuknecht L. et al. Altitude decompression sickness: Hyperbaric therapy results in 145 cases // Aviation Space and Environmental Medicine. 1977. Vol. 48. No. 8. P. 722-730.
19. Dixon J.P. Death from altitude-induced decompression sickness: major patho-physiologic factors // The Proceedings of the 1990 Hypobaric decompression sickness workshop / Ed. by A.A. Pilmanis. Air Force System Command, Brooks Air Force Base, Texas 78235-5000, 1992. P. 97-106.
20.Fulton J.F. Decompression sickness. Philadelphia; London, 1951.
21. Gernhardt, M.L., Conkin, J., Vann, R.D. et al. DCS risks in ground-based hypobaric trials vs. extravehicular activity // Undersea Hyperbaric Medicine. 2004. Vol. 31. No. 3. P. 338.
22.Johnston R.S., Dietlein L.F., Berry Ch.A. Biomedical results of Apollo. NASA. Washington, D.C., 1975.
23.Katuntsev V.P., Nikolaev V.P., Skedi-na M.A. et al. Evaluation of decompression sickness risk in headdown humans during simulation of extravehicular activity // Proceedings of 48 th International Astronautical Congress. Turin, 1997. Number: IAA-97-IAA.10.1.05. P. 7.
24.Katuntsev V.P., Osipov Yu.Yu., Barer A.S. et al. The main results of EVA medical support on the Mir Space Station // Acta Astronautica. 2004. Vol. 54. P. 577-583.
25.Morgenthaler G.W., Fester D.A., Coolfy C.G. An assessment of habitat pressure, oxygen fraction, and EVA suit design for space operations // Acta Astronautica. 1994. Vol. 32. No. 1. P. 39-49.
26.Powell M.R., Horrigan D.J. Jr., Wali-gora J.M., Norfleet W.T. Extravehicular activities // Space physiology and medicine. Waverly Company, 1994. P. 128-140.
27.Powell M.R., Nofleet W., Waligora J.M. et al. Modification of physiological processes concerning extravehicular activity in microgravity // SAE Technical Series No. 941334. 24th International Conference on Environmental Systems and 5th European Symposium on Space Environmental Control Systems. Friedrichshafen, Germany, 1994.
28. Putcha L., Pool S.L., Cintron N.M. Pharmacology // Space physiology and medicine / Ed. by A.E. Nicogossian, C. Leach Huntoon, S.L. Pool. Waverly Company, 1994. P. 435-446.
29.Waligora J.M., Pepper L.J. Physiological experience during Shuttle EVA // SAE Technical Series No. 951592. 25th International Conference on Environmental Systems. San Diego, California, 1995.
Контакты:
Катунцев Владимир Петрович, заместитель директора по науке
НИИ космической медицины ФНКЦ ФМБА России, доктор медицинских наук, профессор. Тел. раб.: (499) 193 18 06. E-mail: vpkat@yandex.ru
