Аварийная декомпрессия космического корабля «Союз» и декомпрессионная болезнь?

TLDR: Экипажи для миссий с 1 баром, включая Союз, похоже, никогда не использовали предварительное дыхание. Более ранние миссии, которые направлялись в долгосрочную среду с более низким давлением, сделали это, как и люди, совершающие выход в открытый космос с более низким давлением. Есть некоторые свидетельства того, что риск предварительного дыхания с высоким содержанием кислорода считался большим, чем риск декомпрессионной болезни.

Есть отчет Программы исследований человека НАСА « Риск декомпрессионной болезни » (ссылка на недатированную версию без платного доступа), в котором также обсуждаются протоколы предварительного дыхания. Астронавты SpaceLab, Apollo и более ранних лет направлялись в условия полета при давлении ниже 1 бар и использовали предварительное дыхание. Программа «Спейс шаттл», в которой была среда с давлением 1 атм, не имела протокола для предварительного дыхания перед полетом, но использовала его для выхода в открытый космос.

В различных описаниях временных рамок экипажа «Союза» ( здесь , здесь , здесь ), кажется, нет времени для предварительного дыхания; скафандры застегиваются только в последнюю минуту, и на фотографиях съемочной группы видно, как они ходят и сидят без дыхательных масок.

Каковы компромиссы, связанные с предварительным дыханием или без него?

Давление в скафандре 0,4 бар эквивалентно высоте около 24 000 футов; 0,27 эквивалентно примерно 32 000 футов.

Существует исследование НАСА 1999 года « Подход, основанный на доказательствах, для оценки риска декомпрессионной болезни при эксплуатации самолетов », в котором указаны верхние пределы риска:

(Желтая и синяя линии были добавлены на высоте 32 и 24 тысячи футов соответственно)

Они предназначены для «здоровых летных экипажей», не обязательно для медицинского осмотра на уровне космонавтов, но линия 0,27 деления действительно показывает значительную вероятность декомпрессионной болезни при более длительных воздействиях. Эти вероятности должны быть объединены с вероятностью декомпрессионного события (определенность для выхода в открытый космос, но, надеюсь, гораздо меньше для запуска ракеты) и медицинской серьезностью последующей декомпрессионной болезни.

Кроме того, их методология дает некоторое представление об этом:

Типичный профиль полета Т-38 НАСА - это подъем примерно на 41 000 футов над средним уровнем моря в течение 15 минут, крейсерский полет на высоте примерно 1,3 часа и 10 минут на спуск и посадку. График повышения давления в кабине - это давление окружающей среды до тех пор, пока человек не поднимется на высоту 8000 футов (10,9 фунта на квадратный дюйм), давление поддерживается на уровне эквивалента 8000 футов до подъема примерно до 23000 футов (5,9 фунта на квадратный дюйм), а выше этого поддерживается давление в кабине на уровне перепада 5 фунтов на квадратный дюйм. . Летный экипаж НАСА обычно не вдыхает 100% кислород и обычно летает с кислородным регулятором (CRU-73/A) в «нормальном» режиме потребления разбавителя. Процент кислорода в дыхательной смеси является переменным, основанным на нормальной изменчивости регулятора кислорода, но предназначен для поддержания эквивалентного уровня моря напряжения кислорода в крови летчика.

На Т-38 НАСА выполняется около 600 полетов в год. Обзор данных о безопасности полетов самолетов за 20 лет показывает примерно один отказ системы давления в кабине каждые два года и отсутствие зарегистрированных случаев DCS (личное сообщение, NASA/JSC Safety Office, Ellington Field). Предполагая, что в течение 20 лет выполняются 600 полетов в год и не наблюдается DCS, вероятность DCS не превышает 0,025% для каждого полета (95%-й верхний доверительный предел, как n 1/n, выраженный путем решения (1-p) = 0,05 или p = 1-(0,05) ). Аналогичный обзор полетов Т-38 ВВС США выявил 294 случая отказа системы наддува кабины за период с 1987 по 1992 год на высоте от 17 000 до 43 000 футов (личное сообщение, штаб-квартира, Центр безопасности ВВС, авиабаза Киртланд).

Риск декомпрессии необходимо сопоставлять с риском предварительного дыхания чистым кислородом. Кислород с парциальным давлением более 0,4 атм (0,3 в некоторых источниках) считается опасным для здоровья в течение нескольких часов. Например:

Длительное воздействие парциального давления кислорода выше нормы или более короткое воздействие очень высокого парциального давления может вызвать окислительное повреждение клеточных мембран, приводящее к коллапсу альвеол в легких, отслойке сетчатки и ретролентальной фиброплазии в глазу, а также судорогам. Снижение показателей функции легких может произойти в течение 24 часов непрерывного воздействия 100% кислорода. Через 48 часов на 100% кислороде могут возникнуть диффузное альвеолярное повреждение, ателектаз и острый респираторный дистресс-синдром (отек легких).

(из JS Cooper et al . ) Другая более поздняя работа показывает возможность начала в более короткие сроки:

У здоровых людей, дышащих более 95% кислорода при нормальном атмосферном давлении (0,1 МПа), трахеобронхит развивается после латентного периода от 4 до 22 часов.

Четыре часа лишь немногим дольше, чем обычные графики предварительного дыхания:

Перед запуском во всех программах НАСА перед запуском «Шаттла» (Maio et al. 1970) выполнялся минимум 3-часовой PB в скафандре, который соответствовал симптомам DCS при давлении 5,0 фунтов на квадратный дюйм. Майкл Коллинз во время Gemini X, а затем во время Apollo 11 полагал, что у него были симптомы ДКБ в левом колене, которые в конечном итоге разрешились в атмосфере 100% O2 по мере продолжения миссии (Hawkins & Zieglschmid 1975). Это не было неожиданным результатом, основываясь на предыдущих испытаниях по проверке ПБ, о которых сообщали Maio et al. (1969, 1970). Астронавты во время последующих выходов в открытый космос с космического корабля «Аполлон» и «Скайлэб», а также во время прогулок на Луну из лунного модуля в скафандрах, находящихся под давлением до 3,7 фунтов на квадратный дюйм, не подвергались риску ДКБ из-за денитрогенизации в течение длительного времени в гипобарической и гипероксической дыхательной среде.

Кроме того, есть и другие возможности, кроме газа перед вдохом с высоким содержанием O2/низким содержанием N2: смеси с гелием или аргоном избегают использования N2. Но оба эти газа добавляют другие сложности: атмосфера с высоким содержанием гелия имеет тенденцию проникать в системы и упаковку, а аргон имеет физиологические проблемы, требующие тщательного наблюдения во время дыхания. Я не нашел никаких доказательств того, что они когда-либо разрабатывались для использования в космическом полете.