Случай 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 не 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. Техник потерял сознание через 12–15 секунд. Когда давление было восстановлено примерно через 30 секунд, он пришёл в сознание, без явного ущерба для организма. Некоторые побробности можно найти здесь.
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
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.