Имитация нейтральной плавучести в качестве учебного пособия - Neutral buoyancy simulation as a training aid
Моделирование нейтральной плавучести с космонавтами, погруженными в бассейн с нейтральной плавучестью , в скафандрах, может помочь подготовить космонавтов к сложной задаче работы за пределами космического корабля в явно невесомой среде.
История
Внекорабельная деятельность (EVA), работающая вне космического корабля, была одной из целей программы Gemini в 1960-х годах. В астронавтах прошли обучение в «нулевой гравитации» состоянии на полете параболической траектории в самолете , что вызвало снижение тяжести в течение тридцати секунд.
Пионеры без достаточной подготовки
Российский космонавт Алексей Леонов первым покинул свой аппарат во время полета по орбите над Землей. Вскоре после этого Эд Уайт , Близнецы IV , стал первым американским астронавтом, который покинул космическое транспортное средство. Это были демонстрации способности выходить из машины и обратно, но не включали задач выхода в открытый космос. Следующими тремя полетами для демонстрации возможности выхода в открытый космос были Gemini IX-A , X и XI . Каждый из этих полетов выявил проблемы с выполнением задач выхода в открытый космос. Работа в скафандрах в условиях постоянной невесомости орбитального космического полета была более сложной и трудной, чем предполагалось. НАСА определило, что подготовка к задачам выхода в открытый космос требует дальнейшего развития.
Истоки тренировки нейтральной плавучести
В июле 1966 года программа Gemini присоединилась к контракту с исследовательским центром NASA в Лэнгли, который включал оценку задач Gemini EVA. Подрядчик, компания Environmental Research Associates из Рэндаллстауна, штат Мэриленд, уже приступила к разработке возможности моделирования нейтральной плавучести в 1964 году. Эта возможность для испытуемых в костюмах под давлением была первоначально разработана в 1964 году с использованием закрытого бассейна в частной школе (школа Макдонога недалеко от Балтимора ). Первоначально эти ранние подводные симуляции были предназначены просто для проверки способности испытуемых передвигаться по макетам воздушных шлюзов, и к испытуемым не прикреплялись грузы. Подводные испытания компании Environmental Research Associates быстро превратились в правильную симуляцию нейтральной плавучести с участием взвешенных субъектов и множества дайверов-безопасников, находящихся под рукой во время данных сессий.
Первая оценка космонавтов
Скотт Карпентер был первым астронавтом, который оценил работу подрядчика в моделировании « мокрой мастерской ». Задача состояла в том, чтобы удалить болты, находясь в затопленном имитационном шлюзе . Задача снятия болта была разработана для открытия доступа к изношенному куполу S-IVB . Карпентер дал положительную оценку симуляции, и НАСА быстро предоставило макеты аппаратов Gemini и стыковочных компонентов, чтобы облегчить дальнейшее развитие возможностей выхода в открытый космос посредством обучения нейтральной плавучести. Астронавт Джин Сернан сначала посетил крытый бассейн школы Макдонога , чтобы после миссии оценить проблемы, с которыми он столкнулся во время своего выхода в открытый космос Gemini IX-A . Затем НАСА изменило контракт, включив в него подготовку перед полетом астронавта Близнецов XII Базза Олдрина . Астронавт Сернан также участвовал в этой подготовке перед полетом, так как он выполнял роль дублера Олдрина в качестве пилота Близнецов XII .
Тренировка Gemini XII в открытом космосе
Олдрин тренировался для оригинальной версии Gemini XII EVA, которая затем была переработана, чтобы исключить задачу использования пилотируемого маневренного подразделения . Олдрин вернулся на объект МакДонога и подготовился к финальной версии своего выхода в открытый космос. НАСА посчитало полет в открытый космос полностью успешным, и Олдрин снова вернулся в МакДоног, чтобы выполнить оценку выхода в открытый космос после полета. Оценка после миссии подтвердила ценность использования тренировки на симуляторе нейтральной плавучести перед выполнением всех задач выхода в открытый космос, надев скафандр и работая во враждебной космической среде. Сам Олдрин признал некоторые незначительные недостатки тренировки нейтральной плавучести, но описал, что этот метод имеет «значительное преимущество» над самолетами с кеплеровской траекторией .
Помимо Близнецов
После успешных выходов в открытый космос в миссии Gemini XII НАСА построило резервуары для моделирования нейтральной плавучести: комплекс для погружения в воду в Центре пилотируемых космических аппаратов и имитатор нейтральной плавучести в Центре космических полетов им . Маршалла . После использования этих средств во время программ Apollo и Skylab , НАСА в конечном итоге построило Учебный центр в невесомой среде в Центре пилотируемых космических аппаратов в Хьюстоне, а затем и в Лабораторию нейтральной плавучести , где астронавты космических кораблей и космических станций обучаются нейтральной плавучести. Астронавты и космонавты также тренируются на космонавтов Центра подготовки вблизи Москвы . Эти достижения были резюмированы в специальной статье, опубликованной в газете Baltimore Sun в 2009 году. В сентябре 2011 года на XLV симпозиуме Gemini был проведен обзор этих достижений Дж. Самуэля Маттингли и были представлены замечания астронавтов Ричарда Гордона , Тома Джонса и Базза Олдрина. .
Спасение Скайлэба
Во время миссии Skylab 2 астронавты Конрад и Кервин успешно открыли солнечную панель, которая не сработала автоматически после запуска. Для выполнения этой задачи астронавты тренировались под водой на симуляторе нейтральной плавучести в Центре космических полетов им . Маршалла . Однако из-за различий между дизайном макета, используемого для обучения, и тем, что они нашли в Скайлэбе, астронавты использовали импровизированные инструменты и изменили способ выполнения задачи, находясь в открытом космосе.
Характеристики
Необходимость моделирования
Астронавты репетируют задачи внекорабельной деятельности в подводной нейтральной плавучести, прежде чем пытаться выполнить эти задачи в космосе, чтобы понять, что они не могут использовать свой вес для создания силы и что они могут перемещаться или перемещаться, если они создают движущую силу в любом векторе , либо запланированные или непреднамеренные. В статьях, описывающих моделирование нейтральной плавучести, обычно указывается, что скафандр астронавта выполнен с нейтральной плавучестью, но что космонавт все еще чувствует гравитацию внутри скафандра, поэтому его посадка очень важна, и что перемещение в воде, вязкой жидкости, создает сопротивление, которое нет в EVA.
Нормальный опыт гравитации
Основная цель выхода космонавта из транспортного средства и выхода в открытый космос часто состоит в том, чтобы создать силу для толкания, тяги, поворота, сжатия или транспортировки объекта. Живя в условиях нормальной земной гравитации, люди, как правило, не осознают использование своего веса для создания силы. Например, простая задача открытия или закрытия двери усложняется, когда человек стоит на гладком льду, поэтому вес человека не обеспечивает фрикционной связи с землей. Приложение силы - это действие, требующее противодействия, и если ноги человека скользят, приложение силы ограничено или отсутствует. Человек чувствует гравитацию, стоя на льду, но он не может использовать свой вес для обеспечения тяги, и он не может перенести свой вес, чтобы создать силу в горизонтальном векторе, поэтому он не может взломать дверь. Толкнуть дверь и отодвинуть назад используется инерция массы, а не вес человека. Массовая инерция также может использоваться во время выхода в открытый космос, но это может привести к непредвиденным результатам.
Сравнение
Как указано выше (в разделе « Необходимость моделирования» ), космонавт ощущает гравитацию внутри герметичного костюма, когда он находится в воде. Однако комбинация космонавта и скафандра, когда она правильно сбалансирована в нейтральной плавучести, как в открытом космосе, является невесомой, поэтому астронавт, как и стоя на льду, не может использовать вес для создания силы в любом векторе. Вектор любой силы подобен, если не полностью, в открытом космосе и нейтральной плавучести. Величина силы, если она статическая, очень похожа, а если динамика все еще аналогична, хотя сила и вектор, используемые при перемещении больших объектов, должны быть тщательно изучены и спланированы, чтобы сделать симуляцию реалистичной. Невозможность использовать вес в любом векторе в EVA вкупе с обременением скафандра затрудняет выполнение задачи.
Бремя
Перетаскивание - еще одна серьезная проблема, упоминаемая в статьях о моделировании нейтральной плавучести. Любое движение в воде подвержено сопротивлению и требует немного больше времени (секунд) и немного больше силы (унции) для компенсации сопротивления по сравнению с тем же движением в открытом космосе. В начале истории моделирования нейтральной плавучести рассматривалось возможность снабдить погруженного астронавта небольшими двигателями для компенсации сопротивления воды, но вскоре это было отклонено как ненужное осложнение. Лишь небольшой процент времени тратится на перевод в новое место, обычно с низкой скоростью , обычно менее 6 дюймов в секунду. Даже такие низкие скорости подвержены сопротивлению, но становится трудно измерить их среди незначительных течений в воде, вызванных другими астронавтами, дайверами и системой циркуляции воды, которые увеличивают сопротивление или уменьшают его.
Выполнение задач
В открытом космосе большая часть работы выполняется медленно, осторожно и методично не из-за тренировки нейтральной плавучести, а потому, что именно так должен выполнять задачу астронавт, находящийся под давлением, в невесомости. Чтобы разогнать массу до более высокой скорости, а затем замедлить ее обратно, требуется больше силы, чем для ее медленного перемещения к месту назначения. Кроме того, его движение легче контролировать, если оно движется медленно. Таким образом, сопротивление воды при движении с нейтральной плавучестью просто требует медленности движения, которая также подходит для космических полетов.
Визуальные различия
Есть и другие, менее очевидные, но важные особенности, которые необходимо учитывать при обучении подводному выходу в открытый космос, такие как визуальные различия из-за рефракции на границе раздела воздух-вода на козырьке шлема и положение или положение в костюме относительно задачи. Персонал Лаборатории нейтральной плавучести в Хьюстоне тщательно планирует и оценивает свое моделирование. Опытные космонавты в открытом космосе, наблюдающие за симуляцией, могут посоветовать, насколько реалистично выполнение задачи, и порекомендовать модификации.
Полезность космонавтам в открытом космосе
Изучение и репетиция задачи выхода в открытый космос с нейтральной плавучестью дает астронавту или специалисту по выходу в открытый космос уверенность в том, что запланированная задача может быть выполнена. График, разработанный для выполнения задачи, аналогичен времени, необходимому для выхода в открытый космос. В целом считается, что задача, выполняемая и отработанная при моделировании нейтральной плавучести, также может быть выполнена в открытом космосе. Нейтральная плавучесть, должным образом спланированная и управляемая, работает, потому что это реалистичная симуляция физических требований выполнения задачи в открытом космосе.
Сравнение с самолетом пониженной гравитации
Другой важный метод, используемый для имитации микрогравитации, - это полет на самолете с пониженной гравитацией (так называемая "блевотная комета"), который выполняет ряд параболических подъемов и спусков, чтобы дать своим пассажирам ощущение невесомости. Тренировки самолетов с пониженной гравитацией позволяют избежать проблемы сопротивления нейтральной плавучести (ученики окружены воздухом, а не водой), но вместо этого сталкиваются с серьезным ограничением по времени: периоды устойчивой невесомости ограничены примерно 25 секундами, чередующимися с периодами ускорения примерно в 2 секунды. g, когда самолет выходит из пикирования и готовится к следующему запуску. Это не подходит для практики выхода в открытый космос, которые обычно длятся несколько часов.