Моделирование нейтральной плавучести в качестве учебного пособия - Neutral buoyancy simulation as a training aid

Моделирование нейтральной плавучести с космонавтами, погруженными в бассейн нейтральной плавучести в скафандрах может помочь подготовить космонавтов к трудной задаче работы вне космического корабля в явно невесомой среде.

История

Список средств нейтральной плавучести см. Бассейн с нейтральной плавучестью.

Внедорожная деятельность (EVA), работа вне космического корабля, была одной из целей Программа Близнецов в течение 1960-х гг. В космонавты тренировались в условиях «невесомости», летая на параболическая траектория в самолет это вызвало снижение гравитации на тридцать секундные интервалы.

Пионеры без достаточной подготовки

Русский космонавт Алексей Леонов был первым, кто покинул свой аппарат, путешествуя по орбите над Землей. Вскоре после, Эд Уайт, Близнецы IV, был первым американским астронавтом, который покинул космический корабль. Это были демонстрации способности выходить из машины и обратно, но не включали задач выхода в открытый космос. Следующие три полета для демонстрации возможности выхода в открытый космос были Близнецы IX-A, Икс, и XI. Каждый из этих полетов выявил проблемы с выполнением заданий выхода в открытый космос. Работа в скафандрах в условиях постоянной невесомости орбитального космического полета была более сложной и трудной, чем предполагалось. НАСА определили, что подготовка к заданиям в открытом космосе требует дальнейшего развития.[1]

Истоки тренировки нейтральной плавучести

В июле 1966 г. Программа Близнецов присоединился к НАСА Исследовательский центр Лэнгли контракт, включающий оценку задач Gemini EVA.[2] Подрядчик, Environmental Research Associates of Рэндаллстаун, Мэриленд уже приступили к разработке возможности моделирования нейтральной плавучести в 1964 году. Эта возможность для испытуемых в гидрокостюмах была первоначально разработана в 1964 году путем использования крытого бассейна в частной школе (McDonogh School, дневная возле Балтимор ).[3] Первоначально эти ранние подводные симуляции были разработаны просто для проверки способности испытуемых передвигаться по макетам воздушных шлюзов, и к испытуемым не прикреплялись грузы.[4] Подводные испытания компании Environmental Research Associates быстро превратились в правильную симуляцию нейтральной плавучести, в которой участвовали взвешенные испытуемые и множество дайверов-безопасников, находящихся под рукой во время данных сессий.[5]

Первая оценка космонавтов

Скотт Карпентер был первым космонавтом, который оценил работу подрядчика в "мокрая мастерская "моделирование. Задача заключалась в том, чтобы удалить болты, находясь в погруженном в моделируемый воздушный шлюз. Задача удаления болта была разработана для обеспечения доступа к отработанному S-IVB купол. Карпентер дал положительную оценку моделирования, и НАСА быстро предоставило макеты автомобилей Gemini и стыковка компоненты для облегчения дальнейшего развития возможностей выхода в открытый космос посредством тренировки нейтральной плавучести. Космонавт Джин Сернан впервые посетил McDonogh School, дневная крытый бассейн для оценки проблем, с которыми он столкнулся во время своей Близнецы IX-A EVA. Затем НАСА изменило контракт, включив в него подготовку перед полетом Близнецы XII космонавт Базз Олдрин. Астронавт Сернан также участвовал в этой подготовке перед полетом, так как он выполнял роль дублера Олдрина в качестве пилота Близнецы XII.

Тренировка Gemini XII в открытом космосе

Олдрин обучался работе с исходной версией Gemini XII EVA, которая затем была переработана, чтобы исключить задачу использования пилотируемый маневренный отряд. Олдрин вернулся в McDonogh объект и подготовился к финальной версии его 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 симуляции 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» перед Самолет с кеплеровской траекторией.[6]

Помимо Близнецов

После успешных выходов в открытый космос в миссии Gemini XII НАСА построило резервуары для моделирования нейтральной плавучести: The Water Immersion Facility на Центр пилотируемых космических аппаратов и Симулятор нейтральной плавучести в Центр космических полетов Маршалла. После использования этих средств во время Аполлон и Скайлаб программы, НАСА в конечном итоге построило Учебный центр в невесомой среде в Центре пилотируемых космических аппаратов в Хьюстон а позже Лаборатория нейтральной плавучести, куда Шаттл и Космическая станция космонавты обучаются нейтральной плавучести. Астронавты и космонавты также тренируются в Центр подготовки космонавтов имени Ю.А. Гагарина возле Москва. Эти достижения были обобщены в тематической статье, опубликованной Балтимор Сан газета в 2009 году.[7] В сентябре 2011 г. Симпозиум Gemini XLV включал обзор этих достижений Дж. Самуэля Маттингли и содержал замечания астронавтов. Ричард Гордон, Том Джонс, и Базз Олдрин.

Спасение Скайлэба

Вовремя Скайлаб 2 миссия, космонавты Конрад и Кервин успешно открыл солнечную панель, которая не сработала автоматически после запуска. Для выполнения этой задачи космонавты тренировались под водой в Симулятор нейтральной плавучести на Центр космических полетов Маршалла. Однако из-за различий между дизайном макета, используемого для тренировок, и тем, что они нашли в Скайлэбе, астронавты использовали импровизированные инструменты и изменили способ выполнения этой задачи, находясь в открытом космосе.[8]

Характеристики

Сравнение той же задачи во время астронавта Олдрина. Близнецы XII EVA

Необходимость моделирования

Астронавты репетируют внекорабельная деятельность задачи в подводной нейтральной плавучести, прежде чем пытаться выполнить эти задачи в космосе, чтобы понять, что они не могут использовать свой вес для обеспечения сила и что они могут двигаться или перемещаться, если они предоставят движущий сила в любом вектор, запланированные или непреднамеренные. В статьях, описывающих моделирование нейтральной плавучести, обычно указывается, что скафандр космонавта сделан нейтрально плавучим, но космонавт все еще чувствует сила тяжести внутри скафандра, поэтому его посадка очень важна, а перемещение в воде вязкий жидкость, создает сопротивление, которого нет в EVA.[9]

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 дает фрикционный сцепление с землей. Приложение силы - это действие, требующее реакции, и если ступни человека скользят, приложение силы ограничено или отсутствует. Человек чувствует гравитацию, стоя на льду, но он не может использовать свой вес для сцепления, и он не может перенести свой вес, чтобы обеспечить сила по горизонтали вектор поэтому они не могут взломать дверь. Толкнуть дверь и отодвинуть назад используется инерция массы, а не вес человека. Масса инерция также может использоваться во время выхода в открытый космос, но в скафандре может привести к непредвиденным результатам.

Сравнение

Как указано выше (в Необходимость моделирования), космонавт ощущает гравитацию внутри герметичного скафандра, находясь в воде. Однако комбинация космонавта и скафандра, когда она правильно сбалансирована в нейтральной плавучести, как в открытом космосе, является невесомой, поэтому астронавт, подобно стоянию 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 статична, очень похожа, а если динамика остается такой же, хотя сила и вектор, используемые при перемещении больших объектов, должны быть тщательно изучены и спланированы, чтобы сделать моделирование реалистичными. Это невозможность использовать вес в любых вектор в EVA в сочетании с обременением скафандра, что затрудняет выполнение задачи.

Тащить

Тащить это еще одна серьезная проблема, указанная 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. На перевод в новое место тратится лишь небольшой процент времени, обычно на низком уровне. скорость, 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 он 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, например, визуальные различия из-за преломление на границе раздела воздух-вода на козырьке шлема и положении или ориентации в костюме относительно задачи. Персонал на Лаборатория нейтральной плавучести в Хьюстон тщательно планируйте и оценивайте их 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 вселяет в астронавта или специалиста 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, правильно спланированная и управляемая, работает, потому что это реалистичная симуляция физических требований для выполнения задачи в открытом космосе.

Сравнение с самолетом пониженной гравитации

Другой основной метод, используемый для моделирования микрогравитация это полет в самолет пониженной гравитации (так называемая «блевотная комета»), самолет, который выполняет ряд параболических подъемов и спусков, чтобы у его пассажиров возникло ощущение невесомости.[10] Тренировки с самолетами с пониженной гравитацией позволяют избежать проблемы сопротивления при обучении 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. грамм когда самолет выходит из пикирования и готовится к следующему запуску.[11] Это не подходит для практики выхода в открытый космос, которые обычно длятся несколько часов.

Рекомендации

  1. ^ Бартон К. Хакер и Джеймс М. Гримвуд, На плечах титанов: история проекта Gemini. Специальная публикация НАСА-4203 1977 г. (стр. 356 оригинальной публикации в твердом переплете).
  2. ^ Отто Ф. Траут-младший, Гарри Л. Лоатс-младший и Дж. Сэмюэл Маттингли «Контракт NASA NAS1-4059 с дополнительными соглашениями» В архиве 2011-10-25 на Wayback Machine, Январь 1966 г.
  3. ^ Отто Ф. Траут-младший, Гарри Л. Лоатс-младший и Дж. Сэмюэл Маттингли «Техника погружения в воду объекта под давлением в условиях уравновешенной силы тяжести», 1964
  4. ^ Майкл Дж. Нойфельд и Джон Б. Чарльз, «Практика для подводного космоса: изобретение тренировки нейтральной плавучести, 1963-1968». ScienceDirect 39, нет. 3-4 (2015): 149-150.
  5. ^ Майкл Дж. Нойфельд и Джон Б. Чарльз, «Практика для подводного космоса: изобретение тренировки нейтральной плавучести, 1963-1968». ScienceDirect 39, нет. 3-4 (2015): 151.
  6. ^ Реджинальд Машел, Краткое изложение активности Близнецов в открытом космосе.Управление по технологическому использованию НАСА, 1967: 7-35.
  7. ^ Фрэнк Д. Ройланс «Исторический знак», The Baltimore Sun, 19 июля 2009 г.
  8. ^ Дэвид Дж. Шейлер, FBIS, Прогулка в космосе, 2004, с. 213, Praxis Publishing Ltd.
  9. ^ Дж. Самуэль Маттингли с Джоном Б. Чарльзом, «Личная история моделирования подводной нейтральной плавучести». The Space Review, 4 февраля 2013 г.
  10. ^ Рафик А., Хаммель Р., Лаврентьев В., Дерри В., Уильямс Д., Меррелл Р. К. (август 2006 г.). «Влияние микрогравитации на мелкую моторику: завязывание хирургических узлов во время параболического полета». Aviat Space Environ Med. 77 (8): 852–6. PMID  16909881. Получено 2008-08-27.
  11. ^ Плецер V (ноябрь 2004 г.). «Краткосрочные эксперименты в условиях микрогравитации в области физических наук и наук о жизни во время параболических полетов: первые 30 кампаний ЕКА». Acta Astronautica. 55 (10): 829–54. Bibcode:2004AcAau..55..829P. Дои:10.1016 / j.actaastro.2004.04.006. PMID  15806734.

внешняя ссылка