Отолит вращающейся лягушки
 Космический корабль Orbiting Frog Otolith (OFO) | |
| Тип миссии | Бионауки |
|---|---|
| Оператор | НАСА |
| ИДЕНТИФИКАТОР КОСПЭРЭ | 1970-094А |
| САТКАТ нет. | 04690 |
| Продолжительность миссии | 6 дней |
| Свойства космического корабля | |
| Производитель | Исследовательский центр Эймса |
| Стартовая масса | 132,9 кг (293 фунта) |
| Размеры | 1,68 × 0,76 м (5,5 × 2,5 футов) |
| Начало миссии | |
| Дата запуска | 9 ноября 1970 г., 06:00:00 UTC |
| Ракета | Скаут Б S174C |
| Запуск сайта | Уоллопс ЛА-3А |
| Конец миссии | |
| Дата посадки | 9 мая 1971 г. |
| Орбитальные параметры | |
| Справочная система | Геоцентрический |
| Режим | Низкая Земля |
| Эксцентриситет | 0.02009 |
| Высота перигея | 300 километров (190 миль) |
| Высота апогея | 574 километра (357 миль) |
| Наклон | 37,3981° |
| Период | 93,3 минуты |
| СТО | 223,1857° |
| Аргумент перигея | 136,8142° |
| Средняя аномалия | 226,2623° |
| Среднее движение | 16.50400352 |
| Эпоха | 9 мая 1971 г. |
| Революция нет. | 2843 |
Орбитальная лягушка-отолит ( OFO ) — космическая программа НАСА, в рамках которой 9 ноября 1970 года две лягушки-быки были отправлены на орбиту для изучения невесомости . Название, полученное в результате повсеместного использования, представляло собой функциональное описание биологического эксперимента, проведенного на спутнике. Отолит лягушки относится к механизму баланса внутреннего уха .
Программа Orbiting Frog Otolith была частью исследовательской программы Управления перспективных исследований и технологий НАСА (OART). Одной из целей ОАРТ было изучение функции вестибулярного аппарата в космосе и на Земле. Эксперимент был разработан для изучения способности отолита к устойчивой невесомости , чтобы предоставить информацию для полетов человека в космос . Отолит — это структура во внутреннем ухе , которая связана с контролем равновесия : ускорение относительно силы тяжести является основным сенсорным сигналом.
Эксперимент с отолитом лягушки (FOE) был разработан Торквато Гуальтиотти из Миланского университета , Италия , когда он был назначен в Исследовательский центр Эймса в качестве постоянного научного сотрудника, спонсируемого Национальной академией наук . [1] Первоначально запланированный в 1966 году для включения в раннюю миссию Аполлона , эксперимент был отложен, когда эта миссия была отменена. В конце 1967 года было дано разрешение на вывод на орбиту FOE, когда можно было спроектировать вспомогательный космический корабль. Проект, являющийся частью программы НАСА «Системы человеческого фактора», официально получил обозначение «OFO» в 1968 году. После ряда задержек OFO был запущен на орбиту 9 ноября 1970 года.
После успешной миссии OFO-A в 1970 году интерес к исследованиям продолжился. Проект под названием «Исследование вестибулярных функций» был начат в 1975 году с целью проведения вестибулярного эксперимента на космическом корабле, находящемся на околоземной орбите. Этот полетный проект в конечном итоге был прекращен, но был проведен ряд наземных исследований. Исследование привело к появлению нескольких очень полезных ответвлений, в том числе наземного центра вестибулярных исследований, расположенного в ARC . [2]
OFO не следует путать с аналогичными аббревиатурами, описывающими серию космических аппаратов Орбитальной обсерватории , такими как Орбитальная геофизическая обсерватория (OGO), Орбитальная солнечная обсерватория (OSO) и Орбитальная астрономическая обсерватория (OAO).
Космический корабль ОФО
[ редактировать ]
Эксперимент OFO изначально был разработан для полетов в рамках программы Apollo Applications , которая была создана для оптимального использования оборудования, используемого в лунных миссиях Apollo . Однако, поскольку низкие уровни ускорения, необходимые для эксперимента, невозможно было легко поддерживать на пилотируемом космическом корабле «Аполлон», позже в качестве более подходящего транспортного средства был выбран беспилотный спутник. Конструкция спутника исключает воздействие ускорений выше 10. −3 г (10 мм/с²). Это означало, что экспериментальные образцы могли находиться в почти невесомом состоянии.
Космический корабль имел диаметр примерно 30 дюймов (760 мм) и длину 47 дюймов (1200 мм). [2] В восьмиугольной нижней части корабля размещалась электронная аппаратура. Верхняя часть, в которой находился экспериментальный пакет, имела форму усеченного конуса. , Тепловой экран закрывающий эту верхнюю часть, защищал эксперимент во время входа в атмосферу Земли. деспина «йо-йо» По обхвату космического корабля располагался узел . Четыре стрелы, прижатые к борту космического корабля, располагались радиально вокруг спутника. После того как космический корабль отделился от ракеты-носителя, подсистема вращения йо-йо замедлила вращение космического корабля. Затем четыре стрелы были выпущены и выдвинулись из стороны космического корабля. Выдвижение стрел увеличило момент инерции космического корабля, позволив уровню ускорения оставаться ниже 10 −3 г. [2]
Орбитальная лягушка Отолит-А
[ редактировать ]
|
Миссия OFO-A была запущена 9 ноября 1970 года (06:00 по Гринвичу) с острова Уоллопс космодрома . Спутник, на котором проводился эксперимент OFO-A, оставался на орбите почти семь дней. Восстановление космического корабля не планировалось. Полезной нагрузкой был экспериментальный комплекс Frog Otolith (FOEP).
Целью эксперимента было исследование влияния микрогравитации на отолит — орган чувств, который реагирует на изменения ориентации животного в гравитационном поле Земли.
две американские лягушки-быки ( Rana catesbeiana В качестве подопытных в летном эксперименте использовались ). Лягушка-бык была выбрана для исследования потому, что ее внутренний ушной лабиринт очень похож на человеческий. Поскольку это амфибия, предполетную операцию можно было проводить над водой, но во время полета ее можно было держать в воде. Водная среда служила для смягчения вибрации и ускорения запуска, а также для облегчения газообмена с организмами.
У обеих летающих лягушек были имплантированы электроды электрокардиограммы (ЭКГ) в грудную полость , а также микроэлектроды, имплантированные в вестибулярные нервы . Лягушек демоторизировали путем перерезания нервов конечностей, чтобы предотвратить смещение имплантированных электродов и снизить скорость метаболизма. [3] Благодаря такой пониженной метаболической активности лягушки могли выжить без еды в течение одного месяца. Погружение в воду позволяло лягушкам дышать через кожу. Водная среда также помогала отводить углекислый газ и тепло от животных.
Аппаратное обеспечение
[ редактировать ]Блок летного оборудования, FOEP , представлял собой герметичный контейнер, содержащий заполненную водой центрифугу , в которой размещались две лягушки. Центрифуга представляла собой цилиндрическую конструкцию, которая вращала головы лягушек через определенные промежутки времени. [3] FOEP также содержал систему жизнеобеспечения, которая могла поддерживать регулируемую среду для лягушек. Эта система состояла из двух замкнутых контуров, один из которых содержал жидкость, а другой — газ. Интерфейс между двумя петлями представлял собой избирательно проницаемый силиконовый каучук , действовавший как искусственное легкое. Кислород проходил через мембрану из газа в сторону жидкости, а углекислый газ из жидкости в сторону газа. Лягушки были погружены в жидкую петлю. Насос циркулировал кислород через газосодержащий контур. Углекислый газ, попадающий в газовый контур, удалялся абсорбентом, а очищенный кислород возвращался в насос для рециркуляции. Водяной испаритель и электрический нагреватель поддерживали температуру воды на уровне около 60 °F (16 °C). Система усилителей в ФОЭП повышала выходное напряжение с микроэлектродов, имплантированных животным, до уровня, необходимого для телеметрической аппаратуры.
Операции
[ редактировать ]
Хирургическая подготовка летных лягушек была завершена примерно за 12 часов до запуска, и животных запечатали внутри ФОЭП. На основе аналогичных образцов также был подготовлен резервный ФОЭП. Летный ФОЭП был установлен на спутнике примерно за три часа до запуска.
Центрифуга была активирована как можно скорее, как только спутник вышел на орбиту и стабилизировалась на скорости 10°. −3 г (10 мм/с²). Центрифуга циклически применяла гравитационные стимулы. Каждый цикл длился около 8 минут и состоял из следующего: 1-минутный период без ускорения, 8-секундный период, когда началось медленное вращение, 14 секунд постоянного ускорения 0,6 g (6 м/с²), 8-секундный период, когда вращение медленно прекращалось, и в течение 6-минутного периода можно было измерить последствия вращения. [3] Циклы выполнялись каждые 30 минут в течение первых 3 часов на орбите и реже в течение остальной части полета.
Эксперимент OFO продолжался до седьмого дня на орбите, когда вышла из строя бортовая батарея. Восстановление космического корабля ОФО и аппаратуры ФОЭП не потребовалось. Две лягушки погибли в ходе эксперимента.
Результаты
[ редактировать ]Эксперимент удался. Показатели электрокардиографии (ЭКГ) показали, что летающие лягушки находились в хорошем состоянии на протяжении всего полета. Вестибулярные записи были сделаны, как и ожидалось. Во время полета произошли две неисправности оборудования: давление в баллоне возросло до 11 фунтов на квадратный дюйм (76 кПа), а температура снизилась до 55 °F (13 °C) на девять часов. Однако контрольные эксперименты, проведенные на земле, показали, что эти неисправности мало повлияли на результат летного эксперимента.
В ранний период невесомости было отмечено несколько изменений вестибулярной реакции. Все наблюдаемые изменения вернулись к норме в течение последних 10–20 часов полета, что позволяет предположить акклиматизацию . [3]
Пакет экспериментов с отолитом лягушки (FOEP)
[ редактировать ]
Экспериментальный пакет с отолитом лягушки (FOEP) содержит все оборудование, необходимое для обеспечения выживания двух лягушек. Образцы помещаются в заполненную водой автономную центрифугу, которая обеспечивает испытательное ускорение на орбите. Лягушек демоторизируют, чтобы предотвратить смещение имплантированных электродов и снизить скорость их метаболизма. [4]
Система жизнеобеспечения (LSS): LSS поддерживает регулируемую среду внутри FOEP, чтобы гарантировать выживание и нормальное функционирование двух демоторизованных лягушек. Нижняя переборка внутренней монтажной конструкции обеспечивает место для установки всего оборудования жизнеобеспечения.
Размеры упаковки составляли 18 дюймов (457 мм) в диаметре и 18 дюймов в длину, а вес в загруженном состоянии составлял 91 фунт (41 кг). Сбор данных состоял из ЭКГ, температуры тела и вестибулярной активности. Также существовала наземная испытательная установка ФОЭП, к которой ФОЭП можно было подключать перед полетом для вентиляции и проверки условий окружающей среды перед погрузкой в космический корабль.
Канистра
[ редактировать ]Внешний корпус ФОЭП представляет собой герметичный баллон. 18 + 1 ⁄ 16 дюймов (459 мм) в диаметре и Длина 18 + 1 ⁄ 2 дюйма (470 мм). Нижнее закрытие и съемная верхняя крышка имеют слегка куполообразную форму, чтобы предотвратить взрыв в случае изменения давления. Внутренняя сборочная конструкция крепится к опорному кольцу примерно в 6 дюймах от дна контейнера и состоит из верхней и нижней переборок, соединенных цилиндром. Вырезы в цилиндре обеспечивают доступ к центрифуге, в которой находятся лягушки. В верхней части контейнера расположены две электрические розетки для питания и линии передачи данных.
Центрифуга
[ редактировать ]Центрифуга представляет собой полый цилиндр диаметром 6 дюймов и длиной 13,5 дюймов с обеими торцевыми крышками. Цилиндр установлен перпендикулярно канистре и поддерживается шарикоподшипниками, расположенными в верхней и нижней перегородках. Ось вращения центрифуги образована валами, расположенными по центру в вертикальной плоскости под прямым углом к цилиндру, удерживаемыми шарикоподшипниками. Тонкие куполообразные торцевые крышки привинчены к каждому концу центрифуги с помощью промежуточных резиновых прокладок для предотвращения утечек. В центре каждой крышки находится штуцер, который позволяет полностью оснастить образцы лягушки и прикрепить их непосредственно к торцевым крышкам перед помещением в центрифугу и погружением. Вода служит амортизатором при высоких ускорениях и вибрациях при запуске, а также средой газообмена через кожу лягушки. Центрифуга фиксируется и не отпускается до тех пор, пока орбита космического корабля полностью не стабилизируется. Двигатель, приводящий в движение центрифугу, установлен на верхней переборке. На центрифуге установлены усилители сигналов и акселерометр.
Электрод нейтральной плавучести
[ редактировать ]Микроэлектрод состоит из зонда из вольфрамовой проволоки диаметром 50 мкм , электрически заточенного до точки диаметром менее 1 мкм и полностью изолированного до кончика. Пузырь воздуха, попавший в полиэтиленовую трубку, содержащую зонд, добавляет плавучесть и придает электроду ту же плотность, что и нерв, в который он имплантирован, тем самым позволяя им двигаться вместе. Часть парафина используется для соединения электрода с ручкой, которая используется только во время процесса имплантации, а затем удаляется. Нервные импульсы, регистрируемые микроэлектродами, подаются в предусилитель, непосредственно прикрепленный к челюсти лягушки, и передаются на усилитель пост-данных для телеметрии космического корабля.
Система жизнеобеспечения (СЖО)
[ редактировать ]
Система жизнеобеспечения (LSS) экспериментального пакета Frog Otolith (FOEP) поддерживает регулируемую среду внутри FOEP, чтобы гарантировать выживание и нормальное функционирование экспериментальных образцов. LSS разработан с учетом физиологических потребностей двух демоторизованных лягушек массой 350 г (12 унций) каждая. Лягушек демоторизуют путем перерезания нервов конечностей, что снижает скорость их метаболизма. В этом состоянии лягушки не нуждаются в искусственном дыхании и могут оставаться здоровыми без еды в течение месяца. После установки в центрифугу лягушки полностью погружаются в воду, которая служит средой для обмена кислорода и углекислого газа, а также тепла через кожу лягушки. [5]
СЖО в основном состоит из двух замкнутых контуров: один содержит жидкость, а другой — газ. Нижняя переборка внутренней монтажной конструкции обеспечивает место для установки всего оборудования СЖО. Система подачи кислорода работает через эти петли и включает в себя кислородный баллон емкостью 4,5 см³, редуктор и регулятор давления, искусственное легкое, поглотитель CO 2 и систему подачи воды. Ограниченный контроль над температурой окружающей среды лягушек возможен с помощью испарителя/нагревателя воды.
Искусственное легкое
[ редактировать ]Граница между контурами происходит через избирательно проницаемую мембрану из силиконовой резины, разделяющую жидкость и газ. Эта мембрана, называемая легкими, пропускает кислород из газового цикла в жидкостный и CO 2 из жидкостного в газовый.
Жидкостная петля
[ редактировать ]Лягушки, помещенные в центрифугу, находятся в жидкостном контуре. Двигаясь от легких к лягушкам, петля содержит воду и растворенный кислород; перемещаясь от лягушки обратно в легкие, он содержит воду и свободный CO 2 . Двойной слой пенополиуретана, покрывающий внутреннюю часть центрифуги, предотвращает загрязнение системы циркуляции воды отходами лягушки. Вода циркулирует по жидкостному контуру с помощью небольшого насоса и должна пройти через фильтр, прежде чем покинуть центрифугу.
Газовый контур
[ редактировать ]Газовый контур состоит из контура в нижней переборке, по которому кислород циркулирует с помощью небольшого насоса. Насос доставляет чистый кислород в легкие, где часть его попадает в жидкостный контур, а остальная часть смешивается с CO 2 , поступающим из жидкостного контура. Из легких смесь кислорода и CO 2 пропускают через слой баралима, который поглощает CO 2 . Чистый кислород возвращается из Baralyme в насос и рециркулирует. Запас кислорода пополняется газом из небольшого кислородного баллона.
Испаритель/нагреватель
[ редактировать ]В сочетании с тепловой средой космического корабля водяной испаритель и электрический нагреватель мощностью 8 Вт будут поддерживать температуру воды на уровне 60 ± 5 ° F (15,5 ± 3 ° C). Подача воды для испарителя находится в резиновой камере, поддерживаемой кольцом в канистре непосредственно над нижним куполом. Когда температура воды превышает номинальное значение 60 °F, команда с земли активирует схему синхронизации, управляющую клапаном. В результате давления окружающей среды внутри канистры вода вытесняется из баллона через клапан в испаритель. Внутренние тепловые нагрузки передаются через теплообменник к испарителю и рассеиваются при испарении воды.
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «SP-4402 Происхождение названий НАСА» . История НАСА . Проверено 29 ноября 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Программа орбитальных лягушек-отолитов» . Исследовательский центр Эймса . Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д «Орбитальная лягушка Отолит-А» . Исследовательский центр Эймса . Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г.
- ^ «Экспериментальный пакет с отолитом лягушки (FOEP)» . Исследовательский центр Эймса . Архивировано из оригинала 29 сентября 2006 г.
- ^ «Система жизнеобеспечения (СЖО)» . Исследовательский центр Эймса . Архивировано из оригинала 21 марта 2009 г.
