Имитация нейтральной плавучести как средство обучения
Моделирование нейтральной плавучести с космонавтами, погруженными в бассейн нейтральной плавучести в скафандрах, может помочь подготовить космонавтов к сложной задаче работы вне космического корабля в кажущейся невесомости.
История [ править ]
Выход в открытый космос (EVA), работа за пределами космического корабля, был одной из целей программы «Близнецы» в 1960-х годах. Астронавты параболической тренировались в условиях «невесомости», летая по траектории на самолете , что вызывало снижение гравитации в течение тридцатисекундных интервалов.
Пионеры без достаточной подготовки [ править ]
Российский космонавт Алексей Леонов первым покинул свой корабль во время путешествия по орбите над Землей. Вскоре после этого Эд Уайт , «Джемини IV» , стал первым американским астронавтом, вышедшим из корабля в космосе. Это была демонстрация способности выходить из корабля и обратно в него, но не включалось никаких задач по выходу в открытый космос. Следующими тремя полетами для демонстрации возможностей 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 оказалась сложнее и труднее, чем предполагалось. НАСА определило, что подготовка к задачам выхода в открытый космос требует дальнейшего развития. [1]
тренировки нейтральной Истоки плавучести
В июле 1966 года программа «Джемини» присоединилась к НАСА контракту с Исследовательским центром в Лэнгли , включающему оценку задач «Джемини» в открытый космос. [2] Подрядчик, Environmental Research Associates из Рэндаллстауна, штат Мэриленд, уже начал разработку возможностей моделирования нейтральной плавучести в 1964 году. Эта возможность для испытуемых в скафандрах была первоначально разработана в 1964 году с использованием крытого бассейна в частной школе ( школа МакДонога недалеко от Балтимора ). [3] Первоначально эти ранние подводные симуляции были просто предназначены для проверки способности субъектов передвигаться по макетам шлюзов, и к субъектам не прикреплялись грузы. [4] Вскоре испытания под водой, проведенные Environmental Research Associates, превратились в правильную симуляцию нейтральной плавучести с участием утяжеленных объектов и многочисленных дайверов-безопасников, находящихся под рукой во время сеансов. [5]
астронавтов оценка Первая
Скотт Карпентер был первым астронавтом, который оценил работу подрядчика в модели « мокрой мастерской ». Задача заключалась в том, чтобы снять засовы, находясь в затопленном шлюзовом отсеке . Задача по удалению болтов была разработана для создания доступа к отработанному куполу S-IVB . Оценка моделирования Карпентером была положительной, и НАСА быстро предоставило макеты транспортных средств «Джемини» и стыковочные компоненты, чтобы облегчить дальнейшее развитие возможностей выхода в открытый космос посредством тренировки нейтральной плавучести. Астронавт Джин Сернан впервые посетил крытый бассейн школы МакДонога , чтобы после миссии оценить проблемы, с которыми он столкнулся во время выхода в открытый космос Gemini IX-A . Затем НАСА изменило контракт, включив в него предмиссическую подготовку Джемини XII астронавта Базза Олдрина . Астронавт Сернан также участвовал в этой подготовке перед миссией, поскольку он был дублером Олдрина в качестве пилота « Джемини XII» .
Обучение «Джемини XII» в космос в открытый выходе
Олдрин тренировался для использования оригинальной версии EVA Gemini XII, которая затем была переработана, чтобы исключить задачу использования пилотируемого маневрирующего аппарата . Олдрин вернулся на базу МакДонога и подготовился к финальной версии своего выхода в открытый космос. НАСА посчитало выход в открытый космос полным успехом, и Олдрин снова вернулся в МакДонох, чтобы провести оценку выхода в открытый космос после миссии. Оценка после миссии подтвердила ценность использования тренировок по моделированию нейтральной плавучести перед выполнением всех задач выхода в открытый космос в скафандре и работе во враждебной среде космоса. Сам Олдрин признал некоторые незначительные недостатки тренировки нейтральной плавучести, но описал этот метод как имеющий «значительное преимущество» перед самолетами с кеплеровской траекторией . [6]
За пределами Близнецов [ править ]
После успешных выходов в открытый космос в рамках миссии «Джемини XII» НАСА построило резервуары для моделирования нейтральной плавучести: установку для погружения в воду в Центре пилотируемых космических кораблей и симулятор нейтральной плавучести в Центре космических полетов Маршалла . После использования этих объектов во время программ «Аполлон» и «Скайлэб» НАСА в конечном итоге построило учебный центр в невесомой среде в Центре пилотируемых космических кораблей в Хьюстоне , а затем и Лабораторию нейтральной плавучести , где астронавты шаттлов и космических станций обучаются нейтральной плавучести. Астронавты и космонавты также тренируются в космонавтов имени Ю. Гагарина подмосковном . Центре подготовки Эти достижения были обобщены в тематической статье, опубликованной газетой Baltimore Sun в 2009 году. [7] В сентябре 2011 года симпозиум Gemini XLV включал обзор этих достижений Дж. Сэмюэля Маттингли и выступления астронавтов Ричарда Гордона , Тома Джонса и Базза Олдрина .
Спасение Скайлэба [ править ]
Во время миссии Skylab 2 астронавты Конрад и Кервин успешно открыли солнечную панель, которая не развернулась автоматически после запуска. Для выполнения этой задачи астронавты тренировались под водой на тренажере нейтральной плавучести в Центре космических полетов имени Маршалла . Однако из-за различий между конструкцией макета, используемого для тренировок, и тем, что они нашли в Скайлэбе, астронавты использовали самодельные инструменты и изменили способ выполнения задачи, находясь в космическом пространстве. [8]
Характеристики [ править ]
Необходимость моделирования [ править ]
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 двигаться или менять свое положение, если они создают движущую силу в любом векторе . запланированное или непреднамеренное. В статьях, описывающих моделирование нейтральной плавучести, обычно указывается, что скафандр астронавта имеет нейтральную плавучесть, но астронавт все еще чувствует гравитацию внутри скафандра, поэтому посадка скафандра очень важна, и что перемещение в воде, вязкой жидкости, создает сопротивление, которое в ЕВА нет. [9]
Нормальная гравитация [ править ]
Основная цель выхода астронавта из корабля и выхода в открытый космос часто состоит в том, чтобы создать силу для толкания, тяги, проворачивания, сжатия или транспортировки объекта. Живя в условиях нормальной земной гравитации, люди обычно не понимают, как использовать свой вес для создания силы. Например, простая задача открытия или закрытия двери усложняется, когда человек стоит на скользком льду, поэтому вес человека не обеспечивает фрикционного сцепления с землей. Приложение силы — это действие, требующее реакции, 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 не может переместить свой вес, чтобы создать силу в горизонтальном векторе , поэтому он не может взломать дверь. Толкнув дверь и отодвинув ее назад, вы используете инерцию массы, а не вес человека. массы Инерцию также можно использовать во время выхода в открытый космос, но это в скафандре может привести к непредвиденным результатам.
Сравнение [ править ]
Как говорилось выше (в разделе «Нужда в симуляции »), космонавт ощущает гравитацию внутри гермокостюма, находясь в воде. Однако комбинация космонавта и скафандра, если она правильно сбалансирована в нейтральной плавучести, как при выходе в открытый космос, невесома, поэтому астронавт, как и стоящий на льду, не может использовать вес для создания силы по любому вектору. Вектор любой силы аналогичен, если не совсем одинаков, в выходе в открытый космос и в нейтральной плавучести. Величина силы, если она статическая, очень похожа, а если динамическая, то все равно аналогична, хотя сила и вектор, используемые при перемещении больших объектов, должны быть тщательно изучены и спланированы, чтобы сделать моделирование реалистичным. Именно невозможность использовать вес в каком-либо векторе в выходе в открытый космос в сочетании с обременением скафандра затрудняет выполнение задачи.
Перетащите [ править ]
Сопротивление — еще одна серьезная проблема, выявленная в статьях о моделировании нейтральной плавучести. Любое движение в воде подвержено сопротивлению и требует немного больше времени (секунд) и немного большей силы (унций) для компенсации сопротивления по сравнению с тем же движением в открытом космосе. В начале истории моделирования нейтральной плавучести рассматривалась возможность оснащения погружающегося космонавта небольшими двигателями для компенсации сопротивления воды, но вскоре от этого отказались как от ненужного усложнения. Лишь небольшой процент времени тратится на перемещение в новое место, обычно на низкой скорости , обычно менее 6 дюймов в секунду. Даже такие низкие скорости подвержены сопротивлению, но их становится трудно измерить из-за незначительных течений в воде, вызванных другими астронавтами, водолазами и системой циркуляции воды, которые увеличивают сопротивление или уменьшают его.
Выполнение задачи [ править ]
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 космонавт под давлением в невесомости. Чтобы ускорить массу до более высокой скорости, а затем замедлить ее обратно, требуется больше силы, чем для медленного перемещения ее к месту назначения. Также легче контролировать его движение, если он движется медленно. Таким образом, сопротивление воды при движении в нейтральной плавучести просто обуславливает необходимость медленности движения, которая также свойственна космическому полету.
Визуальные различия [ править ]
Есть и другие менее очевидные, но важные особенности, которые необходимо учитывать при подготовке к выходу в открытый космос под водой, такие как визуальные различия из-за преломления на границе раздела воздух-вода на козырьке шлема, а также положение или положение скафандра относительно задачи. Сотрудники Лаборатории нейтральной плавучести в Хьюстоне тщательно планируют и оценивают свои модели. Опытные астронавты выхода в открытый космос, наблюдающие за симуляцией, могут посоветовать, насколько реалистично выполнение задачи, и порекомендовать изменения.
для астронавтов выхода в космос открытый Полезность
Обучение и отработка 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. Разработанный график выполнения задачи аналогичен времени, необходимому для выхода в открытый космос. В целом считается, что задача, выполняемая и отрабатываемая при моделировании нейтральной плавучести, также может быть выполнена и в выходе в открытый космос. Нейтральная плавучесть, правильно спланированная и реализованная, работает, потому что представляет собой реалистичную симуляцию физических требований выполнения задачи в выходе в открытый космос.
с самолетами гравитации Сравнение пониженной
Другой основной метод, используемый для имитации микрогравитации, - это полет на самолете с пониженной гравитацией (так называемая «рвотная комета»), самолете, который совершает ряд параболических подъемов и спусков, чтобы дать пассажирам ощущение невесомости. [10] Обучение на самолетах с пониженной гравитацией позволяет избежать проблемы сопротивления, возникающей при тренировках с нейтральной плавучестью (стажеры окружены воздухом, а не водой), но вместо этого сталкивается 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 заходу. [11] Это непригодно для отработки выходов в открытый космос, которые обычно длятся несколько часов.
Ссылки [ править ]
- ^ Бартон К. Хакер и Джеймс М. Гримвуд, На плечах титанов: история проекта «Близнецы» . Специальная публикация НАСА-4203, 1977 г. (стр. 356 оригинальной публикации в твердом переплете).
- ↑ Отто Ф. Траут-младший, Гарри Л. Лоутс-младший и Дж. Сэмюэл Мэттингли «Контракт НАСА NAS1-4059 с дополнительными соглашениями». Архивировано 25 октября 2011 г. в Wayback Machine , январь 1966 г.
- ^ Отто Ф. Траут-младший, Гарри Л. Лоутс-младший и Г. Сэмюэл Маттингли «Техника погружения в воду объекта, находящегося в скафандре, в условиях сбалансированной гравитации» , 1964 г.
- ^ Майкл Дж. Нойфельд и Джон Б. Чарльз, «Практика в подводном космосе: изобретение тренировки нейтральной плавучести, 1963–1968». ScienceDirect 39, вып. 3–4 (2015): 149–150.
- ^ Майкл Дж. Нойфельд и Джон Б. Чарльз, «Практика в подводном космосе: изобретение тренировки нейтральной плавучести, 1963–1968». ScienceDirect 39, вып. 3-4 (2015): 151.
- ^ Реджинальд Машел, Краткое изложение внекорабельной деятельности Близнецов . Управление технологического использования НАСА , 1967: 7-35.
- ↑ Фрэнк Д. Ройланс «Историческая марка» , The Baltimore Sun, 19 июля 2009 г.
- ^ Дэвид Дж. Шейлер, FBIS , Прогулка в космосе , 2004, стр. 213, ООО «Праксис Паблишинг».
- ^ Г. Сэмюэл Маттингли и Джон Б. Чарльз, «Личная история подводного моделирования нейтральной плавучести» . Космическое обозрение, 4 февраля 2013 г.
- ^ Рафик А., Хаммел Р., Лаврентьев В., Дерри В., Уильямс Д., Меррел Р.С. (август 2006 г.). «Влияние микрогравитации на мелкую моторику: завязывание хирургических узлов во время параболического полета» . Авиат Спейс Энвайрон Мед . 77 (8): 852–6. ПМИД 16909881 . Проверено 27 августа 2008 г.
- ^ Плецер В. (ноябрь 2004 г.). «Кратковременные эксперименты по микрогравитации в области физических и биологических наук во время параболических полетов: первые 30 кампаний ЕКА». Акта Астронавтика . 55 (10): 829–54. Бибкод : 2004AcAau..55..829P . дои : 10.1016/j.actaastro.2004.04.006 . ПМИД 15806734 .
