Nøytral oppdriftssimulering som treningshjelpemiddel - Neutral buoyancy simulation as a training aid
Nøytral oppdriftssimulering med astronauter nedsenket i et nøytralt oppdriftsbasseng , i trykkdrakter, kan bidra til å forberede astronauter for den vanskelige oppgaven med å jobbe utenfor et romfartøy i et tilsynelatende vektløst miljø.
Historie
Ekstra kjøretøyaktivitet (EVA), som arbeidet utenfor romkjøretøyet, var et av målene med Gemini-programmet i løpet av 1960-tallet. De astronauter ble trenet i “null gravitasjon” tilstand ved å fly en parabolsk bane i et luftfartøy som forårsaket redusert gravitasjon i tredve sekunders intervaller.
Pionerer uten tilstrekkelig opplæring
Den russiske kosmonauten Alexei Leonov var den første som gikk ut av kjøretøyet sitt mens han reiste i bane over jorden. Rett etter var Ed White , Gemini IV , den første amerikanske astronauten som gikk ut av et kjøretøy mens han var i verdensrommet. Dette var demonstrasjoner av evnen til å komme seg ut og tilbake i bilen, men inkluderte ingen EVA-oppgaver. De neste tre flyvningene for å demonstrere en EVA-evne var Gemini IX-A , X og XI . Hver av disse flyvningene utsatte problemer med utførelsen av EVA-oppgaver. Å jobbe i pressedrakter mens du var i konstant vektløshet i orbitale romfart var mer komplisert og vanskelig enn forventet. NASA bestemte at opplæring for EVA-oppgaver krevde videre utvikling.
Opprinnelsen til nøytral oppdriftstrening
I juli 1966 deltok Gemini-programmet i en NASA Langley Research Center- kontrakt for å inkludere en evaluering av Gemini EVA-oppgaver. Entreprenøren, Environmental Research Associates i Randallstown, MD, hadde allerede begynt å utvikle en nøytral oppdriftssimuleringsevne i 1964. Denne evnen til fag som er tilpasset trykk ble opprinnelig utviklet i 1964 ved å bruke et innendørs svømmebasseng på en privat skole ( McDonogh School nær Baltimore ). Opprinnelig ble disse tidlige undervanns simuleringene ganske enkelt designet for å teste forsøkspersoners evne til å bevege seg på mock-up airlocks og vekter var ikke knyttet til fagene. Raskt utviklet Environmental Research Associates 'nedsenket testing seg til riktig nøytral oppdriftssimulering, med vektede fag og mange sikkerhetsdykkere tilgjengelig under gitte økter.
Første evaluering av astronauter
Scott Carpenter var den første astronauten som evaluerte entreprenørens drift, i en " våt workshop " -simulering. Oppgaven var å fjerne bolter i en nedsenket simulert luftsluse . Boltefjerningsoppgaven ble designet for å skape tilgang til en brukt S-IVB- kuppel. Tømrerens evaluering av simuleringen var gunstig, og NASA ga raskt mockups av Gemini-biler og dockingkomponenter for å lette videreutvikling av EVA-funksjoner via nøytral oppdriftstrening. Astronaut Gene Cernan besøkte først innendørsbassenget på McDonogh School for evaluering av problemer som han opplevde under Gemini IX-A EVA etter oppdraget . NASA modifiserte deretter kontrakten for å inkludere pre-mission trening av Gemini XII astronaut, Buzz Aldrin . Astronaut Cernan deltok også i denne opplæringen før oppdraget, da han var i en backup-rolle for Aldrin som pilot for Gemini XII .
Gemini XII EVA-trening
Aldrin trente for den originale Gemini XII EVA-versjonen, som deretter ble revidert for å eliminere oppgaven med å bruke en bemannet manøvreringsenhet . Aldrin kom tilbake til McDonogh- anlegget og trente for den endelige versjonen av sin EVA. NASA anså fly EVA for å være en total suksess, og Aldrin kom tilbake til McDonogh for å utføre en evaluering av EVA etter oppdraget. Evalueringen etter oppdraget verifiserte verdien av å bruke nøytral oppdrift av simulering av oppdrift før du prøvde alle EVA-oppgavene mens du hadde på deg en trykkdrakt og jobbet i det fiendtlige miljøet i rommet. Aldrin selv kjente igjen noen mindre feil ved nøytral oppdriftstrening, men beskrev metoden for å ha en "betydelig fordel" i forhold til Keplerian-banefly .
Utover Gemini
Etter de vellykkede EVA-ene i Gemini XII-oppdraget, konstruerte NASA tanker for nøytral oppdriftssimulering: The Water Immersion Facility at the Manned Spacecraft Center and the Neutral Booyancy Simulator at Marshall Space Flight Center . Etter bruk av disse fasilitetene i løpet av Apollo og Skylab programmer, NASA slutt konstruerte Vektløs Environment Training Facility ved bemannede romfartøy Center i Houston og senere nøytral oppdrift Laboratory , der Shuttle og Space Station astronauter er opplært i nøytral oppdrift. Astronauter og kosmonauter trener også på Yuri Gagarin Cosmonaut Training Center nær Moskva . Disse prestasjonene ble oppsummert i en artikkel publisert av avisen Baltimore Sun i 2009. I september 2011 inkluderte Gemini XLV Symposium en gjennomgang av disse prestasjonene av G. Samuel Mattingly og inneholdt bemerkninger fra astronautene Richard Gordon , Tom Jones og Buzz Aldrin. .
Redde Skylab
Under Skylab 2- oppdraget åpnet astronautene Conrad og Kerwin vellykket et solcellepanel som ikke automatisk hadde blitt utplassert etter lanseringen. For å utføre denne oppgaven trente astronautene under vann i nøytral oppdriftssimulator ved Marshall Space Flight Center . På grunn av forskjeller mellom utformingen av modellen som ble brukt til trening og det de fant på Skylab, brukte astronautene imidlertid midlertidige verktøy og redesignet hvordan de ville utføre oppgaven mens de var i verdensrommet.
Kjennetegn
Behov for simulering
Astronauter øver ekstra-Vehicular aktivitet oppgaver i undervanns nøytral oppdrift før prøver disse oppgavene på plass for å få en forståelse av at de ikke kan bruke sin vekt for å gi en kraft , og at de kan bevege seg eller flytter seg selv om de gir en drivende kraft i en hvilken som helst vektor , enten planlagt eller utilsiktet. Artikler som beskriver nøytral oppdrift, simulerer generelt at astronautens romdrakt er gjort nøytralt flytende, men at astronauten fremdeles føler tyngdekraften i romdrakten, slik at draktenes passform er veldig viktig, og at det å bevege seg rundt i vann, en tyktflytende væske, skaper drag er ikke tilstede i EVA.
Normal gravitasjonsopplevelse
Hovedformålet for en astronaut å trekke ut kjøretøyet og gå EVA er ofte å gi en kraft til å skyve, trekke, sveive, klemme eller transportere en gjenstand. Mens de lever i normal jordgravitasjon, anerkjenner folk generelt ikke bruken av vekten sin for å gi en kraft. Den enkle oppgaven med å åpne eller lukke en dør, for eksempel, er komplisert når en person står på et glatt islag, slik at individets vekt ikke gir en friksjonskobling til bakken. Påføring av makt er en handling som krever en reaksjon, og hvis individets føtter glir, er maktpåføringen begrenset eller ikke-eksisterende. Individet føler tyngdekraften stå på isen, men de kan ikke bruke vekten for å gi trekkraft, og de kan ikke forskyve vekten for å gi kraft i en horisontal vektor, slik at de ikke kan tvinge døren. Å gi døren et skyv og skyve tilbake bruker massetreghet og ikke individets vekt. Masse treghet kan også brukes under EVA, men å gjøre det i en trykkdrakt kan gi utilsiktede resultater.
Sammenligning
Som nevnt ovenfor (i Behov for simulering ), føler astronauten tyngdekraften inne i trykkdrakten mens den er nedsenket i vann. Imidlertid er kombinasjonen av astronaut-romdrakt, når den er riktig balansert i nøytral oppdrift som i EVA, vektløs, så astronauten er, i likhet med å stå på is, ikke i stand til å bruke vekt for å gi en kraft i noen vektor. Vektoren av hvilken som helst kraft er lik, om ikke nøyaktig den samme i EVA og i nøytral oppdrift. Kraftens størrelse, hvis den er statisk, er veldig lik, og hvis dynamikken fremdeles er lik, selv om kraften og vektoren som brukes til å flytte store gjenstander, må studeres nøye og planlegges for å gjøre simuleringen realistisk. Det er manglende evne til å bruke vekt i en hvilken som helst vektor i EVA kombinert med belastningen av trykkdrakten som gjør oppgavens ytelse vanskelig.
Dra
Drag er den andre største bekymringen som er identifisert i artikler om nøytral oppdrift. Enhver bevegelse i vannet er utsatt for luftmotstand og krever litt mer tid (sekunder) og litt mer kraft (unser) for å kompensere for drag sammenlignet med samme bevegelse i EVA. Tidlig i historien om nøytral oppdriftssimulering var det å vurdere å gi den nedsenket astronauten små motorer for å kompensere for vanntrekk, men dette ble snart avvist som en unødvendig komplikasjon. Bare en liten prosentandel av tiden blir brukt på å oversette til et nytt sted, vanligvis med lav hastighet , vanligvis mindre enn 6 inches per sekund. Selv slike lave hastigheter er utsatt for luftmotstand, men det blir vanskelig å måle midt i mindre strømmer i vannet forårsaket av andre astronauter, dykkere og vannsirkulasjonssystemet som legger til eller trekker fra luftmotstanden.
Oppgave ytelse
I EVA blir det meste arbeidet utført sakte, nøye og metodisk ikke på grunn av den nøytrale oppdriftstreningen, men fordi det er slik en oppgave må utføres av en astronaut under trykk i vektløshet. Det tar mer kraft å akselerere en masse til en høyere hastighet, og deretter bremse massen ned, enn å bevege den sakte til bestemmelsesstedet. Det er også lettere å kontrollere bevegelsen hvis den beveger seg sakte. Dermed krever dra av vann på bevegelse i nøytral oppdrift ganske enkelt en langsom bevegelse som også er passende for romfart.
Visuelle forskjeller
Det er andre mindre åpenbare, men viktige funksjoner som må vurderes i undervanns EVA-trening, for eksempel de visuelle forskjellene på grunn av refraksjon ved luft-vann-grensesnittet ved hjelmens visir og posisjon eller holdning i dressen i forhold til oppgaven. Personalet ved Neutral Buoyancy Laboratory i Houston planlegger og evaluerer simuleringene sine nøye. Erfarne EVA-astronauter som observerer en simulering, kan gi råd om hvor realistisk oppgavens ytelse er og anbefale modifikasjoner.
Nyttighet for EVA-astronauter
Å lære og øve på en EVA-oppgave i nøytral oppdrift gir en astronaut eller EVA-spesialist tillit til at den planlagte oppgaven kan bli utført. Tidslinjen som er utviklet for oppgaveutførelse, tilsvarer tiden som kreves i EVA. Generelt anses det at en oppgave utført og praktisert i nøytral oppdrift simulering også kan utføres i EVA. Nøytral oppdrift, riktig planlagt og gjennomført, fungerer fordi det er en realistisk simulering av de fysiske kravene til å utføre en oppgave i EVA.
Sammenligning med fly med redusert tyngdekraft
Den andre viktige metoden som brukes til å simulere mikrogravitasjon er fly i et fly med redusert tyngdekraft (et såkalt "oppkastkomet"), et fly som utfører en rekke parabolske stigninger og nedstigninger for å gi beboerne følelsen av tyngdekraft. Flytrening med redusert tyngdekraft unngår treningsproblemer med nøytral oppdrift (trainees er omgitt av luft i stedet for vann), men står i stedet overfor en alvorlig tidsbegrensning: perioder med vedvarende vektløshet er begrenset til rundt 25 sekunder, ispedd perioder med akselerasjon på rundt 2 g når flyet trekker seg ut av dykket og gjør seg klar til neste løpetur. Dette er uegnet for å praktisere EVA, som vanligvis varer flere timer.