Simulación de flotabilidad neutra como ayuda para el entrenamiento

Astronaut training in a neutral buoyancy environment

La simulación de flotabilidad neutra con astronautas sumergidos en una piscina de flotabilidad neutra , con trajes de presión, puede ayudar a preparar a los astronautas para la difícil tarea de trabajar fuera de una nave espacial en un entorno aparentemente ingrávido.

Historia

Para obtener una lista de las instalaciones de flotabilidad neutra, consulte Piscina de flotabilidad neutra .

La actividad extravehicular (EVA), trabajar fuera del vehículo espacial, fue uno de los objetivos del Programa Gemini durante la década de 1960. Los astronautas fueron entrenados en la condición de "gravedad cero" volando una trayectoria parabólica en un avión que provocó una gravedad reducida durante intervalos de treinta segundos.

Pioneros sin suficiente formación

El cosmonauta ruso Alexei Leonov fue el primero en salir de su vehículo mientras viajaba en órbita sobre la Tierra. Poco después, Ed White , Gemini IV , fue el primer astronauta estadounidense en salir de un vehículo mientras estaba en el espacio. Estas fueron demostraciones de la capacidad de salir y volver a subir al vehículo, pero no incluyeron tareas de EVA. Los siguientes tres vuelos para demostrar una capacidad EVA fueron Gemini IX-A , X y XI . Cada uno de estos vuelos expuso problemas con el desempeño de las tareas de EVA. Trabajar con trajes de presión en la constante ingravidez de los vuelos espaciales orbitales fue más complejo y difícil de lo que se había anticipado. NASAdeterminó que la formación para las tareas de EVA requería un mayor desarrollo. ^[1]

Orígenes del entrenamiento de flotabilidad neutral

En julio de 1966, el Programa Gemini se unió a un contrato del Centro de Investigación Langley de la NASA para incluir una evaluación de las tareas de Gemini EVA. ^[2] El contratista, Environmental Research Associates de Randallstown, MD ya había comenzado a desarrollar una capacidad de simulación de flotabilidad neutra en 1964. Esta capacidad para sujetos adaptados a presión se desarrolló inicialmente en 1964 utilizando una piscina cubierta en una escuela privada ( McDonogh School cerca de Baltimore ). ^[3] Inicialmente, estas primeras simulaciones submarinas se diseñaron simplemente para probar la capacidad de los sujetos para moverse sobre las esclusas de aire simuladas y no se les asignó pesos. ^[4]Rápidamente, las pruebas sumergidas de Environmental Research Associates evolucionaron hasta convertirse en una simulación de flotabilidad neutra adecuada, con sujetos ponderados y numerosos buceadores de seguridad disponibles durante sesiones determinadas. ^[5]

Primera evaluación de astronautas

Scott Carpenter fue el primer astronauta en evaluar la operación del contratista, en una simulación de " taller húmedo ". La tarea consistía en quitar los pernos mientras se encontraba en una esclusa de aire simulada sumergida . La tarea de extracción de pernos se diseñó para crear acceso a un domo S-IVB gastado . La evaluación de Carpenter de la simulación fue favorable y la NASA proporcionó rápidamente maquetas de vehículos Gemini y componentes de acoplamiento para facilitar un mayor desarrollo de las capacidades de EVA a través del entrenamiento de flotabilidad neutral. El astronauta Gene Cernan visitó por primera vez las instalaciones de la piscina cubierta de la escuela McDonogh para una evaluación posterior a la misión de los problemas que encontró durante su Gemini IX-A EVA. Luego, la NASA modificó el contrato para incluir el entrenamiento previo a la misión del astronauta Gemini XII , Buzz Aldrin . El astronauta Cernan también participó en este entrenamiento previo a la misión, ya que estaba en un papel de respaldo de Aldrin como piloto de Gemini XII .

Entrenamiento Gemini XII EVA

Aldrin entrenó para la versión original de Gemini XII EVA que luego fue revisada para eliminar la tarea de usar una unidad de maniobra tripulada . Aldrin regresó a las instalaciones de McDonogh y se entrenó para la versión final de su EVA. La NASA consideró que el vuelo EVA fue un éxito total, y Aldrin regresó nuevamente a McDonogh para realizar una evaluación posterior a la misión del EVA. La evaluación posterior a la misión verificó el valor de usar el entrenamiento de simulación de flotabilidad neutral antes de intentar todas las tareas de EVA mientras usa un traje de presión y trabaja en el ambiente hostil del espacio. El propio Aldrin reconoció algunos defectos menores del entrenamiento de flotabilidad neutral, pero describió que el método tiene una "ventaja considerable" sobre los aviones de trayectoria Kepleriana . ^[6]

Más allá de Géminis

Después de los exitosos EVA en la misión Gemini XII, la NASA construyó tanques para la simulación de flotabilidad neutral: la instalación de inmersión en agua en el Centro de naves espaciales tripuladas y el Simulador de flotabilidad neutral en el Centro de vuelo espacial Marshall . Tras el uso de esas instalaciones durante los Apollo y Skylab programas, la NASA finalmente construyó el Centro de Formación ambiente sin gravedad en el centro de la nave espacial tripulada en Houston y más tarde el laboratorio de flotabilidad neutral , donde transbordador y la estación espacial de los astronautas son entrenados en una flotabilidad neutra. Los astronautas y cosmonautas también entrenan en elCentro de formación de cosmonautas Yuri Gagarin, cerca de Moscú . Estos logros se resumieron en un artículo publicado por el periódico Baltimore Sun en 2009. ^[7] En septiembre de 2011, el Simposio Gemini XLV incluyó una revisión de estos logros de G. Samuel Mattingly y comentarios destacados de los astronautas Richard Gordon , Tom Jones , y Buzz Aldrin .

Rescatando Skylab

Durante la misión Skylab 2 , los astronautas Conrad y Kerwin abrieron con éxito un panel solar que no se había desplegado automáticamente después del lanzamiento. Para realizar esta tarea, los astronautas entrenaron bajo el agua en el Simulador de Flotabilidad Neutral en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales . Sin embargo, debido a las diferencias entre el diseño de la maqueta utilizada para el entrenamiento y lo que encontraron en Skylab, los astronautas usaron herramientas improvisadas y rediseñaron cómo realizarían la tarea mientras estaban en el espacio exterior. ^[8]

Características

Una comparación de la misma tarea durante el Gemini XII EVA del astronauta Aldrin

Necesidad de simulación

Los astronautas ensayan tareas de actividad extravehicular en flotabilidad neutra bajo el agua antes de intentar esas tareas en el espacio para comprender que no pueden usar su peso para proporcionar una fuerza y que pueden moverse o reposicionarse si proporcionan una fuerza propulsora en cualquier vector , ya sea planeado o inadvertido. Los artículos que describen la simulación de flotabilidad neutra generalmente señalan que el traje espacial del astronauta tiene una flotabilidad neutra, pero que el astronauta todavía siente la gravedad dentro del traje espacial, por lo que el ajuste del traje es muy importante y que moverse en el agua, un fluido viscoso , crea una resistencia que no está presente en EVA. ^[9]

Experiencia de gravedad normal

El propósito principal de un astronauta para salir del vehículo y utilizar EVA es a menudo proporcionar una fuerza para empujar, tirar, hacer girar, apretar o transportar un objeto. Mientras viven en la gravedad terrestre normal, las personas generalmente no reconocen el uso de su peso para proporcionar una fuerza. La simple tarea de abrir o cerrar una puerta, por ejemplo, es complicada cuando una persona está de pie sobre una capa de hielo resbaladiza, por lo que el peso de la persona no proporciona un acoplamiento de fricción al suelo. La aplicación de la fuerza es una acción que requiere una reacción y si los pies del individuo resbalan, la aplicación de la fuerza es limitada o inexistente. El individuo siente la gravedad sobre el hielo, pero no puede usar su peso para proporcionar tracción y no puede desplazar su peso para proporcionar fuerza.en un vector horizontal para que no puedan forzar la puerta. Dar un empujón a la puerta y deslizarse hacia atrás es usar inercia masiva y no usar el peso del individuo. La inercia masiva también se puede utilizar durante EVA, pero hacerlo con un traje de presión puede producir resultados no deseados.

Comparación

Como se indicó anteriormente (en Necesidad de simulación ), el astronauta siente la gravedad dentro del traje presurizado mientras está sumergido en agua. Sin embargo, la combinación de astronauta y traje espacial, cuando está correctamente equilibrada en flotabilidad neutra como en EVA, es ingrávida, por lo que el astronauta, similar a estar parado sobre hielo, no puede usar el peso para proporcionar una fuerza en cualquier vector. El vector de cualquier fuerza es similar, si no exactamente el mismo en EVA y en flotabilidad neutra. La magnitud de la fuerza, si es estática, es muy similar y si la dinámica sigue siendo similar, aunque la fuerza y ​​el vector utilizados para mover objetos grandes deben estudiarse y planificarse cuidadosamente para que la simulación sea realista. Es la incapacidad de usar el peso en cualquier vector. en EVA junto con el estorbo del traje de presión que dificulta el desempeño de la tarea.

Arrastra

El arrastre es la otra preocupación importante identificada en los artículos sobre simulación de flotabilidad neutra. Cualquier movimiento en el agua está sujeto a arrastre y requiere un poco más de tiempo (segundos) y un poco más de fuerza (onzas) para compensar el arrastre en comparación con el mismo movimiento en EVA. Al principio de la historia de la simulación de flotabilidad neutra, se consideró proporcionar al astronauta sumergido pequeños motores para compensar el arrastre del agua, pero esto pronto se descartó como una complicación innecesaria. Solo se dedica un pequeño porcentaje de tiempo a la traducción a una nueva ubicación, generalmente a baja velocidad., generalmente menos de 6 pulgadas por segundo. Incluso velocidades tan bajas están sujetas a arrastre, pero se vuelve difícil de medir en medio de las corrientes menores en el agua causadas por otros astronautas, buceadores y el sistema de circulación del agua que se suman o restan al arrastre.

Rendimiento de la tarea

En EVA, la mayor parte del trabajo se realiza de forma lenta, cuidadosa y metódica, no por el entrenamiento de flotabilidad neutra, sino porque así es como debe realizar una tarea un astronauta presurizado en ingravidez. Se necesita más fuerza para acelerar una masa a una velocidad más alta y luego para reducir la velocidad de la masa, que para moverla lentamente a su destino. También es más fácil controlar su movimiento si se mueve lentamente. Por lo tanto, el arrastre del agua en movimiento en flotabilidad neutra simplemente requiere una lentitud de movimiento que también es apropiada para vuelos espaciales.

Diferencias visuales

Hay otras características menos obvias pero importantes que deben tenerse en cuenta en el entrenamiento de EVA subacuático, como las diferencias visuales debidas a la refracción en la interfaz aire-agua en la visera del casco y la posición o actitud del traje en relación con la tarea. El personal del Laboratorio de Flotabilidad Neutral en Houston planifica y evalúa sus simulaciones meticulosamente. Los astronautas experimentados de EVA que observan una simulación pueden aconsejar sobre qué tan realista es el desempeño de la tarea y recomendar modificaciones.

Utilidad para los astronautas de EVA

Aprender y ensayar una tarea de EVA en flotabilidad neutra le da al astronauta o al especialista en EVA la confianza de que la tarea planificada puede lograrse. La línea de tiempo desarrollada para el desempeño de la tarea es similar al tiempo requerido en EVA. En general, se considera que una tarea realizada y practicada en simulación de flotabilidad neutra también se puede realizar en EVA. La flotabilidad neutra, debidamente planificada y realizada, funciona porque es una simulación realista de los requisitos físicos de realizar una tarea en EVA.

Comparación con aviones de gravedad reducida

El otro método importante utilizado para simular la microgravedad es el vuelo en un avión de gravedad reducida (el llamado "cometa vómito"), un avión que realiza una serie de ascensos y descensos parabólicos para dar a sus ocupantes la sensación de gravedad cero. ^[10] El entrenamiento con aeronaves de gravedad reducida evita el problema de arrastre del entrenamiento con flotabilidad neutra (los alumnos están rodeados de aire en lugar de agua), pero en cambio se enfrenta a una limitación de tiempo severa: los períodos de ingravidez sostenida se limitan a alrededor de 25 segundos, intercalados con períodos de aceleración de alrededor de 2 g cuando la aeronave sale de su inmersión y se prepara para la siguiente carrera. ^[11] Esto no es adecuado para la práctica de EVA, que suelen durar varias horas.

Referencias

1. Barton C. Hacker y James M. Grimwood, Sobre los hombros de titanes: una historia del proyecto Gemini . Publicación especial de la NASA 4203 1977 (p. 356 de la publicación original en tapa dura).
2. Otto F. Trout, Jr., Harry L. Loats, Jr. y G. Samuel Mattingly "Contrato NAS1-4059 de la NASA con acuerdos suplementarios" Archivado el 25 de octubre de 2011 en Wayback Machine , enero de 1966
3. Otto F. Trout, Jr., Harry L. Loats, Jr. y G. Samuel Mattingly "Técnica de inmersión en agua de un sujeto adaptado a la presión en condiciones de gravedad equilibrada" , 1964
4. Michael J. Neufeld y John B. Charles, "Practicar para el espacio bajo el agua: inventar el entrenamiento de flotabilidad neutral, 1963-1968". ScienceDirect 39, no. 3-4 (2015): 149-150.
5. Michael J. Neufeld y John B. Charles, "Practicar para el espacio bajo el agua: inventar el entrenamiento de flotabilidad neutral, 1963-1968". ScienceDirect 39, no. 3 y 4 (2015): 151.
6. Reginald Machel, Resumen de la actividad extravehicular de Géminis . Oficina de Utilización Tecnológica de la NASA , 1967: 7-35.
7. Frank D. Roylance "Marca histórica" , The Baltimore Sun 19 de julio de 2009
8. David J. Shayler, FBIS , Walking in Space , 2004, p. 213, Praxis Publishing Ltd.
9. G. Samuel Mattingly, con John B. Charles, "Una historia personal de simulación de flotabilidad neutra bajo el agua" . The Space Review, 4 de febrero de 2013.
10. Rafiq A, Hummel R, Lavrentyev V, Derry W, Williams D, Merrell RC (agosto de 2006). "Efectos de la microgravedad en la motricidad fina: atar nudos quirúrgicos durante el vuelo parabólico" . Aviat Space Environ Med . 77 (8): 852–6. PMID  16909881 . Consultado el 27 de agosto de 2008 .
11. Pletser V (noviembre de 2004). "Experimentos de microgravedad de corta duración en ciencias físicas y de la vida durante vuelos parabólicos: las primeras 30 campañas de la ESA". Acta Astronautica . 55 (10): 829–54. Código Bibliográfico : 2004AcAau..55..829P . doi : 10.1016 / j.actaastro.2004.04.006 . PMID 15806734 . 

Enlaces externos

• Simposio Gemini XLV