La simulación de flotabilidad neutra con astronautas sumergidos en una piscina de flotabilidad neutra , con trajes presurizados, puede ayudar a preparar a los astronautas para la difícil tarea de trabajar fuera de una nave espacial en un entorno aparentemente ingrávido.
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 provocaba una gravedad reducida durante intervalos de treinta segundos.
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 se encontraba en el espacio. Estas fueron demostraciones de la capacidad de salir y regresar al vehículo, pero no incluyeron tareas EVA. Los siguientes tres vuelos que demostraron la capacidad de EVA fueron Gemini IX-A , X y XI . Cada uno de estos vuelos expuso problemas con el desempeño de las tareas EVA. Trabajar con trajes presurizados en la constante ingravidez de los vuelos espaciales orbitales fue más complejo y difícil de lo que se había previsto. La NASA determinó que el entrenamiento para tareas EVA requería un mayor desarrollo. [1]
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 la presión se desarrolló inicialmente en 1964 utilizando una piscina cubierta en una escuela privada ( Escuela McDonogh cerca Baltimore ). [3] Inicialmente, estas primeras simulaciones submarinas fueron diseñadas simplemente para probar la capacidad de los sujetos para moverse alrededor de las esclusas de aire simuladas y no se colocaron pesos sobre los sujetos. [4] Rápidamente, las pruebas sumergidas de Environmental Research Associates evolucionaron hacia una simulación de flotabilidad neutra adecuada, con sujetos pesados y numerosos buzos de seguridad disponibles durante las sesiones determinadas. [5]
Scott Carpenter fue el primer astronauta en evaluar el funcionamiento 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 fue diseñada para crear acceso a un domo S-IVB gastado . La evaluación de Carpenter de la simulación fue favorable y la NASA rápidamente proporcionó maquetas de vehículos Gemini y componentes de acoplamiento para facilitar un mayor desarrollo de las capacidades de EVA a través del entrenamiento de flotabilidad neutra. El astronauta Gene Cernan visitó por primera vez las instalaciones de la piscina cubierta de la Escuela McDonogh para evaluar los problemas posteriores a la misión que encontró durante su EVA Gemini IX-A . 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 desempeñaba un papel de respaldo de Aldrin como piloto del Gemini XII .
Aldrin se entrenó para la versión original de Gemini XII EVA que luego fue revisada para eliminar la tarea de utilizar una unidad de maniobra tripulada . Aldrin regresó a las instalaciones de McDonogh y entrenó para la versión final de su EVA. La NASA consideró que el vuelo del EVA fue un éxito total y Aldrin regresó nuevamente a McDonogh para realizar una evaluación del EVA posterior a la misión. La evaluación posterior a la misión verificó el valor de utilizar un entrenamiento de simulación de flotabilidad neutra antes de intentar todas las tareas de EVA mientras se usa un traje presurizado y se 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]
Después del éxito de los EVA en la misión Gemini XII, la NASA construyó tanques para la simulación de flotabilidad neutra: la instalación de inmersión en agua en el Centro de naves espaciales tripuladas y el simulador de flotabilidad neutral en el Centro Marshall de vuelos espaciales . Tras el uso de esas instalaciones durante los programas Apollo y Skylab , la NASA finalmente construyó la Instalación de Entrenamiento en Ambiente Ingravidez en el Centro de Naves Espaciales Tripuladas en Houston y más tarde el Laboratorio de Flotabilidad Neutral , donde los astronautas del Transbordador y la Estación Espacial son entrenados en flotabilidad neutra. Los astronautas y cosmonautas también entrenan en el Centro de Entrenamiento 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 por parte de G. Samuel Mattingly y comentarios destacados de los astronautas Richard Gordon , Tom Jones , y Buzz Aldrin .
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 del 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 utilizaron herramientas improvisadas y rediseñaron cómo realizarían la tarea mientras estaban en el espacio exterior. [8]
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 de propulsión en cualquier vector . planeado o involuntario. 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]
El objetivo principal de un astronauta al salir del vehículo y pasar a EVA es a menudo proporcionar una fuerza para empujar, tirar, girar, apretar o transportar un objeto. Mientras viven en la gravedad terrestre normal, las personas generalmente no reconocen el uso de su peso para generar fuerza. La simple tarea de abrir o cerrar una puerta, por ejemplo, se complica cuando un individuo está parado sobre una capa de hielo resbaladiza, por lo que el peso del individuo no proporciona un acoplamiento por fricción con el suelo. La aplicación de fuerza es una acción que requiere una reacción y si los pies del individuo resbalan, la aplicación de fuerza es limitada o inexistente. El individuo siente la gravedad al estar sobre el hielo, pero no puede usar su peso para proporcionar tracción y no puede cambiar su peso para proporcionar fuerza en un vector horizontal , por lo que no puede forzar la puerta. Dar un empujón a la puerta y deslizarla hacia atrás es utilizar la inercia de masa y no utilizar el peso del individuo. La inercia masiva también se puede utilizar durante la EVA, pero hacerlo con un traje presurizado puede producir resultados no deseados.
Como se indicó anteriormente (en Need for simulación ), el astronauta siente la gravedad dentro del traje presurizado mientras está sumergido en agua. Sin embargo, la combinación astronauta-traje espacial, cuando se equilibra adecuadamente en flotabilidad neutra como en EVA, no pesa, por lo que el astronauta, similar a estar parado sobre hielo, no puede usar el peso para proporcionar una fuerza en ningún vector. El vector de cualquier fuerza es similar, si no exactamente igual, en EVA y en flotabilidad neutra. La magnitud de la fuerza, si es estática, es muy similar y si es 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 utilizar el peso en cualquier vector en EVA, junto con el peso del traje presurizado, lo que dificulta el desempeño de la tarea.
La resistencia 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 la resistencia del agua, pero pronto se descartó esto como una complicación innecesaria. Sólo se dedica un pequeño porcentaje del tiempo a trasladarse a una nueva ubicación, generalmente a baja velocidad , generalmente menos de 6 pulgadas por segundo. Incluso velocidades tan bajas están sujetas a resistencia, pero resulta difícil medirlas en medio de las corrientes menores en el agua causadas por otros astronautas, buzos y el sistema de circulación de agua que aumentan o restan resistencia.
En EVA, la mayor parte del trabajo se realiza lenta, cuidadosa y metódicamente, no debido al 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 mayor y luego reducirla, que para moverla lentamente hasta su destino. También es más fácil controlar su movimiento si se mueve lentamente. Por lo tanto, la resistencia del agua en el movimiento con flotabilidad neutra simplemente requiere una lentitud de movimiento que también es apropiada para los vuelos espaciales.
Hay otras características menos obvias pero importantes que deben considerarse en el entrenamiento de EVA bajo el agua, como las diferencias visuales debidas a la refracción en la interfaz aire-agua en la visera del casco y la posición o actitud en el traje en relación con la tarea. El personal del Laboratorio de Flotabilidad Neutral de Houston planifica y evalúa meticulosamente sus simulaciones. Los astronautas experimentados de EVA que observan una simulación pueden asesorar sobre cuán realista es la realización de la tarea y recomendar modificaciones.
Aprender y ensayar una tarea EVA en flotabilidad neutra le da al astronauta o al especialista en EVA la confianza de que la tarea planificada se puede realizar. El cronograma desarrollado para la realización de tareas es similar al tiempo requerido en EVA. En general, se considera que una tarea realizada y practicada en simulación de flotabilidad neutra también puede realizarse en EVA. La flotabilidad neutra, adecuadamente planificada y realizada, funciona porque es una simulación realista de los requisitos físicos para realizar una tarea en EVA.
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 aviones de gravedad reducida evita el problema de resistencia del entrenamiento con flotabilidad neutra (los alumnos están rodeados de aire en lugar de agua), pero en cambio enfrenta una severa limitación de tiempo: los períodos de ingravidez sostenida se limitan a alrededor de 25 segundos, intercalados con períodos de aceleración. de alrededor de 2 g cuando el avión sale de su picado y se prepara para el siguiente recorrido. [11] Esto no es adecuado para practicar EVA, que suelen durar varias horas.