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 sin gravedad.
La actividad extravehicular (EVA), es decir, trabajar fuera del vehículo espacial, fue uno de los objetivos del Programa Gemini durante la década de 1960. Los astronautas fueron entrenados en condiciones de “gravedad cero” volando en una trayectoria parabólica en una aeronave que causaba 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 estaba en el espacio. Estas fueron demostraciones de la capacidad de salir y volver a entrar en el vehículo, pero no incluyeron tareas EVA. Los siguientes tres vuelos que demostraron una capacidad 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 de presión mientras se estaba en la ingravidez constante del vuelo espacial orbital fue más complejo y difícil de lo que se había anticipado. La NASA determinó que el entrenamiento para las 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 EVA de Gemini. [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 con trajes de 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 fueron diseñadas simplemente para probar la capacidad de los sujetos para moverse sobre esclusas de aire simuladas y no se colocaron pesos en los sujetos. [4] Rápidamente, las pruebas sumergidas de Environmental Research Associates evolucionaron hacia una simulación de flotabilidad neutra adecuada, con sujetos con peso y numerosos buzos de seguridad a mano durante las sesiones determinadas. [4]
Scott Carpenter fue el primer astronauta en evaluar la operación del contratista, en una simulación de " taller húmedo ". La tarea consistía en quitar pernos mientras se encontraba en una esclusa de aire simulada sumergida . La tarea de extracción de pernos estaba diseñada para crear acceso a una cúpula S-IVB gastada . 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 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 la evaluación posterior a la misión de los problemas que encontró durante su EVA Gemini IX-A . Luego, la NASA modificó el contrato para incluir el entrenamiento previo a la misión del astronauta de 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 .
Aldrin se entrenó para la versión EVA original del Gemini XII, 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 neutra antes de intentar todas las tareas de EVA mientras usaba un traje de presión y trabajaba en el entorno hostil del espacio. El propio Aldrin reconoció algunos defectos menores del entrenamiento de flotabilidad neutra, pero describió el método como una "ventaja considerable" sobre las aeronaves de trayectoria kepleriana . [5]
Después de las EVA exitosas en la misión Gemini XII, la NASA construyó tanques para 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 . Después del uso de esas instalaciones durante los programas Apolo y Skylab , la NASA finalmente construyó la Instalación de Entrenamiento en Ambiente de Gravedad 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 fueron resumidos en un artículo publicado por el periódico Baltimore Sun en 2009. [6] En septiembre de 2011, el Simposio Gemini XLV incluyó una revisión de estos logros por 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 lograron abrir con éxito un panel solar que no se había desplegado automáticamente después del lanzamiento. Para realizar esta tarea, los astronautas se 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 utilizaron herramientas improvisadas y rediseñaron cómo realizarían la tarea mientras estaban en el espacio exterior. [7]
Los astronautas ensayan tareas de actividad extravehicular en flotabilidad neutra bajo el agua antes de intentar realizarlas 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 planificada o inadvertida. Los artículos que describen la simulación de flotabilidad neutra generalmente señalan que el traje espacial del astronauta está hecho de flotabilidad neutra, pero que el astronauta aún 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. [8]
El objetivo principal de un astronauta para salir del vehículo y realizar una EVA es proporcionar una fuerza para empujar, tirar, hacer girar, apretar o transportar un objeto. Mientras se vive en la gravedad normal de la Tierra, 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 con el suelo. La aplicación de fuerza es una acción que requiere una reacción y si los pies de la persona resbalan, la aplicación de fuerza es limitada o inexistente. La persona siente la gravedad estando de pie 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 deslizarse hacia atrás es usar la inercia de masa y no usar el peso de la persona. La inercia de masa también se puede usar durante una EVA, pero hacerlo con un traje de presión puede producir resultados no deseados.
Como se indicó anteriormente (en Need for simulation ), el astronauta siente la gravedad dentro del traje presurizado mientras está sumergido en el agua. Sin embargo, la combinación astronauta-traje espacial, cuando está correctamente equilibrada en flotabilidad neutra como en EVA, no tiene peso, por lo que el astronauta, de manera similar a estar de pie sobre el hielo, no puede usar el peso para proporcionar una fuerza en ningún 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 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 usar el peso en cualquier vector en EVA junto con el estorbo del traje de presión 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 resistencia y requiere un poco más de tiempo (segundos) y un poco más de fuerza (onzas) para compensar la resistencia 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 esto pronto se descartó como una complicación innecesaria. Solo se gasta un pequeño porcentaje de tiempo en 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 se vuelve difícil de medir en medio de las pequeñas corrientes en el agua causadas por otros astronautas, buzos y el sistema de circulación de agua que se suman o restan a la resistencia.
En los viajes extravehiculares, la mayor parte del trabajo se realiza de forma lenta, cuidadosa y metódica, no por el entrenamiento en flotabilidad neutra, sino porque así es como debe realizar una tarea un astronauta presurizado en condiciones de ingravidez. Se necesita más fuerza para acelerar una masa hasta una velocidad mayor y luego frenarla de nuevo 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 al moverse en flotabilidad neutra simplemente requiere una lentitud de movimiento que también es apropiada para los vuelos espaciales.
Existen otras características menos obvias pero importantes que deben tenerse en cuenta en el entrenamiento 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 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 en EVA que observan una simulación pueden asesorar sobre cuán realista es el desempeño 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 puede llevarse a cabo. El cronograma desarrollado para la ejecución de la tarea es similar al tiempo requerido en EVA. En general, se considera que una tarea realizada y practicada en una simulación de flotabilidad neutra también puede realizarse en EVA. La flotabilidad neutra, correctamente planificada y realizada, funciona porque es una simulación realista de los requisitos físicos para realizar una tarea en EVA.
El otro método principal utilizado para simular la microgravedad es el vuelo en una aeronave de gravedad reducida (un llamado "cometa vómito"), una aeronave que realiza una serie de ascensos y descensos parabólicos para dar a sus ocupantes la sensación de gravedad cero. [9] El entrenamiento en aeronaves de gravedad reducida evita el problema de resistencia del entrenamiento de flotabilidad neutra (los aprendices están rodeados de aire en lugar de agua), pero en cambio se enfrenta a una severa limitación de tiempo: los períodos de ingravidez sostenida están limitados a alrededor de 25 segundos, intercalados con períodos de aceleración de alrededor de 2 g mientras la aeronave sale de su picado y se prepara para el siguiente vuelo. [10] Esto no es adecuado para practicar EVAs, que suelen durar varias horas.