Marzenia człowieka o podboju kosmosu spełniły się już kilkadziesiąt lat temu. Jednak cały czas planowane są kolejne misje załogowe. Wymagają one użycia udoskonalonych skafandrów kosmicznych, które będą chronić astronautów i umożliwiać im większą swobodę ruchów w przestrzeni kosmicznej i na powierzchni planet.

Plany podróży planetarnych na Marsa wymogły na projektantach skafandrów kosmicznych prace nad zupełnie nowym typem ubioru dla astronautów. W MIT powstaje projekt bioskafandra, czyli tzw. Bio-Suit. Innowacja w tego typu kosmicznym ubiorze polega na sposobie utrzymania ciśnienia w jego wnętrzu. Kluczową sprawą jest zachowanie odpowiedniego ciśnienia wywieranego na ciało astronauty. Ciśnienie to wynosi około jednej atmosfery, czyli tyle co w warunkach ziemskich. Dotychczas uzyskiwano to dzięki wpompowywaniu do skafandra gazu pod takim ciśnieniem. Takie rozwiązanie nie sprzyja jednak swobodzie ruchów. Aby zapewnić odpowiednie ciśnienie nie rezygnując z wygody, Bio-Suit jest zaprojektowany raczej jako sztuczna skóra niż “namiot nadmuchany gazem”. Oznacza to, że kompresja nie jest uzyskiwana przez wpompowywanie gazu wprost do skafandra, lecz przez mechaniczny ucisk na ciało astronauty. Dlatego Bio-Suit jest wykonany z elastycznego materiału, który ściśle przylega do skóry utrzymując stałe naprężenie. Dzięki temu można także uzyskać zwiększenie zakresu wykonywanych ruchów, czyli większą wygodę w poruszaniu się. Kompresja w hełmie skafandra jest utrzymana w tradycyjny sposób, czyli przez wpompowany gaz.

Astronauta w bioskafandrzeMIT

Astronauta na Marsie przygotowuje się do wyjścia na powierzchnie planety. Na sobie ma wygodną, elastyczną główną osłonę bioskafandra (1). Następnie założy twardy pancerz osłaniający klatkę piersiową (4). Na plecy włoży system podtrzymywania życia (5). Reszta ubrania astronauty to hełm (2), który wypełni się gazem pod odpowiednim ciśnieniem, oraz buty (3) i rękawice.

Schematyczny rysunek bioskafandraMIT

Schematyczny rysunek astronautki ubranej w bioskafander. Na rysunku widzimy wszystkie elementy skafandra – łącznie z hełmem i systemem podtrzymywania życia umieszczonym na plecach. Tak ubrany astronauta może swobodnie poruszać się po powierzchni np. Marsa.

Testowanie i zdobywanie wiedzy o zachowaniach i właściwościach skafandrów odbywa się poprzez analizowanie dotychczasowych lotów kosmicznych oraz eksperymenty w sztucznej w nieważkości. Sztuczną nieważkość uzyskuje się podczas lotów samolotem po torze parabolicznym, czyli zbliżając lot samolotu do spadku swobodnego. Loty paraboliczne są jednym z elementów treningu astronautów. Określona trajektoria samolotu, czyli parabola, powoduje, że w pewnym momencie jego pasażerowie przybywają w stanie mikrograwitacji.

Testy są także przeprowadzane na Ziemi przy użyciu specjalnego robota, określanego skrótowo RSST – robotic space suit tester. Robot posiada kształt zbliżony do ludzkiego i jest wyposażony w czujniki umożliwiające pomiar występujących momentów siły, czyli oporów podczas poruszania się w skafandrze. Dzięki temu naukowcy są w stanie zbadać zakres ruchów robota w skafandrze – a tym samym mobilność i wygodę człowieka, dla którego skafander jest przeznaczony. Podczas jednego z testów ruch łokcia robota umieszczonego w skafandrze został zarejestrowany dzięki połączeniom hydraulicznym w jego stawach. Następnie moment siły został porównany do modelu tzw. histerezy, czyli krzywej, która określa zależność obecnego stanu układu od stanu poprzedzającego.

RSSTMIT

Robot RSST używany do testów skafandrów kosmicznych. Po lewej stronie widzimy robota ubranego w skafander.

Histereza momentu siły robota w skafandrze kosmicznymMIT

Dopasowanie matematycznego modelu Preisacha do eksperymentalnie wyznaczonych momentów siły. Momenty siły wyznaczono dla ruchu przedramienia robota ubranego w skafander. Na osi poziomej umieszczono czas. Jak widać, moment siły wzrasta wraz w miarę przyspieszania wykonywanych ruchów. Dopasowany w ten sposób model pozwala przewidywać mobilność i wygodę ruchów astronauty. (Koła – dane eksperymentalne, linia przerywana – poziom ufności, linia ciągła – model matematyczny)

Badane są także właściwości użytych materiałów (ich elastyczność, wytrzymałość). Podczas eksperymentów uczeni mogą się dowiedzieć, czy astronauci będą w stanie chwycić i przenieść dany przedmiot oraz w jakim stopniu skafander przeszkadza w tym zadaniu. Swoboda ruchów astronautów jest kluczowa w misjach obejmujących spacery kosmiczne, zewnętrzne naprawy statków czy poruszanie się po powierzchni planet.

Zebrane dane naukowcy wykorzystują do tworzenia symulacji komputerowych. Dzięki temu sprawdzane są ekstremalne sytuacje, które mogą się wydarzyć podczas misji oraz szukane są sposoby pokonania przeszkód. Astronauci testują także skafandry na sobie – podczas szkoleń ćwiczą w wodzie. Warunki w wodzie, czyli zmniejszenie ciężaru człowieka przez wypór, pozwalają częściowo zasymulować warunki na orbicie ziemskiej lub na powierzchni planet mniejszych od Ziemi. Stanowi to także okazję do zmierzenia czasu potrzebnego do wykonania zadania.

Podwodne testy skafandrów kosmicznychMIT

Podwodny test skafandra kosmicznego. Oprócz warunków symulujących zmniejszony ciężar, podwodny test pozwala też lepiej oszacować czas potrzebny na wykonanie elementu misji.

Zapewnienie astronautom bezpieczeństwa w przestrzeni kosmicznej jest ważną częścią misji załogowych. Powodzenie misji zależy od człowieka. Dzięki wielu testom naukowcy mogą ulepszyć skafandry kosmiczne i umożliwić astronautom jak najlepsze warunki.

Autor

Agata Senczyna
Agata Senczyna

Członek Klubu Astronomicznego "Almukantarat".