Mechanický protitlakový oblek - Mechanical counterpressure suit

Space Activity Suit vyvinutý Paulem Webbem a postavený v rámci projektu NASA. Obrázek ukazuje kompletní vícevrstvý oblek a přetlakovou helmu bez postranního batohu. (pořízeno ~ 1971)

A oblek s mechanickým protitlakem (MCP) nebo kosmická aktivita oblek (SAS) je experimentální skafandr který vyvíjí stabilní tlak na pokožku pomocí těsných elastických oděvů. SAS není nafouknutý jako běžný skafandr: k stlačování lidského těla v prostředí s nízkým tlakem používá spíše mechanický tlak než tlak vzduchu. Vývoj zahájila NASA a letectvo koncem padesátých a poté znovu koncem šedesátých let, ale nebyl použit žádný design. Výzkum probíhá na Massachusetts Institute of Technology (MIT) na systému „Bio-Suit“, který je založen na původním konceptu SAS.[1]

Pozadí

Lidské tělo může krátce přežít vystavení do tvrdého vakuum nechráněného prostoru,[2] přes opačné vyobrazení v některých populárních sci-fi. Lidská kůže nemusí být chráněna před vakuem a je sama plynotěsná. Lidské maso se za takových podmínek rozšiřuje na přibližně dvojnásobek své velikosti, což dává vizuální efekt spíše staviteli těla než přeplněnému balónu. Tomu lze čelit mechanickým protitlakem z vhodně navrženého oděvu. Vědomí je uchováno po dobu až 15 sekund jako účinky hladovění kyslíkem proti. Proti tomu je třeba, aby helma obsahovala dýchací plyny a chránila uši a oči.[3] Tyto účinky byly potvrzeny různými nehodami ve velmi vysokých nadmořských výškách, ve vesmíru a cvičením vakuových komor.[4][5]

Chlazení

Chlazení astronauta pomocí SAS je obecně dosaženo odpařováním z potu těla, které je emitováno z obleku ve všech směrech. Voda, soli a bílkoviny se mohou usazovat na optice a jiných citlivých površích a způsobit poškození nebo degradaci. To může omezit užitečnost SAS. Pro nafouknuté skafandry použité na raketoplán,Mezinárodní vesmírná stanice a Program Apollo, chlazení bylo dosaženo v Primární systém podpory života podle sublimace vody ve vakuu.

Designy

Mauch

V roce 1959 Hans Mauch pracoval na "prodyšném" spodním prádle pro Rtuťový skafandr když narazil na myšlenku způsobu, jak vytvořit konstrukci mechanického protitlaku. Mauchův tým si všiml té uzavřené cely pěny, které zachycují plyn v jejich struktuře, expandují, když je snížen vnější tlak. Tím, že obsahuje pěnu v neexpandující vnější vrstvě, vyvíjí při snižování tlaku na tělo rostoucí tlak. Zdálo se, že to umožňuje design, který by nabídl mnohem lepší mobilitu než téměř tuhý design Mercury.[6]

Pozdní v roce 1959 společnost Mauch Laboratories získala smlouvu s Americké letectvo vyvinout funkční model jako součást tajemství letectva X-20 Dynasoar úsilí. Program probíhal až do roku 1962, během této doby NASA se připojil k úsilí. Oblek byl postaven z vrstvy pěny vložené mezi dvě vrstvy látky, vnitřní proti pokožce nositele (nebo spodního prádla), aby poskytoval mechanickou podporu, a vnější poskytující ochranný obal. Samostatná a objemná přilba zajišťovala tlak a dýchací plyny. Stejně jako spodní prádlo, které Mauch vyvíjel pro Merkur, byla tepelná kontrola zajištěna přímou potní transpirací přes látku. Výsledný oblek byl zhruba stejně objemný jako původní design Mercury, s výjimkou velké helmy.[6]

Rozšířené vakuové testování proběhlo úspěšně, ale ukázalo se, že oblek má menší mobilitu, než se očekávalo, a další vývoj byl upuštěn.[6]

Webb

Zavedení vylepšených textilií vedlo k konceptu Paula Webba pro nový způsob budování SAS.[7] Byly sjednány další práce za účelem testování různých koncepcí designu. V letech 1968 až 1971 bylo vyrobeno deset návrhů s rostoucí sofistikovaností, které nakonec vedly k sérii úspěšných testů ve vakuových komorách. Nejdelší test byl dvě hodiny a čtyřicet pět minut.

Testy byly úspěšné: praktičnost mechanického protitlakového skafandru byla přesvědčivě prokázána. Energie potřebná k pohybu byla podstatně menší než u konvenčních návrhů, což bylo pro zdlouhavé vesmírné procházky velkým zlepšením. Zkoušky propíchnutí ukázaly, že až čtvereční milimetr kůže může být přímo vystaven vakuu po delší dobu bez trvalého účinku. Podobná propíchnutí v konvenčním obleku by mělo za následek ztrátu tlaku a dýchání vzduchu. Vážil o polovinu méně než primární tlakový oblek nosí NASA astronauti pro Projekt Apollo, A7L.

Objevila se také řada problémů, primárně souvisejících s problémem udržení obleku v silném mechanickém kontaktu v každém bodě těla. Dutiny nebo malé záhyby v látce by mohly vést k hromadění tekutin v mezerách; oblast třísla se ukázala jako velmi obtížná pro úspěšné přizpůsobení. Aby se to napravilo, malé vložky z polyuretanové pěny byly vloženy do dutin a byly úspěšné ve většině problémových oblastí. Obleky musely být šité na míru každému jednotlivci, i když to samé platilo o všech vesmírných oblecích té doby. Největším problémem bylo oblékání a svlékání obleku. Aby bylo možné účinně zajistit minimální tlak 29,6 kilopascalů (220 mmHg; 4.3 psi ) nezbytné pro fyziologii člověka, oblek musel být extrémně přiléhavý, takže oblékání a dolování bylo velmi náročným úkolem.

V roce 1971 Webb spolu s Jamesem F. Annisem zveřejnili svá zjištění ve zprávě.[8] Zpráva zůstala pozitivní a vědci se domnívali, že jsou možná další zlepšení. Citace zprávy:

Závěrem lze říci, že SAS v současné fázi vývoje bude chránit člověka před vlivy vakuového prostředí v oděvu, který umožňuje lepší pohyblivost a přirozené pohyby těla. Fyziologicky je přístup solidní, a přestože je třeba vyřešit mnoho problémů, jsou v zásadě mechanické povahy. Bylo navrženo, že řešení mechanických problémů v kombinaci s pečlivým přizpůsobením na základě biomechanické analýzy plus vývoj specifických elastických tkanin by nakonec mohlo vést k vesmírné verzi SAS.

Původní design SAS byl založen na dvou nových tkaninách: typu „powernet“ (nebo „pletenině“) pro oblasti vysokého napětí a elastické bobbinet vazba pro oblasti s nízkým napětím. Oba byly založeny na těžké gumě warp nit s mnohem méně pružnou útek vlákno pro vytvoření síťoviny. Pojmy warp a útky se zde používají volně, protože materiál nebyl tkaný tradičními prostředky. Použitý Powernet Spandex šňůra jako osnova s ​​nylonovou šňůrou jako útkem, což umožňuje pohyb primárně podél osy osnovy. Bobbinet používal bavlněnou gumovou osnovu a nylon nebo Dacron útku a byl pružný v obou směrech. Bavlněný obal omezil maximální roztažení na 200% zbytkové délky. Množství přetlakového bobbinetu, které bylo možné vytvořit, bylo asi 2,0 kilopascalů (15 mmHg; 0,29 psi) na trupu, největší objem a až 5,3 kilopascalů (40 mmHg; 0,77 psi) na křivkách s menším poloměrem na zápěstí a kotnících. Powernet dokázal vyprodukovat asi 6,7 kilopascalů (50 mmHg; 0,97 psi) i na trupu. Pro normální dýchání je zapotřebí minimálně 17,3 kilopascalů (130 mmHg; 2,5 psi).

K řízení celkového mechanického tlaku kolem těla bylo použito více vrstev a náplastí těchto dvou materiálů. Počínaje kůží byla použita „kluzná vrstva“ lehkého prášku, která umožnila vnějším vrstvám klouzat po pokožce bez vazby. Pod touto vrstvou bylo na různé konkávy na těle umístěno několik pěnových polštářků, které je udržovaly v kontaktu s oblekem. Na vrcholu toho byl protitlakový měchýř, součást dýchacího systému. Na vrcholu toho bylo až šest dalších vrstev Powernetu přes kmen s paličkovanými rukama a nohama nebo celoobbinetové oděvy zakrývající pouze kufr. Oděvy se oblékaly jako normální kombinézu s velkým zipem uzavírajícím přední část, s dalšími stahovacími šňůrkami v některých bodech, které pomohly uzavřít oděv. Zipy na střídavých vrstvách byly vyrovnány.

Dýchací systém s přetlakem se skládal ze tří hlavních částí: tlaková helma, dýchací měchýř a systém tankage v batohu. Močový měchýř a helma byly spojeny dohromady, aby čerpaly vzduch z močového měchýře a přes trup, když uživatel dýchal, čímž se snížilo množství tlaku na hrudník uživatele. Přilba byla zajištěna pomocí neelastického oděvu z Nomex hadřík, který se ovinul kolem hrudníku a pod paží a elastickými vrstvami nad a pod ním.

MIT Bio-oblek

MIT Bio Suit vedle planetového tvrdého obleku Mars Mark III.

Bio-Suit je experimentální vesmírný oblek ve výstavbě na Massachusetts Institute of Technology na pokyn profesora Dava Newman, s podporou NASA Institute for Advanced Concepts. Podobně jako koncept SAS v koncepci BioSuit uplatňuje pokroky v inženýrství a měření[který? ] k vytvoření zjednodušené verze designu SAS.[9]

Newman rozsáhle pracoval v biomechanika, zejména v oblasti počítačového měření lidského pohybu. Stejně jako u obleků plněných plynem používá Newman princip „řádky bez prodloužení ", koncept vytvořil Arthur Iberall při práci sahající až do konce 40. let 20. století umístit napínací prvky podél linií těla, kde se pokožka během většiny běžných pohybů neprotahuje.

Primární struktura BioSuit je postavena umístěním elastických šňůr podél linií neroztažení. Takže jakýkoli tlak, který poskytují, bude konstantní i při pohybu nositele. Tímto způsobem mohou ovládat mechanický protitlak, který oblek aplikuje. Zbytek obleku je pak postaven z spandex ležící mezi primárními tlakovými šňůrami. Tým Bio-Suit dosud[když? ] zkonstruoval číslo[je zapotřebí objasnění ] prototypů dolních končetin s použitím různých materiálů, včetně nylonu-spandexu, pružné pěny a pěny natřené uretanem.[10] V jednom experimentálním designu kevlar mezi šňůry byla použita tkanina pro oblasti, kde byla omezená expanze. Pro Newmana byl zkonstruován alespoň jeden celotělový oblek, který si oblékla pro četné fotografie; není známo, zda celý oblek splňuje stejné protitlakové normy, pro které byly prototypy dolních končetin navrženy. Každý oblek musí být šitý na míru nositeli, ale složitost tohoto úkolu je snížena použitím laserových skenů celého těla.

Výsledkem je jednovrstvá verze SAS; je lehčí než původní a pružnější, umožňuje přirozenější pohyb a snižuje energetické náklady na pohyb. Verze částí BioSuit trvale dosahovaly 25 kilopascalů (190 mmHg; 3,6 psi) a tým je v současné době[když? ] zaměřené na 30 kilopascalů (230 mmHg; 4,4 psi). Protože se ukázalo, že mechanický protitlak je pro malé klouby, jako jsou například ruce, obtížný, používá základní konstrukce BioSuit kromě plynové přilby také rukavice a boty plněné plynem.[11]

Pozdější varianta biologického obleku využívá tepelnou aktivaci slitina s tvarovou pamětí (SMA) cívky.[12] V tomto designu oblek volně sedí na těle, když byl původně oblékán. Když je připojen napájecí modul, pružinové cívky v obleku se smršťují, aby přiléhaly k tělu. Konstrukce cívky byla dále definována v článku v časopise IEEE / ASME: Transactions on Mechatronics.[13] Od roku 2008 měl Biosuit údajně potenciál být připraven k použití v misích na Marsu v blízké budoucnosti.[14][15]

Od roku 2019 bylo provedeno další vylepšení přidáním jaderných borových trubek[je zapotřebí objasnění ], který může chránit nositele obleku před radiací přítomnou ve vesmíru a na povrchu Měsíce a Marsu. Podle Cathy Lewis z Národní muzeum letectví a kosmonautiky „„ Možná to nebude další oblek, ale bude to jeden z následujících obleků, “což naznačuje, že vývoj zůstává aktivní a zaměřuje se na budoucí mise na Měsíci a Marsu.[16]

V beletrii

Viz také: Vesmírné skafandry: Skintight skafandry

Spisovatelé včetně Dan Simmons, Stephen Baxter, Larry Niven, a Pavouk a Jeanne Robinson, využili ve svých příbězích obleky vesmírných aktivit. Potenciál pro větší mobilitu a jednodušší ovládání pomocí kosmické aktivity z něj činí atraktivní volbu pro fikci, kde flexibilita použití může být přínosem pro vývoj zápletky. Estetické kvality elegantního, tvarově přizpůsobeného skafandru také kontrastují s tradičním obrazem tuhých skafandrů ve stylu potápěčského obleku, což kostýmům propůjčuje futuristický vzhled. Většina anime s futuristickými tématy zahrnuje přiléhavý skafandr (s výraznou výjimkou Planety a v menší míře Gundam franšíza). V Mars trilogie Kim Stanley Robinson, podobný oblek se označuje jako „chodítko“ a je určen čistě pro použití v marťanském prostředí. Ve čtvrté knize Skokan série Stevena Goulda, vývoj mechanického protitlakového obleku je nedílnou součástí hlavní zápletky.[17]

Viz také

Reference

  1. ^ David, Leonard (26. ledna 2005). „High-Tech Spacesuits Eyed for 'Extreme Exploration'". ProfoundSpace.org. Citováno 2007-04-08.
  2. ^ „Expozice vesmíru“.
  3. ^ Kosmická aktivita oblek, Astronautics.com
  4. ^ „Zeptejte se astrofyzika, lidské tělo ve vakuu“. NASA's Imagine the Universe. Citováno 2008-12-14.
  5. ^ „Expozice vesmíru“. Sakra zajímavé. Citováno 2008-12-14.
  6. ^ A b C Kenneth Thomas a Harold McMann, „Americké skafandry“, Springer, 2012, s. 209-211
  7. ^ Webb, Paul (duben 1968). „Kosmická aktivita: Elastický trikot pro extravehiculární aktivitu“. Letectví a kosmonautika: 376–382. Citováno 22. prosince 2016.
  8. ^ Annis, James F .; Webb, Paul (listopad 1971). „Vývoj obleku pro kosmickou činnost“ (PDF). NASA. CR-1892. Citováno 22. prosince 2016.
  9. ^ Astronaut Bio-Suit for Exploration Class Missions: NIAC Phase I Report, 2001 http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.111.7588&rep=rep1&type=pdf
  10. ^ Patel, Samir S (20. října 2005). „Tento oblek je stvořen pro chůzi (po Marsu)“. Christian Science Monitor. Citováno 2006-10-14.
  11. ^ „Bio-Suit - Přehled (archivováno)“. Výzkum mimovolných vozidel (EVA) v laboratoři vozidel. Massachusetts Institute of Technology. Archivovány od originálu 27. března 2013. Citováno 24. listopadu 2011.CS1 maint: unfit url (odkaz)
  12. ^ Chu, Jennifer (18. 9. 2014). "Zmenšující se skafandry". Zprávy MIT. Citováno 2018-02-19.
  13. ^ Holschuh, B .; Obropta, E .; Newman, D. (01.06.2015). „Akční členy NiTi s nízkým pružinovým indexem pro použití v aktivních kompresních oděvech“ (PDF). Transakce IEEE / ASME na mechatronice. 20 (3): 1264–1277. doi:10.1109 / TMECH.2014.2328519. hdl:1721.1/88470. ISSN  1083-4435.
  14. ^ Thilmany, J. (2008). "SPACE FASHION". Strojírenství.
  15. ^ Newman, Dava (2009). „Zmírnění úrazů EVA, zlepšení mobility, testování v terénu a plánování protiopatření IVA pro mise třídy průzkumu“ (PDF). Dsls.usra.edu. Archivovány od originál (PDF) dne 2016-05-13. Citováno 2017-08-20.
  16. ^ „Kosmické skafandry byly objemné už před Apollem 11. Tenký design to může změnit“. USA dnes. Citováno 3. října 2020.
  17. ^ Gould, Steven (9. září 2014). Exo. Tor Books. ISBN  978-0-7653-3654-5.

Další čtení

  • Webb, Paul. „Vesmírná aktivita: Elastický trikot pro extravehiculární aktivitu“. Letectví a kosmonautika, Duben 1968, s. 376–383.

externí odkazy