Avaruuspuku on paineistettu vaate, jota astronautit käyttävät avaruuslentojen aikana. Se on suunniteltu suojaamaan heitä avaruudessa vallitsevilta mahdollisesti vahingollisilta olosuhteilta. Avaruuspuvut tunnetaan myös nimellä Extravehicular Mobility Unit (EMU), mikä kuvastaa sitä, että niitä käytetään myös liikkumisen apuvälineinä, kun astronautti tekee avaruuskävelyn kiertoradalla olevan avaruusaluksen ulkopuolella. Ne koostuvat lukuisista räätälöidyistä komponenteista, joita useat eri valmistajat valmistavat ja jotka NASA (National Aeronautics Space Agency) kokoaa Houstonissa sijaitsevassa päämajassaan. Ensimmäiset avaruuspuvut otettiin käyttöön 1950-luvulla, kun avaruustutkimus alkoi. Ne ovat kehittyneet ajan myötä yhä toimivammiksi ja monimutkaisemmiksi. Nykyään NASA:lla on 17 valmista EMU:ta, joista jokainen maksoi yli 10,4 miljoonaa dollaria.
Taustaa
Maassa ilmakehä tarjoaa meille ympäristöolosuhteet, joita tarvitsemme selviytyäksemme. Pidämme itsestäänselvyytenä sen tarjoamia asioita, kuten ilmaa hengittämistä varten, suojaa auringon säteilyltä, lämpötilan säätelyä ja tasaista painetta. Avaruudessa ei ole mitään näistä suojaavista ominaisuuksista. Esimerkiksi ympäristö, jossa ei ole tasaista painetta, ei sisällä hengitettävää happea. Lisäksi avaruudessa lämpötila on niinkin kylmä kuin -459,4° F (-273° C). Jotta ihminen voisi selviytyä avaruudessa, nämä suojaavat olosuhteet oli syntetisoitava.
Avaruuspuku on suunniteltu luomaan uudelleen Maan ilmakehän ympäristöolosuhteet. Se tarjoaa perustarpeet elämän ylläpitämiseksi, kuten hapen, lämpötilan säätelyn, paineistetun kotelon, hiilidioksidin poiston ja suojan auringonvalolta, auringon säteilyltä ja pieniltä mikrometeoriiteilta. Se on Maan ilmakehän ulkopuolella työskentelevien astronauttien elämää ylläpitävä järjestelmä. Avaruuspukuja on käytetty monissa tärkeissä tehtävissä avaruudessa. Niitä ovat muun muassa hyötykuorman käyttöönoton avustaminen, kiertoradalla olevien laitteiden nouto ja huolto, kiertoradan ulkoinen tarkastus ja korjaus sekä upeiden valokuvien ottaminen.
Historia
Avaruuspuvut ovat kehittyneet luonnollisesti, kun teknologisia parannuksia on tehty materiaalien, elektroniikan ja kuitujen alalla. Avaruusohjelman alkuvuosina avaruuspuvut räätälöitiin kutakin astronauttia varten. Ne olivat paljon yksinkertaisempia kuin nykyiset puvut. Itse asiassa puku, jota Alan Shepard käytti ensimmäisellä Yhdysvaltain suborbitaalilennolla, ei ollut juuri muuta kuin Yhdysvaltain laivaston korkeussuihkukoneiden painepuvusta muokattu painepuku. Tässä puvussa oli vain kaksi kerrosta, ja lentäjän oli vaikea liikuttaa käsiään tai jalkojaan.
Seuraavan sukupolven avaruuspuku suunniteltiin suojaamaan paineettomuudelta astronauttien ollessa kiertoradalla olevassa avaruusaluksessa. Avaruuskävelyt näissä puvuissa eivät kuitenkaan olleet mahdollisia, koska ne eivät suojanneet avaruuden ankaralta ympäristöltä. Nämä puvut koostuivat viidestä kerroksesta. Lähimpänä kehoa oleva kerros oli valkoinen puuvillainen alusasu, jossa oli kiinnikkeet biolääketieteellisiä laitteita varten. Seuraavana oli sininen nailonkerros, joka tarjosi mukavuutta. Sinisen nylonkerroksen päällä oli paineistettu, musta, neopreenipinnoitettu nylonkerros. Tämä tarjosi happea siinä tapauksessa, että matkustamon paine pettää. Seuraavaksi oli vuorossa teflonkerros, joka piti puvun muodon paineistettuna, ja viimeisenä kerroksena oli valkoinen nailonmateriaali, joka heijasti auringonvaloa ja suojasi vahingossa tapahtuvilta vaurioilta.
Ensimmäisillä avaruuskävelyillä, jotka tapahtuivat Gemini-lentojen aikana vuonna 1965, käytettiin seitsemänkerroksista pukua lisäsuojana. Lisäkerrokset koostuivat aluminoidusta Mylarista, joka tarjosi enemmän lämpösuojaa ja suojaa mikrometeoriiteilta. Näiden pukujen kokonaispaino oli 15 kiloa. Vaikka ne olivatkin riittävät, niihin liittyi tiettyjä ongelmia. Esimerkiksi kypärän kasvonaamari huurtui nopeasti, joten näkeminen vaikeutui. Myöskään kaasun jäähdytysjärjestelmä ei ollut riittävä, koska se ei pystynyt poistamaan liiallista lämpöä ja kosteutta riittävän nopeasti.
Sally Ride tunnetaan parhaiten ensimmäisenä avaruuteen lähetettynä amerikkalaisena naisena. Hän on sekä tiedemies että professori, ja hän on toiminut Stanfordin yliopiston kansainvälisen turvallisuuden ja asevalvonnan keskuksen stipendiaattina, Apple Computer Inc:n johtokunnan jäsenenä sekä avaruusinstituutin johtajana ja fysiikan professorina Kalifornian yliopistossa San Diegossa. Ride on päättänyt kirjoittaa pääasiassa lapsille avaruusmatkailusta ja -tutkimuksesta.
Sally Kristen Ride on Kalifornian Encinossa asuvan Dale Burdellin ja Carol Joyce (Anderson) Riden vanhempi tytär, ja hän syntyi 26. toukokuuta 1951. Kuten kirjailija Karen O’Connor kuvailee villiintynyttä Ridea nuortenkirjassaan Sally Ride and the New Astronauts, Sally kisasi isänsä kanssa sanomalehden urheiluosastolla, kun hän oli vain viisivuotias. Aktiivinen, seikkailunhaluinen mutta myös oppinut perhe matkusti vuoden ajan ympäri Eurooppaa, kun Sally oli yhdeksänvuotias ja hänen siskonsa Karen seitsemänvuotias. Karen innostui tulemaan papiksi presbyteerisen kirkkonsa vanhimmiston vanhempiensa hengessä, mutta Riden oma kehittyvä tutkimusmatkailunhalu johti lopulta siihen, että hän melkein hetken mielijohteesta hakeutui avaruusohjelmaan. ”En tiedä, miksi halusin tehdä sen”, hän tunnusti Newsweekille ennen ensimmäistä avaruuslentoaan.
Mahdollisuus oli sattumanvarainen, sillä sinä vuonna, kun hän aloitti työnhaun, NASA avasi avaruusohjelmansa ensimmäistä kertaa hakijoille sitten 1960-luvun lopun ja ensimmäistä kertaa, kun naisia ei olisi suljettu pois hakijoiden joukosta. Ride oli yksi kolmestakymmenestäviidestä, jotka valittiin kahdeksantuhannen hakijan joukosta vuoden 1978 avaruuslentokoulutukseen. ”Miksi minut valittiin, on edelleen täysi mysteeri”, hän myönsi myöhemmin John Grossmannille vuoden 1985 haastattelussa Health-lehdessä. ”Kenellekään meistä ei ole koskaan kerrottu.”
Ridestä tuli sittemmin, kolmekymmentäyksi vuotiaana, nuorin kiertoradalle lähetetty henkilö sekä ensimmäinen amerikkalainen nainen avaruudessa, ensimmäinen amerikkalainen nainen, joka teki kaksi avaruuslentoa, ja sattumoisin ensimmäinen astronautti, joka avioitui toisen astronautin kanssa aktiivisessa palveluksessa.
Ride lähti NASA:sta vuonna 1987 Stanfordin kansainvälisen turvallisuuden ja asevalvonnan keskukseen, ja kaksi vuotta myöhemmin hänestä tuli Kalifornian avaruusinstituutin johtaja ja fysiikan professori Kalifornian yliopistossa San Diegossa.
Apollolennoilla käytettiin monimutkaisempia pukuja, jotka ratkaisivat osan näistä ongelmista. Kuukävelyjä varten astronautit käyttivät seitsenkerroksista pukua, jossa oli elämää ylläpitävä reppu. Kokonaispaino oli noin 26 kg (57 lb). Avaruussukkulalentoja varten NASA otti käyttöön EMU:n (Extravehicular Mobility Unit). Se oli avaruuskävelyjä varten suunniteltu avaruuspuku, joka ei tarvinnut yhteyttä avaruusalukseen. Yksi tärkeimmistä eroista näissä puvuissa oli se, että ne oli suunniteltu usean astronautin käyttöön sen sijaan, että ne olisi tehty mittatilaustyönä, kuten aiemmat avaruuspuvut. Viimeisten 20 vuoden aikana EMU-pukuja on parannettu jatkuvasti, mutta ne näyttävät edelleen samalta kuin sukkulaohjelman alkaessa vuonna 1981. Tällä hetkellä EMU:ssa on 14 suojakerrosta ja se painaa yli 125 kiloa.
Raaka-aineet
Avaruuspuvun rakentamiseen käytetään lukuisia raaka-aineita. Kangasmateriaaleihin kuuluu useita erilaisia synteettisiä polymeerejä. Sisin kerros koostuu Nylon-tricot-materiaalista. Toinen kerros koostuu spandeksista, joka on elastinen puettava polymeeri. Lisäksi on kerros uretaanipinnoitettua nailonia, joka osallistuu paineistukseen. Dacronia – eräänlaista polyesteriä – käytetään painetta rajoittavana kerroksena. Muita käytettyjä synteettisiä kankaita ovat muun muassa neopreeni, joka on eräänlainen sienikumi, aluminoitu Mylar, Gortex, Kevlar ja Nomex.
Synteettisten kuitujen lisäksi myös muilla raaka-aineilla on tärkeä rooli. Lasikuitu on kovan ylävartalosegmentin ensisijainen materiaali. Litiumhydroksidia käytetään suodattimen valmistuksessa, joka poistaa hiilidioksidia ja vesihöyryä avaruuskävelyn aikana. Hopeasinkkiseos muodostaa puvun virtaa antavan akun. Kankaaseen on kudottu muoviputkia, jotka kuljettavat jäähdytysvettä koko puvun läpi. Kypärän kuori on valmistettu polykarbonaattimateriaalista. Elektroniset piirit ja puvun hallintalaitteet koostuvat useista muista komponenteista.
Suunnittelu
Yksi EMU-avaruuspuku rakennetaan erilaisista räätälöidyistä komponenteista, joita valmistaa yli 80 yritystä. Osien koko vaihtelee yhden kahdeksasosan tuuman aluslevyistä 30 tuuman (76,2 cm) pituiseen vesisäiliöön. EMU koostuu 18 erillisestä osasta. Seuraavassa esitetään joitakin tärkeimpiä osia.
Ensisijainen elämää ylläpitävä järjestelmä on itsenäinen reppu, joka on varustettu hapensyötöllä, hiilidioksidia poistavilla suodattimilla, sähköllä, tuulettimella ja viestintälaitteilla. Se tarjoaa astronautille suurimman osan selviytymiseen tarvittavista asioista, kuten happea, ilmanpuhdistusta, lämpötilan säätöä ja viestintää. Puvun säiliöön voidaan varastoida jopa seitsemän tunnin verran happea. Puvusta löytyy myös toissijainen happipakkaus. Se tarjoaa 30 minuutin lisähapen hätätilanteessa.
Kypärä on suuri muovinen, paineistettu kupla, jossa on kaularengas ja ilmanvaihdon jakotyyny. Siinä on myös puhdistusventtiili, jota käytetään toissijaisen happipakkauksen kanssa. Kypärässä on pillit juomapussiin siltä varalta, että astronauttia janottaa, visiiri, joka suojaa säteitä kirkkaalta auringolta, ja kamera, joka tallentaa ylimääräistä ajoneuvon toimintaa. Koska avaruuskävelyt voivat kestää yli seitsemän tuntia kerrallaan, puku on varustettu virtsankeräysjärjestelmällä vessataukoja varten. MSOR-kokoonpano kiinnitetään kypärän ulkopuolelle. Tämä laite (joka tunnetaan myös nimellä ”Snoopy Cap”) napsahtaa paikalleen leukahihnalla. Se koostuu kuulokkeista ja mikrofonista kaksisuuntaista viestintää varten. Siinä on myös neljä pientä ”otsalamppua”, jotka valaisevat tarvittaessa. Visiiriä säädetään manuaalisesti astronautin silmien suojaamiseksi.
Lämpötilan ylläpitämiseksi päällysvaatteen alla on nestemäinen jäähdytys- ja tuuletusvaate. Se koostuu jäähdytysputkista, joiden läpi virtaa nestettä. Alusvaate on verkkomainen yksiosainen puku, joka koostuu elastaanista. Siinä on vetoketju, joka mahdollistaa sisäänpääsyn edestä. Siinä on yli 300 jalkaa muoviputkia, joiden sisällä kiertää viileä vesi. Normaalisti kiertävän veden lämpötila on 40-50° F (4,4-9,9° C). Lämpötilaa säädetään näytön ohjauspaneelissa olevalla venttiilillä. Alempi vaate painaa vedellä täytettynä 3,8 kg (8,4 lb).
Alavartalokokoonpano koostuu housuista, saappaista, ”slip-yksiköstä, polvi- ja nilkkanivelistä sekä vyötäröliitoksesta. Se koostuu uretaanipinnoitetusta nailonista valmistetusta painerakosta. Dacronista valmistettu pidätyskerros ja neopreenipinnoitetusta nailonista valmistettu ulompi lämpövaate. Siinä on myös viisi kerrosta aluminoitua Mylaria ja kankaan pintakerros, joka koostuu Teflonista, Kevlarista ja Nomexista. Tämä puvun osa voidaan tehdä lyhyemmäksi tai pidemmäksi säätämällä reisi- ja sääriosassa olevia mitoitusrenkaita. Saappaissa on eristetty varvassuoja, joka parantaa lämmönpidätyskykyä. Lisäksi käytetään lämpösukkia. Virtsan säilytyslaite sijaitsee myös tässä puvun osassa. Vanhoihin malleihin mahtui jopa 950 millilitraa nestettä. Nykyisin käytetään kertakäyttöistä vaippatyyppistä vaatetta.
Käsivarret ovat säädettävissä kuten alavartalokokoonpano. Käsineet sisältävät
miniatyyriset paristokäyttöiset lämmittimet kussakin sormessa. Loput yksiköstä on peitetty pehmusteella ja ylimääräisellä suojaavalla ulkokerroksella.
Kova ylävartalo on rakennettu lasikuidusta ja metallista. Siihen kiinnittyy suurin osa puvun osista, mukaan lukien kypärä, käsivarret, hengenpitojärjestelmän näyttö, ohjausmoduuli ja alavartalo. Se sisältää happipullot, vedensäiliöt, sublimaattorin, epäpuhtauksien hallintapatruunan, säätimet, anturit, venttiilit ja viestintäjärjestelmän. Happi, hiilidioksidi ja vesihöyry poistuvat puvusta astronautin jalkojen ja kyynärpäiden lähellä olevan tuuletusvaatteen kautta. Ylävartalossa olevaan juomapussiin mahtuu jopa 32 oz (907,2 g) vettä. Astronautti voi juoda kypärään ulottuvan suukappaleen kautta.
Rintaan kiinnitetyn ohjausmoduulin avulla astronautti voi seurata puvun tilaa ja liittää sen ulkoisiin neste- ja sähkölähteisiin. Se sisältää kaikki mekaaniset ja sähköiset hallintalaitteet sekä visuaalisen näyttöpaneelin. Puvun virtalähteenä käytetään 17 voltin jännitteellä toimivaa ladattavaa hopeasinkkiparistoa. Tämä ohjausmoduuli on integroitu kovassa ylävartalossa olevaan varoitusjärjestelmään sen varmistamiseksi, että astronautti tietää puvun ympäristön tilan. Puku on liitetty kiertoradalla olevaan avaruusalukseen napanuoran avulla. Se irrotetaan ennen ilmalukosta poistumista.
Valkoinen puku painaa maassa noin 124,8 kg (275 lb) ja sen tuotteen käyttöikä on noin 15 vuotta. Se on paineistettu 4,3 lb (1,95 kg) per neliötuuma ja se voidaan ladata kytkemällä se suoraan kiertoradalle. Nykyinen
Avaruuspuvut ovat modulaarisia, joten ne voidaan jakaa useamman astronautin kesken. Neljä vaihdettavaa perusosaa ovat kypärä, kova ylävartalo, käsivarret ja alavartalo. Nämä osat ovat säädettävissä ja niiden kokoa voidaan muuttaa niin, että ne sopivat yli 95 prosentille astronauteista. Jokaisessa käsivarsi- ja jalkasarjassa on erikokoisia osia, jotka voidaan hienosäätää kullekin astronautille sopiviksi. Käsivarret mahdollistavat jopa yhden tuuman säädön. Jalkoja voidaan säätää jopa kolmen tuuman verran.
Avaruuspuvun pukeminen kestää noin 15 minuuttia. Avaruuspuvun pukemiseksi astronautti pukee ensin päälleen alemman vaatteen, joka sisältää nestejäähdytys- ja ilmanvaihtojärjestelmän. Seuraavaksi puetaan ylävartalon alaosa, johon kiinnitetään saappaat. Seuraavaksi astronautti liukuu ylävartaloyksikköön, joka kiinnitetään yhdessä hengenpitojärjestelmän repun kanssa erityiseen liittimeen ilmalukkokammiossa. Hukkarenkaat liitetään ja sitten puetaan käsineet ja kypärä.
Valmistusprosessi
Avaruuspuvun valmistus on monimutkainen prosessi. Se voidaan jakaa kahteen tuotantovaiheeseen. Ensin rakennetaan yksittäiset osat. Sitten osat kootaan yhteen ensisijaisessa valmistuspaikassa, kuten NASAn pääkonttorissa Houstonissa, ja ne kootaan yhteen. Yleinen prosessi on hahmoteltu seuraavasti.
Kypärän ja visiirin kokoonpano
- 1 Kypärä ja visiiri voidaan valmistaa perinteisellä puhallusvalutekniikalla.
EMU on valmistettu 14 suojakerroksesta. Kangasmateriaaleihin kuuluu erilaisia synteettisiä polymeerejä. Sisin kerros on Nylon-trikoota. Toinen kerros koostuu spandeksista, joka on elastinen puettava polymeeri. Lisäksi on uretaanipinnoitettua nailonia oleva kerros, joka osallistuu paineistukseen. Dacronia – eräänlaista polyesteriä – käytetään painetta rajoittavana kerroksena. Muita käytettyjä synteettisiä kankaita ovat muun muassa neopreeni, joka on eräänlainen sienikumi, aluminoitu Mylar, Gortex, Kevlar ja Nomex.
Polykarbonaattipelletit ladataan ruiskuvalukoneeseen. Ne sulatetaan ja pakotetaan onteloon, joka on suunnilleen kypärän kokoinen ja muotoinen. Kun ontelo avataan, kypärän pääkappale on valmis. Avattuun päähän lisätään liitäntälaite, jotta kypärä voidaan kiinnittää kovaan ylävartaloon. Ennen kypärän pakkaamista ja lähettämistä kypärään lisätään ilmanvaihdon jakotyyny ja huuhteluventtiilit. Kypärän visiirikokoonpanoon asennetaan samalla tavalla ”otsalamput” ja viestintälaitteet.
Hengenpitojärjestelmät
- 2 Hengenpitojärjestelmät kootaan useassa vaiheessa. Kaikki osat asennetaan repun ulkokoteloon. Ensin paineistetut happisäiliöt täytetään, korkitetaan ja asetetaan koteloon. Hiilidioksidin poistolaitteet kootaan. Siihen kuuluu tyypillisesti suodatinkanisteri, joka täytetään litiumhydroksidilla, joka kiinnitetään letkuun. Sitten reppuun asennetaan tuuletinjärjestelmä, sähkövirta, radio, varoitusjärjestelmä ja vedenjäähdytyslaitteisto. Täysin koottuna hengenpitojärjestelmä voidaan kiinnittää suoraan kovaan ylävartaloon.
Ohjausmoduuli
- 3 Ohjausmoduulin keskeiset osat rakennetaan erillisinä yksikköinä ja kootaan sitten yhteen. Tämän modulaarisen lähestymistavan ansiosta keskeiset osat voidaan tarvittaessa huoltaa helposti. Rintaan asennettava ohjausmoduuli sisältää kaikki elektroniset hallintalaitteet, digitaalinäytön ja muut elektroniset liitännät. Tähän osaan on lisätty myös ensisijainen puhdistusventtiili.
Jäähdytysvaate
- 4 Jäähdytysvaate puetaan painekerrosten sisällä. Se on valmistettu nylon- ja elastaanikuitujen sekä nestejäähdytysputkien yhdistelmästä. Nailontrikoot leikataan ensin pitkäksi alusvaatteiden kaltaiseksi. Samaan aikaan spandex-kuidut kudotaan kangaslevyksi ja leikataan samaan muotoon. Tämän jälkeen elastaaniin asennetaan sarja jäähdytysputkia ja se ommellaan yhteen nailonkerroksen kanssa. Tämän jälkeen kiinnitetään etuvetoketju sekä liittimet elinturvajärjestelmään kiinnittämistä varten.
Ylä- ja alavartalo
- 5 Alavartalo, käsivarret ja käsineet valmistetaan samalla tavalla. Synteettisten kuitujen eri kerrokset kudotaan yhteen ja leikataan sitten sopivaan muotoon. Päähän kiinnitetään liitosrenkaat ja eri segmentit kiinnitetään. Käsineissä on minilämmittimet jokaisessa sormessa ja ne on päällystetty eristävällä pehmusteella.
- 6 Kova ylävartalo on taottu käyttäen lasikuidun ja metallin yhdistelmää. Siinä on neljä aukkoa, joihin alavartalokokoonpano, kaksi kättä ja kypärä kiinnittyvät. Lisäksi on lisätty sovittimet, joihin voidaan kiinnittää hengenpelastuslaukku ja ohjausmoduuli.
Loppukokoonpano
- 7 Kaikki osat lähetetään NASAan koottavaksi. Tämä tehdään maassa, jossa puku voidaan testata ennen käyttöä avaruudessa.
Laadunvalvonta
Yksittäiset toimittajat suorittavat laadunvalvontatestejä tuotantoprosessin jokaisessa vaiheessa. Näin varmistetaan, että jokainen osa valmistetaan tarkkojen standardien mukaisesti ja että se toimii avaruuden ääriolosuhteissa. NASA tekee myös laajoja testejä valmiiksi kootulle puvulle. Niissä tarkastetaan esimerkiksi ilmavuodot, paineenalennus tai elintoiminnottomat elämää ylläpitävät järjestelmät. Laadunvalvontatestit ovat ratkaisevan tärkeitä, koska yksikin toimintahäiriö voi aiheuttaa vakavia seurauksia astronautille.
Tulevaisuus
EMU:n nykyinen rakenne on monen vuoden tutkimus- ja kehitystyön tulos. Vaikka ne ovatkin tehokas väline kiertoratatoimintaan, monet parannukset ovat mahdollisia. On esitetty, että tulevaisuuden avaruuspuku voi näyttää dramaattisesti erilaiselta kuin nykyinen puku. Yksi alue, jota voidaan parantaa, on sellaisten pukujen kehittäminen, jotka voivat toimia nykyistä EMU:ta korkeammassa paineessa. Tästä olisi se etu, että se lyhentäisi aikaa, joka nykyisin tarvitaan esihengitykseen ennen avaruuskävelyä. Korkeampipaineisten pukujen valmistamiseksi on tehtävä parannuksia puvun kunkin osan liitoskohtiin. Toinen parannus voi olla puvun koon muuttaminen kiertoradalla. Tällä hetkellä puvun jalkojen ja käsivarsien pidennysosien poistaminen tai lisääminen vie huomattavan paljon aikaa. Toinen mahdollinen parannus koskee puvun elektronisia hallintalaitteita. Se, mikä nyt vaatii monimutkaisia komentokoodeja, voidaan tulevaisuudessa tehdä yhdellä napin painalluksella.
Mistä lisätietoa
Soveltuu avaruuskävelyyn. NASA, 1998.
Hamilton-Standard Company. http://www.hamilton-standard.com/ .
– Perry Romanowski