Kombinezon kosmiczny jest ubraniem pod ciśnieniem noszonym przez astronautów podczas lotów kosmicznych. Jest on zaprojektowany, aby chronić ich przed potencjalnie szkodliwymi warunkami doświadczanymi w przestrzeni kosmicznej. Kombinezony kosmiczne są również znane jako Jednostki Mobilności Pozawojskowej (EMU), aby odzwierciedlić fakt, że są one również używane jako pomoc w poruszaniu się, gdy astronauta odbywa spacer kosmiczny poza orbitującym statkiem kosmicznym. Składają się one z wielu komponentów dostosowanych do indywidualnych potrzeb, które są produkowane przez różnych producentów i montowane przez Narodową Agencję Aeronautyki Kosmicznej (NASA) w jej siedzibie w Houston. Pierwsze skafandry kosmiczne zostały wprowadzone w latach 50-tych, kiedy rozpoczęła się eksploracja kosmosu. Z biegiem czasu ewoluowały, stając się coraz bardziej funkcjonalne i skomplikowane. Obecnie NASA posiada 17 ukończonych jednostek EMU, z których każda kosztowała ponad 10,4 miliona dolarów.

Tło

Na Ziemi nasza atmosfera zapewnia nam warunki środowiskowe, których potrzebujemy, aby przetrwać. Przyjmujemy za pewnik rzeczy, które zapewnia, takie jak powietrze do oddychania, ochrona przed promieniowaniem słonecznym, regulacja temperatury i stałe ciśnienie. W przestrzeni kosmicznej żadna z tych cech ochronnych nie jest obecna. Na przykład, środowisko bez stałego ciśnienia nie zawiera tlenu nadającego się do oddychania. Ponadto, temperatura w przestrzeni kosmicznej jest tak niska, jak -459,4° F (-273° C). Aby ludzie mogli przetrwać w kosmosie, te warunki ochronne musiały zostać zsyntetyzowane.

Kombinezon kosmiczny jest zaprojektowany tak, aby odtworzyć warunki środowiskowe atmosfery ziemskiej. Zapewnia podstawowe potrzeby dla podtrzymania życia, takie jak tlen, kontrola temperatury, obudowa ciśnieniowa, usuwanie dwutlenku węgla i ochrona przed światłem słonecznym, promieniowaniem słonecznym i maleńkimi mikrometeoroidami. Jest to system podtrzymywania życia dla astronautów pracujących poza atmosferą ziemską. Kombinezony kosmiczne były używane do wielu ważnych zadań w przestrzeni kosmicznej. Należą do nich pomoc w rozmieszczaniu ładunku użytecznego, odzyskiwanie i serwisowanie sprzętu orbitującego, zewnętrzna kontrola i naprawa orbitera oraz robienie wspaniałych zdjęć.

Historia

Kombinezony kosmiczne ewoluowały w sposób naturalny, w miarę jak dokonywano ulepszeń technologicznych w obszarach materiałów, elektroniki i włókien. We wczesnych latach programu kosmicznego, kombinezony kosmiczne były szyte na miarę dla każdego astronauty. Były one znacznie mniej skomplikowane niż dzisiejsze kombinezony. W rzeczywistości kombinezon noszony przez Alana Sheparda podczas pierwszego amerykańskiego lotu suborbitalnego był niczym więcej niż kombinezonem ciśnieniowym zaadaptowanym z kombinezonu ciśnieniowego samolotu odrzutowego Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Kombinezon ten miał tylko dwie warstwy i pilotowi trudno było poruszać rękami lub nogami.

Kombinezon kosmiczny nowej generacji został zaprojektowany w celu ochrony przed dekompresją, gdy astronauci znajdowali się w orbitującym statku kosmicznym. Jednak spacery kosmiczne w tych kombinezonach nie były możliwe, ponieważ nie chroniły one przed surowym środowiskiem kosmicznym. Kombinezony te składały się z pięciu warstw. Warstwa najbliższa ciału to biała bawełniana bielizna, która posiadała mocowania dla urządzeń biomedycznych. Następna była niebieska warstwa nylonowa, która zapewniała komfort. Na wierzchu niebieskiej warstwy nylonowej znajdowała się czarna, pokryta neoprenem warstwa nylonowa pod ciśnieniem. Dostarczała ona tlen w przypadku awarii ciśnienia w kabinie. Następna była warstwa teflonowa, która utrzymywała kształt kombinezonu pod ciśnieniem, a ostatnią warstwę stanowił biały materiał nylonowy, który odbijał światło słoneczne i chronił przed przypadkowymi uszkodzeniami.

Do pierwszych spacerów kosmicznych, które miały miejsce podczas misji Gemini w 1965 roku, użyto siedmiowarstwowego kombinezonu dla dodatkowej ochrony. Dodatkowe warstwy składały się z aluminizowanego Mylaru, który zapewniał większą ochronę termiczną i ochronę przed mikrometeoroidami. Kombinezony te miały łączną wagę 15 kg (33 lb). Mimo że były one odpowiednie, występowały pewne problemy z nimi związane. Na przykład maska na hełmie szybko zachodziła mgłą, co utrudniało widzenie. Również system chłodzenia gazu nie był odpowiedni, ponieważ nie mógł usunąć nadmiaru ciepła i wilgoci wystarczająco szybko.

Sally Ride

Sally Ride jest najbardziej znana jako pierwsza amerykańska kobieta wysłana w kosmos. Jest naukowcem i profesorem, pracowała w Centrum Bezpieczeństwa Międzynarodowego i Kontroli Zbrojeń na Uniwersytecie Stanforda, była członkiem zarządu Apple Computer Inc. oraz dyrektorem Instytutu Kosmicznego i profesorem fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego. Ride zdecydował się pisać głównie dla dzieci o podróżach kosmicznych i eksploracji.

Sally Kristen Ride jest starszą córką Dale’a Burdella i Carol Joyce (Anderson) Ride z Encino w Kalifornii i urodziła się 26 maja 1951 roku. Jak autorka Karen O’Connor opisuje chłopczycę Ride w swojej książce dla młodych czytelników, Sally Ride and the New Astronauts, Sally ścigała się z ojcem o dział sportowy w gazecie, gdy miała zaledwie pięć lat. Jako rodzina aktywna, żądna przygód, a jednocześnie uczona, Rideowie przez rok podróżowali po Europie, gdy Sally miała dziewięć lat, a jej siostra Karen siedem. Podczas gdy Karen była zainspirowana, by zostać pastorem, w duchu jej rodziców, którzy byli starszymi w ich prezbiteriańskim kościele, Ride’a rozwijała swój własny smak do eksploracji, który ostatecznie doprowadził ją do zgłoszenia się do programu kosmicznego prawie pod wpływem kaprysu. „Nie wiem, dlaczego chciałam to zrobić” – wyznała Newsweekowi przed swoim pierwszym lotem w kosmos.

Okazja była niezwykła, ponieważ w roku, w którym rozpoczęła poszukiwania pracy, NASA po raz pierwszy od końca lat 60. otworzyła swój program kosmiczny dla kandydatów i po raz pierwszy kobiety nie zostały wykluczone z rozważań. Ride stała się jedną z trzydziestu pięciu osób wybranych spośród ośmiu tysięcy kandydatów do odbycia szkolenia w zakresie lotów kosmicznych w 1978 roku. „Dlaczego zostałam wybrana, pozostaje całkowitą tajemnicą” – przyznała później Johnowi Grossmannowi w wywiadzie dla Health z 1985 roku. „Nikt z nas nigdy nie został o tym poinformowany”.

Ride stałaby się następnie, w wieku trzydziestu jeden lat, najmłodszą osobą wysłaną na orbitę, jak również pierwszą amerykańską kobietą w kosmosie, pierwszą amerykańską kobietą, która wykonała dwa loty kosmiczne i, przypadkowo, pierwszym astronautą, który poślubił innego astronautę w aktywnej służbie.

Ride odeszła z NASA w 1987 roku do Stanford’s Center for International Security and Arms Control, a dwa lata później została dyrektorem California Space Institute i profesorem fizyki na University of California w San Diego.

Misje Apollo wykorzystały bardziej skomplikowane kombinezony, które rozwiązały niektóre z tych problemów. Dla spacerów księżycowych, astronauci nosili siedmiowarstwowe ubranie z plecakiem podtrzymującym życie. Całkowita waga wynosiła około 57 lb (26 kg). Na potrzeby misji wahadłowców kosmicznych NASA wprowadziła Extravehicular Mobility Unit (EMU). Był to kombinezon przeznaczony do spacerów kosmicznych, które nie wymagały połączenia z orbiterem. Jedną z podstawowych różnic w tych kombinezonach było to, że zostały one zaprojektowane do użytku przez wielu astronautów, zamiast być robione na zamówienie, jak poprzednie kombinezony kosmiczne. W ciągu ostatnich 20 lat jednostki EMU ulegały ciągłym ulepszeniom, jednak nadal wyglądają tak samo jak w 1981 roku, kiedy rozpoczął się program wahadłowców. Obecnie EMU ma 14 warstw ochronnych i waży ponad 275 funtów (125 kg).

Surowce

Do budowy kombinezonu kosmicznego używa się wielu surowców. Materiały tkaninowe obejmują szereg różnych polimerów syntetycznych. Najbardziej wewnętrzna warstwa jest wykonana z materiału Nylon tricot. Kolejna warstwa składa się ze spandexu, elastycznego polimeru nadającego się do noszenia. Jest też warstwa nylonu pokrytego uretanem, który bierze udział w procesie uciskania. Dacron – rodzaj poliestru – jest stosowany jako warstwa zmniejszająca ciśnienie. Inne stosowane tkaniny syntetyczne obejmują neopren, który jest rodzajem gumy gąbczastej, aluminizowany Mylar, Gortex, Kevlar i Nomex.

Poza włóknami syntetycznymi ważną rolę odgrywają inne surowce. Włókno szklane jest podstawowym materiałem dla twardego górnego segmentu tułowia. Wodorotlenek litu jest używany do produkcji filtra, który usuwa dwutlenek węgla i parę wodną podczas spaceru kosmicznego. Mieszanka srebra i cynku stanowi baterię, która zasila kombinezon. Plastikowe rurki są wplecione w tkaninę, aby transportować wodę chłodzącą w całym kombinezonie. Materiał poliwęglanowy jest używany do budowy skorupy hełmu. Różne inne komponenty są używane do tworzenia obwodów elektronicznych i kontroli kombinezonu.

Konstrukcja

Pojedynczy kombinezon EMU jest zbudowany z różnych komponentów produkowanych na zamówienie przez ponad 80 firm. Wielkość części jest różna, od 1/8-calowych podkładek do 30-calowego (76,2 cm) zbiornika na wodę. EMU składa się z 18 oddzielnych elementów. Poniżej przedstawiono niektóre z głównych elementów.

Podstawowy system podtrzymywania życia to niezależny plecak, który jest wyposażony w źródło tlenu, filtry usuwające dwutlenek węgla, zasilanie elektryczne, wentylator i sprzęt komunikacyjny. Zapewnia on astronaucie większość rzeczy potrzebnych do przeżycia, takich jak tlen, oczyszczanie powietrza, kontrola temperatury i komunikacja. W zbiorniku kombinezonu można zgromadzić zapas tlenu na siedem godzin. W kombinezonie znajduje się również dodatkowy pakiet tlenowy. Zapewnia on dodatkowe 30 minut awaryjnego tlenu.

Hełm jest dużą plastikową, ciśnieniową bańką, która posiada pierścień na szyję i podkładkę rozprowadzającą wentylację. Posiada on również zawór oczyszczający, który jest używany z wtórnym pakietem tlenowym. W hełmie znajduje się słomka do torby z napojem na wypadek, gdyby astronaucie zachciało się pić, wizjer, który osłania promienie przed jaskrawym słońcem, oraz kamera, która rejestruje dodatkowe działania wehikułu. Ponieważ spacery kosmiczne mogą trwać ponad siedem godzin, kombinezon jest wyposażony w system zbierania moczu, aby umożliwić przerwy na toaletę. Zespół MSOR przymocowany jest do zewnętrznej części hełmu. Urządzenie to (znane również jako „Snoopy Cap”) zatrzaskuje się na miejscu za pomocą paska pod brodą. Składa się ze słuchawek i mikrofonu do komunikacji dwukierunkowej. Posiada również cztery małe „lampki na głowę”, które świecą dodatkowym światłem tam, gdzie jest to potrzebne. Przyłbica jest ręcznie regulowana, aby osłonić oczy astronauty.

Aby utrzymać temperaturę, pod ubraniem zewnętrznym noszona jest ciecz chłodząca i wentylacyjna. Składa się on z rurek chłodzących, przez które przepływa płyn. Bielizna jest jednoczęściowym kombinezonem z siatki wykonanym ze spandexu. Posiada zamek błyskawiczny umożliwiający wejście z przodu. Posiada ponad 300 stóp splecionych plastikowych rurek, w których krąży chłodna woda. Normalnie, woda krążąca w obiegu jest utrzymywana w temperaturze 40-50° F (4,4-9,9° C). Temperatura jest regulowana za pomocą zaworu na panelu sterowania wyświetlacza. Dolna część garderoby waży 8,4 lb (3,8 kg) po załadowaniu wodą.

Zespół dolnej części tułowia składa się ze spodni, butów, „krótkiej jednostki, stawów kolanowych i skokowych oraz połączenia z talią. Składa się on z pęcherza ciśnieniowego z nylonu pokrytego uretanem. Warstwa ograniczająca z Dacronu i zewnętrzna odzież termiczna składa się z nylonu pokrytego neoprenem. Posiada on również pięć warstw aluminizowanego Mylaru i warstwę wierzchnią z tkaniny składającej się z Teflonu, Kevlaru i Nomexu. Ta część kombinezonu może być krótsza lub dłuższa poprzez regulację pierścieni dopasowujących w części udowej i nogawkowej. Buty mają izolowaną nakładkę na palce, aby poprawić zatrzymywanie ciepła. Noszone są również skarpety termiczne. W tej części kombinezonu znajduje się również urządzenie do przechowywania moczu. Stare modele mogły pomieścić do 950 mililitrów płynu. Obecnie, używany jest jednorazowy ubiór typu pielucha.

Zespół ramion jest regulowany tak samo jak dolny zespół tułowia. Rękawice zawierają

Jednostkę Mobilności Pozawojskowej (EMU).

miniaturowe grzałki zasilane bateriami w każdym palcu. Pozostała część jednostki jest pokryta wyściółką i dodatkową zewnętrzną warstwą ochronną.

Twarda górna część tułowia jest zbudowana z włókna szklanego i metalu. Jest to miejsce, gdzie mocowana jest większość elementów kombinezonu, w tym hełm, ramiona, wyświetlacz systemu podtrzymywania życia, moduł kontrolny i dolna część tułowia. Zawiera butle z tlenem, zbiorniki z wodą, sublimator, kasetę kontroli zanieczyszczeń, regulatory, czujniki, zawory i system łączności. Tlen, dwutlenek węgla i para wodna opuszczają kombinezon przez odzież wentylacyjną w pobliżu stóp i łokci astronauty. Worek na napoje w górnej części tułowia może pomieścić aż 32 uncje (907,2 g) wody. Astronauta może wziąć napój przez ustnik, który wysuwa się do hełmu.

Moduł kontrolny zamontowany na klatce piersiowej pozwala astronaucie monitorować stan skafandra i podłączać się do zewnętrznych źródeł płynów i elektryczności. Zawiera on wszystkie mechaniczne i elektryczne elementy sterujące, a także wizualny panel wyświetlacza. Do zasilania kombinezonu wykorzystywana jest srebrno-cynkowa bateria wielokrotnego ładowania, działająca pod napięciem 17 V. Ten moduł kontrolny jest zintegrowany z systemem ostrzegawczym znajdującym się w twardej górnej części tułowia, aby astronauta znał status środowiska kombinezonu. Kombinezon jest połączony z orbiterem za pomocą linii pępowinowej. Jest on odłączany przed opuszczeniem śluzy powietrznej.

Biały kombinezon waży na Ziemi około 275 funtów (124,8 kg) i ma przewidywaną żywotność około 15 lat. Jest pod ciśnieniem 4,3 lb (1,95 kg) na cal kwadratowy i może być ładowany przez podłączenie bezpośrednio do orbitera. Istniejący

Podstawowy system podtrzymywania życia to niezależny plecak, który jest wyposażony w źródło tlenu, filtry usuwające dwutlenek węgla, zasilanie elektryczne, wentylator i sprzęt komunikacyjny.

Kombinezony kosmiczne są modułowe, więc mogą być używane przez wielu astronautów. Cztery podstawowe wymienne części obejmują hełm, twardą górną część tułowia, ramiona i dolną część tułowia. Te części są regulowane i mogą być dopasowane do ponad 95% astronautów. Każdy zestaw rąk i nóg jest dostępny w różnych rozmiarach, które można dopasować do konkretnego astronauty. Ramiona pozwalają na regulację nawet o jeden cal. Nogi pozwalają na regulację do trzech cali.

Założenie kombinezonu kosmicznego zajmuje około 15 minut. Aby założyć kombinezon kosmiczny astronauta najpierw zakłada dolną część garderoby, która zawiera system chłodzenia cieczą i wentylacji. Następnie zakładany jest dolny zespół tułowia, do którego dołączane są buty. Następnie astronauta wsuwa się w górny zespół tułowia, który jest montowany wraz z plecakiem podtrzymującym życie na specjalnym łączniku w komorze śluzy powietrznej. Podłączane są pierścienie na odpady, a następnie zakładane są rękawice i hełm.

Proces produkcji

Produkcja skafandra kosmicznego jest skomplikowanym procesem. Można go podzielić na dwie fazy produkcji. Najpierw konstruowane są poszczególne komponenty. Następnie części są gromadzone i montowane w jednym z głównych miejsc produkcji, takim jak siedziba NASA w Houston. Ogólny proces przedstawia się następująco.

Montaż kasku i przyłbicy

• 1 Kask i przyłbica mogą być skonstruowane przy użyciu tradycyjnych technik formowania z rozdmuchem.
  

  Jednostka EMU jest wykonana z 14 warstw ochronnych. Materiały tkaninowe obejmują szereg różnych polimerów syntetycznych. Najbardziej wewnętrzną warstwę stanowi nylonowy materiał trykotowy. Kolejna warstwa składa się ze spandexu, elastycznego polimeru nadającego się do noszenia. Istnieje również warstwa nylonu pokrytego uretanem, który bierze udział w procesie uciskania. Dacron – rodzaj poliestru – jest stosowany jako warstwa zmniejszająca ciśnienie. Inne stosowane tkaniny syntetyczne obejmują neopren, który jest rodzajem gumy gąbczastej, aluminizowany Mylar, Gortex, Kevlar i Nomex.

  Granulki poliwęglanu są ładowane do maszyny do formowania wtryskowego. Są one topione i wtłaczane do wnęki, która ma przybliżony rozmiar i kształt hełmu. Kiedy wgłębienie jest otwarte, podstawowy element kasku jest skonstruowany. Urządzenie łączące jest dodawane na otwartym końcu, aby hełm mógł być przymocowany do twardej górnej części tułowia. Przed zapakowaniem i wysłaniem hełmu dodawana jest wkładka wentylacyjna wraz z zaworami oczyszczającymi. Zespół wizjera jest w podobny sposób wyposażony w „lampy czołowe” i sprzęt komunikacyjny.

Systemy podtrzymywania życia

• 2 Systemy podtrzymywania życia są składane w kilku etapach. Wszystkie elementy są montowane do zewnętrznej obudowy plecaka. Najpierw zbiorniki z tlenem pod ciśnieniem są napełniane, zakręcane i umieszczane w obudowie. Następnie montowany jest sprzęt do usuwania dwutlenku węgla. Zazwyczaj obejmuje to filtr kanister, który jest wypełniony wodorotlenkiem litu, który jest podłączony do węża. Plecak jest następnie wyposażony w system wentylacyjny, zasilanie elektryczne, radio, system ostrzegawczy oraz sprzęt do chłodzenia wodą. Po całkowitym zmontowaniu, system podtrzymywania życia może być przymocowany bezpośrednio do twardej górnej części tułowia.

Moduł sterowania

• 3 Kluczowe elementy modułu sterowania są budowane w oddzielnych jednostkach, a następnie montowane. Takie modułowe podejście pozwala na łatwe serwisowanie kluczowych części w razie potrzeby. Moduł sterowania zamontowany na klatce piersiowej zawiera wszystkie elektroniczne elementy sterujące, wyświetlacz cyfrowy i inne interfejsy elektroniczne. Do tej części dołączony jest również zawór głównego przedmuchu.

Ubiór chłodzący

• 4 Ubiór chłodzący jest noszony wewnątrz warstw uciskowych. Wykonana jest z kombinacji nylonu, włókien spandexu i rurek chłodzących w płynie. Nylonowy trykot jest najpierw cięty na długi kształt przypominający bieliznę. W tym samym czasie włókna spandexu są tkane w arkusz tkaniny i cięte na taki sam kształt. Spandex jest następnie wyposażony w szereg rurek chłodzących, a następnie zszyty z warstwą nylonową. Następnie dołączony jest przedni zamek błyskawiczny, jak również łączniki do mocowania do systemu podtrzymywania życia.

Górny i dolny tułów

• 5 Dolny tułów, zespół ramion i rękawice są wykonane w podobny sposób. Różne warstwy włókien syntetycznych są splatane razem, a następnie cięte na odpowiedni kształt. Na końcach mocowane są pierścienie łączące, a następnie poszczególne segmenty. Rękawice są wyposażone w miniaturowe grzałki w każdym palcu i pokryte wyściółką izolacyjną.
• 6 Twarda górna część tułowia jest wykuta z połączenia włókna szklanego i metalu. Posiada cztery otwory, przez które mocuje się dolną część tułowia, dwa ramiona i hełm. Dodatkowo, dodane są adaptery, do których można przymocować pakiet podtrzymywania życia i moduł kontrolny.

Montaż końcowy

• 7 Wszystkie części są wysyłane do NASA w celu zmontowania. Odbywa się to na ziemi, gdzie kombinezon może być testowany przed użyciem w kosmosie.

Kontrola jakości

Poszczególni dostawcy przeprowadzają testy kontroli jakości na każdym etapie procesu produkcyjnego. Zapewnia to, że każda część jest wykonana zgodnie z wymagającymi standardami i będzie działać w ekstremalnym środowisku przestrzeni kosmicznej. NASA przeprowadza również szeroko zakrojone testy na kompletnie zmontowanym kombinezonie. Sprawdzane są takie rzeczy jak przecieki powietrza, dekompresja czy niedziałające systemy podtrzymywania życia. Testy kontroli jakości są kluczowe, ponieważ pojedyncza usterka może mieć tragiczne konsekwencje dla astronauty.

Przyszłość

Obecny projekt EMU jest wynikiem wielu lat badań i rozwoju. Chociaż są one potężnym narzędziem dla operacji orbitalnych, wiele ulepszeń jest możliwych. Zasugerowano, że kombinezon kosmiczny przyszłości może wyglądać zupełnie inaczej niż obecny. Jednym z obszarów, który może zostać ulepszony, jest opracowanie kombinezonów, które mogą pracować przy wyższym ciśnieniu niż obecne EMU. Miałoby to tę zaletę, że skróciłoby czas potrzebny obecnie na wstępne oddychanie przed spacerem kosmicznym. Aby stworzyć kombinezony o wyższym ciśnieniu, trzeba będzie wprowadzić ulepszenia w połączeniach łączących każdą część kombinezonu. Kolejnym usprawnieniem może być zmiana rozmiaru kombinezonu na orbicie. Obecnie usunięcie lub dodanie wysuwanych wkładek w obszarze nóg i ramion zajmuje znaczną ilość czasu. Innym możliwym usprawnieniem jest elektroniczna kontrola kombinezonu. To, co teraz wymaga skomplikowanych kodów poleceń, w przyszłości będzie można wykonać za pomocą jednego przycisku.

.