Simulación de flotabilidad neutra como ayuda para el entrenamiento

El cosmonauta ruso Alexei Leonov fue el primero en salir de su vehículo mientras viajaba en órbita alrededor de la Tierra. Poco después, Ed White , del Gemini IV , fue el primer astronauta estadounidense en salir de un vehículo en el espacio. Estas fueron demostraciones de la capacidad de salir y volver a entrar en el vehículo, pero no incluyeron tareas de actividad extravehicular (EVA). Los siguientes tres vuelos que demostraron la capacidad de EVA fueron Gemini IX-A , X y XI . Cada uno de estos vuelos expuso problemas con la realización de tareas de EVA. Trabajar con trajes presurizados en la ingravidez constante del vuelo espacial orbital fue más complejo y difícil de lo previsto. La NASA determinó que el entrenamiento para las tareas de 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 de 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 subacuáticas simplemente se diseñaron para probar la capacidad de los sujetos para moverse alrededor de esclusas de aire simuladas y no se les colocaron pesos. ^{[ 4 ]} Rápidamente, las pruebas sumergidas de Environmental Research Associates evolucionaron hacia una simulación de flotabilidad neutra adecuada, con sujetos lastrados y numerosos buzos de seguridad presentes durante las sesiones. ^{[ 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 quitar pernos estaba diseñada para crear acceso a una cúpula S-IVB usada . La evaluación de Carpenter de la simulación fue favorable y la NASA rápidamente proporcionó maquetas de vehículos Gemini y componentes de acoplamiento para facilitar un mayor desarrollo de las capacidades de EVA a través del entrenamiento de flotabilidad neutra. El astronauta Gene Cernan visitó primero 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 Gemini XII , Buzz Aldrin . El astronauta Cernan también participó en este entrenamiento previo a la misión, ya que era el piloto suplente de Aldrin en Gemini XII .

Aldrin se entrenó para la versión original de la EVA del Gemini XII, que luego se revisó 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 de la EVA fue un éxito total, y Aldrin volvió a McDonogh para realizar una evaluación posterior a la misión. Esta evaluación verificó la utilidad del entrenamiento de simulación de flotabilidad neutra antes de intentar todas las tareas de la EVA con un traje espacial y trabajando en el entorno hostil del espacio. El propio Aldrin reconoció algunas deficiencias menores en el entrenamiento de flotabilidad neutra, pero describió el método como una "ventaja considerable" sobre las aeronaves de trayectoria kepleriana . ^{[ 5 ]}

Después de las exitosas EVA 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 Neutra en el Centro de Vuelos Espaciales Marshall . Después de usar esas instalaciones durante los programas Apolo y Skylab , la NASA finalmente construyó la Instalación de Entrenamiento en Ambiente de Ingravidez en el Centro de Naves Espaciales Tripuladas en Houston y más tarde el Laboratorio de Flotabilidad Neutra , donde los astronautas del Transbordador y la Estación Espacial se entrenan en flotabilidad neutra. Los astronautas y cosmonautas también se 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 contó con comentarios de los astronautas Richard Gordon , Tom Jones y Buzz Aldrin .

Durante la misión Skylab 2 , los astronautas Conrad y Kerwin lograron abrir un panel solar que no se había desplegado automáticamente tras el lanzamiento. Para realizar esta tarea, los astronautas entrenaron bajo el agua en el Simulador de Flotabilidad Neutra del Centro de Vuelos Espaciales Marshall . 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 la forma en que llevarían a cabo la tarea en el espacio exterior. ^{[ 7 ]}

Los astronautas ensayan las tareas de actividad extravehicular en flotabilidad neutra bajo el agua antes de intentarlas en el espacio para comprender que no pueden usar su peso para generar fuerza y ​​que pueden moverse o reposicionarse si generan una fuerza propulsora en cualquier dirección , ya sea planificada o inadvertida. Los artículos que describen la simulación de flotabilidad neutra generalmente señalan que el traje espacial del astronauta está diseñado para tener flotabilidad neutra, pero que el astronauta aún siente la gravedad dentro del traje, 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 la actividad extravehicular. ^{[ 8 ]}

El propósito principal de que un astronauta salga de la nave y realice una actividad extravehicular (EVA, por sus siglas en inglés) sea, a menudo, ejercer fuerza para empujar, tirar, girar, comprimir o transportar un objeto. En condiciones normales de gravedad terrestre, las personas generalmente no perciben el uso de su peso para ejercer fuerza. La simple tarea de abrir o cerrar una puerta, por ejemplo, se complica cuando una persona está de pie sobre una superficie resbaladiza de hielo, ya que su peso no proporciona fricción con el suelo. La aplicación de fuerza es una acción que requiere una reacción, y si los pies de la persona resbalan, la fuerza aplicada es limitada o inexistente. La persona siente la gravedad al estar de pie sobre el hielo, pero no puede usar su peso para proporcionar tracción ni desplazarlo para ejercer fuerza en un vector horizontal, por lo que no puede forzar la puerta. Empujar la puerta y deslizarse hacia atrás implica usar la inercia de la masa, no el peso de la persona. La inercia de la masa también se puede usar durante una EVA, pero hacerlo con un traje presurizado puede producir resultados inesperados.

Como se indicó anteriormente (en «Necesidad de simulación »), el astronauta siente la gravedad dentro del traje presurizado mientras está sumergido en agua. Sin embargo, la combinación astronauta-traje espacial, cuando está correctamente equilibrada en flotabilidad neutra como durante una actividad extravehicular (EVA), no tiene peso, por lo que el astronauta, al igual que si estuviera de pie sobre hielo, no puede usar su peso para generar una fuerza en ningún vector. El vector de cualquier fuerza es similar, si no exactamente el mismo, tanto en EVA como en flotabilidad neutra. La magnitud de la fuerza, si es estática, es muy similar, y si es dinámica, también lo es, 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 durante una EVA, junto con la incomodidad del traje presurizado, lo que dificulta el desempeño de las tareas.

La resistencia del agua es 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 compensarla en comparación con el mismo movimiento en una actividad extravehicular (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 emplea un pequeño porcentaje del tiempo en trasladarse a una nueva ubicación, generalmente a baja velocidad , por lo general menos de 6 pulgadas por segundo. Incluso a velocidades tan bajas, la resistencia del agua es un factor difícil de medir debido a las pequeñas corrientes causadas por otros astronautas, buzos y el sistema de circulación de agua, que aumentan o disminuyen dicha resistencia.

En las actividades extravehiculares (EVA, por sus siglas en inglés), 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 un astronauta presurizado debe realizar una tarea en ingravidez. Se requiere más fuerza para acelerar una masa a una velocidad mayor y luego desacelerarla que para moverla lentamente hasta su destino. Además, es más fácil controlar su movimiento si se desplaza lentamente. Por lo tanto, la resistencia del agua al movimiento en flotabilidad neutra simplemente exige una lentitud de movimiento que también resulta apropiada para los vuelos espaciales.

En el entrenamiento de actividades extravehiculares subacuáticas (EVA, por sus siglas en inglés), existen otras características menos evidentes pero importantes que deben considerarse, como las diferencias visuales debidas a la refracción en la interfaz aire-agua a través de la visera del casco y la posición o actitud dentro del traje con respecto a la tarea. El personal del Laboratorio de Flotabilidad Neutra en Houston planifica y evalúa sus simulaciones meticulosamente. Los astronautas con experiencia en EVA que observan una simulación pueden asesorar sobre el realismo de la ejecución de la tarea y recomendar modificaciones.

Aprender y ensayar una tarea de actividad extravehicular (EVA) en flotabilidad neutra brinda al astronauta o especialista en EVA la confianza necesaria para llevarla a cabo. El cronograma establecido para la realización de la tarea es similar al tiempo requerido en una EVA. En general, se considera que una tarea realizada y practicada en una simulación de flotabilidad neutra también puede realizarse en una EVA. La flotabilidad neutra, planificada y ejecutada adecuadamente, funciona porque constituye una simulación realista de los requisitos físicos para realizar una tarea en una EVA.

El otro método principal utilizado para simular la microgravedad es el vuelo en una aeronave de gravedad reducida (un llamado "cometa de 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 la resistencia del entrenamiento de flotabilidad neutra (los alumnos están rodeados de aire en lugar de agua), pero en cambio se enfrenta a una severa limitación de tiempo: los períodos de ingravidez sostenida se limitan a unos 25 segundos, intercalados con períodos de aceleración de alrededor de 2 g mientras la aeronave sale de su picado y se prepara para la siguiente carrera. ^{[ 10 ]} Esto no es adecuado para practicar EVA, que generalmente duran varias horas.