Kombinezon Marsa

Prototyp skafandra kosmicznego Z-2 NASA, który obejmuje technologie wspierające rozwój marsjańskich skafandrów EVA.

Kombinezon marsjański lub skafander kosmiczny Mars to skafander kosmiczny dla EVA na planecie Mars . W porównaniu ze skafandrem zaprojektowanym do chodzenia w kosmosie w bliskiej próżni na niskiej orbicie okołoziemskiej, skafandry Marsa kładą większy nacisk na rzeczywiste chodzenie i potrzebę odporności na ścieranie. Grawitacja powierzchniowa Marsa wynosi 37,8% grawitacji ziemskiej, około 2,3 razy większej niż grawitacja Księżyca , więc waga jest poważnym problemem, ale zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze w porównaniu z otwartą przestrzenią. Na powierzchni skafandry będą walczyć z atmosferą Marsa , który ma ciśnienie około 0,6 do 1 kilopaskala (0,087 do 0,145 psi). Na powierzchni narażenie na promieniowanie jest problemem, zwłaszcza rozbłyski słoneczne, które mogą radykalnie zwiększyć ilość promieniowania w krótkim czasie.

Niektóre z problemów, przed którymi stanąłby skafander Mars do operacji na powierzchni, obejmują wystarczającą ilość tlenu dla osoby, ponieważ powietrze składa się głównie z dwutlenku węgla; ponadto powietrze ma znacznie niższe ciśnienie niż atmosfera ziemska na poziomie morza. Inne problemy to marsjański pył, niskie temperatury i promieniowanie.

Przegląd

Obuwie skafandra marsjańskiego przypuszczalnie miałoby bezpośredni kontakt z powierzchnią pozaziemską; pokazany ślad księżycowy.

Ślady łazików na Marsie

Jeden projekt kombinezonu marsjańskiego z 2010 roku, skafander NASA Z-2, miałby elektroluminescencyjne łaty, które pomagałyby członkom załogi identyfikować się nawzajem. Trzy rodzaje testów zaplanowanych dla Z-2 obejmują testy w komorze próżniowej, testy w Neutral Buoyancy Laboratory NASA (duży basen do naśladowania zera grawitacji) oraz testy na skalistym obszarze pustynnym. (Zobacz też: Kombinezony kosmiczne z serii Z. )

Łazik Mars 2020 Perseverance ma test materiałów, który ma pomóc w opracowaniu skafandra marsjańskiego, eksperyment SHERLOC ; zawiera cel testowy z materiałami skafandra. Test zmierzy, w jaki sposób marsjańskie środowisko wpływa na te materiały skafandra. Do testów wybrano sześć materiałów: Orthofabric, Teflon , Teflon powlekany nGimat, Dacron , Vectran i Poliwęglan . Test pomoże wybrać najlepsze materiały na przyszłe skafandry marsjańskie. Orthofabric to materiał polimerowy złożony ze splotu GORE-TEX włókna, Nomex i Kevlar -29.

NASA przetestowała możliwe materiały skafandra kosmicznego Marsa, wystawiając je na promieniowanie ultrafioletowe (UV) równoważne z Marsem przez 2500 godzin, a następnie zbadała, w jaki sposób wpłynęło to na materiały. Jednym z problemów związanych ze skafandrami marsjańskimi jest to, jak materiały reagują na chemicznie reaktywny pył marsjański i ekspozycję na promieniowanie ultrafioletowe, zwłaszcza w czasie i ilości użytkowania, w których skafandry mają działać.

Jeden z badaczy pracujący nad projektem kombinezonów EVA na powierzchnię Marsa był częściowo zainspirowany średniowiecznymi zbrojami. Niektóre pomysły na skafandry Mars to wyświetlacz Head-up wyświetlany w wizjerze, wbudowany sprzęt komunikacyjny, podtrzymywanie życia i asystent rozpoznawania głosu .

Przykłady problemów projektowych:

Wiatry o dużej prędkości wypełnione ściernym pyłem Marsa.
Promieniowanie, takie jak promienie kosmiczne .
Niskie temperatury do -130 ° C (-202 ° F; 143 K).
Ekspozycja na światło ultrafioletowe.

Jednym z aspektów projektowania misji na Marsa jest to, czy skafandry marsjańskie powinny być również przeznaczone do pracy w kosmosie, czy też powinny być przeznaczone tylko na powierzchnię.

Projekty

Twardy kombinezon kosmiczny NASA AX-5

Biokombinezon to mechaniczny kombinezon przeciwciśnieniowy , w wyniku którego ciało przylega do ciała. W tego typu skafandrze ciśnienie pochodziłoby ze struktury i elastyczności materiału, podczas gdy w poprzednich kombinezonach noszonych w przestrzeni kosmicznej ciśnienie pochodzi od gazu pod ciśnieniem, jak wypełniony balon. Ciśnienie gazu może sprawić, że elastyczny kombinezon będzie bardzo sztywny, jak nadmuchany balon.

Kombinezon Aoudo autorstwa Austriackiego Forum Kosmicznego to symulator skafandra kosmicznego dla powierzchni planet. Kombinezon wentyluje się powietrzem z otoczenia, ale ma wiele funkcji, które pomagają symulować skafander kosmiczny, a także testuje udoskonalające technologie, takie jak wyświetlacz przezierny wewnątrz hełmu. AX-5 był częścią linii skafandrów opracowanych w NASA Ames. Obecne skafandry są miękkie lub hybrydowe i wykorzystują atmosferę czystego tlenu o niższym ciśnieniu, co oznacza, że osoby udające się na EVA muszą wstępnie oddychać tlenem, aby uniknąć choroby dekompresyjnej. Twardy skafander może wykorzystywać atmosferę pod wysokim ciśnieniem, eliminując potrzebę wstępnego oddychania, ale bez zbytniego poruszania się, jak byłby w przypadku miękkiego skafandra wysokociśnieniowego.

Symulowany skafander Marsa został użyty do analogowych testów lotów kosmicznych HI-SEAS na Ziemi w 2010 roku na Hawajach w USA.

Projekt skafandra marsjańskiego był tematem edukacji technologicznej .

Porównanie do księżycowego skafandra Apollo

Apollo Extravehicular Mobility Unit (kombinezon księżycowy) z Apollo 17

Księżycowy skafander Apollo Apollo został nazwany Extravehicular Mobility Unit (EMU). Oprócz kombinezonu ciśnieniowego obejmował on przenośny system podtrzymywania życia (plecak) i awaryjny system oczyszczania tlenem (OPS), który zapewniał 30 minut tlenu w nagłych wypadkach. Połączony system ważył 212 funtów na Ziemi, ale tylko 35,1 funta na Księżycu.

Jednostka mobilności poza pojazdem Apollo
	Masa	Księżyc	Mars
Grawitacja (Ziemia)	100%	16,54%	37,9%
Garnitur	35 kg (78 funtów)	5,9 kg (12,9 funta)	13,4 kg (29,6 funta)
PLSS	42 kg (93 funty)	7,0 kg (15,4 funta)	16,0 kg (35,2 funta)
System oczyszczania tlenem	19 kg (41 funtów)	3,1 kg (6,8 funta)	7,0 kg (15,5 funta)
Całkowity	96 kg (212 funtów)	15,9 kg (35,1 funta)	36,4 kg (80,3 funta)

Wymagania dotyczące projektowania środowiskowego

Najbardziej krytycznymi czynnikami dla natychmiastowej przeżywalności i komfortu na powierzchni Marsa są zapewnienie: wystarczającego ciśnienia, aby zapobiec wrzeniu płynów ustrojowych; dostarczanie tlenu i usuwanie dwutlenku węgla i pary wodnej do oddychania; kontrola temperatury; i ochrony przed promieniowaniem kosmicznym .

Ciśnienie

Kombinezon częściowego ciśnienia do lotów na dużych wysokościach

Ciśnienie atmosferyczne na Marsie zmienia się wraz z wysokością i porami roku, ale nie ma wystarczającego ciśnienia, aby podtrzymać życie bez skafandra ciśnieniowego. Najniższe ciśnienie, jakie może tolerować ludzkie ciało, znane jako granica Armstronga , to ciśnienie, przy którym woda wrze (odparowuje) w temperaturze ludzkiego ciała, czyli około 6,3 kilopaskala (0,91 psi). Zmierzono, że średnie ciśnienie powierzchniowe na Marsie wynosi tylko około jednej dziesiątej tego, 0,61 kilopaskala (0,088 psi). Najwyższe ciśnienie, przy najniższej wysokości powierzchni, na dnie basenu Hellas , wynosi 1,24 kilopaskala (0,180 psi), około dwa razy więcej niż średnia. W ciągu marsjańskiego roku (około dwóch lat ziemskich) występują sezonowe wahania, ponieważ dwutlenek węgla (95,9% atmosfery) jest kolejno zamrażany, a następnie sublimowany z powrotem do atmosfery, gdy jest cieplej, powodując globalny wzrost o 0,2 kilopaskala (0,029 psi). ) wzrost i spadek ciśnienia.

Ale atmosfera Marsa zawiera tylko 0,13–0,14% tlenu, w porównaniu z 20,9% atmosfery ziemskiej. Zatem oddychanie marsjańską atmosferą jest niemożliwe dla prawie każdego organizmu; tlen musi być dostarczany pod ciśnieniem przekraczającym granicę Armstronga.

Oddechowy

Średni skład marsjańskiej atmosfery

Ludzie pobierają tlen i wydalają dwutlenek węgla i parę wodną podczas oddychania i zazwyczaj oddychają od 12 do 20 razy na minutę w spoczynku i do 45 razy na minutę przy wysokiej aktywności. W standardowych warunkach na poziomie morza na Ziemi, wynoszących 101,33 kilopaskali (14,697 psi), ludzie oddychają 20,9% tlenem przy ciśnieniu parcjalnym 21,2 kilopaskali (3,07 psi). Jest to wymagane zaopatrzenie w tlen odpowiadające normalnym warunkom ziemskim. Ludzie na ogół wymagają dodatkowego tlenu na wysokościach powyżej 15 000 stóp (4,6 km), więc absolutnym minimalnym bezpiecznym zapotrzebowaniem na tlen jest ciśnienie parcjalne 11,94 kilopaskala (1,732 psi). na Księżycu.

Wydychany oddech na Ziemi zwykle zawiera około 4% dwutlenku węgla i 16% tlenu, a także 78% azotu oraz około 0,2 do 0,3 litra wody. Dwutlenek węgla w wysokich stężeniach powoli staje się coraz bardziej toksyczny i musi być wypłukiwany z gazu oddechowego. Koncepcja usuwania dwutlenku węgla z powietrza do oddychania polega na użyciu płuczek dwutlenku węgla z kulkami aminowymi wielokrotnego użytku . Podczas gdy jeden skruber dwutlenku węgla filtruje powietrze astronauty, drugi może odprowadzać wypłukany dwutlenek węgla do atmosfery Marsa. Po zakończeniu tego procesu można użyć innego skrubera, a ten, który był używany, może zrobić sobie przerwę. Innym bardziej tradycyjnym sposobem usuwania dwutlenku węgla z powietrza jest kanister z wodorotlenkiem litu , jednak należy go okresowo wymieniać. Systemy usuwania dwutlenku węgla są standardową częścią projektów statków kosmicznych nadających się do zamieszkania, chociaż ich specyfika jest różna. Jednym z pomysłów na usunięcie dwutlenku węgla jest użycie zeolitowego sita molekularnego, a następnie dwutlenek węgla można usunąć z materiału.

Jeśli azot jest używany do zwiększania ciśnienia, jak na ISS, jest obojętny dla ludzi, ale może powodować chorobę dekompresyjną. Skafandry kosmiczne zazwyczaj działają przy niskim ciśnieniu, aby ich struktura podobna do balonu była łatwiejsza do poruszania się, więc astronauci muszą spędzać dużo czasu na usuwaniu azotu ze swoich systemów. Misje Apollo wykorzystywały atmosferę czystego tlenu w kosmosie, z wyjątkiem naziemnych, w celu zmniejszenia ryzyka pożaru. Istnieje również zainteresowanie twardymi kombinezonami, które mogą wytrzymać wyższe ciśnienie wewnętrzne, ale są bardziej elastyczne, dzięki czemu astronauci nie muszą usuwać azotu ze swoich systemów przed wyruszeniem w spacer kosmiczny.

Temperatura

Wykres danych temperatury powierzchni Marsa z sondy powierzchniowej Marsa (łazik)

Na Marsie mogą występować duże wahania temperatury; na przykład na równiku temperatura w ciągu dnia może osiągnąć 21 ° C (70 ° F) latem na Marsie i spaść do -73 ° C (-100 ° F) w nocy. Według raportu NASA z 1958 r. Długoterminowy komfort człowieka wymaga temperatur w zakresie od 4 do 35 ° C (40 do 95 ° F) przy wilgotności 50%.

Promieniowanie

Na Ziemi, w krajach rozwiniętych, ludzie są narażeni na około 0,6 radów (6 mGy) rocznie, a na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej około 8 radów (80 mGy) rocznie. Ludzie mogą tolerować do około 200 radów (2 Gy) promieniowania bez ponoszenia trwałych uszkodzeń, jednak każde narażenie na promieniowanie niesie ze sobą ryzyko, dlatego skupia się na utrzymywaniu narażenia na jak najniższym poziomie. Na powierzchni Marsa występują dwa główne rodzaje promieniowania: stała dawka z różnych źródeł oraz zdarzenia związane z protonami słonecznymi, które mogą spowodować dramatyczny wzrost ilości promieniowania w krótkim czasie. Zdarzenia związane z rozbłyskami słonecznymi mogą spowodować dostarczenie śmiertelnej dawki w ciągu kilku godzin, jeśli astronauci zostaną złapani bez ochrony, a NASA martwi się o operacje ludzi w kosmosie i na powierzchni Marsa. Mars nie ma tak dużego pola magnetycznego jak Ziemia, które chroni Ziemię przed promieniowaniem, zwłaszcza przed rozbłyskami słonecznymi. Na przykład zdarzenie słoneczne, które miało miejsce w dniu 7 sierpnia 1972 r. , zaledwie 5 miesięcy po misji Apollo 16 , wytworzył tak duże promieniowanie, w tym falę przyspieszonych cząstek, takich jak protony, że NASA zaczęła się niepokoić, co by się stało, gdyby takie zdarzenie miało miejsce, gdy astronauci byli w kosmosie. Jeśli astronauci otrzymają zbyt dużo promieniowania, zwiększa to ryzyko zachorowania na raka w ciągu całego życia i mogą zatruć się promieniowaniem . Narażenie na promieniowanie jonizujące może również powodować zaćmę, problem z oczami.

Atmosfera Marsa jest znacznie cieńsza niż ziemska, więc nie zatrzymuje tak dużej ilości promieniowania.

Niepokojący jest również wpływ promieniowania na leki przyjmowane na misji, zwłaszcza jeśli zmienia to ich właściwości medyczne.

Dodatkowe wymagania projektowe

Działanie w skafandrze marsjańskim na powierzchni stwarza szereg problemów dla ludzkiego ciała, w tym zmienione środowisko grawitacyjne, zamkniętą i odizolowaną sytuację, wrogie środowisko zewnętrzne i zamknięte środowisko wewnętrzne, promieniowanie i ekstremalną odległość od Ziemi.

Ważną kwestią dotyczącą powietrza do oddychania wewnątrz skafandra jest to, że toksyczne gazy nie dostają się do źródła powietrza. Środowiska o zmniejszonej grawitacji mogą zmienić dystrybucję płynów w organizmie. Jednym z punktów niepokoju są zmiany w umiejętnościach motorycznych, zwłaszcza jeśli przeszkadza to w korzystaniu z interfejsów komputerowych.

Wizjery i UV

Wizjer pokryty złotem jest zakładany podczas EVA tego astronauty na orbicie okołoziemskiej

Cienka warstwa złota na plastikowej bańce przyłbicy obecnych hełmów kosmicznych chroni twarz przed szkodliwymi częściami widma słonecznego. Ogólnie rzecz biorąc, projekty wizjerów mają na celu umożliwienie astronautom widzenia, ale oprócz wymagań dotyczących ciśnienia, blokują promieniowanie ultrafioletowe i ciepło.

Odkryto, że światło ultrafioletowe dociera do powierzchni Marsa. Marsjański dwutlenek węgla ma tendencję do blokowania światła ultrafioletowego o długości fal krótszych niż około 190 nm, jednak powyżej tego blokowania jest mniej w zależności od ilości pyłu i rozpraszania Rayleigha . Zauważono, że znaczne ilości UVB i UVC docierają do powierzchni Marsa.

Toaleta i wymioty

Ludzka uwaga dotycząca garniturów to konieczność pójścia do łazienki. W skafandrach zastosowano różne metody, aw erze wahadłowca NASA stosowała odzież o maksymalnej chłonności , aby umożliwić pobyt przez 10 godzin w kosmosie i skafandry parcjalne.

Innym problemem są wymioty, które częściej występują podczas lotów kosmicznych.

Pył marsjański

Kombinezon Apollo Moon został pokryty księżycowym pyłem regolitu podczas spacerów po księżycu.

Inną kwestią jest to, co by się stało, gdyby astronauci w jakiś sposób wdychali pył marsjański. Wpływ pyłu marsjańskiego na zdrowie jest niepokojący na podstawie znanych informacji na jego temat, w tym tego, że może on mieć właściwości ścierne i/lub reaktywne. Przeprowadzono badania z pyłem kwarcowym i porównano je również z pył księżycowy . Astronauta Apollo 17 skarżył się na objawy przypominające katar sienny po spacerze po Księżycu. Pył księżycowy był znany z tego, że przywierał do skafandrów kosmicznych i był zabierany przez astronautów, kiedy wchodzili do modułu księżycowego Apollo .

Używać

Względne rozmiary Deimosa i Fobosa, jakie można zobaczyć z powierzchni Marsa, w porównaniu z względnymi rozmiarami na niebie Księżyca widzianym z Ziemi . W zależności od warunków nocna EVA oznaczałaby zobaczenie marsjańskich księżyców na nocnym niebie Marsa.

W artykule w czasopiśmie Nature zauważono, że ze względu na zmniejszoną grawitację dynamika chodzenia po Marsie byłaby inna niż na Ziemi. Dzieje się tak, ponieważ ludzie przewracają się do przodu w ramach chodu podczas ruchu, a ruch środka masy ciała przypomina ruch odwróconego wahadła . W porównaniu z Ziemią, gdyby wszystko inne było takie samo, poruszanie się wymagałoby o połowę mniej pracy, jednak prędkość chodzenia na Marsie wynosiłaby 3,4 km na godzinę, a nie 5,5 km na godzinę na Ziemi. Dane te uzyskano poprzez symulację marsjańskiej grawitacji przez czas trwania lotu statku powietrznego po profilu lotu, który powoduje tego typu przyspieszenie. Obliczono, że przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Marsa wynosi około 3,7 metra na sekundę ² . Nie wiadomo, czy ta zmniejszona grawitacja powoduje ten sam rodzaj zmniejszonej masy mięśniowej i skutków biologicznych, jakie obserwuje się podczas życia w warunkach mikrograwitacji na pokładzie ISS przez kilka miesięcy. Grawitacja wynosi około 38% grawitacji Ziemi na powierzchni.

Testy wspinaczki skałkowej z niskociśnieniowym kombinezonem IVA (intra vehicle activity) przeprowadzono w Oregonie w USA. Zauważono trudność chwytania skały rękawiczkami, w tym poruszania palcami i tarcia o skały, a topory do wspinaczki lodowej były pomocne przy wspinaniu się po powierzchniach. Wspinaczka górska na Marsie może być potrzebna, gdy warunki terenowe przekraczają możliwości pojazdu łazikowego lub aby uzyskać dostęp do interesującego celu lub po prostu wrócić do domu do bazy. Jedną z powszechnych potrzeb alpinistycznych jest bardzo mobilne schronienie na krótki pobyt, które można wykorzystać na nocleg podczas wspinaczki, takie jak namiot, a odpowiednik na Marsie może wspierać możliwość wydostania się ze skafandra kosmicznego. Na projekt skafandra do wspinaczki prawdopodobnie miałyby wpływ potrzeby wspinaczki, w tym elastyczność skafandra, zwłaszcza w rękach, a także pod względem trwałości.

Inną kwestią jest spodziewana ilość użycia skafandrów w prawdopodobnie projektach misji ludzkich. Na przykład pod koniec 2010 roku od początku lotów kosmicznych było ponad 500 EVA, podczas gdy oczekuje się, że pojedyncza misja na Marsa będzie wymagać 1000 EVA.

Typowe plany misji marsjańskich uwzględniają, że osoba ubrana w skafander marsjański musiałaby wejść do łazika ciśnieniowego przez śluzę powietrzną. Alternatywnie, kombinezon marsjański musiałby być noszony na bezciśnieniowych łazikach z załogą, aby zapewnić podtrzymanie życia. Istnieje kilka różnych opcji śluzy wyjściowej i wejściowej dla skafandra kosmicznego, a jedną z nich jest ponowne zwiększenie ciśnienia w całym przedziale, tak jak w lądowniku księżycowym Apollo. Niektóre inne pomysły to port lotniczy, śluza dla załogi i śluza tranzytowa.

Kombinezony marsjańskie używane w połączeniu z innymi elementami powierzchniowymi na Marsie (grafika)

Potrzebować

Ustawa NASA Authorization Act z 2017 r. nakazała NASA, aby ludzie zbliżyli się do Marsa lub wylądowali na jego powierzchni do wczesnych lat 30. XX wieku.

Suitport na Marsa

Zbadano skafandry kosmiczne Marsa pod kątem integracji z projektem śluzy powietrznej, który łączy śluzę powietrzną oraz wejście i wyjście skafandra z innym pojazdem i jest powszechnie znany jako port skafandra . Uznano to za sposób na zintegrowanie łazika marsjańskiego z załogą i skafandrem kosmicznym EVA.

Pomysł polega na tym, że osoba wślizguje się do skafandra przez otwór śluzy powietrznej, podczas gdy zewnętrzna część skafandra znajduje się na zewnątrz pojazdu i jest wystawiona na działanie marsjańskiego środowiska. Następnie właz zostałby zamknięty, odcinając wnętrze pojazdu, a osoba byłaby podtrzymywana przez system podtrzymywania życia skafandra. NASA przetestowała skafander kosmiczny Z-1 pod kątem EVA na powierzchni pozaziemskiej z projektem kombinezonu w 2010 roku. W projekcie NASA Z-1 z tyłu skafandra znajduje się właz, który można zadokować za pomocą odpowiedniego pojazdu lub konstrukcji.

Galeria

Wizje Marsa EVA

Projekty misji ludzkich na Marsa zwykle obejmują skafandry Mars EVA, w tej wizji ludzie w garniturach w połączeniu z łazikami z załogą i innym wyposażeniem manewrującym na powierzchni Marsa. Często badane są technologie wspomagające misje, które dają astronautom przewagę, takie jak w tym przypadku pewnego rodzaju wyświetlacz wideo montowany na nadgarstku.
Koncepcja artysty dotycząca załogi wyruszającej na powierzchnię EVA na Marsie, około wczesnych lat 60. XX wieku. W tle jest Mars Excursion Module (MEM)
Zainscenizowana sztuka fotosymulacji skafandra marsjańskiego na EVA (NASA, 2010s)
Wspinaczka skałkowa na Marsie
NASA koncepcja załogi Marsa analizującej próbkę (2004).
Pierwsi odkrywcy Marsa badają Valles Marineris o wschodzie słońca (1989)
Grafika koncepcyjna autorstwa NASA przedstawiająca dwie osoby w garniturach na Marsie ustawiające sprzęt pogodowy.
Kosmiczna grafika przedstawiająca astronautów w marsjańskich kombinezonach kosmicznych zbliżających się do lądownika marsjańskiego Viking 2

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Dalsza lektura

Historia kombinezonów kosmicznych (1994, NASA)
Przygotuj się na Czerwoną Planetę - IEEE (wrzesień 2015)