PLSS de Apolo y la ciencia de mantener a las personas viviendo en el espacio

Desde que a los humanos se les ocurrió la brillante idea de explorar partes de la Tierra que eran significativamente menos hospitalarias para la vida humana que las llanuras de África donde la humanidad evolucionó, ha habido una presión constante para protegernos mejor de los elementos para consolar nuestros cuerpos. . Esos primeros intentos de una nueva frontera requirieron poco más que ropa abrigada. Durante milenios, desafiar esos límites se ha vuelto cada vez más difícil. En la era moderna, nuestro objetivo es la altura y el espacio donde la ropa abrigada no te ayudará mucho a protegerte.

Con el lanzamiento del Sputnik en 1957 y el calentamiento de la carrera espacial entre los Estados Unidos y la Unión Soviética, muchos primero tuvieron que completarse con un tiempo mínimo para las pruebas y el refinamiento. Desde la evolución de los cohetes de sonido V-2 de 1945 de la época en algo capaz de lanzar humanos a la luna y más allá, hasta descubrir qué se necesitaría para mantener a los humanos vivos en la órbita de la Tierra y en la Luna. Echemos un vistazo a lo que se necesitó para hacer esta maravilla tecnológica y desarrollar el Sistema de Soporte Portátil, un componente esencial de esos trajes espaciales que mantenían a los astronautas tan cómodos que podían bromear mientras estaban parados en la superficie de la Luna.

Establece la escena

Cohete de sonda V-2 en White Sands Missile Range en 1946

Era 1945: el final de la Segunda Guerra Mundial en Europa. Las fuerzas aliadas y soviéticas terminaron peleando por las piezas del programa de cohetes nazi, que ya había desarrollado la tecnología de cohetes más avanzada en ese momento, el cohete de combustible líquido V-2.

Wernher von Braun llegó a los Estados Unidos con su equipo de científicos de cohetes alemanes para mejorar el proyecto V-2 en Redstone Arsenal (RSA) en Alabama. La carrera continuó contra los soviéticos, que adquirieron la fabricación del V-2 y otro equipo de científicos de cohetes alemanes.

Mucho sobre el espacio aún se desconocía en ese momento. A partir de experimentos con globos y aviones a gran altitud, teníamos una idea bastante clara de las propiedades atmosféricas de la Tierra y los problemas que presenta la altitud. Sin embargo, no se sabía si el hombre podría sobrevivir después de abandonar la atmósfera protectora de la Tierra. Había muchos temores relacionados con los efectos de la ingravidez en el cuerpo humano, la radiación en el espacio y otros peligros invisibles y desconocidos.

Es por eso que el primer hombre en el espacio, Yuri Gagarin en Vostok 1, en realidad no voló con la nave espacial Vostok-3KA cuando hizo historia el 12 de abril de 1961. En su lugar, tenía sistemas automáticos incorporados y control terrestre para realizar el pilotaje. Aunque se le proporcionó un código para desbloquear los controles manuales, temían que después del lanzamiento Yuri pudiera verse obstaculizado por la ingravidez y no poder controlar la nave espacial.

Descubriendo la necesidad de contar con sistemas de soporte vital sólidos

REF: MSFC-580PA-3292 DISEÑO JUPITER-C EXPLORER 1

El primer satélite estadounidense, Explorer 1, fue lanzado el 31 de enero de 1958 por LC-26A en Cabo Cañaveral. Llevaba varios instrumentos, uno de los cuales era un tubo Geiger-Müller, capaz de detectar radiación en forma de protones y electrones (β-radiación) y transmitir la lectura a la Tierra. El dispositivo estuvo saturado durante la mayor parte del experimento.

Esto llevó al descubrimiento de lo que ahora conocemos como las zonas de radio de Van Allen alrededor de la Tierra: áreas donde el campo magnético de la Tierra captura partículas cargadas (principalmente del viento solar del Sol). Teorizado años antes de su descubrimiento, fue visto como un obstáculo importante en cualquier viaje a la Luna, que pudo haber expuesto a la tripulación de una nave espacial a dosis letales de radiación.

Descripción esquemática de las zonas de Van Allen.

Los soviéticos lanzaron el Sputnik 2 el 3 de noviembre de 1957, como la primera misión biológica. Este satélite llevó a Laika, el primer perro y también el primer animal en el espacio. Se suponía que un generador de oxígeno con una unidad de absorción de CO2 y suficiente agua y comida para unos días mantendría a Laika con vida por un tiempo. Desafortunadamente, debido a problemas técnicos con la separación del vehículo de lanzamiento, el aislamiento térmico se dañó y el sistema de regulación térmica falló. Las temperaturas en la cápsula subieron rápidamente a 40ºC. Después de aproximadamente 5-6 horas en el vuelo, no se recibieron señales de vida de Laika, lo que sugiere que murió de sobrecalentamiento.

Secular, todavía en la Tierra.

Después de estos satélites, Estados Unidos lanzó Vanguard 1 y el Sputnik 3 soviético, que se centraron en gran medida en examinar la atmósfera de la Tierra, además de contribuir a la investigación realizada desde el lado opuesto (mapeando las zonas 3 de Van Allen del Sputnik).

Todo lo que los cuerpos humanos anhelan

Nuestros cuerpos son sistemas biológicos bastante delicados. El cuerpo humano opera a una temperatura bastante baja, requiere un acceso regular a agua y alimentos y sobre todo oxígeno. Tiene una baja tolerancia a contaminantes como el dióxido de carbono (CO2), que es un subproducto natural de su metabolismo. El aumento de los niveles de CO2 en el aire que respira eventualmente causa hipercapnia (intoxicación por CO2).

Cuando se trata de mantener viva a una persona con poco oxígeno y baja temperatura, como lo experimentaría un alpinista, por lo general buscamos ropa abrigada y ropa interior abrigada para retener la mayor cantidad de calor corporal posible. Para el oxígeno, se usaría un tanque de oxígeno y una máscara, básicamente respirando oxígeno puro o aire ambiental mezclado con oxígeno adicional. Aprendimos más del buceo en aguas profundas, que es lo más cercano a la experiencia de respirar en el espacio. Los buzos utilizan el circuito abierto, o el sistema avanzado de "pausa respiratoria", que elimina el CO2 del aire inhalado por el buceador.

Por Yuri Gagarin, su SK-1 (Скафандр Космический # 1El traje espacial "Skafandr Kosmicheskiy" o "Traje de buceo espacial") fue cebado previamente, suministrado con oxígeno fresco y lavado por el exceso de CO2 por los sistemas integrados en la nave espacial, con el traje SK-1 conectado a ellos mediante mangueras. Incluso entonces, descender a la Tierra en una nave espacial Vostok requirió que el astronauta se expulsara a 7 km de altitud y se lanzara en paracaídas a la superficie, ya que el aterrizaje del módulo de descenso de la nave espacial no se consideró viable debido a la extrema desaceleración.

La cápsula Vostok 1 cuando se exhibió en el museo RKK Energiya.

Al final, Yuri logró mantenerse consciente durante toda la misión, regresando a salvo a la superficie de la Tierra. Esto ha demostrado que las misiones espaciales tripuladas en la órbita de la Tierra son definitivamente viables.

Desarrollar el sistema de soporte portátil (PLSS) para la Luna

Después de una serie de avances logrados en la misión histórica de Yuri, tanto los soviéticos como los estadounidenses adquirieron experiencia manteniendo a sus cosmonautas y astronautas vivos y cómodos en la órbita de la Tierra. Además de los sistemas de cordón umbilical para las instalaciones de oxígeno, depurador de CO2 y regulación de la temperatura de la nave espacial, los soviéticos desarrollaron para Voskhod 2 una mochila de suministro de oxígeno de circuito abierto que dura unos 45 minutos. El siguiente gran desafío fue tomar el sistema de soporte vital completo de la nave y transformarlo en un sistema portátil.

Sistema de soporte vital portátil Apollo, como se usa con el traje A7L.

Las EVA (actividades fuera del vehículo) en ese momento implicaban permanecer bastante cerca de la nave espacial, pero todas eran para vuelos cortos en órbita. No había duda de que usar un circuito abierto en la Luna sería un desperdicio y poco práctico. El uso de un cordón umbilical en la lancha de desembarco tampoco sería práctico por muchas razones bastante obvias. La solución elegida se convertiría en el Sistema de soporte vital portátil Apollo (PLSS).

El PLSS utilizado con las misiones Apollo Moon tenía una variedad de funciones:

  • Ajusta un traje espacial.
  • Proporcione oxígeno fresco para reponer los niveles de oxígeno en circulación.
  • Elimina el CO2, la humedad (agua), los olores y otros contaminantes del oxígeno.
  • Enfríe el oxígeno a medida que circula.
  • Enfríe y haga circular agua fría a través de un tubo en el traje.
  • Proporcione comunicación de voz bidireccional.
  • Recibir y transmitir telemetría de sensores indicando las señales esenciales de la portadora.
  • Este documento (PDF) de Hamilton Standard trata con gran detalle el sistema PLSS. El enfriamiento del oxígeno y el agua circulantes se logra llevándolo a través de un sublimador: un dispositivo que consta de placas porosas a través de las cuales se fuerza el agua. Después del contacto con el vacío del espacio, el agua se congela en hielo, después de lo cual se sublima de esta fase sólida a gas. Este proceso endotérmico hace que las placas de níquel sinterizado del sublimador se enfríen mucho, enfriando todo el oxígeno y el agua que se conduce sobre él.

    El proceso de sublimación se autorregula, ya que la tasa de formación de vapor depende de la cantidad de calor aplicada al dispositivo. La presión que fuerza el agua de alimentación a las placas del sublimador viene dada por la presión de la burbuja de agua de alimentación colocada entre el PLLS y la espalda del usuario. Aunque es bastante compacto, esta sublimación puede disipar más de 2 MJ (2,000 BTU) de pico, lo que lo convierte en el equivalente a un acondicionador de aire para un dormitorio. Esto permite que las personas en el calor de un día lunar se mantengan agradables y frescas.

    Descripción esquemática del Apollo PLSS, proporcionada por Hamilton Standard.

    El sistema de oxígeno primario tiene un circuito circular que inyecta oxígeno filtrado fresco en el casco del astronauta. Esto también presiona el traje a un cómodo 3,7 PSI (25,5 kPa) o alrededor usando su ventilador de batería. El aire se extrae del traje en las extremidades, luego ingresa en frascos de hidróxido de litio, que absorben el CO2. Un lecho trasero de carbón activado elimina los rastros de contaminantes, incluidos los olores corporales.

    El sublimador enfría el flujo de oxígeno filtrado, el exceso de agua (principalmente de la respiración y el sudor) se elimina con un separador de agua y se almacena en una vejiga de alcantarillado. Estas aguas residuales se vierten en el módulo lunar del Módulo Lunar (LM), que también llevaba frascos de hidróxido de litio de repuesto y permitió a los astronautas rellenar sus suministros de oxígeno y agua.

    Un circuito de enfriamiento de agua impulsado por una sola bomba hizo circular agua fría a través de una prenda especial que contenía tubos, eliminando el calor de la piel del usuario antes de que el sublimador refrescara el agua caliente.

    Con la mochila PLSS sujeta mediante medias umbilicales a la cintura del traje, el usuario podía moverse libremente durante un máximo de aproximadamente siete horas, dependiendo de su tasa metabólica, antes de tener que volver al LM para rellenarlo. A medida que avanzaba el programa Apollo, la tripulación de cada aterrizaje lunar posterior tendría proyectos PLSS más avanzados que aumentaron el tiempo EVA de todos los tiempos.

    Houston, tenemos un problema

    Donde cada parte del PLSS es esencialmente un solo punto de falla, se proporcionó un sistema de respaldo en forma de Sistema de Purga de Oxígeno (OPS), otro sistema de suministro de oxígeno montado en la parte superior de la mochila PLSS. Esto podría activarse si falla el suministro principal de oxígeno, proporcionando oxígeno y enfriamiento (desde el despresurizador de oxígeno fuera del tanque de oxígeno OPS) durante 30-90 minutos, según el flujo. Este es un sistema de circuito abierto que sale al espacio.

    Otro respaldo es el "sistema de soporte vital secundario Buddy", mediante el cual otro astronauta puede usar su sistema de enfriamiento funcional para enfriar un segundo traje si falla el sistema de enfriamiento de su PLSS. Con refrigeración externa, el tiempo de funcionamiento del OPS se puede ampliar de 30 minutos a 60-90 minutos.

    Naturalmente, cada PLSS también está equipado con un sistema de transceptor que permite comunicaciones bidireccionales no solo con sus astronautas, sino también con el centro de control en la Tierra. Esto resultaría invaluable durante cada misión mientras navegaba por el terreno y preparaba experimentos. Tampoco debe subestimarse la comodidad psicológica del contacto constante.

    Al espacio y más allá

    El Apollo PLSS, por supuesto, no fue el final de la línea para un sistema de este tipo. Como las misiones lunares adicionales se cancelarían y el enfoque se cambiaría a la órbita terrestre baja, el PLSS se usaría en EVA, incluidos los no relacionados. La Unidad de Movilidad Extracelular (EMU) utilizada con el Transbordador Espacial desde la década de 1980 y ahora con la Estación Espacial Internacional (ISS) usa PLSS, que es esencialmente el desarrollo del sistema iniciado por ingenieros durante la década de 1960.

    Colonia en el espacio, con una visión clara de los planetas cercanos.

    Ahora que la humanidad está una vez más a punto de regresar a la Luna, y probablemente más allá de ella por primera vez en su historia, solo podemos esperar que pronto los humanos puedan disfrutar una vez más de la libertad que proporciona PLSS mientras deambulan. la luna, organizando experimentos, haciendo bromas con el control de la Tierra y temiendo las maravillas de este maravilloso mundo que existe inmediatamente más allá del alcance de la atmósfera terrestre.

    • Bunsen dice:

      Nunca me di cuenta de cuán profundamente podía molestarme la diferencia entre índices y acentos.

      • Mike Szczys dice:

        Ah, tienes razón. Todas las entradas de CO2 deben estar indexadas y no superadas. ¡Reparado!

    • Ostraco dice:

      "La comodidad psicológica del contacto constante tampoco debe subestimarse".

      Muchos propietarios de teléfonos móviles lo saben.

      "Aunque es bastante compacta, esta sublimación puede dispersar más de 2 MJ (2000 BTU) de pico, lo que la convierte en el equivalente a una unidad de aire acondicionado para un dormitorio. Esto permite que una persona en el calor de un día lunar se mantenga agradable y fresca".

      He podido ver que esto se aplica a más que a los astronautas. Espacio, idea genial.

      • qwert dice:

        Con cada verano cada vez más caluroso, ahora estoy pensando en pedir un compresor de minirefrigerador en línea, un pequeño intercambiador de calor líquido, un tubo quirúrgico, un condensador, un ventilador de computadora pesado y construir mi propia combinación de aire acondicionado. En lugar de enfriar el aire, puede enfriar el agua y hacerla circular. Tal vez incluso recolecte condensado de la humedad ambiental, quién sabe. Parece que eventualmente necesitaré uno. Creo que he leído que partes del sudeste asiático ya se están acercando a una temperatura de bulbo húmedo de 35 grados Celsius, entonces la regulación normal de la temperatura humana se está rompiendo y la gente completamente sana está comenzando a graznar. El sudor ya no lleva calor en ese momento.

        Sería una buena adición cuando viaje en motocicleta al trabajo. Podría tener una horquilla de 12v en la cintura o lo que sea, conéctela al alternador del motor. Es probable que las baterías ya no lo funcionen durante mucho tiempo. No hay vacío duro aquí para hacer que una sublimación realice ese trabajo por mí.

        • Gregg Eshelman dice:

          Toma esto y hazlo más compacto y autónomo. https://www.youtube.com/watch?v=R_g4nT4a28U En lugar de las biobolas, probaría un poco de ese tapete azul que se usa para enfriadores de pantano y filtros de aire lavables para hornos.

    • Arquitectura dice:

      Me encanta el enfriador de sublimación. Un dispositivo bastante simple, autorregulado, probablemente imprudente y muy funcional. Este podría ser un buen ejemplo de lo que yo llamaría un hermoso diseño. No siempre necesitas un código de programa para que las cosas funcionen como quieres ...

      • qwert dice:

        ¡Sí! Si algo se estabiliza con la vieja mecánica analógica normal, uno debería considerar seriamente hacerlo. A menudo miro el volante y el rastrillo de una bicicleta y el sistema de equilibrio, y me pregunto si alguna vez se nos ocurrirá algo así si luego tuviéramos acceso a microcontroladores y circuitos de control PID. Probablemente habría creado algo más antes de que la primera persona aprendiera a equilibrar una bicicleta.

        • Ostraco dice:

          Y, sin embargo, está el Segway.

    • Hirudinea dice:

      ¿Alguien leyó la tercera "L" en el título como y "yo"? Lo hice y me dio una idea completamente diferente sobre el artículo.

    • Papá feliz dice:

      Arreglo menor:
      Laika no era el nombre del perro sino su raza, el nombre real de este perro espacial en particular es Kudryavka.

      • ScriptGiddy dice:

        ¿En serio? Todo lo que pensé que sabía era una mentira ... ¡corderos a la matanza cósmica!

    • Neil Bonine dice:

      Contraté una empresa en 1970 que había adquirido una pequeña empresa de fabricación de metro unos años antes. Hicieron medidores analógicos en miniatura, muy resistentes, de mil especies. Los medidores fueron completamente hechos a mano. Esta empresa suministró los indicadores de “Oxígeno residual” utilizados en el PLSS. Los astronautas parecían fáciles, pero ¿te imaginas lo que experimentaron las personas que hicieron esos medidores cuando los astronautas saltaron y saltaron a la luna?

      Por supuesto, ahora esa pequeña información sería solo un número más en una pantalla digital. Es bueno recordar lo cruda que fue la tecnología que nos llevó a la luna y viceversa.

    • Steve dice:

      Hablé con ingenieros de la NASA que estaban trabajando de nuevo en la próxima generación de trajes EVA para la luna (y posiblemente Marte). El mayor problema era que los trajes viejos filtraban "aire" como un colador. La cremallera de atrás es el mayor criminal.

Maya Lorenzo
Maya Lorenzo

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