Проектирането и разработването на екстракорпусен, стратосферен експлорационен костюм (StratEx) под налягане
ПРЕЗ декември 2011 г. беше сформиран екип на StratEx, състоящ се от ILC Dover, Paragon SDC и United Parachute Technologies с цел проектиране и разработване на скафандър, система за изстрелване, полет и възстановяване, която да позволи на човек да директно и безопасно взаимодействат с висока надморска височина, стратосферни условия на околната среда за продължителен период от време. Беше предвидена малка, лека, изключително мобилна система за един потребител, която работи в същия контекст като SCUBA система за подводно оцеляване и изследване. Подобно на системата SCUBA, една основна предпоставка на този тип система за изследване на стратосферата е, че ще е необходимо минимално обучение за нейната успешна и безопасна работа, като по този начин се отваря достъп до стратосферата както за свободното време, така и за научни начинания на тези без експертно ниво в скоковете с парашут и летенето с балон опит. След това такава система може да бъде приложена към по-ориентирани към мисията цели, като приложна наука и изследване, отколкото просто успешно оцеляване и възстановяване на обитателите
A. История на полетите с балон в стратосферата
Първите опити да се впуснете в стратосферата с помощта на балони започнаха през 30-те години на миналия век с достигане на височини над 70 000 фута; те обаче бяха ограничени от тежките гумени материали, използвани в конструкцията на балоните по това време. Докато се изследваха по-леки материали, избухването на Втората световна война прекъсна летенето с балон на голяма надморска височина за няколко десетилетия. След войната въвеждането на тези по-леки материали, заедно с интереса, демонстриран от военните на Съединените щати, възобновиха изследванията за пилотиран достъп до стратосферата. По-долу са основните исторически военни и граждански програми на Съединените щати, които се стремят да предоставят този вид достъп.
1. Strato-Lab I-V
Изследването на голяма надморска височина започва сериозно през 50-те и началото на 60-те години на миналия век с проекта Strato-Lab на Военноморските сили, който беше иницииран, за да разгледа биомедицинските изисквания за пилотираната ракетна програма на Америка и безброй други научни цели, включително събиране на данни в областта на астрономията , атмосферна физика и човешка физиология. Бяха извършени пет номерирани полета и включваха както отворени, така и херметизирани гондоли. Постепенно те включват полети, които варират от 76 000 до 113 740 фута височина. Най-дългият от тези полети, Strato-Lab III, достигна 82 000 фута и остана във въздуха близо 35 часа в херметизирана гондола. Strato-Lab V, последният и най-висок полет от серията, използваше отворена гондола заедно с костюма B.F. Goodrich Mark IV за пълно налягане, предшественика на костюмите Project Mercury. Това ще отбележи първото използване на пълен костюм под налягане за открито балониране в стратосферата
При всички тези полети аеронавтите остават със съответната си капсула или гондола през цялото времетраене на полета. Обща тема сред тези полети беше трудността да се контролира скоростта на спускане на балона. В повече от един случай неволно бързите и потенциално фатални скорости на спускане трябваше да бъдат преодолени чрез изхвърляне на целия баласт, както и на цялото друго оборудване, което можеше да бъде изразходвано. Единственият смъртен случай в програмата дойде след успешното завършване на полета на Strato-Lab V, когато един от пилотите се подхлъзна в океана след кацане във вода и се удави, когато костюмът му се напълни с вода и спасителните екипи не можаха да го извадят навреме.
2. Manhigh I-II
Докато военноморските сили напредваха с програмата си Strato-Lab, военновъздушните сили едновременно провеждаха подобна собствена пилотирана програма за висока надморска височина. Наречен Project Manhigh, той започва през 1955 г. с цел изследване на ефекта на космическите лъчи върху човешката анатомия. За този проект бяха проведени три полета с помощта на капсули под налягане, всяка от които съдържаше един пътник. Тези три капсули постигнаха височини, които варираха от малко под 97 000 фута до малко над 101 500 фута, като Manhigh II постави първоначалния рекорд за издръжливост от 32 часа, преди да бъде подобрен на следващата година от флота с техния полет Strato-Lab III. Както при полетите на Strato-Lab, лични спасителни парашути бяха налични за екстремни спешни случаи, но номиналната концепция на операциите диктуваше пилотите на капсулите да остават в капсулата от изстрелването до кацането.
Както Manhigh II, така и III изпитаха затруднения с контрола на скоростта на снижаване, което се влоши в случая на Manhigh III, където пилотът също претърпя загуба на охлаждане. Това постави основната телесна температура на пилота в диапазона от 107˚ F за продължителен период от време. Ако не беше необичайната способност на пилота да издържа на повишената температура, мнозина, свързани с програмата, смятат, че условията в капсулата не биха били оцелели.
3. Екселсиор I-III
С зората на пилотираните ракетни полети през 60-те години и увеличената способност на военните пилоти да летят по-високо и по-бързо, нарастваха опасенията относно способността на астронавт или пилот да оцелее при катапултиране на голяма надморска височина или спасяване от самолет или космически кораб. Откритите въпроси за това как пилотът трябва да пада свободно след катапултиране, на каква височина трябва да се отвори парашутът и как пилотът ще оцелее при условията на околната среда, останаха без отговор. И за съжаление тестовете на ниска надморска височина не можаха да осигурят нито правилните условия на околната среда, нито скоростите на свободно падане, необходими за предоставяне на тези отговори. Така през 1959 г. Project Excelsior е упълномощен да извърши серия от стратосферни скокове с парашут в пълен мащаб.
Въпреки внимателното планиране и подготовка, полетът на Екселсиор I беше почти трагедия. Този първоначален полет беше планиран само за 60 000 фута, но замъгляването на каската и отблясъците от нефилтрираната слънчева светлина затрудниха пилота да разчете инструментите си и да спре издигането на балона. Допълнителни проблеми при отстраняването му от седнало положение му попречиха да скочи, докато достигна почти 76 000 фута. По време на спускането главният парашут се разгъна рано и в разредения въздух се уви около тялото на пилота, преди да успее да се напълни правилно. Пилотът също влезе в неконтролирано плоско завъртане, което го накара да загуби съзнание, докато не се приземи. Само добре проектиран набор от функции за безопасност, вграден в резервната парашутна система, спаси живота му.
Въпреки почти фаталния изход на ръководителите на проекта Excelsior I успяха да осигурят зелена светлина за втори опит за скок. Трудностите, възникнали при първия скок, причинени най-вече от неочакваните ефекти на екстремния студ върху оборудването, бяха решени в кратки срокове и по-малко от месец по-късно полетът на Excelsior II беше завършен с успешен скок от 74 700 фута. възбуждащият успех на Excelsior II проправи пътя за крайната цел на програмата Excelsior, скок от над 100 000 фута.
Почти една година по-късно, Джо Китингър, също пилот на първите два полета на Excelsior, направи историческото пътуване до 102 800 фута, където успешно ще оцелее след четири минути и тридесет и седем секунди свободно падане от близо 85 000 фута. Единственото основно оборудване неизправността на полета на Excelsior III беше отказът на дясната ръкавица на костюма за частично налягане на Kittinger да херметизира правилно. Прегледът след полета и тестването на костюма заключиха, че костюмът и системата за херметизация ще трябва да бъдат преосмислени и вероятно основно ремонтирани, преди да може да се извърши по-нататъшно скачане на височина. Тъй като обаче програмата демонстрира толкова голям успех в своята мисия Excelsior III, беше взето решение програмата да бъде отменена, вместо да се осигури бюджетът, необходим за надграждане на костюма.
4. Strato-Jump II-II
По-късно през 60-те години аматьорът парашутист Николас Пиантанида е обсебен от идеята да подобри както официалния световен рекорд за най-висок скок с парашут, поставен на 83 523 фута от пилота на съветските ВВС Евгени Андреев през 1962 г., така и неофициалния рекорд, поставен от Джо Китингър в програмата Excelsior няколко години по-рано. Той лично търси пари от търговски спонсори, помощ за обучение от Военновъздушните сили на Съединените щати и скафандър, който получава на заем от David Clark Company, за да активира собствената си програма „Strato-Jump“. Strato-Jump I завърши само на 16 000 фута с повреда на балон, но Strato-Jump II скочи до повече от 123 500 фута, превръщайки се в най-високия пилотиран полет с балон в историята по това време. За съжаление той не успя да изключи кислородния си тръбопровод и беше принуден да се върне на Земята с парашут в гондолата. Няколко месеца по-късно беше направен трети опит, обаче, шлемът на Пиантанида падна под налягане на 57 000 фута, което го остави с увреждане на мозъка и в кома, от която той никога нямаше да се възстанови.
5. Red Bull Stratos I-II
С преместването на световните правителства в космическата ера и отдалечаването от пилотирани, летящи с балон на голяма надморска височина неофициалните рекорди на Китингер и Пиантанида останаха от момента, когато бяха поставени през 60-те години, докато не бяха отново предизвикани през 2012 г. Red Bull GmbH, a компания за спортни напитки, известна с рекламирането на своя продукт с помощта на спонсорирани спортисти, които изпълняват екстремни каскади, финансира програмата Red Bull Stratos в опит да подобри публично тези петдесетгодишни записи. С цел минимизиране на риска, инженерите на програмата избраха да използват капсула под налягане, която ще бъде разхерметизирана само непосредствено преди опита за скок на височина. Използването на капсула под налягане би ограничило директното излагане на пилота в костюма на суровата стратосферна среда само до няколко минути, необходими за спускане, и би осигурило необходимите консумативи за два часа и половина изкачване. Известният австрийски парашутист и BASE скачач Феликс Баумгартнер беше избран да пилотира мисиите Stratos и успешно завърши два тестови скока съответно от 71 581 фута и 96 640 фута, преди да счупи рекордите за пилотиран балон и скок с парашут по-късно същата година. Рекордите за скок с парашут, постигнати за тази последна мисия, бяха най-високата надморска височина за скок с парашут (127 852 фута), максималната вертикална скорост без спиране (843 мили в час) и вертикалното разстояние на свободно падане (119 431 фута). Баумгартнер стана и първият човек, преодолял звуковата бариера без каквато и да е механична помощ.
Да отбележим, че Баумгартнер имаше способността да разгърне стабилизиращ спирачен парашут по всяко време, но избра да не го използва в преследването на по-бърз рекорд за свободно падане. Тази липса на разгънат спирачен парашут увеличи риска от навлизане в плоско въртене поради малки смущения на центъра на тежестта при високи скорости на въздуха, което в крайна сметка се случи с Баумгартнер по време на неговото свободно падане. Ако не беше неговият богат опит в скачането с парашут, това плоско въртене може да не е било възстановимо, въпреки че увеличаването на скоростта на въртене до опасни нива би разгърнало автоматично стабилизиращия парашут. Освен това активните нагреватели в козирката на каската на костюма не успяха да предотвратят замъгляването на каската за части от мисията. Няколко модифицирани костюма S1034 за пълно налягане, подобни на тези, носени от пилоти на ВВС на голяма надморска височина, бяха използвани за програмата Red Bull Stratos
Б. Общ преглед на програмата StratEx
В разгара на много публичните подготовки на екипа на Red Bull Stratos д-р Алън Юстас, старши вицепрезидент по знания за Google, любител парашутист и аерокосмически ентусиаст, отбеляза, че един общ елемент за всички програми за голяма надморска височина до момента бяха използването или на капсула под налягане, или на гондола без налягане за настаняване на пилота и свързаното оборудване поне за частта от изкачването на мисията. В епоха, в която хората редовно и безопасно извършват шест и седемчасови космически разходки, използвайки скафандри с прикрепени животоподдържащи системи, той предположи, че би било възможно да се произведе цялостна система за полет и възстановяване, която използва самостоятелен костюм/животоподдържаща система, способна на непрекъснато, директно и безопасно излагане на околната среда без използване на капсула или гондола. По този начин той видя, че ще осигури няколко различни предимства:
1) Значително намаляване на масата на полезния товар
На височини над 100 000 фута атмосферното налягане вече е близо до нулата и се променя с все по-малки и по-малки количества с увеличаване на надморската височина. С други думи, когато желаната височина на полета се увеличава, са необходими по-значителни увеличения на плаваемостта на балонната система. Балонът Red Bull Stratos, например, беше почти десет пъти по-голям от обема на балона, използван от Джо Китингър за скока Excelsior III. Увеличаването на плаваемостта означава или увеличаване на размера на балона, както беше направено от екипа на Red Bull Stratos, или по някакъв начин намаляване на общата маса на системата. И при капацитет от близо 30 милиона кубически фута (повече от 400 фута в диаметър) способността да се произвеждат най-големите съвременни повдигащи балони вече наближава своя предел. Намаляването на ефективната маса на „капсулата“ само до масата на малка животоподдържаща система, монтирана на тялото, спестява хиляди паунда в сравнение с предишни програми. Този вид спестяване на маса се превръща в увеличена надморска височина, като по този начин се максимизира достъпът до по-пълна гама от стратосферата на Земята
2) Няма изискване за операция за прекъсване на връзката
Чрез използване на самостоятелна, непрекъснато свързана животоподдържаща система, пилотът след това е освободен от необходимостта да се изключва от монтирани на капсула управлявани системи, за да се спусне, урок, научен от загубата на мисията Strato-Jump II.
3) Опростен балон „Изход“
При самостоятелна, висяща система от костюми номиналният „изход“ на балон изобщо не изисква действителен изход. Просто освобождаването на пилота в костюм, срещу изискването пилот с оборудване да стои и да маневрира, ще бъде всичко, което се изисква. Висящият пилот също има предимството да може да заеме стабилна позиция преди освобождаване, като по този начин намалява вероятността от ротационни входове при отделяне на превозното средство. С увеличаването на надморската височина идва и увеличаване както на времето за свободно падане, така и на скоростта, преди да се достигне достатъчно плътна атмосфера за надуване на стабилизиращ парашут. Поддържането на първоначално стабилно отношение в този регион е желателно, защото няма начин да се спре нежеланото въртене в изключително разредения въздух.
4) Възможност за незабавно прекъсване
Тъй като безопасността е най-важната грижа, д-р Юстас също така отбеляза, че висящ пилот може да бъде освободен незабавно при откриване на аномалия в полетната система по всяко време. Без да се налага да намалявате налягането на капсула, да изключвате всички линии или маркучи или дори просто да стоите и да маневрирате до ръба на гондола, би било възможно незабавно да отделите пилота от балона и да приложите протоколи за възстановяване. Както при номинално освобождаване, няма да са необходими действия от страна на пилота, за да продължат аварийните операции по възстановяване.
Имайки предвид тези мисли, д-р Юстас събра екипа на StratEx за проектиране, разработване, производство и тестване на такава система. По време на полет последната полетна система тежи малко под 600 lbs, включително телесното тегло на пилота, и се състои от модула на скафандъра (PSA), модула за животоподдържащо оборудване (EM), системата за възстановяване на парашут/дрогер, балон и модула за балонно оборудване (BEM), включително екипировката на пилотното приспособление. Освен това беше необходимо наземно поддържащо оборудване, което да позволи операции по облекло, изстрелване и възстановяване на пилота. Д-р Юстас действаше като пилот за всички пилотирани полети
1. Сглобка на костюм под налягане (PSA)
Пълният скафандър под налягане (PSA), използван от екипа на StratEx, е проектиран и разработен за специфичната цел на дълготрайно излагане на голяма надморска височина и междинни среди.
2. Модул за оборудване (EM)
EM е монтиран отпред животоподдържащ пакет. Този пакет има три основни отговорности, които включват осигуряване на термична течност с контролирана температура на пилота, осигуряване на кислород с регулирана температура и налягане за костюма и разполагане на цялата авионика на полета. Модулът на оборудването също така служи като място за монтиране на няколко от интерфейсите на пилота като дръжки за теглене на парашута. Флуидната система се състои от флуиден нагревател и контролер за доставяне на нагрят флуид към течното топлинно облекло на пилота (LTG) по време на полет, портове за осигуряване на охладена течност към LTG на земята и топлообменник/проводима контактна система за загряване както на кислороден поток и кутията на бордовия компютър с помощта на нагрятия флуиден контур. Кислородната система осигурява регулиран кислород при ~90 psi към костюма, където са монтирани регулаторите на търсенето. Кислородният поток се нагрява чрез топлообменник, който излага кислорода на топлината от нагрятия флуид. И накрая, авиониката, с възможност както за предаване, така и за приемане, наблюдава много аспекти на животоподдържащата система и взаимодейства с контрола на мисията и наземните превозни средства. Независими гласови радиостанции в модула на оборудването предават пилотни гласови сигнали, а панелът на пилотния дисплей показва ключовите стойности за поддържане на живота на пилота.
Модулът на оборудването се интегрира към костюма чрез две структурни монтажни скоби, които се свързват с капаците на каската и уплътнението на тялото на костюма. ЕМ пропуска течност, кислород и електрически сигнали в и извън костюма през основния проход на костюма.
3. Система за възстановяване на парашут/дрога
Парашутната система, използвана в програмата StratEx, беше модифицирана тандемна парашутна платформа на United Parachute Technologies Sigma. Извършеният скок не беше тандемен скок с парашут, но платформата Sigma Tandem беше много подходяща за теглото на системата и общата й архитектура (която използваше стабилизиращ парашут) отговаряше на изискванията на системата StratEx с малки промени. Последната парашутна система приличаше на стандартна система Sigma, но с няколко ключови разлики. Първо главният и резервният парашутен контейнер бяха превключени така, че основният контейнер да е над резервния (който е срещу стандартния контейнер); второ, точката на свързване на спирачния парашут беше по-високо върху опаковката от нормалното; и накрая, самият дрога беше физически по-голям от стандартна тандемна система за скок с парашут.
Интегрирането на парашутния пакет към сравнително сложната система на костюма също доведе до значителни промени в оборудването за закрепване. Дръжките за теглене на парашута бяха преместени от главните подемни рамки към EM, където облеченият пилот можеше лесно да ги достигне.
Раницата на парашута беше прикрепена към системата чрез примки за крака с фиксирана дължина около горната част на бедрата на костюма и основни повдигащи мрежи, минаващи през раменете на костюма. Щипки с висока якост държаха презрамките на гърдите към централната рамка на EM.
И докато обсъждането на разработването и тестването на системата за спиране е извън обхвата на този документ, струва си да се отбележи, че месеци на много обширни тестове на голяма надморска височина с еквивалентен на маса и обем пилотен симулатор се случиха с намерението да се предотврати пилотно завъртане по време на всяка част от свободното падане. За действителния полет спирачният парашут беше освободен в същия момент, когато пилотът беше освободен от балона, и не беше отбелязано значително количество въртене по време на свободно падане.
4. Модул за балон/балонно оборудване (BEM)
Три полиетиленови балона с различни размери бяха използвани за завършване на пилотираната част от тестовата кампания за полет на голяма надморска височина. За трите постигнати височини (56 800 фута, 105 771 фута и 135 890 фута) максималният обем на всеки от тези балони беше съответно 3000 m3, 48 000 m3 и 328 000 m3. Всеки балон беше увенчан с клапан, който се отваряше, за да започне спускане, и оборудван с предпазител за унищожаване, който щеше да получи команда да се запали и да създаде голяма дупка в балона, след като пилотът бъде изпуснат. Авиониката на балона беше монтирана към BEM, който висеше точно под балона. BEM също така служи като точка за монтиране на баласта на балона, камери за наблюдение на полетните операции и парашут за възстановяване на кутията на авиониката, която беше изхвърлена преди командването на последователността за унищожаване на балона. Пилотното приспособление и освобождаващият такелаж висят точно под BEM. Въпреки че не е основната тема на този документ, заслужава да се отбележи, че успешното пилотно пускане се счита за критично за оцеляването на пилота и е единствената система с третично резервиране; пиротехнически резачки, които могат да бъдат командвани от авиониката BEM, пиротехнически резачки, които могат да бъдат командвани от авиониката на костюма EM, и ръчно освобождаване при издърпване, което може да се извърши от пилота.
5. Наземен поддържащ персонал/ оборудване
За да се даде възможност за обличане на костюми, изстрелване на балон, наблюдение и командване на мисии и операции за възстановяване след полет, беше необходимо множество наземно оборудване и персонал за поддръжка. Операциите преди изстрелването включваха четиричасово предварително дишане с чист кислород като консервативно средство за смекчаване на риска от декомпресионна болест на височина и изискваха мобилна наземна количка за осигуряване на захранване, кислород и охлаждане, без да се използват полетни консумативи за предполетни операции. Беше използван голям мотокар за преместване на пилота в екипировка и мобилната наземна количка до мястото за изстрелване, където след това пилотът беше поставен на малък „седан за изстрелване“, който му позволи да бъде позициониран по подходящ начин под балона и здраво закрепен. Този колесен седан също служи като платформа за изстрелване, за да се предотврати влаченето на пилота в случай, че страничните натоварвания върху балона причинят някакво хоризонтално натоварване върху костюма преди повдигането на пилота след освобождаването на балона. Друго превозно средство със специално изработено приспособление за предния край също беше използвано за леко повдигане на балона, тъй като той беше напълнен с хелий и повдигнат до неговата височина в изправено положение от неговата разточена дължина. Балонът беше закотвен към голяма стоманена плоча, докато не беше пуснат. Операциите по време на полет бяха наблюдавани и командвани от център за управление на мисията с конзоли за насочване на полета; наблюдение на времето; наблюдение на здравето на балона, костюма и пилота; и ръководене на операции по възстановяване.
Два камиона, два хеликоптера и самолет с фиксирани крила бяха използвани за пилотни операции след полет и възстановяване на балона. Тези превозни средства са работили под ръководството на персонала за възстановяване на контрола на мисията. В името на излишъка един от камионите за възстановяване и един от хеликоптерите за възстановяване бяха създадени с малки, мобилни версии на инфраструктурата за контрол на мисията и бяха в състояние на независима комуникация с и командване както на балона, така и на пилотната EM авионика.