Návrh a vývoj extravehicular, Stratospheric Exploration (StratEx) tlakového obleku
V prosinci 2011 byl vytvořen tým StratEx sestávající z ILC Dover, Paragon SDC a United Parachute Technologies s cílem navrhnout a vyvinout tlakový oblek, startovací, letový a záchranný systém, který by člověku umožnil přímo a bezpečně interagují s podmínkami prostředí ve vysoké nadmořské výšce a stratosférou po dlouhou dobu. Byl navržen malý, lehký, vysoce mobilní systém pro jednoho uživatele, který fungoval ve stejném kontextu jako systém SCUBA pro přežití a průzkum pod vodou. Podobně jako u systému potápění, jedním ze základních předpokladů tohoto typu stratosférického průzkumného systému bylo, že pro jeho úspěšný a bezpečný provoz bude vyžadován minimální výcvik, čímž se otevře přístup do stratosféry jak pro volný čas, tak pro vědecké aktivity pro ty, kteří nemají odbornou úroveň parašutismu a létání balónem. Zkušenosti. Takový systém by pak mohl být aplikován na cíle více zaměřené na misi, jako je aplikovaná věda a průzkum, než jen na úspěšné přežití a zotavení obyvatel.
A. Historie letů stratosférických balonů
Úplně první pokusy dostat se do stratosféry pomocí balónů začaly ve 30. letech 20. století, kdy bylo dosaženo nadmořských výšek přes 70 000 stop; nicméně oni byli omezeni těžkými pryžovými materiály použitými v konstrukci balónů v té době. Zatímco byly zkoumány lehčí materiály, vypuknutí druhé světové války přerušilo let ve velkých výškách na několik desetiletí. Po válce zavedení těchto lehčích materiálů spolu se zájmem, který projevila armáda Spojených států, znovu oživilo výzkum přístupu člověka do stratosféry. Následují hlavní historické vojenské a civilní programy Spojených států, které se snažily poskytnout tento typ přístupu.
1. Strato-Lab I-V
Výzkum ve vysokých nadmořských výškách začal vážně v 50. a počátkem 60. let 20. století projektem Strato-Lab námořnictva, který byl zahájen s cílem prozkoumat biomedicínské požadavky na americký program pilotovaných raket a nesčetné množství dalších vědeckých cílů včetně shromažďování dat v oblastech astronomie. , fyzika atmosféry a fyziologie člověka. Bylo uskutečněno pět očíslovaných letů, které zahrnovaly otevřené i přetlakové gondoly. Postupně zahrnovaly lety, které se pohybovaly ve výšce od 76 000 do 113 740 stop. Nejdelší z těchto letů, Strato-Lab III, dosáhl 82 000 stop a zůstal ve vzduchu téměř 35 hodin v přetlakové gondole. Strato-Lab V, poslední a nejvyšší let v sérii, používal otevřenou gondolu spolu s přetlakovým oblekem B.F. Goodrich Mark IV, předchůdcem obleků Project Mercury. To by znamenalo první použití plného přetlakového obleku pro exponované stratosférické balóny
U všech těchto letů zůstali aeronauti po celou dobu letu u příslušné kabiny nebo gondoly. Společným tématem mezi těmito lety byla obtížná kontrola rychlosti klesání balónu. Při více než jedné příležitosti musely být neúmyslně rychlé a potenciálně smrtelné sestupy překonány vyřazením veškerého balastu a veškerého dalšího vybavení, které bylo možné utratit. Jediná smrtelná nehoda programu přišla po úspěšném dokončení letu Strato-Lab V, kdy jeden z pilotů po přistání do vody sklouzl do oceánu a utopil se, když se jeho oblek naplnil vodou a záchranáři ho nedokázali včas získat.
2. Manhigh I-II
Jak námořnictvo postupovalo se svým programem Strato-Lab, letectvo souběžně provádělo podobný vlastní program ve velkých výškách s posádkou. Pod názvem Projekt Manhigh začal v roce 1955 s cílem studovat vliv kosmického záření na lidskou anatomii. Pro tento projekt byly provedeny tři lety s použitím tlakových kapslí, z nichž každá obsahovala jednoho cestujícího. Tyto tři kapsle dosáhly nadmořských výšek, které se pohybovaly od necelých 97 000 stop do něco málo přes 101 500 stop, přičemž Manhigh II stanovila původní vytrvalostní rekord 32 hodin, než jej v následujícím roce překonalo námořnictvo svým letem Strato-Lab III. Stejně jako u letů Strato-Lab byly pro extrémní případy k dispozici osobní padáky pro záchranu, avšak nominální koncept operací diktoval, že piloti kapslí zůstávají v kapsli od startu až po přistání.
Manhigh II i III měly potíže s řízením rychlosti klesání, což se zhoršilo v případě Manhigh III, kde pilot také zaznamenal ztrátu chlazení. To umístilo tělesnou teplotu pilota na delší dobu do rozsahu 107 °F. Nebýt neobvyklé schopnosti pilota vydržet zvýšenou teplotu, mnozí spojenci s programem věří, že podmínky uvnitř kapsle by nebylo možné přežít.
3. Excelsior I-III
S úsvitem pilotovaných raketových letů v 60. letech a zvýšenou schopností vojenských pilotů létat výš a rychleji se objevily stále větší obavy ohledně schopnosti astronauta nebo pilota přežít katapultáž ve vysoké výšce nebo záchrannou službu z letadla. nebo kosmické lodi. Otevřené otázky o tom, jak by měl pilot volný pád po katapultáži, v jaké výšce by měl být otevřen padák a jak by pilot přežil okolní podmínky, zůstaly nezodpovězeny. A bohužel testování v nízkých nadmořských výškách nemohlo poskytnout správné podmínky prostředí ani rychlosti volného pádu potřebné k poskytnutí těchto odpovědí. V roce 1959 tak získal Project Excelsior oprávnění k provedení série úplných stratosférických seskoků.
Navzdory pečlivému plánování a přípravě byl let Excelsior I téměř tragédie. Tento počáteční let byl naplánován pouze na 60 000 stop, nicméně zamlžení přilby a záře nefiltrovaného slunečního světla znesnadňovaly pilotovi čtení z přístrojů a zastavení výstupu balónu. Další problémy při sestupu ze sedu mu zabránily skutečně skočit, dokud nebyl ve výšce téměř 76 000 stop. Během sestupu se hlavní padák rozvinul brzy a v řídkém vzduchu se omotal kolem těla pilota, než se stačil řádně naplnit. Pilot se také dostal do nekontrolované ploché rotace, která způsobila, že ztratil vědomí, dokud nepřistál. Život mu zachránila pouze dobře navržená sada bezpečnostních prvků zabudovaných do systému záložního padáku.
Navzdory téměř fatálnímu výsledku projektu Excelsior I byli projektoví manažeři schopni zajistit povolení pro druhý pokus o skok. Potíže při prvním seskoku, způsobené většinou neočekávanými účinky extrémního chladu na zařízení, byly v krátké době vyřešeny a necelý měsíc poté byl let Excelsior II dokončen úspěšným seskokem z výšky 74 700 ft. vzrušující úspěch Excelsior II vydláždil cestu ke konečnému cíli programu Excelsior, skoku z více než 100 000 stop.
Téměř o rok později podnikl Joe Kittinger, rovněž pilot prvních dvou letů Excelsior, historickou cestu do výšky 102 800 stop, kde úspěšně přežil čtyři minuty a třicet sedm sekund volný pád z výšky téměř 85 000 stop. Jediné hlavní vybavení porucha letu Excelsior III spočívala v selhání správného natlakování pravé rukavice Kittingerova obleku pro částečný tlak. Poletová prohlídka a testování obleku dospělo k závěru, že oblek a systém přetlakování by musely být přehodnoceny a pravděpodobně přepracovány, než by bylo možné provést další skoky do výšky. Protože však program ve své misi Excelsior III prokázal tak velký úspěch, bylo rozhodnuto program raději zrušit, než získat rozpočet potřebný k upgradu obleku.
4. Strato-Jump II-II
Později v 60. letech byl amatérský parašutista Nicholas Piantanida posedlý myšlenkou překonat jak oficiální světový rekord v nejvyšším seskoku padákem stanovený v roce 1962 pilotem sovětského letectva Jevgenijem Andrejevem ve výšce 83 523 stop, tak neoficiální rekord Joe Kittinger. v programu Excelsior před několika lety. Osobně hledal peníze od komerčních sponzorů, pomoc na výcvik od letectva Spojených států a nátlakový oblek, který dostal zapůjčený od společnosti David Clark Company, aby umožnil svůj vlastní program ‚Strato-Jump‘. Strato-Jump I skončil na pouhých 16 000 ft selháním balónu, avšak Strato-Jump II vyletěl na více než 123 500 ft a stal se v té době nejvyšším letem balónu s lidskou posádkou v historii. Bohužel se mu nepodařilo odpojit přívod kyslíku a byl nucen vrátit se na Zemi na padáku uvnitř gondoly. Třetí pokus byl proveden o několik měsíců později, ale Piantanidova helma se odtlakovala ve výšce 57 000 stop, což mu způsobilo poškození mozku a v kómatu, ze kterého se už nikdy nevzpamatoval.
5. Red Bull Stratos I-II
S přesunem světových vlád do vesmírného věku a pryč od lidí s lidskou posádkou zůstaly neoficiální rekordy Kittingera i Piantanidy ve vysokých výškách od doby, kdy byly stanoveny v 60. letech, až do jejich opětovného zpochybnění v roce 2012. Red Bull GmbH, a společnost zabývající se sportovními nápoji, která se proslavila reklamou svého produktu s využitím sponzorovaných sportovců, kteří provádějí extrémní kousky, financovala program Red Bull Stratos ve snaze veřejně překonat tyto padesát let staré rekordy. S cílem minimalizovat riziko se programoví inženýři rozhodli použít přetlakovou kapsli, která by byla odtlakována pouze těsně před pokusem o skok ve výšce. Použití tlakové kapsle by omezilo přímé vystavení vhodného pilota drsnému stratosférickému prostředí pouze na několik minut potřebných pro sestup a poskytlo by potřebné spotřební materiály pro dvouapůlhodinový výstup. Renomovaný rakouský parašutista a BASE jumper Felix Baumgartner byl vybrán k pilotování misí Stratos a úspěšně dokončil dva testovací seskoky z výšky 71 581 ft a 96 640 ft, než později téhož roku překonal rekordy v balónu s posádkou i ve skoku padákem. Rekordy seskoku dosažené pro tuto poslední misi byly nejvyšší výška seskoku (127 852 ft), maximální vertikální rychlost bez brzdění (843 mph) a vertikální vzdálenost volného pádu (119 431 ft). Baumgartner se také stal prvním člověkem, který prolomil zvukovou bariéru bez jakékoli mechanické pomoci.
Je třeba poznamenat, že Baumgartner měl možnost kdykoli rozmístit stabilizační padák, ale rozhodl se ho nepoužít při honbě za rychlejším rekordem volného pádu. Tento nedostatek nasazeného hydrogetického padáku zvyšoval riziko vstupu do ploché vývrtky kvůli malým poruchám těžiště při vysokých rychlostech vzduchu, což se nakonec stalo Baumgartnerovi během jeho volného pádu. Nebýt jeho rozsáhlých zkušeností se seskokem padákem, tato plochá rotace by možná nebyla obnovitelná, ačkoli zvýšení rychlosti rotace na nebezpečnou úroveň by automaticky rozvinulo stabilizační padák. Navíc aktivní ohřívače v hledí helmy nedokázaly zabránit zamlžování helmy po části mise. Pro program Red Bull Stratos bylo použito několik upravených plně přetlakových obleků S1034, podobných těm, které nosili piloti leteckých sil ve vysokých nadmořských výškách.
B. Přehled programu StratEx
Uprostřed velmi veřejných příprav týmu Red Bull Stratos Dr. Alan Eustace, senior viceprezident pro znalosti společnosti Google, amatérský parašutista a nadšenec do letectví, poznamenal, že jeden společný prvek všechny dosavadní programy ve vysokých nadmořských výškách spočívaly v použití buď přetlakové kapsle, nebo netlakové gondoly pro umístění pilota a souvisejícího vybavení alespoň pro výstupovou část mise. V době, kdy lidé pravidelně a bezpečně provádějí šest a sedm hodin dlouhé výstupy do vesmíru pomocí skafandrů s připojenými systémy podpory života, předpokládal, že by bylo možné vyrobit kompletní letový a záchranný systém, který by využíval samostatný oblek/systém podpory života. trvalé, přímé a bezpečné expozice prostředí bez použití kapsle nebo gondoly. Viděl, že by to poskytlo několik zřetelných výhod:
1) Výrazné snížení hmotnosti užitečného zatížení
Ve výškách nad 100 000 stop je atmosférický tlak již blízko nule a s rostoucí výškou se mění o menší a menší hodnoty. Jinými slovy, jak se požadovaná letová výška zvyšuje, je vyžadováno výraznější zvýšení vztlaku systému balónu. Balón Red Bull Stratos byl například téměř desetkrát větší než objem balónu, který používal Joe Kittinger pro seskok Excelsior III. Zvýšení vztlaku znamená buď zvětšit velikost balónu, jak to udělal tým Red Bull Stratos, nebo nějakým způsobem snížit celkovou hmotnost systému. A s kapacitou téměř 30 milionů kubických stop (více než 400 stop v průměru) se schopnost vyrábět největší moderní zvedací balóny již blíží svému limitu. Snížení účinné hmotnosti „kapsle“ na pouhou hmotnost malého systému pro podporu života namontovaného na těle znamenalo úsporu tisíců liber ve srovnání s předchozími programy. Tento druh úspory hmoty se promítá do zvýšené nadmořské výšky, čímž se maximalizuje přístup k širšímu rozsahu zemské stratosféry
2) Bez požadavku na operaci odpojení
Použitím samostatného, nepřetržitě připojeného systému podpory života se pak pilot nemusí odpojovat od pilotem ovládaných systémů namontovaných na kapsli, aby mohl sestoupit, což je poučení ze ztráty mise Strato-Jump II.
3) Zjednodušená bublina „Exit“
U samostatného systému závěsných obleků nominální „výstup“ balónu vůbec nevyžaduje skutečný východ. Jediné, co bylo požadováno, by bylo pouhé uvolnění vhodného pilota oproti požadavku, aby pilot nabitý vybavením stál a manévroval. Závěsný pilot má také výhodu v tom, že je schopen zaujmout stabilní polohu před uvolněním, čímž se snižuje možnost rotačních vstupů při oddělení vozidla. S rostoucí nadmořskou výškou se také zvyšuje doba volného pádu a rychlost před dosažením dostatečně husté atmosféry k nafouknutí stabilizačního padáku. Udržování počáteční stabilní polohy v této oblasti je žádoucí, protože neexistuje způsob, jak zastavit nežádoucí rotaci v extrémně řídkém vzduchu.
4) Možnost okamžitého přerušení
Vzhledem k tomu, že bezpečnost je prvořadým zájmem, Dr. Eustace také poznamenal, že visící pilot může být kdykoli propuštěn okamžitě po zjištění jakékoli anomálie letového systému. Bez nutnosti odtlakovat kapsli, odpojit jakákoli vedení nebo hadice, nebo dokonce jen stát a manévrovat k okraji gondoly, by bylo možné okamžitě oddělit pilota od balónu a uzákonit zotavovací protokoly. Stejně jako u nominálního uvolnění by pro pokračování operací nouzového vyproštění nebyla vyžadována žádná akce ze strany pilota.
S těmito myšlenkami sestavil Dr. Eustace tým StratEx, aby takový systém navrhl, vyvinul, vyrobil a otestoval. Finální letový systém vážil při letu těsně pod 600 lb, včetně tělesné hmotnosti pilota, a skládal se ze sestavy tlakového obleku (PSA), modulu vybavení pro podporu života (EM), záchranného systému padáku/droga, balon a modul balonového vybavení (BEM) včetně upevnění pilota. Kromě toho bylo zapotřebí pozemní podpůrné vybavení, aby bylo možné pilotní obleky, starty a vyprošťovací operace. Dr. Eustace působil jako pilot všech pilotovaných letových zkoušek
1. Pressure Suit Assembly (PSA)
Úplná sestava Pressure Suit Assembly (PSA) používaná týmem StratEx byla navržena a vyvinuta pro konkrétní účely dlouhodobého vystavení vysokým nadmořským výškám a přechodným prostředím.
2. Modul vybavení (EM)
EM je přední sada na podporu života. Tato sada má tři hlavní povinnosti, které zahrnují poskytování teplotně řízené tepelné kapaliny pilotovi, dodávání kyslíku regulovaného teplotou a tlakem do obleku a uložení veškeré letecké avioniky. Modul zařízení také slouží jako montážní místo pro několik pilotních rozhraní, jako jsou rukojeti pro vytahování padáků. Kapalinový systém se skládá z ohřívače kapaliny a ovladače, který přivádí za letu ohřátou kapalinu do pilotova Liquid Thermal Garment (LTG), portů pro poskytování chlazené kapaliny do LTG na zemi a systému výměníku tepla / vodivého kontaktního systému pro ohřev obou proud kyslíku a skříň letového počítače pomocí vyhřívané kapalinové smyčky. Kyslíkový systém dodává regulovaný kyslík při ~90 psi do obleku, kde jsou namontovány regulátory odběru. Proud kyslíku je ohříván přes tepelný výměník, který vystavuje kyslík teplu z ohřívané tekutiny. Konečně systém avioniky, se schopností vysílat i přijímat, monitoruje mnoho aspektů systému podpory života a spolupracuje s řízením mise a pozemními vozidly. Nezávislé hlasové vysílačky v modulu vybavení přenášejí pilotní hlasové signály a panel pilotního displeje zobrazuje hodnoty podpory života pilotního klíče.
Modul vybavení se integruje do obleku pomocí dvou konstrukčních montážních držáků, které se připojují k uzávěrům přilby a těsnění těla obleku. EM propouští tekutiny, kyslík a elektrické signály dovnitř a ven z obleku přes hlavní průchod.
3. Parachute/Drogue Recovery System
Padákový systém použitý v programu StratEx byl upravený tandemový parašutistický vrták United Parachute Technologies Sigma. Provedený seskok nebyl tandemovým seskokem padákem, ale souprava Sigma Tandem se dobře hodila pro hmotnost systému a její obecná architektura (která používala stabilizační padák) odpovídala požadavkům systému StratEx s malými změnami. Konečný padákový systém se podobal standardnímu zařízení Sigma, ale s několika klíčovými rozdíly. Nejprve došlo k záměně kontejnerů hlavního a záložního padáku tak, že hlavní kontejner byl nad záložním (což je opak standardního kontejneru); za druhé, spojovací bod padáku byl na obalu výše než normálně; a konečně, hydroge sám byl fyzicky větší než standardní tandemový parašutistický systém.
Integrace padákového obalu do relativně složitého systému obleku také vedla k podstatným změnám v upevňovacím vybavení. Rukojeti padáku byly přesunuty z hlavních vztlakových pásů do EM, kde na ně mohl pilot v obleku snadno dosáhnout.
Padák byl držen k systému pomocí smyček na nohou s pevnou délkou kolem horní části stehen obleku a hlavních zvedacích pásů vedoucích přes ramena obleku. Vysokopevnostní spony držely hrudní popruhy k centrálnímu rámu EM.
A i když diskuse o vývoji a testování systému drog přesahuje rámec tohoto dokumentu, stojí za zmínku, že měsíce velmi rozsáhlého testování ve vysokých nadmořských výškách pomocí pilotního simulátoru ekvivalentního hmotnosti a objemu proběhly s úmyslem zabránit rotace pilota během jakékoli části sestupu volným pádem. Pro skutečný let byl vypouštěcí padák uvolněn ve stejném okamžiku, kdy byl pilot vypuštěn z balónu, a během volného pádu nebyla zaznamenána žádná významná rotace.
4. Balon/Baloon Equipment Module (BEM)
K dokončení pilotované části testovací kampaně ve velkých výškách byly použity tři různé velikosti polyetylenových balónů. Pro tři dosažené výšky (56 800 ft, 105 771 ft a 135 890 ft) byl maximální objem každého z těchto balónů 3 000 m3, 48 000 m3 a 328 000 m3. Každý balón byl korunován ventilem, který se otevřel, aby zahájil sestup, a vybaven destrukční pojistkou, která by dostala příkaz k zapálení a vytvoření velké díry v balónu, jakmile pilot vypadne. Balónová avionika byla namontována na BEM, který visel těsně pod balónem. BEM také sloužil jako montážní bod pro balast, kamery pro monitorování letových operací a záchranný padák pro schránku avioniky, která byla katapultována před příkazem k ničení balónu. Pilotní uchycení a uvolňovací lanoví viselo těsně pod BEM. Ačkoli to není primární téma tohoto článku, stojí za zmínku, že úspěšné pilotní vydání bylo považováno za kritické pro přežití pilotů a bylo jediným systémem s terciární redundancí; pyrotechnické řezačky, které by mohly být ovládány z avioniky BEM, pyrotechnické řezačky, které mohly být ovládány z EM avioniky obleku, a ruční uvolnění tahu, které mohl provádět pilot.
5. Pozemní podpůrný personál/vybavení
Pro umožnění oblékání obleků, startu balónu, monitorování a velení mise a operací obnovy po letu bylo zapotřebí velké množství pozemního podpůrného vybavení a personálu. Operace před startem zahrnovaly čtyřhodinový předdechový nádech čistého kyslíku jako konzervativní prostředek ke zmírnění rizika dekompresní nemoci ve výšce a vyžadovaly mobilní pozemní vozík k zajištění energie, kyslíku a chlazení bez použití letového spotřebního materiálu pro předletové operace. K přesunutí vhodného pilota a mobilního pozemního vozíku na místo startu byl použit velký vysokozdvižný vozík, kde byl pilot posazen na malý „startovací sedan“ na kolech, který mu umožňoval vhodně umístit jej pod balón a bezpečně jej připevnit. Tento kolový sedan také sloužil jako startovací platforma, aby se zabránilo vlečení pilota v případě, že boční zatížení balónu způsobilo určité horizontální zatížení obleku před zvednutím pilota po vypuštění balónu. Další vozidlo s na zakázku vyrobeným předním koncovým nástavcem bylo také použito k jemnému zvednutí balónu, když byl naplněn heliem a zvednut do své stojící výšky z jeho rozvinuté délky. Balón byl ukotven k velké ocelové desce, dokud nebyl uvolněn. Operace za letu byly monitorovány a řízeny řídícím střediskem mise s konzolami pro řízení letu; sledování počasí; sledování zdravotního stavu balónu, obleku a pilota; a řízení operací obnovy.
Dva nákladní vozy, dva vrtulníky a letoun s pevnými křídly byly použity pro operace pilota a vyprošťování balónu po letu. Tato vozidla fungovala pod vedením personálu pro obnovu řízení mise. Z důvodu redundance byly jeden z vyprošťovacích vozů a jeden vyprošťovací vrtulník vybaveny malými mobilními verzemi infrastruktury řízení mise a byly schopny nezávislé komunikace a velení jak balónu, tak pilotní EM avionice.