中性浮力シミュレーションを訓練補助として活用する

ロシアの宇宙飛行士アレクセイ・レオーノフは、地球上空の軌道を飛行中に宇宙船から脱出した最初の人物でした。その直後、ジェミニ4号のエド・ホワイトが、宇宙空間で宇宙船から脱出した最初のアメリカ人宇宙飛行士となりました。これらは宇宙船から出入りする能力の実証でしたが、船外活動（EVA）は含まれていませんでした。EVA能力を実証した次の3回の飛行は、ジェミニIX-A、X、XIでした。これらの飛行では、EVA作業の遂行に問題があることが明らかになりました。軌道上の宇宙飛行の無重力状態の中で与圧服を着て作業することは、予想以上に複雑で困難でした。NASAは、EVA作業の訓練にはさらなる開発が必要であると判断しました。^{[ 1 ]}

1966 年 7 月、ジェミニ計画は、ジェミニ船外活動の評価を含むNASAラングレー研究センターとの契約に参加しました。 ^{[ 2 ]}契約者であるメリーランド州ランダルズタウンの Environmental Research Associates は、1964 年に中性浮力シミュレーション機能の開発をすでに開始していました。この耐圧スーツを着た被験者向けの機能は、当初 1964 年に私立学校 (ボルチモア近郊のMcDonogh School ) の屋内プールを使用して開発されました。^{[ 3 ]}当初、これらの初期の水中シミュレーションは、被験者が模擬エアロック内を移動できる能力をテストするために設計されただけで、被験者に重りは付けられていませんでした。^{[ 4 ]}すぐに、Environmental Research Associates の水中テストは、重りを付けた被験者と、セッション中に待機する多数の安全ダイバーを特徴とする、適切な中性浮力シミュレーションへと発展しました。^{[ 4 ]}

スコット・カーペンターは、「ウェットワークショップ」シミュレーションで請負業者の作業を評価した最初の宇宙飛行士でした。タスクは、水没した模擬エアロック内でボルトを取り外すことでした。ボルト取り外しタスクは、使用済みのS-IVBドームへのアクセスを作成するために設計されました。カーペンターによるシミュレーションの評価は良好で、NASAは中性浮力トレーニングによるEVA能力のさらなる開発を促進するために、ジェミニ宇宙船とドッキングコンポーネントのモックアップを迅速に提供しました。宇宙飛行士ジーン・サーナンは、ジェミニIX-A EVA中に遭遇した問題のミッション後評価のために、最初にマクドノー校の屋内プール施設を訪れました。NASAはその後、ジェミニXIIの宇宙飛行士バズ・オルドリン のミッション前トレーニングを含めるように契約を変更しました。宇宙飛行士サーナンも、ジェミニXIIのパイロットとしてオルドリンのバックアップの役割を担っていたため、このミッション前トレーニングに参加しました。

オルドリンは、当初のジェミニ12号船外活動（EVA）バージョンに向けて訓練を行ったが、その後、有人操縦装置（MMU）を使用する作業を排除するように改訂された。オルドリンはマクドノー施設に戻り、船外活動の最終バージョンに向けて訓練を行った。NASAは飛行中の船外活動を完全な成功とみなし、オルドリンは再びマクドノーに戻り、船外活動の事後評価を行った。事後評価では、宇宙服を着て宇宙の過酷な環境で作業しながらすべての船外活動を行う前に、中性浮力シミュレーション訓練を使用することの価値が検証された。オルドリン自身は中性浮力訓練のいくつかの小さな欠点を認識していたが、この方法はケプラー軌道航空機よりも「かなりの利点」があると述べている。^{[ 5 ]}

ジェミニ12号ミッションでの船外活動（EVA）の成功を受けて、NASAは中性浮力シミュレーション用のタンクを建設しました。有人宇宙船センターの水中浸漬施設と、マーシャル宇宙飛行センターの中性浮力シミュレーターです。アポロ計画とスカイラブ計画でこれらの施設が使用された後、NASAは最終的にヒューストンの有人宇宙船センターに無重力環境訓練施設を建設し、その後、スペースシャトルと国際宇宙ステーションの宇宙飛行士が中性浮力の訓練を受ける中性浮力研究所を建設しました。宇宙飛行士と宇宙飛行士は、モスクワ近郊のユーリ・ガガーリン宇宙飛行士訓練センターでも訓練を受けています。これらの功績は、 2009年にボルチモア・サン紙に掲載された特集記事にまとめられています。^{[ 6 ]} 2011年9月には、ジェミニXLVシンポジウムでG・サミュエル・マッティングリーによるこれらの功績のレビューが行われ、宇宙飛行士のリチャード・ゴードン、トム・ジョーンズ、バズ・オルドリンによる発言が行われました。

スカイラブ2号ミッション中、宇宙飛行士のコンラッドとカーウィンは、打ち上げ後に自動的に展開されなかった太陽電池パネルを正常に展開することに成功した。この作業を行うため、宇宙飛行士たちはマーシャル宇宙飛行センターの中性浮力シミュレーターで水中訓練を行った。しかし、訓練に使用した模擬装置の設計とスカイラブで実際に目にしたものとの違いから、宇宙飛行士たちは間に合わせの道具を使用し、宇宙空間で作業を行う方法を再設計した。^{[ 7 ]}

宇宙飛行士は、宇宙空間で船外活動を行う前に、水中で中性浮力状態で船外活動のリハーサルを行い、自分の体重を使って力を加えることはできないこと、また、計画的であろうとなかろうと、あらゆる方向に推進力を加えると、体が動いたり位置が変わったりする可能性があることを理解します。中性浮力シミュレーションに関する記事では、一般的に、宇宙飛行士の宇宙服は中性浮力になるように作られていますが、宇宙飛行士は宇宙服の中にも重力を感じるため、宇宙服のフィット感が非常に重要であること、また、粘性のある流体である水中を動き回ると、船外活動では存在しない抵抗が生じることを指摘しています。^{[ 8 ]}

宇宙飛行士が宇宙船から出て船外活動（EVA）を行う主な目的は、物体を押したり、引いたり、ひねったり、押し込んだり、運んだりするための力を加えることであることが多い。通常の地球の重力下で生活している人々は、自分の体重を使って力を加えていることに通常気づかない。例えば、ドアを開閉するという単純な作業も、滑りやすい氷の上に立っている場合は複雑になる。なぜなら、個人の体重が地面との摩擦結合を提供しないからである。力を加えることは反作用を必要とする動作であり、個人の足が滑っている場合、加えられる力は制限されるか、まったくない。個人は氷の上に立っているときに重力を感じるが、自分の体重を使って牽引力を得ることはできず、水平方向に力を加えるために体重を移動させることもできないため、ドアを力ずくで開けることはできない。ドアを押して後ろに滑らせることは、個人の体重ではなく質量慣性を利用している。質量慣性はEVA中にも利用できるが、与圧服を着て行うと予期せぬ結果が生じる可能性がある。

前述の通り（シミュレーションの必要性）、宇宙飛行士は加圧スーツを着用して水中に浸かっている間、重力を感じます。しかし、船外活動（EVA）時のように中性浮力で適切にバランスが取れている場合、宇宙飛行士と宇宙服の組み合わせは無重力状態となるため、宇宙飛行士は氷の上に立っているのと同様に、重力を使ってあらゆる方向に力を加えることができません。あらゆる力のベクトルは、EVAと中性浮力で全く同じではないにしても、ほぼ同じです。静的な力の大きさは非常に似ており、動的な力の大きさも依然として似ていますが、大きな物体を動かす際に使用する力とベクトルは、シミュレーションを現実的なものにするために慎重に検討し、計画する必要があります。EVAではあらゆる方向に重力を利用できないことと、加圧スーツの重さが相まって、作業遂行が困難になります。

中性浮力シミュレーションに関する記事で指摘されているもう1つの大きな懸念事項は、抗力です。水中でのあらゆる動きは抗力の影響を受け、船外活動（EVA）での同じ動きと比較して、抗力を相殺するために少し長い時間（秒）と少し長い力（オンス）が必要になります。中性浮力シミュレーションの歴史の初期には、水中にいる宇宙飛行士に小型モーターを与えて水の抗力を相殺することが検討されましたが、これはすぐに不必要な複雑さとして却下されました。新しい場所に移動するのに費やす時間はごくわずかで、通常は低速、一般的には毎秒6インチ未満です。このような低速でも抗力の影響を受けますが、他の宇宙飛行士、ダイバー、および水の循環システムによって引き起こされる水中の小さな流れの中では、抗力は増減するため、測定が困難になります。

船外活動（EVA）では、ほとんどの作業がゆっくりと、慎重に、そして計画的に行われますが、それは中性浮力訓練のためではなく、加圧された無重力状態の宇宙飛行士が作業を行う際に、そのようにしなければならないからです。物体を目的地までゆっくりと移動させるよりも、質量を高速まで加速させ、その後減速させる方が、より大きな力が必要になります。また、ゆっくりと移動させる方が、その動きを制御しやすいという利点もあります。したがって、中性浮力下での水の抵抗は、宇宙飛行に適した、動きの遅さを必要とするのです。

水中船外活動（EVA）訓練においては、ヘルメットのバイザーにおける空気と水の界面での屈折による視覚的な違いや、作業に対するスーツ内での位置や姿勢など、他にも考慮すべき、あまり目立たないものの重要な要素がいくつかあります。ヒューストンにある中性浮力研究所の職員は、シミュレーションを綿密に計画し、評価しています。経験豊富なEVA宇宙飛行士がシミュレーションを観察することで、作業の遂行がどれほど現実的であるかについて助言し、修正を提案することができます。

中性浮力下で船外活動（EVA）のタスクを学習し、リハーサルを行うことで、宇宙飛行士やEVA専門家は、計画されたタスクが達成可能であるという自信を持つことができます。タスク遂行のために作成されたタイムラインは、EVAで必要な時間とほぼ同じです。一般的に、中性浮力シミュレーションで実行および練習されたタスクは、EVAでも実行可能であると考えられています。適切に計画および実施された中性浮力シミュレーションは、EVAでタスクを実行する際の身体的要件を現実的にシミュレートできるため、有効です。

微小重力をシミュレートするもう 1 つの主要な方法は、低重力航空機(いわゆる「嘔吐彗星」)での飛行です。この航空機は、放物線状の上昇と下降を何度も繰り返し、搭乗者に無重力の感覚を与えます。 ^{[ 9 ]}低重力航空機の訓練では、中性浮力訓練の抗力の問題 (訓練生は水ではなく空気に囲まれている) を回避できますが、代わりに厳しい時間制限に直面します。持続的な無重力状態は 25 秒程度に制限され、航空機が急降下から引き上げて次の飛行に備える際に2 g程度の加速期間が挟まれます。 ^{[ 10 ]}これは、通常数時間かかる船外活動 (EVA) の練習には適していません。