機械式カウンタープレッシャースーツ

機械的反圧（MCP）スーツ、部分圧スーツ、直接圧縮スーツ、または宇宙活動スーツ（SAS）は、肌にぴったりとフィットする伸縮性のある衣服によって肌に安定した圧力をかける実験的な宇宙服です。SA​​Sは従来の宇宙服のように膨らむことはありません。空気圧ではなく機械的圧力を使用して、低圧環境で人体を圧縮します。開発は1950年代後半にNASAと空軍によって開始され、その後1960年代後半に再び開始されましたが、どちらの設計も採用されませんでした。マサチューセッツ工科大学（MIT）では、オリジナルのSASコンセプトに基づいた「バイオスーツ」システムの研究が進行中です。^[1]

人体は宇宙の硬い真空にさらされても無防備のまま短時間生き延びることができるが^、一部の人気SF小説ではその逆の描写がある。人間の皮膚は真空から保護する必要がなく、それ自体で気密性がある。そのような状況では人体は約2倍の大きさに膨張し、膨らんだ風船というよりはボディビルダーのような視覚効果を与える。これは、適切に設計された衣服による機械的な反対圧力によって打ち消すことができる。酸素欠乏の影響が現れるまで、意識は最大15秒間保持される。これを打ち消すには、呼吸ガスを封じ込め、耳と目を保護するヘルメットが必要である。^[3]これらの影響は、非常に高い高度の状況、宇宙空間、および訓練用の真空チャンバーでのさまざまな事故を通じて確認されている。^{[4] [2]}

SAS を装着した宇宙飛行士の冷却は、通常、宇宙服から全方向に放出される体から​​出る汗の蒸発によって行われます。水分、塩分、タンパク質が光学部品やその他の敏感な表面に付着して、損傷や劣化を引き起こす可能性があります。これにより、SAS の有用性が制限される可能性があります。スペース シャトル、国際宇宙ステーション、アポロ計画で使用された膨張式宇宙服では、冷却は真空中での水分の 昇華によって一次生命維持システムで達成されました。

1959年、ハンス・マウフはマーキュリー宇宙服の「通気性」下着に取り組んでいたとき、機械的な反圧設計を構築する方法を思いついた。マウフのチームは、構造内にガスを閉じ込める密閉セルフォームが、外圧が低下すると膨張することに注目した。膨張しない外層内にフォームを封じ込めることで、圧力が低下するにつれて体にかかる圧力が増加する。これにより、ほぼ硬直したマーキュリーの設計よりもはるかに優れた可動性を提供する設計が可能になると思われた。^[5]

1959年後半、マウフ研究所は、空軍の極秘のX-20ダイナソーア計画の一環として、実用モデルを開発する契約を米空軍から受けた。この計画は1962年まで続き、その間にNASAもこの計画に参加した。この宇宙服は、2層の生地の間にフォーム層を挟んで作られており、内側の生地は着用者の皮膚（または下着）に当たって機械的サポートを提供し、外側の生地は密閉性を提供する。別のかさばるヘルメットが圧力と呼吸ガスを供給する。マウフがマーキュリー用に開発していた下着と同様に、生地を通した汗の直接蒸散によって熱制御が行われた。結果として得られた宇宙服は、大きなヘルメットを除けば、元のマーキュリー設計とほぼ同じくらいかさばったものとなった。^[5]

長時間の真空テストは成功しましたが、スーツの機動性が予想よりも低いことが判明し、それ以上の開発は中止されました。^[5]

改良された生地の導入により、ポール・ウェッブはSASを製作する新しい方法というコンセプトを考案した。^[6]さまざまな設計コンセプトをテストするために、さらに作業が進められた。1968年から1971年にかけて、ますます洗練されていく10の設計が製作され、最終的には真空チャンバーでの一連のテストに成功した。最長のテストは2時間45分だった。

テストは成功し、機械式逆圧宇宙服の実用性が決定的に実証されました。動き回るのに必要なエネルギーは従来の設計よりも大幅に少なく、これは長時間の船外活動にとって大きな改善でした。穿刺テストでは、最大 1 平方ミリメートルの皮膚を長時間真空に直接さらしても永久的な影響がないことが示されました。従来の宇宙服で同様の穿刺が行われると、圧力と呼吸空気が失われます。この宇宙服の重量は、NASA の宇宙飛行士がアポロ計画で着用した主圧力服、A7Lの半分でした。

また、主に宇宙服を体のあらゆる部分で強力な機械的接触に保つという問題に関連した多くの問題も発生しました。生地のくぼみや小さな折り目により、隙間に液体が溜まる可能性があり、股間の部分はうまく調整するのが非常に困難であることがわかりました。これを修正するために、ポリウレタンフォームの小さなパッドがくぼみに挿入され、ほとんどの問題領域で効果がありました。宇宙服は各個人に合わせて調整する必要がありましたが、これは当時のすべての宇宙服に当てはまりました。最大の難しさは、宇宙服の着脱でした。人間の生理機能に必要な最小圧力 0.3バール(4.4  psi ) を効果的に提供するために、宇宙服は極めてぴったりとフィットする必要があり、着脱は非常に骨の折れる作業になりました。

1971年、ウェッブはジェームズ・F・アニスとともに、その研究結果を報告書として発表した。^[7]報告書は依然として肯定的な内容で、研究者たちはさらなる改善が可能だと感じていた。報告書を引用すると、

結論として、現在の開発段階の SAS は、衣服を着用することで真空環境の影響から人間を保護し、可動性の向上と自然な体の動きを可能にします。生理学的にはこのアプローチは妥当であり、解決すべき問題はまだ多く残っていますが、それらは主に機械的な性質のものです。機械的な問題の解決と、生体力学的分析に基づく慎重な仕立て、および特定の伸縮性生地の開発を組み合わせることで、最終的には宇宙で使用できるバージョンの SAS が実現する可能性があると言われています。

オリジナルの SAS 設計は、2 つの新しい生地をベースにしていました。高張力エリア用の「パワーネット」(または「ガードル ファブリック」) と、低張力エリア用の伸縮性のあるボビネット織りです。どちらも、伸縮性の高い縦糸と、伸縮性の低い横糸を使用してネットを形成しています。この素材は従来の方法で織られていないため、縦糸と横糸という用語はここではあいまいに使用されています。パワーネットでは、縦糸にスパンデックス コード、横糸にナイロン コードを使用し、主に縦糸の軸に沿った動きを可能にしました。ボビネットでは、綿で包んだゴム縦糸とナイロンまたはダクロン横糸を使用し、両方向に柔軟でした。綿で包むことで、最大伸長は残り長さの 200% に制限されました。ボビネットが作り出せる過圧の量は、胴体部分で最大約 0.02 バール (0.29 psi)、手首と足首の半径の小さいカーブ部分で最大 0.053 バール (0.77 psi) です。パワーネットは胴体部分でも約 0.067 バール (0.97 psi) を生成できます。通常の呼吸には最低 0.17 バール (2.5 psi) が必要です。

2 つの素材を何層にも重ねてパッチ状に使用し、体の周りの全体的な機械的圧力を制御しました。まず、皮膚から始めて、軽いパワーネットの「滑り止め層」を使用して、外側の層が皮膚の上を滑って締め付けられないようにしました。この層の下には、スーツとの接触を保つために、体のさまざまな凹部に多数のフォーム パッドを配置しました。この上に、呼吸システムの一部であるカウンター プレッシャー ブラダーがありました。この上に、胴体の上に最大 6 層のパワーネットがあり、腕と脚はボビネットで覆われていました。または、胴体だけを覆うオール ボビネットの衣服もありました。衣服は、通常のボディスーツのように着用され、前面は大きなジッパーで閉じられ、衣服を閉じるのに役立つように、いくつかの場所にドローストリングが追加されていました。交互の層のジッパーはオフセットされていました。

陽圧呼吸システムは、加圧ヘルメット、呼吸用ブラダー、バックパック内のタンクシステムの 3 つの主要部分で構成されていました。ブラダーとヘルメットは接続されており、ユーザーが息を吸うとブラダーから空気が排出され、胴体上に送り出され、ユーザーの胸部にかかる圧力が軽減されます。ヘルメットは、胸部と脇の下を包むノーメックス布の非伸縮性衣服と、その上下の伸縮性層によって固定されていました。

バイオスーツは、NASA先端概念研究所の支援を受け、マサチューセッツ工科大学でダヴァ・ニューマン教授の指揮のもとに製作中の実験用宇宙活動服である。コンセプトはSASに似ているが、バイオスーツは工学と^計測の進歩を応用して^、SAS設計の簡略版を生み出している。^[8]

ニューマンは、生体力学、特に人間の動きのコンピューター測定の分野で幅広く研究してきました。ガス入りスーツと同様に、ニューマンは、1940 年代後半にアーサー・アイベラルが考案した「非伸張ライン」の原理を使用して、通常の動作のほとんどで皮膚が伸びない体のラインに沿って張力要素を配置しました。

バイオスーツの主要構造は、伸縮性コードが非伸長ラインに沿って配置されることによって構築される。したがって、着用者が動いても、コードが与える圧力は一定である。このようにして、スーツが適用する機械的な反圧を制御できる。スーツの残りの部分は、主要な圧力コードの間にあるスパンデックスから構築される。2005年の時点で、バイオスーツチームは、ナイロンスパンデックス、弾性、ウレタン塗装フォームなど、さまざまな材料を使用して、少なくとも3つの下肢プロトタイプを作成した。^[9]ある実験設計では、拡張が制限される領域にコードの間にケブラー繊維が使用されました。ニューマンのために少なくとも1つの全身スーツが構築され、彼女はそれを何度も写真撮影に着用しました。スーツ全体が、下肢プロトタイプが設計されたのと同じ反圧基準を満たしているかどうかは不明です。各スーツは着用者に合わせてカスタム調整する必要がありますが、全身レーザースキャンを使用することで、この作業の複雑さが軽減されます。

その結果、SAS の 1 層バージョンが生まれました。これは、元のバージョンよりも軽量で柔軟性が高く、より自然な動きが可能になり、動きのエネルギー コストが削減されました。バイオスーツの一部のバージョンは一貫して 0.25 バール (3.6 psi) に達しており、チームは現在^{[いつ? ]} 0.3 バール (4.4 psi) を目指しています。機械的な反対圧は、手などの小さな関節には難しいことが判明したため、バイオスーツの基本設計では、ガス充填ヘルメットに加えて、ガス充填手袋とブーツを使用しています。^[10]

バイオスーツの後継モデルでは、熱活性化形状記憶合金（SMA）コイルが採用されている。^[11]このデザインでは、最初に着用したスーツは体にゆるくフィットする。パワーモジュールを取り付けると、スーツ内のバネ状のコイルが収縮し、スーツが体にフィットする。コイルのデザインは、IEEE/ASME: Transactions on Mechatronics誌の記事でさらに詳しく定義されている。^[12] 2008年時点では、バイオスーツは近い将来、火星探査ミッションで使用できる可能性があると報じられている。^{[13] [14]}

2019年現在、核ホウ素管が追加され、宇宙空間や月や火星の表面に存在する放射線からスーツの着用者を守ることができる^{[説明が必要]というさらなる改良が加えられている。}国立航空宇宙博物館のキャシー・ルイスによると、「これは次のスーツではないかもしれないが、その後のスーツの1つになるだろう」とのことで、開発は活発に行われており、将来の月と火星のミッションに焦点を当てていることを示している。^[15]

ダン・シモンズ、スティーブン・バクスター、ラリー・ニーヴン、スパイダー＆ジーン・ロビンソンなどの作家は、宇宙活動服を作品に取り入れている。宇宙活動服は機動性が高く操作が簡単なため、小説では魅力的な選択肢であり、その柔軟性がストーリー展開に有利に働く。また、滑らかで体にフィットする宇宙活動服の美的品質は、従来の堅いダイビングスーツ風の宇宙服のイメージとは対照的で、衣装に未来的な外観を与える。未来をテーマにしたアニメのほとんどには、体にぴったりとフィットする宇宙服が登場する（プラネテスと、それほどではないがガンダムシリーズは例外）。キム・スタンリー・ロビンソンの火星三部作では、これに似たスーツは「ウォーカー」と呼ばれ、火星環境での使用のみを目的としている。スティーブン・グールドのジャンパーシリーズの第4巻では、機械式カウンタープレッシャースーツの開発がメインプロットに不可欠となっている。^[16]

• 一人乗り宇宙船

• ウェッブ、ポール。「宇宙活動スーツ：船外活動用の伸縮性レオタード」。航空宇宙医学、1968 年 4 月、376 ～ 383 ページ。

• Trafton, Anne (2007 年 7 月 16 日)。「宇宙ファッションの大きな飛躍: MIT チームがスリムで肌にぴったりフィットする宇宙服をデザイン」。MIT ニュース。2007 年 8 月 9 日のオリジナルからアーカイブ。
• 宇宙活動スーツ: 船外活動用の伸縮性レオタード、1968 年のオリジナル論文 (Microsoft DOC 形式)
• 宇宙活動服の開発、1971 年の NASA 請負業者レポート、NASA CR-1892、PDFファイル
• 機械式カウンタープレッシャースーツの生理学的効果、PDF ファイル