محاكاة الطفو المحايد كوسيلة مساعدة تدريبية

كان رائد الفضاء الروسي أليكسي ليونوف أول من خرج من مركبته الفضائية أثناء تحليقها في مدار حول الأرض. وبعد فترة وجيزة، أصبح إد وايت ، على متن مركبة جيميني 4 ، أول رائد فضاء أمريكي يخرج من مركبة فضائية في الفضاء. كانت هذه الرحلات بمثابة عروض توضيحية لقدرة رواد الفضاء على الخروج من المركبة والعودة إليها، لكنها لم تتضمن أي مهام خارج المركبة. أما الرحلات الثلاث التالية التي هدفت إلى إثبات قدرة رواد الفضاء على الخروج من المركبة فكانت جيميني 9-أ ، و10 ، و 11 . وقد كشفت كل رحلة من هذه الرحلات عن مشاكل في أداء مهام الخروج من المركبة. فقد كان العمل ببدلات الضغط في ظل انعدام الوزن المستمر أثناء الرحلات الفضائية المدارية أكثر تعقيدًا وصعوبة مما كان متوقعًا. وقد قررت وكالة ناسا أن التدريب على مهام الخروج من المركبة يحتاج إلى مزيد من التطوير. ^{[ 1 ]}

في يوليو 1966، انضم برنامج جيميني إلى عقد مع مركز لانغلي للأبحاث التابع لوكالة ناسا، ليشمل تقييم مهام السير في الفضاء (EVA) ضمن برنامج جيميني. ^{[ 2 ]} وكان المقاول، شركة الأبحاث البيئية (Environmental Research Associates) من راندالزتاون، بولاية ماريلاند، قد بدأ بالفعل في تطوير تقنية محاكاة الطفو المحايد في عام 1964. وقد طُوّرت هذه التقنية، التي تُجرى على أشخاص يرتدون بدلات ضغط، في البداية عام 1964 باستخدام مسبح داخلي في مدرسة خاصة ( مدرسة ماكدونو بالقرب من بالتيمور ). ^{[ 3 ]} في البداية، صُممت هذه المحاكاة المبكرة تحت الماء لاختبار قدرة الأشخاص على التحرك داخل نماذج لغرف معادلة الضغط، ولم تُعلّق أوزان عليهم. ^{[ 4 ]} وسرعان ما تطورت اختبارات شركة الأبحاث البيئية تحت الماء إلى محاكاة دقيقة للطفو المحايد، حيث أُضيفت أوزان إلى الأشخاص، وتواجد عدد كبير من غواصي السلامة خلال الجلسات. ^{[ 4 ]}

كان سكوت كاربنتر أول رائد فضاء يُقيّم أداء المقاول، وذلك من خلال محاكاة عملية في ورشة عمل رطبة . تمثلت المهمة في إزالة البراغي أثناء التواجد داخل غرفة معادلة ضغط مغمورة . صُممت عملية إزالة البراغي لتوفير الوصول إلى قبة المركبة الفضائية S-IVB المستهلكة . كان تقييم كاربنتر للمحاكاة إيجابيًا، وسرعان ما قدمت ناسا نماذج أولية لمركبات جيميني ومكونات الالتحام لتسهيل تطوير قدرات السير في الفضاء من خلال التدريب على الطفو المحايد. زار رائد الفضاء جين سيرنان أولًا مسبح مدرسة ماكدونو الداخلي لتقييم المشاكل التي واجهها أثناء مهمة السير في الفضاء على متن جيميني IX-A بعد انتهاء المهمة. ثم عدّلت ناسا العقد ليشمل تدريبًا تمهيديًا لرائد الفضاء باز ألدرين ، قائد مهمة جيميني 12. شارك رائد الفضاء سيرنان أيضًا في هذا التدريب التمهيدي، حيث كان بمثابة بديل لألدرين كطيار لمركبة جيميني 12 .

تدرب ألدرين على النسخة الأصلية من مهمة جيميني 12 للأنشطة خارج المركبة، والتي تم تعديلها لاحقًا للاستغناء عن استخدام وحدة المناورة المأهولة . عاد ألدرين إلى منشأة ماكدونو وتدرب على النسخة النهائية من مهمته. اعتبرت ناسا رحلة الأنشطة خارج المركبة ناجحة تمامًا، وعاد ألدرين مجددًا إلى ماكدونو لإجراء تقييم لاحق للمهمة. أكد التقييم اللاحق للمهمة أهمية استخدام التدريب على محاكاة الطفو المحايد قبل محاولة أداء جميع مهام الأنشطة خارج المركبة أثناء ارتداء بدلة الضغط والعمل في بيئة الفضاء القاسية. أقر ألدرين نفسه ببعض العيوب الطفيفة في التدريب على الطفو المحايد، لكنه وصف هذه الطريقة بأنها تتمتع بـ"ميزة كبيرة" على الطائرات ذات المسار الكبلري . ^{[ 5 ]}

بعد نجاح عمليات السير في الفضاء ضمن مهمة جيميني 12، أنشأت ناسا أحواضًا لمحاكاة الطفو المحايد: مرفق الغمر المائي في مركز المركبات الفضائية المأهولة، وجهاز محاكاة الطفو المحايد في مركز مارشال لرحلات الفضاء . وبعد استخدام هذه المرافق خلال برنامجي أبولو وسكايلاب ، أنشأت ناسا لاحقًا مرفق التدريب على بيئة انعدام الوزن في مركز المركبات الفضائية المأهولة في هيوستن ، ثم مختبر الطفو المحايد ، حيث يتدرب رواد مكوك الفضاء ومحطة الفضاء الدولية على الطفو المحايد. كما يتدرب رواد الفضاء في مركز يوري غاغارين لتدريب رواد الفضاء بالقرب من موسكو . وقد لُخِّصت هذه الإنجازات في مقالٍ نُشر في صحيفة بالتيمور صن عام 2009. ^{[ 6 ]} وفي سبتمبر 2011، تضمن مؤتمر جيميني 45 استعراضًا لهذه الإنجازات بقلم جي. صموئيل ماتينجلي، وكلماتٍ رئيسية لرواد الفضاء ريتشارد جوردون ، وتوم جونز ، وباز ألدرين .

خلال مهمة سكايلاب 2 ، نجح رائدا الفضاء كونراد وكيروين في فتح لوحة شمسية لم تُفتح تلقائيًا بعد الإطلاق. ولإنجاز هذه المهمة، تدرب رائدا الفضاء تحت الماء في جهاز محاكاة الطفو المحايد بمركز مارشال لرحلات الفضاء . ومع ذلك، ونظرًا للاختلافات بين تصميم النموذج المستخدم في التدريب وما وجداه في سكايلاب، استخدم رائدا الفضاء أدوات مؤقتة وأعادا تصميم طريقة إنجاز المهمة أثناء وجودهما في الفضاء الخارجي. ^{[ 7 ]}

يتدرب رواد الفضاء على مهام النشاط خارج المركبة في بيئة مائية ذات طفو محايد قبل محاولة تنفيذها في الفضاء، وذلك لفهم أنهم لا يستطيعون استخدام وزنهم لتوليد قوة ، وأنهم قد يتحركون أو يغيرون مواقعهم إذا ما ولّدوا قوة دافعة في أي اتجاه ، سواء كان ذلك مخططًا له أو غير مقصود. تشير المقالات التي تصف محاكاة الطفو المحايد عمومًا إلى أن بدلة رائد الفضاء مصممة لتكون ذات طفو محايد، لكن رائد الفضاء لا يزال يشعر بالجاذبية داخلها، لذا فإن ملاءمة البدلة أمر بالغ الأهمية، وأن الحركة في الماء، وهو سائل لزج ، تُحدث مقاومة غير موجودة في النشاط خارج المركبة. ^{[ 8 ]}

الهدف الرئيسي لخروج رائد الفضاء من المركبة والقيام بنشاط خارج المركبة (EVA) هو غالبًا توفير قوة لدفع أو سحب أو تدوير أو ضغط أو نقل جسم ما. في ظل جاذبية الأرض العادية، لا يدرك الناس عادةً استخدام وزنهم لتوفير قوة. فمهمة فتح أو إغلاق باب، على سبيل المثال، تصبح معقدة عندما يقف الشخص على سطح جليدي أملس، حيث لا يوفر وزنه احتكاكًا بالأرض . إن تطبيق القوة فعل يتطلب رد فعل، وإذا كانت قدما الشخص تنزلقان، فإن تطبيق القوة يكون محدودًا أو معدومًا. يشعر الشخص بالجاذبية وهو واقف على الجليد، لكنه لا يستطيع استخدام وزنه لتوفير قوة جر، ولا يستطيع نقل وزنه لتوفير قوة في اتجاه أفقي، وبالتالي لا يستطيع دفع الباب. إن دفع الباب ثم الانزلاق للخلف هو استخدام لقصور الكتلة وليس لوزن الشخص. يمكن أيضًا استخدام قصور الكتلة أثناء النشاط خارج المركبة، ولكن القيام بذلك في بدلة ضغط قد يؤدي إلى نتائج غير مرغوب فيها.

كما ذُكر سابقًا (في قسم " الحاجة إلى المحاكاة ")، يشعر رائد الفضاء بالجاذبية داخل بذلة الضغط أثناء غمره في الماء. ومع ذلك، فإنّ بدلة الفضاء مع رائد الفضاء، عند توازنها بشكل صحيح في حالة الطفو المحايد كما هو الحال أثناء السير في الفضاء، تكون عديمة الوزن، وبالتالي، كما هو الحال عند الوقوف على الجليد، لا يستطيع رائد الفضاء استخدام وزنه لتوليد قوة في أي اتجاه. يكون اتجاه أي قوة متشابهًا، إن لم يكن متطابقًا تمامًا، في حالة السير في الفضاء وفي حالة الطفو المحايد. يكون مقدار القوة، في حالة السكون، متقاربًا جدًا، وفي حالة الحركة، يبقى متقاربًا أيضًا، على الرغم من ضرورة دراسة القوة والاتجاه المستخدمين في تحريك الأجسام الكبيرة وتخطيطهما بعناية لجعل المحاكاة واقعية. إنّ عدم القدرة على استخدام الوزن في أي اتجاه أثناء السير في الفضاء، بالإضافة إلى عبء بذلة الضغط، هو ما يجعل أداء المهمة صعبًا.

يُعدّ الاحتكاك مصدر القلق الرئيسي الآخر الذي تمّ تحديده في المقالات المتعلقة بمحاكاة الطفو المحايد. أي حركة في الماء تخضع للاحتكاك، وتتطلب وقتًا أطول (ثوانٍ) وقوة أكبر (أونصات) للتعويض عنه، مقارنةً بالحركة نفسها أثناء السير في الفضاء. في بدايات محاكاة الطفو المحايد، تمّ التفكير في تزويد رائد الفضاء المغمور بمحركات صغيرة للتعويض عن احتكاك الماء، ولكن سرعان ما تمّ رفض هذا الاقتراح باعتباره تعقيدًا غير ضروري. لا يُستغرق سوى نسبة ضئيلة من الوقت في الانتقال إلى موقع جديد، وعادةً ما تكون السرعة منخفضة ، أقل من 15 سم في الثانية. حتى هذه السرعات المنخفضة تخضع للاحتكاك، ولكن يصعب قياسه وسط التيارات المائية الطفيفة الناتجة عن رواد الفضاء الآخرين والغواصين ونظام دوران الماء، والتي تُساهم في زيادة الاحتكاك أو تقليله.

في عمليات السير في الفضاء، يُنجز معظم العمل ببطء ودقة ومنهجية، ليس بسبب التدريب على الطفو المحايد، بل لأن هذه هي الطريقة التي يجب أن يؤدي بها رائد الفضاء المضغوط مهمته في حالة انعدام الوزن. يتطلب تسريع كتلة إلى سرعة أعلى، ثم إبطاؤها، قوة أكبر من تحريكها ببطء إلى وجهتها. كما يسهل التحكم في حركتها إذا كانت تتحرك ببطء. لذا، فإن مقاومة الماء للحركة في حالة الطفو المحايد تستلزم ببساطة بطء الحركة، وهو ما يتناسب أيضاً مع رحلات الفضاء.

هناك جوانب أخرى أقل وضوحًا ولكنها مهمة يجب مراعاتها في تدريبات السير في الفضاء تحت الماء، مثل الاختلافات البصرية الناتجة عن انكسار الضوء عند سطح التماس بين الهواء والماء في واقي الخوذة، وموضع الجسم داخل البدلة بالنسبة للمهمة. يخطط العاملون في مختبر الطفو المحايد في هيوستن ويقيّمون عمليات المحاكاة بدقة متناهية. ويمكن لرواد الفضاء ذوي الخبرة في السير في الفضاء، الذين يراقبون المحاكاة، تقديم المشورة بشأن مدى واقعية أداء المهمة واقتراح التعديلات اللازمة.

إنّ تعلّم وتدريب مهمة السير في الفضاء في بيئة محايدة يمنح رائد الفضاء أو المتخصص في السير في الفضاء الثقة في إمكانية إنجاز المهمة المخطط لها. ويُشابه الجدول الزمني المُعدّ لأداء المهمة الوقت اللازم للسير في الفضاء. وبشكل عام، يُعتقد أن المهمة التي تُنفّذ وتُمارس في محاكاة بيئة محايدة يُمكن تنفيذها أيضًا في السير في الفضاء. وتُعدّ بيئة محايدة، عند التخطيط لها وتنفيذها بشكل صحيح، فعّالة لأنها تُحاكي بشكل واقعي المتطلبات البدنية لأداء مهمة السير في الفضاء.

الطريقة الرئيسية الأخرى المستخدمة لمحاكاة انعدام الجاذبية هي الطيران في طائرة ذات جاذبية منخفضة (ما يُعرف باسم "طائرة القيء")، وهي طائرة تقوم بعدد من الصعود والهبوط المكافئ لمنح ركابها إحساسًا بانعدام الجاذبية. ^{[ 9 ]} يتجنب التدريب على الطائرات ذات الجاذبية المنخفضة مشكلة مقاومة الهواء في التدريب على الطفو المحايد (حيث يكون المتدربون محاطين بالهواء بدلًا من الماء)، ولكنه يواجه بدلًا من ذلك قيدًا زمنيًا شديدًا: إذ تقتصر فترات انعدام الوزن المستمر على حوالي 25 ثانية، تتخللها فترات تسارع تصل إلى حوالي 2g عندما تخرج الطائرة من غطسها وتستعد للجولة التالية. ^{[ 10 ]} وهذا غير مناسب للتدرب على السير في الفضاء، الذي يستغرق عادةً عدة ساعات.