3.5. Podsystem spacerów kosmicznych

Głównym celem misji kosmicznych na inne ciała niebieskie tj. Mars, Księżyc, Phobos, Deimos czy asteroidy są eksploracja powierzchni, badania geologiczne i geofizyczne. W celu dokonania pomiarów geofizycznych konieczne jest rozstawienie urządzeń grawimetrycznych, magnetometrycznych, sejsmometrycznych, elektrooporowych jak również petrograficznych. Ponadto do sprawnego działania bazy konieczna jest instalacja ogniw fotowoltaicznych, anten zapewniających łączność z Ziemią oraz utrzymanie w stanie gotowości statków zapewniających powrót.

EVA jest jednym z najniebezpieczniejszych elementów misji, gdyż astronauci narażeni są dodatkowo na czynniki zewnętrzne, tj. zwiększone promieniowanie kosmiczne i jonizujące, fluktuacje temperatury w cyklu dobowym jak również penetracje mikrometeorytami. Skafandry ochronne, które zapewniają system podtrzymania życia oraz częściową ochronę przed powyższymi zagrożeniami są toporne w użyciu i ograniczające ruchy. Może to spowodować zwiększenie wysiłku u astronautów, szczególnie podczas utraty stabilności i wywrócenia się na powierzchnię. Wynikająca z zasady bezwładności oraz braku oporu powietrza niezatrzymana rotacja może negatywnie wpływać na stawy i osłabiony ekspozycją na środowisko kosmiczne układ kostny i mięśniowy.

3.5.1. Planowanie

System HabitatOS uwzględnia powyższe czynniki przy planowaniu EVA.

Ekran rejestracji spaceru kosmicznego (Rys. 3.20.) pozwala na rejestrację podstawowych parametrów, tj.:

  • czas rozpoczęcia i zakończenia spaceru,

  • czas kompresji i dekompresji w śluzie powietrznej,

  • przypisanie do roli podczas spaceru kosmicznego,

  • planowane zadania główne i poboczne (Rozdz. 3.5.2.)

  • planowany teren eksploracji (Rozdz. 3.5.3.),

  • wykonanie podstawowych badań medycznych przed i po EVA (Rozdz. 3.5.4.),

  • przypisanie do używanego skafandra (Rozdz. 3.5.5.),

  • użyte narzędzia (Rozdz. 3.5.6.),

  • napotkane niebezpieczeństwa (Rozdz. 3.5.7.).

Astronauci podczas spacerów kosmicznych mogą pełnić jedną z następujących ról:

  • dowódca (ang. Lead Spacewalker, EV1),

  • członek zespołu powierzchniowego (ang. EV2 i kolejne)

  • wsparcie habitatowe,

  • operator robotyczny.

Zarówno osoby zajmujące role wsparcia habitatowego jak i robotycznego nie opuszczają bazy kosmicznej (IVA) i wykonują czynności operacyjne zdalnie komunikując się z załogą zespołu powierzchniowego oraz z dowódcą.

../_images/eva-add.png

Rys. 3.20. Zrzut ekranu systemu HabitatOS przedstawiający ekran rejestracji podstawowych parametrów spaceru kosmicznego.

3.5.2. Cele i kategoryzacja

Spacery kosmiczne mogą należeć do jednej z następujących kategorii:

  • eksploracyjne (planowane) - odkrywanie nowych terenów,

  • badawczo naukowe (planowane) - wykonywanie badań biologicznych, geologicznych, geofizycznych,

  • inżynieryjne i testowe (planowane) - ewaluacja sprzętu,

  • operacyjne (planowane), tj. celem wykonania pracy np. wydobycia, budowy, podjęcia cargo itp.,

  • dochodzenie w miejscu wypadku celem ustalenia przyczyny (planowane),

  • służące utrzymaniu habitatu i sprzętu (planowane i nieplanowane),

  • awaryjne (nieplanowane).

Awaryjne wyjścia EVA są nieplanowane i dotyczą:

  • ewakuacji celem udzielania pomocy medycznej astronautom podczas EVA,

  • ochrony lub ucieczki przed zagrożeniem w bazie (eksplozja, utrata ciśnienia, promieniowanie, utrata integralności poszycia habitatu, skażenie chemiczne, itp.),

  • naprawy krytycznych aspektów bazy i sprzętu uszkodzonego podczas działań operacyjnych, jak również w wyniku czynników środowiskowych.

Cele EVA dzielą się na główne oraz poboczne. Realizacja celów głównych jest krytyczna dla powodzenia spaceru kosmicznego i dalszej ewaluacji astronauty. Natomiast cele poboczne są pracami dodatkowymi, których wykonanie przyniesie korzyść, lecz nie determinuje powodzenia operacji. Każdy cel musi zostać określony wg.:

  • planowanego czasu wykonania,

  • ewaluacji potencjalnych zagrożeń,

  • kryteriów wykonania,

  • lokalizacji,

  • narzędzi wymaganych do realizacji celu.

3.5.3. Środowisko

Celem budowy bazy na Księżycu czy Marsie jest eksploracja zasobów lokalnych, prowadzenie badań w terenie podczas spacerów kosmicznych jak również zapewnienie bezpiecznego życia w habitacie, uprawa roślin, hodowla zwierząt, produkcja materiałów, kolonizacja i docelowo turystyka kosmiczna. System operacyjny bazy planetarnej musi wspierać wykonywanie tego typu zadań.

Mars nie posiada pola magnetycznego, a Księżyc ma je szczątkowe. W obu przypadkach pole magnetyczne nie pozwala na nawigację w terenie, np. za pomocą kompasu. Niemożliwe jest także skorzystanie z systemu nawigacji satelitarnej, gdyż na chwilę obecną taka usługa jest niedostępna w obu środowiskach - brak odpowiedniego pokrycia satelitami. System musi zapewniać możliwość poruszania się i nawigowania w terenie wykorzystując alternatywne metody, jak również pozwalać na wykorzystanie różnych formatów podawania współrzędnych geograficznych jak siatka kartezjańska, układ biegunowy, walcowy czy sferyczny.

W HabitatOS stworzono moduł pozwalający na określanie stref powierzchniowych w celu późniejszej eksploracji. Każda ze stref jest oznaczona zestawem współrzędnych geograficznych, tj. długość i szerokość geograficzna, wysokość, kształt. Istnieje możliwość przypisania cech ukształtowania terenu oraz specyfiki budowy geologicznej.

3.5.4. Monitoring parametrów i funkcji życiowych

Kluczowym elementem jest utrzymywanie kontroli nad parametrami życiowymi astronautów wykonujących spacery kosmiczne. Astronauci monitorowani są pod względem:

  • ilości tlenu (O2),

  • ilości dwutlenku węgla (CO2),

  • sprawności aerobowej (VO2Max),

  • temperatury (Temp),

  • saturacji (SpO2) i indeksu perfuzji (PI),

  • ciśnienia skurczowego i rozkurczowego (SYS/DIA),

  • częstości akcji serca (HR),

  • aktywności elektrycznej serca (ECG).

Wszystkie powyższe parametry transmitowane są ze skafandra w trybie rzeczywistym do systemu HabitatOS. Na ich podstawie można ustalić sprawność oraz bezpieczny limit operacyjny EVA. Ponadto kontrolerzy misji wspierający astronautów podczas spacerów kosmicznych także muszą widzieć te pomiary z uwzględnieniem specyficznego dla lokalizacji opóźnienia czasowego.

3.5.5. Skafandry kosmiczne

Skafandry kosmiczne dzielą się na dwa główne rodzaje: IVA oraz EVA. Natomiast te ostatnie mogą przyjmować różne wersje w zależności od przeznaczenia. Lekkie skafandry eksploracyjne i ratownicze, dodatkowo wzmocnione skafandry przemysłu ciężkiego (górnictwo, wydobycie, odwierty, budownictwo). Wzmocnieniem może być dodatkowa powłoka ochronna, zbroja, czy również egzoszkielet.

Wszystkie skafandry w celu zwiększenia możliwości operacyjnych oraz elastyczności działają przy zmniejszonym ciśnieniu oraz zwiększonym ciśnieniu parcjalnym tlenu do 100% atmosfery. Przed wyjściem na spacer kosmiczny konieczne jest wykonanie tzw. procedury pre-breathing. Procedura ma na celu oczyszczenie organizmu z resztek azotu w celu uniknięcia choroby dekompresyjnej (ang. Decompression Sickness, DCS).

W HabitatOS Każdemu członkowi załogi powierzchniowej można przypisać indywidualnie skafander użyty podczas EVA.

3.5.6. Narzędzia wykorzystywane podczas spacerów kosmicznych

Krytycznym elementem wpływającym na powodzenie zadania podczas EVA jest możliwość wykorzystania dedykowanych urządzeń oraz narzędzi.

Wśród narzędzi można wyróżnić:

  • wiertarki,

  • haki,

  • śrubokręty,

  • zagarniarki i pojemniki,

  • kontenery i walizki do przechowywania próbek,

  • wózki i roboty transportowe,

  • czekany i raki,

  • młotki geologiczne,

  • szpadle i szufle,

  • młotki

  • i inne.

Dodatkowo w trakcie EVA astronauci mogą użyć przyrządów do badań geologicznych, mikrobiologicznych, chemicznych i geofizycznych, tj.:

  • urządzenia pomiaru pola magnetycznego i grawitacyjnego,

  • urządzenia mierzące poziom promieniowania jonizującego i kosmicznego,

  • urządzenia badające skład atmosfery, kompozycję gleby, skład mineralny,

  • mapy, pomoce nawigacyjne,

  • i inne.

Każde z narzędzi przypisane jest do schowka, w którym się znajduje przed EVA, jak również do głównego użytkownika podczas spaceru kosmicznego. Po zakończeniu działań operacyjnych astronauci rozliczają się z wykorzystanego sprzętu, odkładają narzędzia na miejsce składowania oraz podsumowują stan magazynowy i zgłaszają ewentualne straty. HabitatOS pozwala na powyższe czynności.

3.5.7. Wsparcie w sytuacjach awaryjnych

Podczas spacerów kosmicznych może dojść do niezaplanowanych wydarzeń, tj.:

  • upadek statyczny, dynamiczny i z wysokości (zsunięcie się z osuwiska, odpadnięcie od krawędzi skalnej),

  • obrażenia wywołane penetracją skafandra (przebicia)

  • skręcenia, złamania, zwichnięcia, zerwania stawów,

  • utraty przytomności,

  • zatrucia CO2,

  • ewakuacja i transport poszkodowanego astronauty,

  • wybuchy,

  • utrata łączności,

  • rozszczelnienia skafandra,

  • utrata zasilania skafandra,

  • awaria sprzętu systemu ECLSS skafandra.

System HabitatOS wspiera możliwość określania wystąpienia powyższych sytuacji nieprzewidzianych oraz umożliwia dodawanie i raportowanie nowych wydarzeń.

3.5.8. Wsparcie robotyczne

Astronautów podczas spacerów kosmicznych (ang. Extravehicular Activity, EVA) wspierają autonomiczne oraz sterowane z bazy roboty, z którymi musi być zapewniona łączność. W skład floty zrobotyzowanych pojazdów mechanicznych wchodzą:

  • pojazdy transportu załogi,

  • łaziki transportowe,

  • łaziki eksploracyjne,

  • roboty w konfiguracji sanitarnej,

  • latające wirokoptery,

  • autonomiczne ornitoptery,

  • drony odrzutowe (ze względu na szczątkową atmosferę na Księżycu niepozwalającą na unoszenie się za pomocą siły nośnej),

  • robotyczne koparki,

  • ramiona robotyczne,

  • robotyczne urządzenia wiertnicze i drążące,

  • inne niesklasyfikowane.

Inteligentny system obsługi bazy kosmicznej musi wspierać zarządzanie flotą oraz komunikację zarówno między astronautami, astronautami-robotami, astronautami-MCC, robotami-MCC i wewnątrz MCC.