STS-50 (US Microgravity Laboratory-1) — миссия NASA Space Shuttle , 12-я миссия орбитального корабля Columbia . Columbia впервые приземлилась в Космическом центре Кеннеди из-за плохой погоды на авиабазе Эдвардс, вызванной остатками урагана Дарби . [1] [2]
Астронавты были разделены на красную и синюю команды, чтобы обеспечить круглосуточный мониторинг экспериментов. [4]
US Microgravity Laboratory-1 была миссией космической лаборатории , которая включала эксперименты в области материаловедения, физики жидкостей и биотехнологий. Это был первый полет космического челнока с оборудованием Extended Duration Orbiter (EDO), которое позволяло увеличить продолжительность полета.
Основной полезной нагрузкой была американская Микрогравитационная лаборатория-1 (USML-1), которая совершила свой первый полет. Она включала герметичный модуль Spacelab. USML-1 был первым в запланированной серии полетов для продвижения американских исследований микрогравитации в нескольких дисциплинах. Были проведены следующие эксперименты: Кристаллическая печь для роста (CGF); Модуль физики капель (DPM); Эксперименты по конвекции, управляемой поверхностным натяжением (STDCE); Рост кристаллов цеолита (ZCG); Рост кристаллов белка (PCG); Установка для перчаточных боксов (GBX); Система измерения ускорения пространства (SAMS); Аппарат для общей биообработки (GBA); Astroculture-1 (ASC); Медицинский проект орбитального аппарата увеличенной продолжительности (EDOMP); Эксперимент по горению твердой поверхности (SSCE). Вторичные эксперименты: Исследования обработки полимерных мембран (IPMP); Эксперимент любительской радиосвязи шаттла (SAREX-II); и Ультрафиолетовый прибор для измерения шлейфа (UVPI). [6]
Шаттл Columbia вылетел на орбиту для самого длительного полета шаттлов в истории. Columbia приземлился почти 14 дней спустя, вернувшись с данными и образцами, собранными в ходе важного набора экспериментов в условиях микрогравитации. Миссия шаттла STS-50 вывела в космос первую американскую Лабораторию микрогравитации-1 (USML-1), которая провела длительные эксперименты в условиях микрогравитации. Микрогравитация — это гравитационное ускорение, которое мало по сравнению с гравитационным притяжением на поверхности Земли . Благодаря свободному падению (например, шаттл на орбите Земли) локальные эффекты гравитации значительно уменьшаются, создавая таким образом среду микрогравитации.
Во время расширенной миссии Columbia ученые-члены экипажа, работавшие внутри длинного модуля Spacelab , перевозимого в грузовом отсеке Columbia , провели более 30 исследований и испытаний в условиях микрогравитации. Чтобы максимизировать научную отдачу от миссии, эксперименты проводились круглосуточно. Исследования относились к пяти основным областям исследований в области микрогравитации: гидродинамика (изучение того, как жидкости и газы реагируют на приложение или отсутствие различных сил), материаловедение (изучение затвердевания материалов и роста кристаллов), наука о горении (изучение процессов и явлений горения), биотехнология ( изучение явлений, связанных с продуктами, полученными из живых организмов) и демонстрации технологий, которые стремились доказать экспериментальные концепции для использования в будущих миссиях Shuttle и на космической станции Freedom .
На борту USML-1 были запущены три новых крупных экспериментальных установки: печь для роста кристаллов, экспериментальный аппарат для конвекции, управляемой поверхностным натяжением, и модуль физики капель. Еще одним новым оборудованием в этом полете стал универсальный перчаточный бокс , который позволял «руками» проводить небольшие эксперименты, изолируя экипаж от жидкостей , газов или твердых тел. Некоторые эксперименты USML-1 описаны ниже.
Печь для роста кристаллов (CGF) — это многоразовая установка для исследования роста кристаллов в условиях микрогравитации. Она способна автоматически обрабатывать до шести больших образцов при температуре до 1600 °C (2910 °F). Дополнительные образцы могут быть обработаны при выполнении ручной замены образцов. На USML-1 использовались два метода роста кристаллов: направленная кристаллизация и перенос пара. Анализируя состав и атомную структуру кристаллов, выращенных без доминирующего влияния гравитации, ученые получат представление о корреляциях между потоками жидкости во время затвердевания и дефектами в кристалле. CGF работала в течение 286 часов и обработала семь образцов, на три больше, чем планировалось, включая два полупроводниковых кристалла арсенида галлия . Кристаллы арсенида галлия используются в высокоскоростных цифровых интегральных схемах, оптоэлектронных интегральных схемах и твердотельных лазерах . Члены экипажа могли обмениваться образцами, используя специально разработанный гибкий перчаточный бокс для обеспечения дополнительных экспериментальных операций.
Эксперимент по конвекции, вызванной поверхностным натяжением (STDCE) был первым космическим экспериментом, в котором использовались самые современные приборы для получения количественных данных о потоках, вызванных поверхностным натяжением, на поверхности жидкостей в широком диапазоне переменных в условиях микрогравитации. Очень незначительные различия в температуре поверхности достаточны для создания тонких потоков жидкости на поверхности жидкостей. Такие потоки, называемые « термокапиллярными », существуют на поверхностях жидкостей на Земле. Однако термокапиллярные потоки на Земле очень трудно изучать, поскольку они часто маскируются гораздо более сильными потоками, вызванными плавучестью. В условиях микрогравитации потоки, вызванные плавучестью, значительно уменьшаются, что позволяет изучать это явление. STDCE обеспечил первые наблюдения термокапиллярного потока в искривленной поверхностной жидкости и продемонстрировал, что поверхностное натяжение является мощной движущей силой для движения жидкости.
Модуль физики капель (DPM) позволил изучать жидкости без вмешательства контейнера. Жидкости на Земле принимают форму контейнера, в котором они находятся. Кроме того, материалы, из которых состоит контейнер, могут химически загрязнять исследуемые жидкости. DPM использует акустические (звуковые) волны для размещения капли в центре камеры. Изучая капли таким образом, ученые имеют возможность проверить основные теории физики жидкостей в областях нелинейной динамики, капиллярных волн и поверхностной реологии (изменения формы и потока вещества). Члены экипажа, посредством манипулирования звуковыми волнами, могли вращать, колебаться, объединять и даже разделять капли. В другом тесте члены экипажа смогли создать первую составную каплю, каплю внутри капли, чтобы исследовать процесс, который в конечном итоге может быть использован для инкапсуляции живых клеток внутри полупроницаемой мембраны для использования в медицинской трансплантационной терапии.
Перчаточный бокс (GBX), возможно, оказался самым универсальным новым оборудованием космической лаборатории, представленным за последние несколько лет. Перчаточный бокс предоставляет членам экипажа возможность манипулировать многими различными видами испытательных мероприятий, демонстраций и материалов (даже токсичных, раздражающих или потенциально инфекционных), не вступая с ними в прямой контакт. GBX имеет смотровое окно (окно) в чистое рабочее пространство, встроенные перчатки для манипуляций с образцами и оборудованием, систему отрицательного давления воздуха, систему фильтров и входную дверь для передачи материалов и экспериментов в рабочую зону и из нее. Основное применение перчаточного бокса заключалось в избирательном смешивании кристаллов белка и мониторинге их роста. Перчаточный бокс позволял членам экипажа периодически менять составы для оптимизации роста, впервые для космоса. Другие испытания, проведенные внутри перчаточного бокса, включали исследования пламени свечей , вытягивания волокон, дисперсии частиц, поверхностной конвекции в жидкостях и интерфейсов жидкость/контейнер. Всего внутри перчаточного бокса было проведено шестнадцать испытаний и демонстраций. Перчаточный бокс также предоставил членам экипажа возможность выполнять резервные операции на универсальном биотехнологическом аппарате, которые не были запланированы.
Еще одним из экспериментов Spacelab был Generic Bioprocessing Apparatus (GBA), устройство для обработки биологических материалов. GBA обработал 132 отдельных эксперимента с объемами в несколько миллилитров. Аппарат изучал живые клетки, микроорганизмы, используемые в экологической переработке отходов, а также развитие артемии и яиц ос и другие биомедицинские тестовые модели, которые используются в исследованиях рака. Один из изученных образцов, липосомы, состоит из сферических структур, которые можно использовать для инкапсуляции фармацевтических препаратов. Если этот биологический продукт можно правильно сформировать, его можно использовать для доставки лекарства в определенную ткань организма, например, в опухоль.
Инструмент Space Acceleration Measurement System (SAMS) измерял условия ускорения низкого уровня (т. е. микрогравитацию), испытываемые экспериментами по микрогравитации во время миссии. Эти данные бесценны для ученых, чтобы выяснить, вызваны ли эффекты, наблюдаемые в их экспериментальных данных, внешними возмущениями или нет. Инструменты SAMS летали в более чем двадцати миссиях шаттлов, 3,5 года на «Мире» , а новая версия в настоящее время (2006) находится на Международной космической станции .
В то время как большинство экспериментов STS-50 проводились в US Microgravity Laboratory-1 (USML-1), другие работали на средней палубе Columbia . В эксперименты на средней палубе были включены исследования по росту кристаллов белка, астрокультуре и росту кристаллов цеолита.
Эксперимент по выращиванию кристаллов белков совершил свой четырнадцатый полет шаттла, но USML-1 стал первым случаем, когда члены экипажа смогли оптимизировать условия роста с помощью перчаточного бокса. Было отобрано около 300 образцов из 34 типов белков, включая комплекс обратной транскриптазы ВИЧ ( фермент , который является химическим ключом к репликации СПИДа) и фактор D (важный фермент в иммунной системе человека). Около 40% отправленных белков будут использованы для рентгеновских дифракционных исследований. Увеличенный размер и выход можно объяснить увеличенным временем роста кристаллов, предоставленным этой миссией. Ученые на земле будут использовать рентгеновскую кристаллографию для изучения трехмерной структуры каждого белка , которая, если будет определена, может помочь в контроле активности каждого белка с помощью рационального дизайна лекарств.
Эксперимент Astroculture оценил систему подачи воды, которая будет использоваться для поддержки роста растений в условиях микрогравитации. Рост растений в космосе рассматривается как возможный метод обеспечения продовольствием , кислородом , очищенной водой и удаления углекислого газа для долгосрочного проживания человека в космосе. Поскольку жидкости ведут себя в условиях микрогравитации иначе, чем на Земле, системы полива растений, используемые на Земле, плохо адаптируются к использованию в условиях микрогравитации.
Эксперимент по выращиванию кристаллов цеолита обработал 38 отдельных образцов, которые были смешаны в перчаточном боксе. Кристаллы цеолита используются для очистки биологических жидкостей, в качестве добавок в моющие средства для стирки и в приложениях по очистке отходов.
STS-50 ознаменовал не только первый полет US Microgravity Laboratory-1 (USML-1), но и первый полет Extended Duration Orbiter . Чтобы подготовиться к долгосрочным (месяцы) исследованиям микрогравитации на борту Space Station Freedom, ученым и NASA нужен практический опыт управления все более длительными сроками проведения экспериментов. Space Shuttle обычно обеспечивает от недели до десяти дней микрогравитации. Благодаря комплекту Extended Duration Orbiter орбитальный аппарат Space Shuttle Columbia оставался на орбите почти 14 дней, а будущие миссии с Columbia могут длиться до месяца. Комплект состоит из дополнительных водородных и кислородных баков для выработки электроэнергии, дополнительных азотных баков для атмосферы кабины и улучшенной системы регенерации для удаления углекислого газа из воздуха кабины.
Одним из практических аспектов более длительного пребывания в космосе станет необходимость поддержания здоровья и работоспособности членов экипажа. Во время STS-50 члены экипажа проводили биологические тесты в рамках медицинского проекта EDO. Члены экипажа контролировали свое артериальное давление и частоту сердечных сокращений, а также брали пробы атмосферы кабины во время полета. Они также оценили устройство отрицательного давления нижней части тела (LBNP) как контрмеру против обычного снижения уровня жидкостей в организме, которое происходит в космосе. Если бы благоприятные эффекты LBNP могли длиться в течение 24 часов, это улучшило бы работоспособность членов экипажа при входе в атмосферу и приземлении.
Члены экипажа STS-50 также управляли Shuttle Amateur Radio Experiment (SAREX). В ходе эксперимента члены экипажа смогли связаться с радиолюбителями , копией полинезийского парусного судна в Тихом океане и избранными школами по всему миру. Возможно, это был первый раз, когда астронавты получили любительское телевизионное видео со станции клуба любительского радио (W5RRR) в Космическом центре Джонсона (JSC).
Эксперимент «Исследования в области обработки полимерных мембран» (IPMP) уже проводился в шести миссиях шаттлов. Он используется для изучения формирования полимерных мембран в условиях микрогравитации с целью улучшения их качества и использования в качестве фильтров в биомедицинских и промышленных процессах.
Эмблема миссии показывает космический челнок в типичном положении полета для микрогравитации . Баннер USML простирается от грузового отсека, в котором находится модуль Spacelab с текстом μg — символом микрогравитации. Как звезды, так и полосы на буквах USML, а также выделенные Соединенные Штаты на Земле под челноком, отображают тот факт, что это была чисто американская научная миссия.
Орбитальное положение Columbia "стоя" на месте, хотя и идеальное для экспериментов в условиях микрогравитации, было очень далеко от оптимального с точки зрения уязвимости D&M (Debris and Micrometeoroid ). Орбитальный аппарат получил 40 ударов радиационного мусора, удары по восьми окнам и три удара по передним кромкам углерод-углеродного крыла. [7]
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .