STS-50: Американская микрогравитационная лаборатория-1

Введение

1992 год, американский пилотируемый космический полет

современный пиратский корабль, использовавший это название

STS-50 (U.S. Microgravity Laboratory 1) — миссия космического корабля «Спейс Шаттл» NASA, 12-й полет орбитального аппарата «Колумбия». Из-за плохой погоды на авиабазе Эдвардс, вызванной остатками урагана «Дарби», «Колумбия» впервые в истории совершила посадку в Космическом центре имени Кеннеди.

Устройство мест для экипажа

Место запуска и посадки. Места 1–4 расположены на лётной палубе. Места 5–7 расположены на средней палубе. S1 Ричардс Ричардс S2 Боверсокс Боверсокс S3 Данбар Мид S4 Бейкер Бейкер S5 Мид Данбар S6 ДеЛукас ДеЛукас S7 Тринь Тринь

Основные моменты миссии

Микрогравитационная лаборатория США-1 была миссией космической лаборатории, с экспериментами в области материаловедения, физики жидкостей и биотехнологии. Это был первый полет космического шаттла с оборудованием Extended Duration Orbiter (EDO), обеспечивающим более длительную продолжительность полета. Основной полезной нагрузкой, U.S. Microgravity Laboratory 1 (USML 1), был модуль Spacelab под давлением, совершивший свой первый полет. USML 1 стал первым в запланированной серии полетов, направленных на развитие американской исследовательской программы в области микрогравитации в различных дисциплинах. Проводились следующие эксперименты: печь для выращивания кристаллов (CGF); модуль физики капель (DPM); эксперименты по конвекции, обусловленной поверхностным натяжением (STDCE); выращивание кристаллов цеолита (ZCG); выращивание кристаллов белка (PCG); перчаточный бокс (GBX); система измерения космических ускорений (SAMS); универсальный аппарат для биопроцессов (GBA); астрокультура 1 (ASC); медицинский проект длительного полета (EDOMP); эксперимент по горению твердой поверхности (SSCE). В качестве дополнительных экспериментов проводились: исследования в области обработки полимерных мембран (IPMP); эксперимент по любительской радиосвязи на шаттле (SAREX II); и ультрафиолетовый прибор для измерения шлейфов (UVPI).

Основные достижения миссии

Завершил первый специализированный полет в Микрогравитационной лаборатории США-1, заложив основу для научных операций на космической станции «Свобода». Выполнено 31 эксперимент в условиях микрогравитации в пяти основных областях: динамика жидкостей, рост кристаллов, наука о горении, биологические науки и демонстрация технологий. Введены в эксплуатацию несколько новых экспериментальных комплексов для микрогравитации, предназначенных для использования несколькими пользователями и в ходе нескольких полетов (включая печь для выращивания кристаллов, модуль физики капель и эксперимент по конвекции, вызванной поверхностным натяжением). Продемонстрирована эффективность интерактивных научных операций между членами экипажа и учеными на Земле для оптимизации научной отдачи. Завершено самое длительное выращивание белковых кристаллов в программе космических шаттлов. Проведены итеративные эксперименты по выращиванию кристаллов, в ходе которых химический состав изменялся на основе микроскопических наблюдений за процессами роста. Выполнена самая продолжительная миссия космического шаттла на тот момент (13 дней 19 часов 30 минут) и первый полет шаттла в режиме расширительной продолжительности (EDO). Продемонстрирована универсальность нового Glovebox для взаимодействия членов экипажа с различными экспериментами с целью получения максимального научного результата. Космический шаттл «Колумбия» отправился на орбиту, совершив самый продолжительный полет в истории программы. «Колумбия» совершила посадку почти через 14 дней, вернувшись с данными и образцами, полученными в ходе важного комплекса экспериментов в условиях микрогравитации. Миссия шаттла STS-50 доставила в космос первую Микрогравитационную лабораторию США-1 (USML-1), в ходе которой проводились длительные эксперименты в условиях микрогравитации. Микрогравитация – это гравитационное ускорение, малое по сравнению с гравитационным притяжением на поверхности Земли. Благодаря действию свободного падения (например, при орбитальном полете космического шаттла вокруг Земли) местные эффекты гравитации значительно уменьшаются, создавая тем самым микрогравитационную среду. В ходе продолжительной миссии «Колумбии» члены экипажа, работавшие внутри длинного модуля «Космической лаборатории», размещенного в грузовом отсеке «Колумбии», провели более 30 исследований и испытаний в условиях микрогравитации. Для максимизации научной отдачи от миссии эксперименты проводились круглосуточно. Исследования охватывали пять основных областей научных исследований микрогравитации: динамика жидкостей (изучение того, как жидкости и газы реагируют на приложение или отсутствие различных сил), материаловедение (изучение процессов затвердевания материалов и роста кристаллов), наука о горении (изучение процессов и явлений горения), биотехнология (изучение явлений, связанных с продуктами, полученными из живых организмов) и демонстрация технологий, направленная на подтверждение экспериментальных концепций для использования в будущих миссиях шаттлов и на космической станции «Свобода». На USML-1 были запущены три новых крупных экспериментальных комплекса: печь для выращивания кристаллов, аппарат для эксперимента по конвекции, вызванной поверхностным натяжением, и модуль физики капель. Дополнительным новым оборудованием на этом полете был универсальный Glovebox, позволявший проводить «ручную» манипуляцию с небольшими экспериментами, изолируя экипаж от жидкостей, газов или твердых веществ. Ниже приведено описание некоторых экспериментов USML-1.

Completed first dedicated United States Microgravity Laboratory 1 flight laying the groundwork for Space Station Freedom science operations. Completed 31 microgravity experiments in five basic areas: fluid dynamics, crystal growth, combustion science, biological science, and technology demonstration. Introduced several new microgravity experiment facilities for multiple users and multiple flights (including the Crystal Growth Furnace, Drop Physics Module, and the Surface Tension Driven Convection Experiment). Demonstrated the efficiency of interactive science operations between crewmembers and scientists on the ground for optimizing science return. Completed longest period of protein crystal growth in Space Shuttle program. Conducted iterative crystal growing experiments where chemical compositions were altered based upon microscopic observations of growth processes. Completed longest Space Shuttle mission (13 days 19 hours 30 minutes) at that time and the first Extended Duration Orbiter (EDO) flight of the Space Shuttle program. Demonstrated versatility of the new Glovebox facility for crewmember interaction with multiple experiments for maximum science. The Space Shuttle Columbia rocketed to orbit for the longest Shuttle flight in history. Columbia touched down almost 14 days later returning with data and specimens amassed from an important suite of microgravity experiments. Shuttle mission STS 50 carried the first United States Microgravity Laboratory 1 (USML 1) to space, conducting long duration microgravity experiments. Microgravity is a gravitational acceleration that is small when compared to the gravitational attraction at Earth's surface. Through the action of free fall (e. g., Space Shuttle orbiting Earth), the local effects of gravity are greatly reduced, thus creating a microgravity environment. During the extended mission of Columbia, scientist crew members, working inside the Spacelab long module carried in the payload bay of Columbia, conducted more than 30 microgravity investigations and tests. To maximize the scientific return from the mission, experiments took place around the clock. The investigations fell under five basic areas of microgravity science research: fluid dynamics (the study of how liquids and gases respond to the application or absence of differing forces), materials science (the study of materials solidification and crystal growth), combustion science (the study of the processes and phenomena of burning), biotechnology (the study of phenomena related to products derived from living organisms), and technology demonstrations that sought to prove experimental concepts for use in future Shuttle missions and on Space Station Freedom. Three new major experiment facilities were flown on USML 1. They were the Crystal Growth Furnace, Surface Tension Driven Convection Experiment apparatus, and Drop Physics Module. An additional piece of new hardware on this flight was the versatile Glovebox, which permitted "hands on" manipulation of small experiments while isolating the crew from the liquids, gases, or solids involved. Some of the USML 1 experiments are described below.

Космические эксперименты

Кристаллическая печь роста (CGF) – это многоразовое оборудование для исследования роста кристаллов в условиях микрогравитации. Она способна автоматически обрабатывать до шести крупных образцов при температурах до определенного предела. Дополнительные образцы могут быть обработаны при ручной замене. На USML 1 были использованы два метода роста кристаллов: направленное затвердевание и транспорт паров. Анализируя состав и атомную структуру кристаллов, выращенных без доминирующего влияния гравитации, ученые получат представление о взаимосвязи между потоками жидкости в процессе затвердевания и дефектами в кристалле. CGF работала 286 часов и обработала семь образцов, что на три больше запланированного, включая два полупроводниковых кристалла арсенида галлия. Кристаллы арсенида галлия используются в высокоскоростных цифровых интегральных схемах, оптоэлектронных интегральных схемах и твердотельных лазерах. Члены экипажа могли заменять образцы, используя специально разработанный гибкий Glovebox, для проведения дополнительных экспериментальных операций. Эксперимент по исследованию поверхностного натяжения (STDCE) стал первым космическим экспериментом, в котором использовались современные приборы для получения количественных данных о потоках, вызванных поверхностным натяжением на поверхности жидкостей в широком диапазоне переменных в условиях микрогравитации. Даже незначительные различия в температуре поверхности достаточны для создания слабых потоков жидкости. Такие потоки, называемые "термокапиллярными", существуют на поверхностях жидкостей на Земле. Однако термокапиллярные потоки на Земле сложно изучать, поскольку они часто маскируются гораздо более сильными потоками, обусловленными плавучестью. В условиях микрогравитации потоки, вызванные плавучестью, значительно ослаблены, что позволяет изучать это явление. STDCE предоставил первые наблюдения термокапиллярного потока в жидкости с изогнутой поверхностью и продемонстрировал, что поверхностное натяжение является мощной движущей силой для движения жидкости. Модуль "Физика капель" (DPM) позволил изучать жидкости без контакта с контейнером. На Земле жидкости принимают форму сосуда, в котором находятся. Кроме того, материалы контейнера могут химически загрязнять исследуемые жидкости. DPM использует акустические (звуковые) волны для удержания капли в центре камеры. Изучая капли таким образом, ученые получили возможность проверить фундаментальные теории физики жидкостей в области нелинейной динамики, капиллярных волн и реологии поверхности (изменения формы и течения вещества). Члены экипажа, управляя звуковыми волнами, могли вращать, колебать, сливать и даже разделять капли. В ходе другого теста члены экипажа создали первую составную каплю – каплю внутри капли – для изучения процесса, который в будущем может быть использован для инкапсуляции живых клеток в полупроницаемую мембрану для медицинских трансплантаций. Glovebox, вероятно, оказался самым универсальным новым лабораторным оборудованием, введенным в космос за последние несколько лет. Glovebox предоставляет членам экипажа возможность манипулировать различными тестовыми образцами, демонстрациями и материалами (включая токсичные, раздражающие или потенциально инфекционные) без прямого контакта с ними. Glovebox оснащен смотровым окном в чистое рабочее пространство, встроенными перчатками для манипулирования образцами и оборудованием, системой отрицательного давления воздуха, системой фильтрации и входной дверью для перемещения материалов и экспериментов в рабочую зону и из нее. Основным применением Glovebox было селективное смешивание кристаллов белка и наблюдение за их ростом. Glovebox позволил членам экипажа периодически изменять состав для оптимизации роста, что стало первым подобным опытом в космосе. Другие тесты, проведенные внутри Glovebox, включали исследования пламени свечи, вытягивание волокон, дисперсию частиц, поверхностную конвекцию в жидкостях и взаимодействие жидкости с контейнером. Всего в Glovebox было проведено 16 тестов и демонстраций. Glovebox также предоставил членам экипажа возможность выполнять резервные операции на аппарате для биообработки общего назначения (GBA), которые не планировались. Другим экспериментом Spacelab был аппарат для биообработки общего назначения (GBA) – устройство для обработки биологических материалов. GBA обработал 132 отдельных эксперимента объемом в несколько миллилитров. В аппарате изучались живые клетки, микроорганизмы, используемые в экологической очистке отходов, развитие рачков артемии и яиц ос, а также другие биомедицинские модели, используемые 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 будет использовать для доставки лекарства в определенную ткань организма, например, в опухоль. Прибор системы измерения космического ускорения (SAMS) измерял низкий уровень ускорения (также известный как микрогравитация), испытываемый микрогравитационными экспериментами во время миссии. Эти данные бесценны для ученых, чтобы определить, вызваны ли наблюдаемые эффекты в их экспериментальных данных внешними помехами. Приборы SAMS летали более чем на двадцати миссиях Space Shuttle, 3,5 года на станции "Мир", а новая версия в настоящее время (2006 год) находится на Международной космической станции.

The Crystal Growth Furnace (CGF) is a reusable facility for investigating crystal growth in microgravity. It is capable of automatically processing up to six large samples at temperatures up to Additional samples can be processed upon performing manual sample exchange. Two methods of crystal growth, directional solidification and vapor transport, were used on USML 1. By analyzing the composition and the atomic structure of crystals grown without the dominating influence of gravity, scientists will gain insight into correlations between fluid flows during solidification and the defects in a crystal. CGF operated for 286 hours and processed seven samples, three more than scheduled, including two gallium arsenide semiconductor crystals. Gallium arsenide crystals are used in high speed digital integrated circuits, optoelectronic integrated circuits, and solid state lasers. Crew members were able to exchange samples, using a specially designed flexible Glovebox, to provide the additional experiment operations. The Surface Tension Driven Convection Experiment (STDCE) was the first space experiment to use state of the art instruments to obtain quantitative data on surface tension driven flows on the surface of liquids over a wide range of variables in a microgravity environment. Very slight surface temperature differences are sufficient to generate subtle fluid flows on the surface of liquids. Such flows, referred to as "thermocapillary", exist on fluid surfaces on Earth. However, thermocapillary flows on Earth are very difficult to study because they are often masked by much stronger buoyancy driven flows. In microgravity, buoyancy driven flows are greatly reduced permitting the study of this phenomenon. STDCE provided the first observations of thermocapillary flow in a curved surface fluid and demonstrated that surface tension is a powerful driving force for fluid motion. The Drop Physics Module (DPM) permitted the study of liquids without the interference of a container. Liquids on Earth take the shape of the container that holds them. Furthermore, the materials that make up the container may chemically contaminate the liquids under study. The DPM uses acoustical (sound) waves to position a drop in the center of a chamber. By studying drops in this manner, scientists have the opportunity to test basic fluid physics theories in the areas of nonlinear dynamics, capillary waves, and surface rheology (changes in the form and flow of matter). Crew members, through manipulation of the sound waves, were able to rotate, oscillate, merge, and even split drops. In another test, the crew members were able to create the first compound drop, a drop within a drop, to investigate a process that could eventually be employed to encapsulate living cells within a semi permeable membrane for use in medical transplantation treatments. The Glovebox facility perhaps proved to be the most versatile new space laboratory equipment introduced in the last few years. The Glovebox offers crew members the opportunity to manipulate many different kinds of test activities and demonstrations and materials (even toxic, irritating, or potentially infectious ones) without making direct contact with them. The Glovebox has a viewport (window) into a clean workspace, built in gloves for manipulation of samples and equipment, a negative air pressure system, a filter system, and an entry door for passing materials and experiments into and out of the work area. The primary use of the Glovebox was to selectively mix protein crystals and monitor their growth. The Glovebox allowed crew members to periodically change compositions to optimize the growth, a first for space. Other tests conducted inside the Glovebox included studies on candle flames, fiber pulling, particle dispersion, surface convection in liquids, and liquid/container interfaces. Sixteen tests and demonstrations in all were conducted inside the Glovebox. The Glovebox also provided crew members the opportunity to perform backup operations on the Generic Bioprocessing Apparatus which were not planned. Another of the Spacelab experiments was the Generic Bioprocessing Apparatus (GBA), a device for processing biological materials. The GBA processed 132 individual experiments with volumes of several milliliters. The apparatus studied living cells, microorganisms used in ecological waste treatment, and the development of brine shrimp and wasp eggs, and other biomedical test models which are used in cancer research. One sample studied, Liposomes, consist of spherical structures that could be used to encapsulate pharmaceuticals. If this biological product can be formed properly, it could be used to deliver a drug to a specific tissue in the body, such as a tumor. The Space Acceleration Measurement System (SAMS) instrument measured the low level acceleration (aka microgravity) conditions experienced by the microgravity experiments during the mission. These data are invaluable for the scientists to ascertain whether effects seen in their experimental data are due to external disturbances or not. The SAMS instruments flew on more than twenty Shuttle missions, 3.5 years on Mir, and a new version is presently (2006) on the International Space Station.

Эксперименты в условиях микрогравитации на средней палубе

В то время как большинство экспериментов STS 50 проводились в Американской микрогравитационной лаборатории-1 (USML 1), другие выполнялись на средней палубе «Колумбии». Среди экспериментов, проводившихся на средней палубе, были исследования роста белковых кристаллов, астрокультуры и роста кристаллов цеолита. Эксперимент по росту белковых кристаллов совершил свой четырнадцатый полёт на шаттле, но USML 1 стал первым случаем, когда члены экипажа смогли оптимизировать условия роста с использованием установки Glovebox. Около 300 образцов были засеяны из 34 типов белков, включая комплекс обратной транскриптазы ВИЧ (фермент, являющийся ключевым химическим элементом для репликации СПИДа) и фактор D (важный фермент в иммунной системе человека). Примерно 40% выращенных белков будут использованы для исследований методом рентгеновской дифракции. Увеличение размера и выхода кристаллов объясняется увеличенным временем роста кристаллов, предоставленным этой миссией. Учёные на Земле будут использовать рентгеновскую кристаллографию для изучения трёхмерной структуры каждого белка, определение которой может помочь в контроле активности каждого белка посредством рационального дизайна лекарств. Эксперимент «Астрокультура» оценивал систему подачи воды, предназначенную для поддержания роста растений в условиях микрогравитации. Выращивание растений в космосе рассматривается как потенциальный способ обеспечения продовольствием, кислородом, очищенной водой и удалением углекислого газа для длительного пребывания человека в космосе. Поскольку жидкости ведут себя иначе в микрогравитации, чем на Земле, системы полива растений, используемые на Земле, плохо адаптируются к условиям микрогравитации. В эксперименте по выращиванию кристаллов цеолита было обработано 38 отдельных образцов, которые смешивались в Glovebox. Кристаллы цеолита используются для очистки биологических жидкостей, в качестве добавок в стиральных порошках и для очистки отходов.

Орбитальный аппарат с расширенной продолжительностью (EDO)

STS-50 ознаменовал не только первый полет микрогравитационной лаборатории США-1 (USML-1), но и первый полет орбитального аппарата с увеличенной продолжительностью. Для подготовки к долгосрочным (многомесячным) исследованиям в условиях микрогравитации на борту космической станции Freedom, ученым и NASA требовался практический опыт управления все более длительными периодами времени для проведения экспериментов. Обычно космический челнок обеспечивал микрогравитацию в течение недели или десяти дней. Благодаря комплекту оборудования для увеличения продолжительности полета, орбитальный аппарат "Колумбия" оставался на орбите почти 14 дней, а будущие миссии с "Колумбией" могли длиться до месяца. Комплект включает в себя дополнительные баки с водородом и кислородом для выработки электроэнергии, дополнительные баки с азотом для поддержания атмосферы в кабине и усовершенствованную систему регенерации для удаления углекислого газа из воздуха в кабине. Одним из важных аспектов длительного пребывания в космосе является необходимость поддержания здоровья и работоспособности членов экипажа. В ходе STS-50 члены экипажа проводили биологические исследования в рамках медицинской программы EDO. Они контролировали артериальное давление и частоту сердечных сокращений, а также брали пробы атмосферы в кабине во время полета. Кроме того, они оценили эффективность устройства создания отрицательного давления в нижней части тела (LBNP) как средства противодействия естественному уменьшению объема жидкости в организме, происходящему в космосе. Если положительный эффект от применения LBNP сможет сохраняться в течение 24 часов, это повысит работоспособность членов экипажа при возвращении на Землю и посадке.

Другие полезные нагрузки

Члены экипажа STS 50 также проводили эксперимент любительской радиосвязи с помощью шаттла (SAREX). В рамках этого эксперимента члены экипажа смогли связаться с радиолюбителями, репликой полинезийского парусника в Тихом океане и отобранными школами по всему миру. По всей видимости, это был первый случай, когда астронавты получили любительское телевизионное видео от клубной радиостанции (W5RRR) в Космическом центре имени Джонсона (JSC). Эксперимент "Исследование процессов обработки полимерных мембран" (IPMP) ранее уже выполнялся в шести миссиях шаттлов. Он используется для изучения формирования полимерных мембран в условиях микрогравитации с целью повышения их качества и применения в качестве фильтров в биомедицинских и промышленных процессах.

Знак миссии

На эмблеме миссии изображён космический челнок в типичной лётной позиции, соответствующей условиям микрогравитации. Баннер USML простирается от грузового отсека, внутри которого находится модуль Spacelab с надписью μg – символом микрогравитации. Звёзды и полосы на буквах USML, а также выделенные Соединённые Штаты на изображении Земли под челноком подчеркивают, что это была полностью американская научная миссия.

Взрывы с обломками и микрометеоритами

Орбиентальная позиция "Стойка" шаттла "Колумбия", хотя и идеально подходила для экспериментов в условиях невесомости, была крайне неоптимальной с точки зрения уязвимости к космическому мусору и микрометеоритам (D&M). Шаттл получил 40 попаданий радиационных частиц, 8 попаданий в иллюминаторы и 3 попадания в передние кромки крыла, выполненные из углерод-углеродного композита.