Breve storia delle tute spaziali


Atmosfera e spazio

Facciamo un passo indietro, una piccola escursione nel tempo, con l’intento di capire come sono nate ed evolute le tute spaziali, per farlo ci soffermeremo a comprendere le basi della fisiologia umana e gli effetti dell’alta quota sul corpo umano.

L’ambiente che ci circonda ha accompagnato e influenzato nel corso nei secoli l’evoluzione della razza umana. Poiché l’uomo si è evoluto sulla superficie terrestre, esso è divenuto incapace di adattare la propria fisiologia a tutti quei cambiamenti che si susseguono nelle varie regioni dell’atmosfera. Questo spiega il motivo per cui, per elevarsi a quote sempre più altre, diventi necessario dotarsi di indumenti ed apparati specifici.

Dal punto di vista fisiologico, l’atmosfera può essere suddivisa in tre differenti zone. Ciò che le discrimina e le differenzia, è la risultante dell’effetto combinato dei cambiamenti di pressione e temperatura sulla fisiologia umana.

La prima zona, detta di “efficienza”, parte dal livello del mare e sale sino a 3500 metri, essa garantisce una condizione ambientale fisiologicamente ideale. Sebbene la pressione barometrica diminuisca, il livello della pressione parziale di ossigeno all’interno di questa fascia permette all’uomo di operare senza l’adozione d’ indumenti protettivi.

La seconda zona dell’atmosfera detta di “deficienza” fisiologica si estende dai 3500 metri sino quasi 18.000 metri. La permanenza in questa zona, data la pressione parziale di ossigeno che diminuisce progressivamente, eleva in maniera drammatica il rischio di problemi legati alla decompressione gassosa.
In questa fascia, diventa fondamentale utilizzare dispositivi supplementari di ossigenazione e cabine pressurizzate. All’approssimarsi del limite superiore di tale fascia, la pressione barometrica diminuisce drasticamente causando un incremento della gravità e della frequenza delle patologie legate all’embolia gassosa.

La terza fascia che si estende oltre i 17.500 metri sino ai limiti estremi dell’atmosfera, è definita “zona spaziale equivalente”. Le condizioni estreme presenti all’interno di questa fascia sono totalmente ostili alla vita umana. Di conseguenza per potervi sopravvivere è necessario disporre di apparati che forniscano un’atmosfera artificiale idonea.
L’esposizione senza specifici apparati alle pressioni e alle temperature estremamente basse presenti nella zona spaziale equivalente, portano in breve tempo alla morte. Un esempio della pericolosità di questa fascia atmosferica, si riscontra all’approssimarsi del limite di Armstrong, una quota ideale posta tra i 18.900 e 19.400 metri d’altezza. A questa quota la pressione atmosferica è talmente bassa (0.0618 Atmosfere) che l’acqua bolle alla normale temperatura corporea di 37 °C.   Senza la protezione di un apparato specifico, gli effetti riscontrabili sul corpo umano sono sostanzialmente due: ebollizione dei liquidi corporei presenti nel corpo umano (come la saliva), mancanza quasi assoluta di ossigeno che possa raggiungere i polmoni. In queste condizioni la morte sopraggiunge in pochi minuti.

I primordi del volo

Fin da quel lontano 17 dicembre 1903, quando i fratelli Wrigth compirono il primo volo umano, fu chiaro come fosse necessario vestire indumenti adeguati per sopportare le basse temperature e resistere alle forti correnti presenti in quota.

Già dalla prima metà degli anni ’20 con l’avvento dei propulsori turbocompressi, i velivoli  potevano salire oltre i 10.000 metri; quota comprese come visto, nella fascia di deficienza. Qui i piloti incontravano enormi difficoltà e la sopravvivenza diventava impossibile a causa della ridotta concentrazione di ossigeno e per il freddo intenso.  Per supportare i piloti commerciali e soprattutto quelli militari, cominciano a essere sviluppati i primi apparati per la respirazione artificiale e indumenti specifici per il volo.

Russia

In Russia, le prime tute pressurizzate furono progettate da Evgeniy Chertovsky a Leningrado a partire dal 1931. Il modello CH-1, riconosciuto come il primo modello di tuta pressurizzata sovietica, altro non era che un semplice indumento a tenuta d’aria in robusto tessuto il quale non disponeva di  giunti specifici alle articolazioni. Una volta pressurizzata l’occupante doveva esercitare sforzi elevati solo per compiere dei semplici movimenti. Le attività di sviluppo e ricerca furono condotte in seguito tra il 1936 e il 1941 dal Central Aerohydrodynamic Institute (TsAGI) e presso il Gromov Flight Research Institute (LII) dopo la Seconda Guerra Mondiale. Qui furono prodotti alcuni apparati pressurizzati per i piloti dell’aviazione mentre nel 1959 furono avviati i primi studi per apparati pressurizzati specifici per il volo spaziale. Chertovsky battezzò con il nome “skafander” I propri apparati pressurizzati, mutuandolo dal termine francese “scaphandre” (tuta da immersione). Da allora, il termine Skafander è utilizzato dai Russi per identificare le tute spaziali. Nel 1952 fu fondata la Research Development and Production Enterprise (RD&PE) Zvezda  con il nome di “Plant n° 918” allo scopo di sviluppare testare e costruire equipaggiamenti di sicurezza per gli aerei militari, compresi gli apparati pressurizzati per i piloti dell’aviazione sovietica. Fin da subito l’azienda venne incaricata di progettare e costruire gli apparati pressurizzati per il programma spaziale sovietico. Tutt’oggi la Zvezda produce le tute pressurizzate Sokol KV-2 impiegate dagli astronauti nelle missioni a bordo delle capsule spaziali Soyuz.

Stati Uniti

Nel 1931, un americano di nome Mark Ridge si propose all’attenzione dell’opinione pubblica sostenendo di voler infrangere il record di altezza sfruttando un pallone stratosferico. Ben cosciente del fatto che un volo simile avrebbe richiesto indumenti speciali, dopo aver ricevuto risposte negative dall’aviazione americana, si recò, nel 1933, presso gli studi di un famoso fisiologo scozzese il Dr. John Scott Haldane, molto conosciuto all’epoca per i suoi studi sugli apparati pressurizzati per palombari. Con l’assistenza di Sir. Rober Henry Davis della Siebe Gorman venne costruito un primo prototipo di apparato pressurizzato. Il prototipo fu testato in camera iperbarica ad un altezza simulata di 17.800 metri con esito positivo ma ,nonostante il successo ottenuto, Ridge non ricevette ulteriori fondi per attuare il suo progetto. Il record di altezza fu però stabilito da Francis Ronald Downs Svain, Squadron Leader della Royal Air Force che qualche anno più tardi, nel 1936 utilizzando un prototipo migliorato basato su quello ideato per Ridge, raggiunse la quota di 15.230 metri a bordo di un Bristol Type 138. Epica fu la rivalità con il Colonnello Mario Pezzi che nel 1938 a bordo del suo Caproni Ca.161Bis salì sino a 17.083 metri, utilizzando la prima cabina a tenuta stagna al mondo e indossando una particolare tuta con casco pressurizzato. Il record del Colonnello Pezzi, è tutt’ora valido per i velivoli spinti da motori a pistoni.

Wiley Post e Russell Colley

Nel 1934 l’aviatore commerciale Wiley Post  si rivolse all’Ingegnere Russell Colley della B.F. Goodrich Company per sviluppare un suo progetto di tuta pressurizzata. Dopo alcuni tentavi falliti, Colley riuscì a realizzare quella che viene ritenuta essere la prima tuta pressurizza impiegata operativamente in volo. La tuta era costituita di 3 strati: un indumento intimo completo, una sacca a tenuta d’aria mentre lo strato esterno era costituito da tessuto per paracadute opportunamente gommato. La tuta fu realizzata in 2 parti, una superiore ed una inferiore, congiunte da un anello metallico attorno alla vita; una volta pressurizzata la tuta assumeva una posizione “seduta” per permettere a Post di poter operare sui comandi dell’aereo e limitare gli sforzi durante i movimenti. La tuta era completata con un casco cilindrico in alluminio e visiera circolare in plastica, un paio di guanti in robusta pelle e scarponi gommati. Post volò per la prima volta con la tuta pressurizzata nel Settembre 1934 raggiungendo I 14.000 metri di quota sorvolando Chicago.

Seconda Guerra Mondiale

Durante gli anni del secondo conflitto mondiale, negli Stati Uniti vengono compiuti enormi sforzi nello sviluppo di apparati pressurizzati. Tra le aziende coinvolte, la B.F Goodrich possedeva tecnologie e know how sufficienti a porla un passo avanti rispetto alle concorrenti. La Arrowhead Rubber Co., la Googyear e la US Rubber erano in aperta competizione tra loro nell’intento di scalzare la leadership della B.F Goodrich. Gli sforzi non produssero però apparati  pressurizzati funzionali per l’impiego operativo, gettarono però delle solide basi per lo sviluppo futuro.

Alla conclusione della seconda Guerra Mondiale, il nuovo assetto geopolitico genera attriti tra le due superpotenze che sfociarono nella “Guerra Fredda”. Stati Uniti e Unione Sovietica si minacciavano a vicenda ostentando il proprio arsenale nucleare. L’aviazione Americana ricevette ingenti fondi nella ricerca e sviluppo con l’obiettivo di realizzare velivoli ad alte prestazioni come l’X-1. In quegli anni, il Dr. James Henry docente presso la University of Southern California, realizzò un apparato che si discostava dalle caratteristiche tipiche delle tute a piena pressurizzazione. L’intuizione del Dr. Henry lo portò a ideare una tuta a vestizione completa dotata di maschera ad ossigeno e speciali tubi in gomma allacciati su di essa i quali, gonfiandosi con l’azione del gas, stringono la tuta sul corpo fornendo un azione contromeccanica sufficiente a bilanciare la pressione di respirazione necessaria a prevenire l’ipossia a partire da determinate altezze.

La David Clark Company, un’azienda emergente in quegli anni, fornì il supporto tecnico e le risorse che condussero fino alla realizzazione di un prototipo testato ad un’altitudine simulata di 27.000 metri presso Wright Field nel 1946. In seguito, il primo pototipo ideato dal Dr. Henry fu aggiornato e rivisto dalla David Clark Company giungendo alla realizzazione della prima tuta a pressurizzazione parziale S-1 e la successiva T-1, la tuta utilizzata dai piloti del X-1. Si trattava quindi della prima tuta a pressurizzazione parziale per impiego operativo. Il successore dell’X-1, il Douglas Skyrocket fu realizzato nell’intento di abbattere la barriera dei 2 Mach, le sue potenzialità richiedevano che il pilota indossasse un indumento protettivo specifico, con capacità e caratteristiche superiori ai migliori apparati a quel tempo in utilizzo presso aviazione e marina. Nel 1951 la David Clark vinse il contratto per la fornitura di una tuta pressurizzata per i piloti  dello Skyrocket. Si trattava della Model 4 Full Pressure Suit la prima tuta a piena pressurizzazione realizzata dalla David Clark. Nel 1953 fu indossata dal pilota Marion Eugene Carl durante il tentativo di stabilire un nuovo record d’altezza; Carl divenne il primo pilota militare ad indossare un apparato a piena pressurizzazione.

Progetto Mercury

La pressante richiesta di nuovi apparati pressurizzati da poter impiegare con i nuovi velivoli da ricognizione d’alta quota ad alte prestazioni come l’U2, costrinse la US Navy nei primi anni ’50 ad avviare una cooperazione con la B.F. Goodrich e la Arrowehead Rubber. La US Navy produsse una serie di prototipi che culminarono con le tute Mk III e la Mk IV. Sebbene gli apparati fossero sviluppati per l’impiego su aerei militari, la tuta Mk IV fu impiegata anni più tardi dalla NASA per il progetto Mercury, il primo programma spaziale americano. Adottando alcune modifiche la tuta fu poi denominata Navy Mark IV o Mercury Spacesuit. Negli stessi anni, la David Clark si aggiudicò il contratto per la produzione delle tute pressurizzate del programma X-15, la tuta denominata XMC-2 fu qualificata come la prima tuta pressurizzata operativa statunitense. Fu anch’essa testata dalla NASA per il programma Mercury ma gli fu preferita la Mk IV per il suo minor ingombro.

Progetto Gemini

Il progetto Gemini, nacque come fase intermedia di avvicinamento alla Luna, in quanto si rese necessario sviluppare e testare le tecnologie che sarebbero poi divenute il perno portante del  programma Apollo. Le scelte progettuali adottate sulla capsula permettevano in oltre di poter programmare anche delle attività extraveicolari pianificate durante le 11 missioni previste per il programma.

La David Clark di Worcester, Mass. Vinse l’appalto per la fornitura degli apparati pressurizzati per il progetto Gemini nel 1962 non senza sorprese.  Di fatto la B.F Goodrich e Arrowhead stavano portando avanti prototipi  realizzati con fondi diretti della NASA ma prima della definitiva attribuzione del contratto  la David Clark presentò il suo prototipo realizzato con finanziamenti interni. L’apparato prototipale proposto, impiegava la tecnologia proprietaria sviluppata dalla David Clark denominata Link Net Suit Technology, ideata durante la realizzazione della tuta pressurizzata per il progetto USAF X-15. La tuta fu ritenuta superiore rispetto alle concorrenti e conseguentemente, fu impiegata nel programma Gemini. La tuta di produzione assunse il nome di G1C e rimpiazzò il modello sperimentale GX1C per i test di valutativi. La G1C supportò i primi test d’interfacciamento con la capsula, punto nodale nella fase di avanzamento dei lavori di integrazione della capsula Gemini.
La tuta G2C  da addestramento che seguì, incorporava i miglioramenti dei punti deboli  riscontrati durante i test eseguiti sull’apparato precedente G1C. Una delle caratteristiche più importati della G2C e dei primi prototipi era lo strato di rivestimento esterno alluminizzato che fu selezionato per le sue caratteristiche di protezione contro gli sbalzi termici del vuoto spaziale.
Durante la missione Gemini 3, la prima missione con equipaggio umano del programma, la tuta G3C fu impiegata positivamente dai due astronauti Grissom e Young. Contrariamente ai precedenti apparati Gemini, la G3C non impiegava più uno strato esterno alluminizzato bensì uno rivestimento esterno realizzato in Nomex bianco.  Per la la missione Gemini 4, dove era prevista la prima EVA americana, fu necessario rivedere e migliorare la tuta G3C. L’apparato che ne scaturì fu denominato G4C ed incorporava miglioramenti del casco, dei guanti e nel numero di strati e dei materiali impiegati per poter affrontare con sicurezza l’uscita dalla capsula. La tuta fu corredata di un piccolo apparato per il supporto vitale a ciclo aperto e  di un Hand Held Maneuvering Unit (HHMU) una sorta di pistola a razzo impiegata poi anche nelle missioni Gemini VIII, X, XI.

Un ulteriore evoluzione della tuta G3C fu la G5C espressamente progettata per la missione a lunga durata Gemini IIV. La tuta G3C fu”spogliata” e rivista in funzione della possibilità di poter essere svestita e rivestita all’interno della capsula Gemini, in questo modo si potè garantire agli astronauti un maggior comfort durante i 14 giorni di permanenza in orbita della missione.

Progetto Apollo

Per dare vita al Progetto Apollo,  l’industria americana affrontò uno sforzo enorme in termini di uomini e risorse, superando incognite e affrontando nuove sfide tecnologiche necessarie a sviluppare non solo i mezzi,  ma anche la tuta spaziale che avrebbe permesso all’uomo di calcare il suolo lunare.
La Hamilton Standard fu incaricata dalla NASA di supervisionare l’integrazione del sistema tuta-supporto vitale mentre la International Latex Corporation  come subcontractor ricevette l’incarico di realizzare la tuta pressurizzata vera e propria. Lo studio degli apparati pressurizzati ebbe inizio fin dal 1962 e culminò nel 1968 con la produzione della prima tuta per il progetto Apollo denominata A7L. Lo sviluppo di questo apparato conobbe alti e bassi durante gli anni di progettazione e testing. Dopo l’incidente di Apollo 1 nel Gennaio del 1967 in cui persero la vita Virgil I. Grissom, Edward H. White e Roger B. Chaffee la NASA fu costretta a rivedere i propri progetti relativi agli apparati pressurizzati eliminando le tute del blocco 1 ed incorporando in un solo apparato le specifiche progettuali richieste per gli apparati del Blocco II e del Blocco III.

Ogni astronauta disponeva di 3 tute realizzate su misura, una per la missione, una per l’addestramento e una di backup. Il peso complessivo dell’apparato si attestava sui 22 Kg. mentre il dispositivo di supporto vitale (PLSS) ne pesava ben 26. La versione modificata A7LB fu pensata per le missioni a lunga durata Apollo “J” , essa disponeva di alcune migliorie che ne aumentavano la mobilità e le performances generali in previsione delle lunghe escursioni lunari da Apollo 15 in avanti. La A7LB fu modificata con l’aggiunta di ulteriore strato di protezione contro il calore ed impiegata nelle missioni Skylab.

La tuta pressurizzata per il progetto Apollo fu realizzata per soddisfare una serie di esigenze fino a quel tempo mai prese in considerazione per un simile apparato. Per assicurare il massimo ritorno di informazioni scientifiche dalla Luna si rese necessario prevedere un set di dispositivi per la raccolta di campioni, per l’installazione ed il recupero di strumentazione scientifica,    l’effettuazione di esperimenti sulla superficie lunare e nello spazio. Gli astronauti dovevano essere in grado di operare in sicurezza nello spazio per compiere trasferimenti d’emergenza dal Modulo Lunare al Modulo di Comando in caso in caso di impossibilità di docking tra i 2 moduli. La tuta A7L sarebbe divenuta la EMU (Extravehicular Mobility Unit) una volta preparata per le escursioni lunari. La EMU consisteva in una tuta pressurizzata ad alta mobilità abbinata ad un dispositivo di supporto vitale (PLSS). La tuta pressurizzata  vera e propria era denominata PGA (Pressure Garment Assembly) e veniva impiegata  per tutte le operazioni in orbita, per il lancio, il rientro ed il trasferimento Terra – Luna. Durante queste fasi, la tuta diveniva parte integrante del sistema ridondante di sicurezza,  quando operava in congiunzione con sistemi di supporto vitale del Modulo di comando o del Modulo Lunare. Sulla superficie lunare in congiunzione al PLSS permetteva di effettuare EVA dalla durata fino a 7 ore assicurando agli astronauti  la possibilità di eseguire gli esperimenti scientifici .Le tute sviluppate per il programma Apollo riflettevano oltre 30 anni di ricerca e sviluppo compiuto da ingegneri e tecnici delle varie aziende impegnate con la NASA nella realizzazione di apparati protettivi per le missioni  Spaziali.

I responsabili del Nasa Manned Spacecraft Center ritenevano di aver fornito agli astronauti delle missioni Apollo le migliori soluzioni ad una vasta gamma di problemi a partire dai supporti vitali fino all’applicazione della  tecnologia più avanzata, sia nei materiali che nei mezzi.

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  1. 3 luglio 2016 alle 1:52 pm

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