Warum beschlagen Astronautenhelme nicht? Was ist die Chemie und Thermodynamik dahinter, um das Sichtfeld auch bei schwerem Atmen klar zu halten?

Trockene einströmende Luft wird von einem als "Sprühstab" bezeichneten Teil über die Innenfläche des Visiers geblasen. Mit geringerem Erfolg wurden auch Dünnfilmheizer und chemische Mittel verwendet.

Obwohl Wasserdampf in der ausgeatmeten Luft zu Beschlagen führen kann, ist Schweiß die größte Wasserdampfquelle. Das Problem tritt häufiger bei körperlichen Aktivitäten wie Weltraumspaziergängen auf als wenn die Astronauten sitzen. Die Entwicklung von Unterwäsche mit Flüssigkeitskühlung hat das Problem erheblich gelöst.

Frühe Anzüge

Das Entnebeln geht bis zum ersten Luftdruckanzug zurück, der von BF Goodrich hergestellt und von Wiley Post getragen wurde , der es ihm ermöglichte, als erster Mensch über die Tropopause zu fliegen und den Jetstream zu entdecken. Das Glas des Helms wurde durch die trockene, einströmende Luft entnebelt:

Sauerstoff wurde durch eine Öffnung direkt links neben dem Fenster eingelassen (Post hatte die Klappe über seinem linken Auge), um das Glas von Beschlag zu befreien . Ein Auslass rechts vom Fenster entlüftete den Helm. Ein Ventil, das an einem Regler und einem Manometer direkt unter dem linken inneren Knie befestigt war, steuerte den Abfluss aus dem Anzug.

Dressing for Altitude: Druckanzüge der US-Luftfahrt von der Wiley Post bis zum Space Shuttle , p. 33

In den 1930er Jahren verwendete ein für die französische Marine hergestellter Luftdruckanzug einen Luftspalt zwischen zwei Glasschichten sowie ein elektrisches Heizsystem, um das Glas von Beschlag zu befreien. Ein deutscher Druckanzug aus der gleichen Zeit verwendete ebenfalls elektrische Heizgeräte.

Der von Scott Crossfield beim Fliegen für NACA getragene David Clark-Anzug Modell 12 verwendete eine Gesichtsmaske mit separaten Nasen- / Mund- und Augenfächern, um ein Beschlagen zu verhindern.

Der NASA-Testpilot Joseph Walker testete 1961 den Volldruckanzug A/P22S-2. Hergestellt von der David Clark Company, wurde er zum Standard-Fluganzug der US Air Force, und sein grundlegendes Design entwickelte sich zu vielen Raumanzügen der NASA. Es führte die "Sprühstange" ein, ein Metall- oder Kunststoffrohr um den Umfang der Visierplatte mit Löchern, die einströmende trockene Luft auf das Visier bliesen:

Der Atemregler und alle Rohrleitungen wurden innerhalb der Helmschale installiert, mit einer Sprühstange um die Peripherie des Visiers herum, die das Visier von Beschlag befreite .

Sich für die Höhe kleiden , p. 266

Quecksilber

Die Mercury-Raumanzüge, abgeleitet vom Navy Mark IV von Goodrich, waren insofern ein Ausreißer, als sie keine Luft auf den Helm bliesen:

Die Luft strömte durch eine Reihe von Trilok-Leitungen, die in den Torso integriert waren, und trat an den Handgelenken, Knöcheln, im Schritt und an der Peripherie des Halsrings aus. Es floss dann in den Körper des Anzugs, um überschüssige Feuchtigkeit zu entfernen, und verließ den Anzug durch die Auslassöffnung in das Cockpit. Diese Luft belüftet den Anzug nicht nur, sondern setzt ihn bei Bedarf auch unter Druck.

Sich für die Höhe kleiden , p. 230

Ich finde weder Anzeichen dafür, dass die Mercury-Helme beschlagen, noch wurden Anstrengungen unternommen, um sie zu entnebeln. Die Astronauten waren größtenteils sitzend und führten keine Aktivitäten durch, die sie zum Schwitzen brachten. Das Visier konnte auch aufgeklappt werden, und es scheint, dass viele der Astronauten das Visier einfach offen ließen.

Zwillinge

Ein Anzug, der auf dem Air Force A/P22S-2 der David Clark Company basiert, gewann einen Wettbewerb, um der Gemini-Raumanzug zu werden. Der Helm erbte die Sprühstange, die zum Entnebeln ausreichte, wenn die Astronauten saßen. Flüssigkeitskühlunterwäsche war jedoch noch nicht erfunden, sodass die Astronauten bei intensiver körperlicher Aktivität zu Überhitzung und Schweißbildung neigten, was zum Beschlagen des Helms führte. Das war besonders schlimm während des Weltraumspaziergangs auf Gemini 9A:

Cernan begann mit dem langsamen Aufstieg zum Heck des Raumfahrzeugs, wo die AMU gelagert war. Während er sich von der Nabelschnur der Kapsel trennte und sich an den Rucksack anschloss, stieg seine Herzfrequenz auf etwa 155 Schläge pro Minute. Später beschrieb er seinen Raumanzug als "all die Flexibilität einer rostigen Rüstung", wodurch alles viel länger dauerte als erwartet. Das Fehlen von Hand- und Fußgriffen machte es ihm auch unmöglich, eine Hebelwirkung zu erzielen, was es schwierig machte, Ventile zu drehen oder sogar grundlegende Bewegungen auszuführen. Während er die Verbindungen herstellte, wurde Cernan sehr müde. Während dieses Abschnitts der EVA stieg sein Puls auf etwa 180 Schläge pro Minute; der Flugchirurg am Boden befürchtete, er würde das Bewusstsein verlieren.Als er schwitzte, begann sein Visier zu beschlagen. Er rieb seine Nase gegen das Visier, um einen Fleck freizumachen, damit er sehen konnte.

Wikipedia

Der Gemini-Anzug wurde zur Grundlage für den David Clark S1030-Anzug, der im Spionageflugzeug SR-71 Blackbird verwendet wurde. Als Visierheizung wurde eine Goldfolie ausprobiert, die aber wegen Reflexionsproblemen eingestellt wurde. In der folgenden Abbildung ist Element Nr. 23 die Sprühstange:

Apollo

Eine Variante des S1030-Anzugs namens A1C wurde von den Astronauten im Apollo-1-Feuer getragen. Der Tod der Astronauten führte zu einer Neubewertung der Raumanzüge.

Der spätere Apollo-Anzug (Modell A7L) wurde von der International Latex Corporation mit Hamilton Standard als Subunternehmer für die lebenserhaltende Ausrüstung hergestellt. Einströmende trockene Luft wurde auf die Innenfläche des Helms geblasen, um ein Beschlagen zu verhindern:

Das Belüftungssystem sieht zwei Betriebsmodi vor, EV und IV. Im EV-Modus wird der gesamte Einlassgasstrom zum Atmen und Entnebeln des Helms zum Helm geleitet . Der Gasstrom wandert dann über den Körper zu den Extremitäten, wo eine Rückleitung den Strom zum Ausgang des Anzugs leitet. Im IV-Modus wird der Gasstrom aufgeteilt, wobei ein Teil des Gasstroms in einen Torsokanal und direkt über den Körper geleitet wird und das restliche Gas zum Helm geleitet wird.

Apollo Experience Report: Development of the Extravehicular Mobility Unit , NASA Tech Note D-8093, p. 10

Die ausgeatmete Luft wurde über die Nabelschnur zum Kabinenumgebungssystem oder (falls auf einem EVA) zum tragbaren Lebenserhaltungssystem zurückgeführt. In beiden Fällen entfernten die Kohlendioxidwäscher auch Feuchtigkeit aus der Luft. Nachdem Sauerstoff hinzugefügt wurde, wurde trockene Luft in den Anzug zurückgeführt. Apollo-Raumanzüge hatten auch flüssigkeitsgekühlte Unterwäsche, die das Schwitzen sehr effektiv verhinderte.

Es gab auch ein Reparaturset für Raumanzüge, das eine Antibeschlagchemikalie enthielt (aber keine Berichte über ihre Verwendung):

Der fünfte Beutel enthält fünf Applikatorpads, die mit einer Reinigungs- und Antibeschlaglösung getränkt sind.

Apollo Operations Handbook Extravehicular Mobility Unit , p. 2-89

Space Shuttle

Alle für den Start und die Landung des Space Shuttles verwendeten Intravehicular-Anzüge wurden vom S1030-Anzug abgeleitet , der selbst vom Gemini-Anzug abgeleitet ist:

• Der S1030A war der Ejection Escape Suit, der auf STS-1 bis 4 verwendet wurde.
• Der S1032 war der Launch Escape Suit, der auf STS-26R bis STS-88 verwendet wurde.
• Der S1035 war der Advanced Crew Escape Suit, der bei STS-64 und später verwendet wurde.

In jedem kann das Visier geöffnet werden; Viele Astronauten schlossen nie ihre Visiere. Einströmende Luft wird durch einen Sprühbalken in den Helm geblasen. Die Luft strömt dann weiter durch Einwegventile im Nackendamm und setzt den Körper des Anzugs unter Druck. Ein Druckregler drückt dann die Luft in die Kabine.

Für EVAs wurde ein anderer Anzug verwendet: die Extravehicular Mobility Unit. Auch hier wird zunächst trockene Luft auf die Helmoberfläche geblasen:

Der zirkulierende Sauerstoff tritt durch einen im harten Oberkörper eingebauten Verteiler in den Anzug ein. Eine Leitung transportiert den Sauerstoff zur Rückseite des Weltraumhelms, wo er über den Kopf und dann entlang der Innenseite der Helmvorderseite nach unten geleitet wird. Vor dem Eintritt in den Helm erwärmt sich der Sauerstoff ausreichend, um ein Beschlagen des Visiers zu verhindern.Wenn der Sauerstoff den Helm verlässt und in den Rest des Anzugs gelangt, nimmt er Kohlendioxid und Feuchtigkeit aus der Atmung des Besatzungsmitglieds auf. Mehr Feuchtigkeit durch Schweiß, etwas Wärme durch körperliche Aktivität und Spuren von Verunreinigungen werden ebenfalls vom Sauerstoff aufgenommen, wenn er in die in die Flüssigkeitskühl- und Belüftungskleidung eingebauten Kanäle gesaugt wird. Ein Zentrifugalventilator, der mit fast 20.000 U/min läuft, saugt den kontaminierten Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,17 Kubikmetern pro Minute zurück in das PLSS, wo er durch die Contaminant Control Cartridge strömt.

Geeignet für den Weltraumspaziergang , p. 27

Dies ist der einzige Fall, den ich gefunden habe, um die Luft vorzuwärmen. Ich bin mir nicht sicher, ob es elektrisch oder durch die Körperwärme des Astronauten geschieht. Eine direkte Erwärmung des Helms durch Drähte oder Beschichtungen scheint wegen der Beeinträchtigung der Sicht nicht mehr möglich zu sein.

Eine Antibeschlagchemikalie wird auch als Teil von EVA-Vorbereitungen verwendet:

Als nächstes werden einige einfache Aufgaben ausgeführt. Antifog-Mischung wird auf die Innenseite des Helms gerieben. Am linken Arm des Oberkörpers sind ein Handgelenkspiegel und eine kleine spiralgebundene 27-seitige Checkliste angebracht.

ebenda p. 23

Ich habe keine Beispiele für spezielle Beschichtungen gefunden. Ich weiß nicht, ob die Antibeschlagchemikalien es sind, aber die gleichen Tücher werden zum Reinigen der Helme verwendet, also könnte es einfach eine Art Alkohol sein.

Sie verwenden Antibeschlagmittel.

Dies ist eigentlich ein ziemlich berühmtes Faktoid, weil Chris Hadfield während eines Weltraumspaziergangs erblindete, nachdem etwas von dem Antibeschlagmittel sein Auge gereizt hatte, und er hat viele Vorträge über diesen Vorfall gehalten, sowohl in der Luft- und Raumfahrtgemeinschaft als auch als Motivation / inspirierender Redner über das Vertrauen in Ihr Team, Vertrauen in sich selbst, niemals in Panik geraten, niemals aufgeben.

Offenbar ist man nun auf ein weniger reizendes Mittel umgestiegen.